王軍鵬 桑樹(shù)勛 周效志 逄 礴 張新福

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 221116; 2. 東北煤田地質(zhì)局103 勘探隊(duì), 遼寧 111000)

紅陽(yáng)煤田徐往子井田煤層氣成藏地質(zhì)條件分析

王軍鵬1桑樹(shù)勛1周效志1逄 礴2張新福2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 221116; 2. 東北煤田地質(zhì)局103 勘探隊(duì), 遼寧 111000)

通過(guò)對(duì)徐往子井田控氣地質(zhì)條件、含氣性及儲(chǔ)層物性的研究, 初步分析了徐往子井田煤層氣的成藏地質(zhì)條件。分析認(rèn)為： 研究區(qū)煤變質(zhì)程度高, 煤層氣資源量豐富, 成藏主控因素為構(gòu)造控氣; 本區(qū)以封閉式深埋藏為主, 除斷層位置外, 封閉性較好, 但透氣性差, 滲透率低, 需經(jīng)后期改造。

含氣性 控氣地質(zhì)條件 儲(chǔ)層物性 徐往子井田

徐往子井田位于遼寧省遼陽(yáng)市紅陽(yáng)煤田東南部, 井田面積28km2。東北煤田地質(zhì)局103 隊(duì)2008年在該區(qū)進(jìn)行的煤層氣資源開(kāi)發(fā)利用可行性研究評(píng)價(jià)結(jié)果顯示： 徐往子井田為高瓦斯礦區(qū), 煤層氣資源豐富, 具備規(guī)模性開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)[1]。由于徐往子井田位于遼陽(yáng)市規(guī)劃區(qū), 城市壓煤導(dǎo)致地下煤炭資源暫時(shí)不能利用。因此對(duì)徐往子井田煤層氣資源的勘探開(kāi)發(fā)可減少資源損失, 且對(duì)紅陽(yáng)煤田及周邊礦區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)利用具有示范意義。

煤層的含氣性、控氣地質(zhì)條件及儲(chǔ)層物性是影響煤層氣儲(chǔ)量及可采性的重要指標(biāo)[2-3]。對(duì)煤層氣成藏地質(zhì)條件的研究有助于動(dòng)態(tài)了解煤層氣的成藏過(guò)程, 明確煤層氣成藏的主控因素, 以利于煤層氣的開(kāi)采。目前對(duì)徐往子地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)還僅限于初步基礎(chǔ)地質(zhì)條件研究及評(píng)價(jià)階段, 研究程度較淺。本文在借鑒前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)徐往子井田控氣地質(zhì)條件、含氣性及儲(chǔ)層物性的研究, 初步分析了徐往子井田煤層氣的成藏地質(zhì)條件。

1 徐往子井田煤層氣區(qū)域地質(zhì)條件

徐往子井田位于遼河平原東部斜坡帶內(nèi), 太子河沖擊扇上, 地形平坦, 海拔標(biāo)高16．1～20．5m。勘探區(qū)范圍北與西馬礦相鄰, 南至望寶臺(tái), 東起煤層露頭, 西以F70斷層為界, 井田面積28km2。以F1斷層為界, 可分為東、西兩個(gè)構(gòu)造單元, 如圖1所示。

圖1 徐往子井田地質(zhì)圖

1．1 構(gòu)造地質(zhì)條件

紅陽(yáng)煤田處于華北地臺(tái)北緣與西伯利亞板塊交接部位, 東臨太平洋板塊, 其構(gòu)造單元屬于中朝地臺(tái)內(nèi)遼東臺(tái)背斜和下遼河中新生代凹陷裂谷東坡復(fù)合地帶。在成煤期結(jié)束進(jìn)入中生代后, 首先經(jīng)歷印支運(yùn)動(dòng), 在南北對(duì)扭作用下形成了紅陽(yáng)煤田初期的NE- SW 向斜列褶皺雛形, 進(jìn)入中侏羅世后期, 太平洋板塊開(kāi)始向大陸俯沖, 形成了由NW 向SE 的逆沖推覆構(gòu)造。隨著太平洋板塊進(jìn)一步的俯沖, 大陸邊緣向海洋一側(cè)拉張, 形成了本區(qū)一系列拉張斷陷盆地和斷裂構(gòu)造, 以及受左旋作用影響形成了一系列NW 或NNW 向的正斷層組。此后這些構(gòu)造經(jīng)喜山運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)和改造。進(jìn)入第四紀(jì), 大量沖洪積物質(zhì)掩蓋整個(gè)下遼河平原, 紅陽(yáng)煤田被埋于其下, 最終形成了現(xiàn)在的構(gòu)造格局。

受此構(gòu)造背景影響, 徐往子井田以F1為界可分為東、西兩個(gè)小型構(gòu)造單元。其中F1斷層以西為上崗子向斜跨越太子河的南延部分, 其兩翼被F1與F70斷層切割成三角形的向斜輪廓, 向斜軸N30°E, 向SW 傾伏, 地層傾角30°～45°, 在該段F70號(hào)逆斷層使局部煤層出現(xiàn)重復(fù)。F1號(hào)斷層以東為張臺(tái)子不完整向斜的南延部分, 在區(qū)內(nèi)以單斜形式出現(xiàn)： 地層走向N40°～50°E, 傾向NW, 傾角45°～65°, 呈狹長(zhǎng)條帶狀由北向南發(fā)育的F79、F71、F72斷層將含煤地層切割成數(shù)段, 斷層走向近似垂直于煤層露頭。

1．2 沉積古地理特征

紅陽(yáng)煤田成煤期為晚古生代石炭- 二疊世 (C- P) 成煤。晚古生代時(shí)期, 地表處于穩(wěn)定狀態(tài)及整體緩慢下降, 從早古生代的拗陷演化為晚古生代廣闊的陸表海沉積環(huán)境。初期海水大致由南向北侵入, 形成晚石炭世本溪組地層, 并有厚度不大的數(shù)層灰?guī)r沉積。進(jìn)入后期, 沉積環(huán)境轉(zhuǎn)為海灣、瀉湖類(lèi), 接受沉積并形成了本區(qū)的煤層。受海水升降影響, 本區(qū)發(fā)育煤層普遍具有多旋回韻律清晰的特征, 宏觀煤系地層沉積相對(duì)穩(wěn)定, 標(biāo)志層特征明顯。二疊世晚期, 地殼緩慢上升, 海水全部退出本區(qū), 成煤期結(jié)束。其后形成了下石盒子組 (P2) 以泥巖、砂巖、粉砂巖為主的陸源碎屑巖沉積建造,厚約200m, 是為煤系的上覆地層。

圖2 12#煤層埋深等值線(xiàn)圖

本區(qū)聚煤期沉積環(huán)境可分為兩個(gè)階段, 即晚石炭世的碳酸鹽巖臺(tái)地海相沉積環(huán)境和早二疊世的海陸交互相沉積環(huán)境。在前一個(gè)階段形成了本區(qū)的12#～14#煤層, 其中在F1斷層以東較為發(fā)育, 而在F1以西僅部分保存。隨著海水逐漸退離本區(qū),沉積環(huán)境逐漸過(guò)渡為海陸交互相沉積, 紅陽(yáng)煤田南部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下降, 三角洲沉積體系發(fā)育。本區(qū)也由潮坪相逐漸過(guò)渡為三角洲前緣相, 形成本區(qū)的第二個(gè)主要聚煤環(huán)境, 并形成了1#～11#號(hào)煤層。

1．3 煤層發(fā)育特征

徐往子井田主要成煤時(shí)期為太原組 (C2- P1)和山西組 (P1) , 共含煤14 層, 其中山西組含煤7層, 編號(hào)為1～7, 太原組含煤7 層, 編號(hào)為8～14, 各煤層之間平均以2～14．5m 的間距分布在190m厚的煤系地層中。普遍可采者兩層 (12#、13#) , 局部可采兩層 (3#、62#) , 平均總厚度7．34m, 含煤系數(shù)為3．9%, 其中12#、13#兩煤層儲(chǔ)量占到了總儲(chǔ)量的99%, 是本次研究的重點(diǎn)。各煤層沉積相對(duì)穩(wěn)定, 標(biāo)志層特征明顯, 易于識(shí)別[4]。

(1) 12#煤： 以鏡煤、亮煤為主, 暗煤次之,裂隙發(fā)育, 質(zhì)脆易碎。全區(qū)分布, 由2～5 個(gè)分層組成, 頂板發(fā)育厚層灰黑色海相泥巖, 為區(qū)域煤層對(duì)比的標(biāo)志層, 底板為泥巖或粘土巖, 最大厚度6．5m, 平均煤厚3．32m。

(2) 13#煤： 以亮煤、鏡煤為主, 暗煤次之。屬半光亮型煤。質(zhì)較硬, 為單一原生結(jié)構(gòu)煤, 頂板為細(xì)砂巖, 底部發(fā)育泥土巖, 平均煤度3．06m, 該煤層在F1斷層以東保留范圍較大, 而在F1斷層以西因存在局部剝蝕僅部分殘留。

1．4 水文及巖漿活動(dòng)

徐往子井田尚處于普查階段, 對(duì)水文地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)是依據(jù)各地質(zhì)鉆孔及紅陽(yáng)煤田各井田及鄰近生產(chǎn)礦井的水文資料所做的初步分析。其中4#煤頂板為一層厚5～10m 的海相泥巖, 6#煤底板常為一層2～5m 厚的粘土, 為良好的隔水層。8#煤、12#煤頂板均為海相泥巖, 一般厚5～15m, 為良好的隔水層。該兩組地層皆為含、隔水層交互沉積,而隔水層厚度大于含水層厚度三倍之多, 且遠(yuǎn)離第四系, 補(bǔ)給條件差。但F1斷層以東, 第四系直接與煤系地層或煤層接觸, 對(duì)礦床充水具有很大的威脅。

本區(qū)所見(jiàn)巖漿巖可分為兩期： 一為燕山期間歇噴發(fā)的玄武巖、安山巖, 多見(jiàn)于中生界紅層中, 對(duì)煤層無(wú)影響。一為喜山期之輝綠巖, 沿裂隙侵入到不同時(shí)代的地層中, 如直接侵入于煤層中, 使煤層與煤質(zhì)都受到一定的影響。此外, 紅陽(yáng)煤田及周邊區(qū)域內(nèi)的區(qū)域性巖漿作用也對(duì)本區(qū)煤質(zhì)變化造成很大影響。

1．5 煤層氣資源量

由于徐往子井田瓦斯資料很少, 該區(qū)又與紅陽(yáng)四井、尖臺(tái)子精查區(qū)接壤, 且煤層均為無(wú)煙煤三號(hào), 故采用四井、尖臺(tái)子精查區(qū)含氣量的平均值對(duì)徐往子普查區(qū)煤層氣資源量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。取煤層含氣量平均值為11．7m3/t , 煤層氣資源面積為14km2,可計(jì)算出本區(qū)- 1500m 以淺煤層氣資源總量為9．68億m3, 其中- 1200m 以淺為6．39 億m3, 占該區(qū)煤層氣資源總量的66%, - 1200～- 1500m 為3．29億m3, 占該區(qū)煤層氣資源總量的34%。由于以上資源量均屬于預(yù)測(cè)資源量, 還需要實(shí)鉆驗(yàn)證。

2 控氣地質(zhì)條件與含氣性分析

2．1 煤層控氣條件

煤級(jí)是控制煤層含氣性的重要因素。紅陽(yáng)煤田全區(qū)煤級(jí)變化規(guī)律明顯, 由北向南, 鏡質(zhì)組反射率增大, 煤級(jí)增高。徐往子井田位于煤田東南部, 井田內(nèi)各煤層的最大鏡質(zhì)組反射率Ro,max在2．5%～4．0%之間, 屬三號(hào)無(wú)煙煤。煤巖顯微組分中以鏡質(zhì)組為主, 含量最高可達(dá)91．3%。煤質(zhì)方面, 本區(qū)12#、13#煤都屬于中灰、中硫和低磷煤?？傮w來(lái)看, 本區(qū)煤級(jí)較高, 且主要形成于海陸交互相背景下的三角洲沉積體系中, 具有很高的生氣潛力,有利于煤層氣藏的形成[5]。

影響本區(qū)煤級(jí)變化規(guī)律的原因主要有兩種, 首先是區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用, 其最直接的表現(xiàn)為不同深度的煤變質(zhì)程度相等。其次為深成變質(zhì)作用, 表現(xiàn)為各煤層揮發(fā)分隨深度增加而降低, 但這種變質(zhì)作用只是起加深煤變質(zhì)程度的作用, 不是使煤變質(zhì)的主導(dǎo)因素。

此外, 煤厚變化也影響著煤層氣含量, 隨煤厚增大, 煤層氣含量增大。本區(qū)煤厚變化受沉積古地理環(huán)境和構(gòu)造的控制, 表現(xiàn)為在有利的聚煤古地理環(huán)境下煤層發(fā)育, 隨構(gòu)造變化, 煤厚隨埋深增加而增大 (見(jiàn)圖2) 。在F1斷層以西地區(qū), 由于受到上崗子向斜南延和F70斷層的逆沖推覆作用, 煤層埋深自東向西逐漸增大。F1斷層以東為張臺(tái)子向斜的右翼部分, 埋深由SE 向NW 迅速增大。煤厚變化亦呈現(xiàn)相似規(guī)律, F1斷層以西部分, 12#煤層厚度中部較薄 ( ＜1．0m) , 向西則隨埋深增加而增大, 最大煤厚可達(dá)4．0m 以上。F1斷層?xùn)|部, 12#、13#煤厚度均較大, 且隨著煤層埋深的增加煤厚由SE 向NW 逐漸增加。其中F71與F79斷層間煤層厚度相對(duì)較大, 12#煤最大煤厚可達(dá)5．0m 以上。

2．2 構(gòu)造控氣條件

徐往子地區(qū)煤層氣賦存受構(gòu)造影響顯著, 表現(xiàn)為在向斜的核部煤層氣聚集, 而在張性斷層處煤層含氣性降低。由于本區(qū)東西兩部分都處于向斜的單翼近核部, 因此表現(xiàn)出煤層氣含量與埋深關(guān)系密切, 隨埋深增加, 煤變質(zhì)程度加深, 含氣量增加,氣源豐富[6-7]。以12#煤為例, 煤層氣含量呈現(xiàn)以下規(guī)律： 在F1斷層以西, 煤層含氣量隨埋深的增大快速升高, 自東向西由4m3/t 增加到20m3/t。F1斷層以東部分, 煤層氣含量由SE 向NW 逐漸增加,最高可達(dá)20m3/t , 但在斷層附近出現(xiàn)明顯下降, 其他煤層亦呈現(xiàn)出同樣規(guī)律。由于本區(qū)煤層氣含量隨埋深的變化規(guī)律明顯, 且煤層氣數(shù)據(jù)有限, 我們可利用直接梯度法預(yù)測(cè)各煤層在不同埋深處的煤層氣含量[8]。

總體來(lái)看, 該區(qū)的構(gòu)造發(fā)育情況有利于煤層氣的賦存, 本區(qū)的東西兩個(gè)構(gòu)造單元都位于向斜單翼, 且接近核部, 埋深較大, 是良好的貯氣部位,且越接近核部, 保存條件越好。斷裂成為天然屏障阻礙煤層甲烷的運(yùn)移。除F70為壓性逆斷層有利于煤層氣保存外, 其他斷層均為正斷層, 是煤層氣逸散的良好通道, 不利于煤層氣保存。但根據(jù)研究[9], 在遠(yuǎn)離斷層面 (150～250m) 的兩側(cè)一般會(huì)形成兩個(gè)呈對(duì)稱(chēng)的條帶狀構(gòu)造應(yīng)力高壓區(qū), 煤層氣含量會(huì)相對(duì)升高, 成為阻止煤層甲烷進(jìn)一步向斷層運(yùn)移的天然屏障, 之后含量趨于穩(wěn)定。

2．3 水文控氣條件

水文地質(zhì)對(duì)煤層氣的控制作用一般表現(xiàn)為三種情況： 一是水力運(yùn)移的逸散控氣作用, 二是水力封閉的控氣作用, 三是水力封堵的控氣作用[10]。徐往子井田除第四系為孔隙承壓強(qiáng)含水層外, 其它均為層間裂隙弱含水層, 且隔水層厚度大, 各含水層相互間以及與第四系無(wú)明顯的水力聯(lián)系, 對(duì)煤層氣的影響主要為水力封堵的控氣作用, 有利于煤層氣保存[11], 但在F1斷層以東, 第四系直接與煤系地層或煤層接觸部位, 水力運(yùn)移導(dǎo)致煤層氣的逸散,含氣性降低。

2．4 埋藏控氣條件

煤層的埋藏深度及圍巖條件是控制煤層含氣性的重要因素, 隨埋深增大, 煤層含氣量一般增高,也有利于煤層氣的保存。而圍巖條件的好壞又取決于煤層頂、底板巖性、厚度及透氣性的強(qiáng)弱, 尤其是頂板。致密的頂板巖性可以減少煤層氣的向外滲流運(yùn)移和擴(kuò)散, 保持較高地層壓力, 維持最大的吸附量[12-13]。由徐往子井田埋深及各煤層圍巖條件可知, 本區(qū)埋深較大 (300～1700m) , 各煤層頂板以泥巖和粘土巖為主, 部分為粉砂巖或細(xì)砂巖, 封蓋條件良好, 有利于煤層氣的保存。

3 儲(chǔ)層物性特征

目前徐往子井田煤儲(chǔ)層物性方面的研究尚未開(kāi)展, 但根據(jù)張宏等人 (2008) 對(duì)紅陽(yáng)煤田煤儲(chǔ)層物性的研究[14], 我們可以推斷出徐往子地區(qū)煤儲(chǔ)層物性的一般特征, 并進(jìn)一步推測(cè)該區(qū)煤層的滲透性能。

在宏觀裂隙中, 紅陽(yáng)煤田煤儲(chǔ)層中存在著外生裂隙和內(nèi)生裂隙 (割理) 兩種裂隙構(gòu)造。煤田內(nèi)可采煤層裂隙系統(tǒng)體現(xiàn)在外生裂隙上, 而外生裂隙是各次構(gòu)造綜合作用的結(jié)果, 受構(gòu)造發(fā)育影響較大。具體到本區(qū), 由于上崗子向斜和張臺(tái)子向斜在本區(qū)主要表現(xiàn)為單斜形式, 對(duì)裂隙發(fā)育影響不大, 因此裂隙發(fā)育程度主要是受斷層控制, 尤其是張性斷層。一般情況下, 在斷層兩側(cè), 地層產(chǎn)狀急劇變化地段的煤層中外生裂隙都比較發(fā)育, 同時(shí)割理也較發(fā)育。本區(qū)的正斷層主要發(fā)育兩組, 即NE 方向的F1斷層和NW (或NWW) 方向的F79、F71和F72斷層組, 與此相對(duì)應(yīng), 本區(qū)的外生裂隙也主要發(fā)育NE和NW (或NWW) 兩組, 且后者更顯著發(fā)育,如12#煤NWW 向裂隙發(fā)育密度可達(dá)23 條/50cm,要多于NE 向的11 條/50cm。綜合考慮, 本區(qū)南部煤層滲透性要好于北部, 這也和紅陽(yáng)煤田的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

紅陽(yáng)煤田由北向南, 隨著煤變質(zhì)程度的增加,煤孔隙中大孔含量逐漸減少, 微孔和小孔進(jìn)一步增加, 由此可推斷徐往子井田微孔和小孔含量很高,但孔隙度較低, 因此滲透率較低 (平均為0．082 ×10-3md) 。

除此宏觀對(duì)比上的分析外, 我們還應(yīng)考慮埋深對(duì)煤層滲透率的影響, 由于本區(qū)埋深較大, 隨埋深增加, 雖然煤厚及煤層氣含量都顯著增加, 但同時(shí)地應(yīng)力也在增大, 在應(yīng)力作用下, 煤層裂隙受到壓縮, 滲透率降低, 開(kāi)采難度加大。參照閆斌移等人[15]對(duì)鐵法礦區(qū)開(kāi)采條件的評(píng)價(jià), 我們將本區(qū)埋深＞1500m 的煤層列為開(kāi)采難度區(qū)。

總體來(lái)看, 本區(qū)的宏觀裂隙發(fā)育程度較好, 但孔隙度低, 滲透率低, 不利于煤層氣的開(kāi)采, 由于宏觀裂隙是在張性應(yīng)力場(chǎng)中形成的, 所以易改造形成高滲透率[16], 儲(chǔ)層改造易于實(shí)現(xiàn), 因此有廣闊的開(kāi)采前景, 尤其是井田南部地區(qū)。

4 煤層氣成藏地質(zhì)條件分析

綜合以上分析, 對(duì)徐往子井田煤層氣成藏條件總結(jié)如下：

(1) 徐往子井田煤變質(zhì)程度高, 煤層氣資源量豐富, 尤其是12#、13#煤厚度較大, 應(yīng)為煤層氣開(kāi)采的目標(biāo)煤層, 成藏主控因素為構(gòu)造控氣, 在向斜的近核部地區(qū)隨埋深增大, 煤層氣富集, 而在正斷層的兩側(cè)有不同程度的逸散;

(2) 徐往子井田為封閉式深埋藏為主, 全區(qū)除斷層位置外, 封閉性較好, 但透氣性差, 滲透率低, 需經(jīng)過(guò)后期改造;

(3) 以F1斷層為界, 井田南部資源量及滲透性能要好于北部, 可作為煤層氣開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域,尤其是F71與F79斷層間, 煤層厚度大, 資源量豐富, 可作為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的首選靶區(qū)。

5 結(jié)論

徐往子井田雖然面積小, 但通過(guò)對(duì)其控氣地質(zhì)條件、含氣性及儲(chǔ)層物性的研究, 認(rèn)為徐往子井田盡管儲(chǔ)層平均滲透率低, 但資源豐度較高, 平均含氣量和含氣飽和度極高, 因此, 在該區(qū)首先進(jìn)行預(yù)探取得重要相關(guān)參數(shù), 進(jìn)一步改善完井工藝的前提下有可能獲得較好的煤層氣資源開(kāi)發(fā)前景。且其資源開(kāi)發(fā)對(duì)于周邊礦區(qū)具有示范意義, 將有利于帶動(dòng)整個(gè)紅陽(yáng)煤田煤層氣的開(kāi)采。

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The Coalbed Methang Reservoiring Geological Condition Analysis of Xuwangzi Mine Field in Hongyang Coalfield

Wang Junpeng1, Sang Shuxun1, Zhou Xiaozhi1, Pang Bo2, Zhang Xinfu2
(1. The School of Resource and Earth Science, CUMT, Xuzhou, Jiangsu, 221116; 2. 103 Prospecting team in Northeast Coalfield Geological Bureau, Liaoyang,Liaoning, 111000)

The coalbed methane reservoring geological conditions of Xuwangzi mine field are preliminarily analysised based on the study of gas - controlling geological conditions, gas bearing and reservoir property.The analysis shows that： In the area, the metamorphic degree is high, the coalbed resources is rich and the main control factor is under structure control; The main sealing feature is enclosed and deeply buried, and the coal sealing is preferable except the area near the fault , but permeability is amplitude and permeability is very low. The late reformation will be necessary in exploitation.

Gas bearing; gas-controlling geological conditions; reservoring property; Xuwangzi mine field

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目課題 (2007AA06Z220)、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目 (307014)。

王軍鵬, 男, 碩士研究生, 主要從事煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)與技術(shù)研究。

(責(zé)任編輯 黃 嵐)