蔣達(dá)源 文志剛 何文祥

(1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州 434023;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，武漢 430100)

沁水盆地是我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)程度最高的盆地，煤層氣資源豐富。含煤地層主要為太原組和山西組，煤層厚度大、大面積分布，熱演化程度高，生氣量大;煤儲(chǔ)層割理發(fā)育，構(gòu)造線交匯部位裂隙發(fā)育，煤層氣產(chǎn)出條件好;煤層上覆有效厚度較大，水動(dòng)力條件好，煤層氣保存條件有利。國(guó)土資源部新一輪資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該盆地煤層氣地質(zhì)資源量39500.42×108m3，可采資源量為 11216.22×108m3。

2005年以前，中國(guó)煤田地質(zhì)總局、中聯(lián)煤層氣公司、中石油和中石化等多家單位在沁水盆地進(jìn)行了煤層氣勘探試驗(yàn)，包括勘探評(píng)價(jià)先導(dǎo)性試驗(yàn)和開發(fā)利用試驗(yàn)，取得了重大的勘探成果，具備煤層氣商業(yè)化開發(fā)條件。2005年以來，由華北油田公司負(fù)責(zé)的沁水煤層氣田勘探開發(fā)工作取得重大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了沁水盆地南部煤層氣的規(guī)模開發(fā)。

1 煤層氣成因

煤層氣生成、吸附－解析、擴(kuò)散滲流等是造成其碳同位素、組分及含量等地球化學(xué)特征差異的重要原因，可根據(jù)地球化學(xué)特征辨別其成因。沁水煤層氣田煤層氣組分以CH4為主，一般大于98%。N2、CO2含量低，一般都小于1%，C2H6含量微量，C2C1遠(yuǎn)小于0.001。沁水煤層氣田煤層氣δ13C1值一般分布在－29.6‰～－35.4‰。

陳振宏等人通過煤層氣組分和碳同位素組成研究，對(duì)沁水盆地南部煤層氣的地球化學(xué)特征及成因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)煤層氣碳同位素組成(δ13C1)介于－ 61.7‰～ －28.7‰，且多為－40‰～－30‰，為高—過成熟的熱成因氣［1］。甲烷碳同位素總體偏輕，其原因可能是受強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件和解析－擴(kuò)散－運(yùn)移效應(yīng)的綜合影響。

王彥龍等通過煤層氣碳?xì)渫凰丶俺煞纸M成的研究，明確了沁水煤田的煤層氣成因，并在我國(guó)首次使用氫同位素辨識(shí)煤層氣的成因，并建立了相應(yīng)的氫同位素判識(shí)指標(biāo)［2］。研究表明，沁水盆地煤層氣在后期改造作用控制下，其甲烷碳同位素組成總體偏輕，盆地西北部的煤層氣具有次生生物氣的地球化學(xué)特征。

2 煤儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

煤儲(chǔ)層特征包括孔裂隙特征、滲透性、非均質(zhì)性、吸附性、含氣性等，是煤層氣地質(zhì)特征的重要組成部分。

2.1 煤儲(chǔ)層的吸附性、含氣性

煤層氣主要以吸附氣的形式賦存于煤儲(chǔ)層中，煤吸附性的高低取決于煤的巖石學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)、煤級(jí)、灰分含量等煤自身的因素。吸附性與溫度、壓力等地質(zhì)影響因素共同作用，控制了煤儲(chǔ)層的含氣性?？傮w上，沁水盆地太原組煤層較山西組煤層對(duì)甲烷的平均理論飽和吸附量相對(duì)更高;區(qū)域上，山西組煤層蘭氏體積由南向北呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì);太原組煤層蘭氏體積以沁水礦區(qū)最高，從沁水礦區(qū)向四周地段逐漸降低［3］。

桑樹勛等人通過煤孔隙分析和干煤樣、平衡水煤樣、注水煤樣等溫吸附試驗(yàn)的對(duì)比研究，初步明確了煤吸附氣體的固氣作用機(jī)理和液態(tài)水對(duì)煤基質(zhì)吸附氣體的影響機(jī)理［4］。研究表明:盆地南部煤儲(chǔ)層凝聚一吸附孔隙比較發(fā)育，當(dāng)氣體壓力的增大到飽和蒸氣壓附近時(shí)，氣體發(fā)生多分子層吸附和凝聚現(xiàn)象;相較于干煤樣和平衡水煤樣，注水煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)情況，有望成為最常用的等溫吸附實(shí)驗(yàn)法;煤儲(chǔ)層中的液態(tài)水在儲(chǔ)層條件下可提升煤基質(zhì)吸附氣體的能力，吸附規(guī)律更符合蘭格繆爾模型。

胡國(guó)藝等人［5］通過罐解吸實(shí)驗(yàn)，明確了沁水盆地高階煤的煤層氣解吸特征。研究表明:沁水盆地煤解吸過程可分為快速解吸和穩(wěn)定解吸兩個(gè)階段;煤解吸氣的碳同位素δ13C1值變重速率與煤層氣解析速率相一致，也分為急劇變重和緩慢變重兩個(gè)階段。

近年來多位學(xué)者對(duì)沁水盆地影響煤層含氣量的地質(zhì)因素進(jìn)行了研究和探討，其中李金海等人首次引入封閉層的概念，研究了煤層上下一定層段的巖性組合特征對(duì)煤層氣保存的影響［6］。研究表明:煤層含氣量是受諸多地質(zhì)條件綜合作用的結(jié)果，主控因素為厚度、埋深、熱演化程度、含氣性、煤儲(chǔ)層水動(dòng)力條件和頂?shù)装宸忾]性等;煤層氣資源的豐富程度與煤層的厚度、含氣性成正相關(guān)關(guān)系，與埋藏深度呈拋物線函數(shù)，即在一定深度范圍內(nèi)煤層氣含量埋深增大而增加，超過這一深度厚有減小趨勢(shì);水動(dòng)力封閉有利于煤層氣的吸附及富集，而交替活躍的水動(dòng)力條件將打破吸附和游離氣之間的平衡，使吸附氣逐漸減少，影響煤層氣的保存;煤層氣含量與封閉系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，總體上位于封閉系數(shù)值較大區(qū)域的井的含氣量較高;煤演化程度的高低直接決定了煤層含氣量的大小，二者存在正相關(guān)關(guān)系。

2.2 儲(chǔ)層物性特征

山西沁水盆地為我國(guó)煤層氣最為富集的地區(qū)，但儲(chǔ)層滲透率低，非均質(zhì)性強(qiáng)，而且煤層氣儲(chǔ)集層有別于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層。它具有基質(zhì)孔隙和裂隙的雙孔隙，其滲透率的分布受到眾多因素的影響，包括構(gòu)造特征、應(yīng)力狀態(tài)、埋藏深度、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、儲(chǔ)層壓力及煤階等。

針對(duì)煤儲(chǔ)層的孔隙、裂隙發(fā)育特征、主控因素及其對(duì)儲(chǔ)集性能的影響，一些學(xué)者在沁水盆地做了大量工作并取得了豐碩的成果［7－10］。沁水盆地一般發(fā)育兩組裂隙，北部陽泉 —壽陽一帶裂隙最為發(fā)育，煤層氣解吸速率快，南部晉城一帶部分裂隙被熱液礦物充填導(dǎo)流能力變差，導(dǎo)致氣體解吸速率較北部小。在相同構(gòu)造條件下陸相沉積的山西組煤光亮和半亮煤比例低，煤儲(chǔ)層的滲透性差，吸附時(shí)間比海陸交互相沉積的太原組煤要長(zhǎng)，氣體解吸速率低［7］。該盆地主要發(fā)育以吸附孔為主并具有良好孔隙連通性的Ⅱ類高變質(zhì)較弱變形程度煤儲(chǔ)層［8］。在高煤級(jí)階段，煤相因主導(dǎo)控制沁水盆地煤儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)的差異發(fā)育從而間接控制這儲(chǔ)層物性的優(yōu)劣［9］?；钏嗵空訚珊蜕帜嗵空訚上喑练e有利于形成孔隙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)合理、物性相對(duì)較好的煤儲(chǔ)層［9］。沁水盆地儲(chǔ)層微裂隙發(fā)育特征及主控因素為盆地多發(fā)育樹枝狀或羽狀微裂隙，裂隙具有較好定向性，且礦物充填現(xiàn)象少見，煤的微裂隙密度較大，裂隙在鏡質(zhì)組內(nèi)最為發(fā)育，其中均質(zhì)鏡質(zhì)體中的裂隙最密集，其次是基質(zhì)鏡質(zhì)體，其他顯微組分中裂隙發(fā)育很少甚至不發(fā)育，亮煤較半亮煤、半暗煤及暗煤更有利于微裂隙的發(fā)育，弱水動(dòng)力、弱氧化環(huán)境下沉積的煤有利于微裂隙的發(fā)育［10］。

孫立東等人通過對(duì)沁水盆地煤層滲透性影響因素的研究認(rèn)為:煤層裂隙特別是割理的發(fā)育情況決定了滲透率的大小，同時(shí)煤層割理的發(fā)育又受煤級(jí)控制，后期熱液礦物充填會(huì)造成割理滲透性嚴(yán)重變差，而煤巖組成、礦物質(zhì)、煤相等因素對(duì)煤層割理滲透性的作用較小;煤層埋深和有效應(yīng)力與滲透率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系;隨著煤層氣的開采煤基質(zhì)收縮作用增大了儲(chǔ)層的滲透性［11］。

傅雪海等人對(duì)沁水盆地煤儲(chǔ)層滲透性數(shù)值的模擬表明，割理的發(fā)育程度主導(dǎo)控制著煤儲(chǔ)層的滲透性，煤層滲透率隨割理面密度的增加呈指數(shù)形式增大，割理寬度又受到應(yīng)力場(chǎng)的控制，在一定范圍內(nèi)，滲透率隨著埋深、有效應(yīng)力的增大呈指數(shù)形式變小［12］。

3 煤層氣形成動(dòng)力場(chǎng)研究

沁水盆地構(gòu)造動(dòng)力能及其演化總體經(jīng)歷了4個(gè)階段:包括印支期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、燕山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、喜山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)以及現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。熱動(dòng)力能條件及其演化和由其控制的煤化作用同樣經(jīng)歷了4個(gè)階段，其中，燕山中期的劇烈?guī)r漿活動(dòng)是熱動(dòng)力能條件演化的關(guān)鍵時(shí)期。地下水動(dòng)力能條件及其演化包括3個(gè)階段:燕山運(yùn)動(dòng)早中期古水文地質(zhì)期、燕山運(yùn)動(dòng)中晚期古水文地質(zhì)期以及現(xiàn)今地下水動(dòng)力條件［13］。秦勇等人研究認(rèn)為，水文地質(zhì)單元邊界、現(xiàn)代地下水分區(qū)分帶特性、地下水地球化學(xué)場(chǎng)等因素在很大程度上控制著煤層氣的聚集特征。根據(jù)這些條件之間的不同匹配，分析了整個(gè)沁水盆地煤層氣形成的水動(dòng)力條件，發(fā)現(xiàn)沁水盆地的娘子關(guān)泉域韓莊井田、陽泉一礦、三礦礦區(qū)，辛安泉域沁縣、武鄉(xiāng)、榆社地區(qū)，延河泉域大寧 —潘莊 —樊莊一帶，煤層氣因水力封閉而富集［14］。

煤層氣成藏動(dòng)力場(chǎng)的研究工作，過去主要考慮單因素作用，控氣作用機(jī)理及多因素的耦合研究較少。秦勇等人首次運(yùn)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、煤層鏡質(zhì)組光性組構(gòu)特征、構(gòu)造變形特征三因素的耦合研究了煤層氣成藏構(gòu)造動(dòng)力條件，為以后的研究提供了新思路。他們通過模擬實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)煤儲(chǔ)層天然裂隙開合程度的變化，提出煤基塊彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)。他們認(rèn)為，在恒定煤級(jí)下，煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙流體壓力增大，綜合效應(yīng)逐漸減弱;在恒定流體壓力條件下，煤級(jí)與煤層彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;煤層彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)隨煤級(jí)的變化嚴(yán)格受到煤結(jié)構(gòu)演化的控制。針對(duì)高煤級(jí)煤層氣成藏，他們進(jìn)一步提出了彈性自封閉效應(yīng)，認(rèn)為該效應(yīng)是沁水盆地煤層氣普遍富集的重要地質(zhì)原因［14－16］。

4 煤層氣成藏分析

沁水盆地山西組為淺水三角洲沉積，太原組為一套海陸交互相沉積，發(fā)育多套煤層，其中山西組3#煤和太原組15#煤，煤層厚度大，分布穩(wěn)定，為沁水煤層氣田的主要?dú)庠磶r。煤巖有機(jī)顯微組分分析表明，沁水盆地石炭—二疊系煤鏡質(zhì)組含量高，并以均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，具有較強(qiáng)的生氣能力。煤層形成后埋深增加，溫度升高，煤層在深成變質(zhì)作用下第一次生氣，在三疊紀(jì)末期煤層埋深達(dá)到最大值，鏡質(zhì)組反射率達(dá)到1.2左右。燕山晚期的區(qū)域構(gòu)造熱事件，使煤層所處的溫度大幅度升高，煤化作用加劇，引起煤層再次生氣。此次生烴作用的生氣量巨大，約占總生氣量的68%［17］，這為煤層氣富集成藏提供了強(qiáng)大的氣源。此外燕山期巖漿活動(dòng)的動(dòng)力擠壓及熱力變形，增加和擴(kuò)展了圍巖及煤層的裂隙構(gòu)造，為煤層氣的聚集成藏提供了通道和空間［18］。

宋巖等人在古地溫梯度、煤層埋藏史研究的基礎(chǔ)上，探討了沁水盆地煤層氣成藏過程和聚氣歷史。通過對(duì)盆地南部陽城—翼城一帶和西部霍州地區(qū)的煤層氣地球化學(xué)特征、煤層熱演化史和聚氣歷史的對(duì)比研究提出，盆地回返抬升程度直接控制著煤層氣藏的富集程度，抬升越淺煤層氣保存條件越差，抬升回返時(shí)間晚越短，煤層氣散失的時(shí)間就短，對(duì)煤層氣藏的保存有利［19］。蘇現(xiàn)波等人根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，提出了煤層氣藏的5種邊界類型:水動(dòng)力邊界、風(fēng)氧化帶邊界、斷層邊界、物性邊界和巖性邊界，并進(jìn)行了邊界作用機(jī)理的探討，對(duì)沁水盆地南部煤層氣藏的邊界進(jìn)行了劃分和厘定［20］。宋巖等人根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，提出了煤層氣藏的“2類10型”分類方案，并對(duì)沁水盆地南部煤層氣藏的類型進(jìn)行了劃分和厘定［20］。

4.1 煤層成藏條件

沁水盆地煤層熱演化度高，生氣潛力大，含氣量高，含氣飽和度大，煤層厚度大，橫向連續(xù)性好，分布穩(wěn)定，煤層割理、裂隙發(fā)育，孔隙裂隙連通性好，滲透率大于0.50×10－3μm2，滿足工業(yè)開采條件。甲烷碳同位素分析表明煤層氣藏具有原生特點(diǎn)，煤層頂?shù)装鍘r性致密，突破壓力高，沁水煤層氣田位于地下水交替滯流區(qū)或滯緩區(qū)，水動(dòng)力條件弱，煤層氣得以大量保存，利于煤層氣的勘探開發(fā)［21］。

4.2 煤層氣成藏期次

沁水盆地石炭 —二疊系煤系地層，三疊紀(jì)以來主要經(jīng)歷兩次油氣充注。第一次充注在三疊紀(jì)末—早侏羅世。此時(shí)，三疊系到達(dá)最大埋深，煤化作用處在正常古地溫梯度環(huán)境下，服從深成變質(zhì)規(guī)律。第二次充注在晚侏羅世 —早白堊世，為主要的煤層氣成藏期。有機(jī)包裹體以氣烴包裹體為主，有機(jī)包裹體均一化溫度達(dá)到176～210℃。受燕山晚期區(qū)域構(gòu)造熱事件影響，結(jié)合氣烴包裹體的發(fā)育程度，學(xué)者認(rèn)為第二期是煤層氣大量生成階段，生氣量遠(yuǎn)大于煤層自身的吸附能力，因而開始向頂板砂巖充注成藏［22］。

4.3 煤層氣成藏控氣作用

構(gòu)造演化控制著煤層氣成藏過程，深成變質(zhì)與燕山期構(gòu)造熱事件疊加所引起的二次生烴是盆地煤層氣藏形成的主要?dú)庠?，高?gòu)造應(yīng)力差值區(qū)為煤層氣高滲區(qū)。山西組的淺水三角洲沉積體系控制了煤層頂板砂、泥巖的分布，頂板泥巖分布區(qū)氣體封蓋能力強(qiáng)。三角洲平原沼澤相形成的煤層厚度大、分布穩(wěn)定，還原環(huán)境的覆水沼澤形成了高鏡質(zhì)組含量煤而利于割理發(fā)育，煤層滲透率高，吸附能力強(qiáng)。煤層氣的部分源于生物成因氣，煤層氣排采過程中甲烷碳同位素以溶解—運(yùn)移分餾效應(yīng)為主［23］。

4.4 富集單元?jiǎng)澐?/h3>

煤層氣富集單元?jiǎng)澐质翘剿髅簩託獬刹匾?guī)律、進(jìn)行煤層氣資源和選區(qū)評(píng)價(jià)、制定科學(xué)的煤層氣勘探程序、提高煤層氣勘探成功率的重要基礎(chǔ)。根據(jù)構(gòu)造發(fā)育特征、煤層埋藏深度、煤階分布、煤層氣含量變化等特點(diǎn)，沁水盆地石炭 —二疊紀(jì)含煤地層的煤層氣富集單元可劃分為沁南富氣區(qū)、東翼斜坡帶富氣區(qū)、西翼斜坡帶富氣區(qū)、西山富氣區(qū)和高平—晉城富氣區(qū)，其中沁南富氣區(qū)是勘探前景較好的富氣區(qū)［24］。

5 結(jié)語

沁水盆地是我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)較為成熟的地區(qū)，煤層氣資源量較大，但目前對(duì)該盆地的勘探開發(fā)主要集中在南部。今后應(yīng)加強(qiáng)沁水盆地北部的地質(zhì)研究，加快北部地區(qū)勘探開發(fā)進(jìn)程。煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性，煤儲(chǔ)層主要物性要素與構(gòu)造背景、采動(dòng)變化以及煤層氣井產(chǎn)能之間的關(guān)系和機(jī)理，還有待研究。沁水盆地各煤層的煤相展布特征，煤層吸附性、含氣性與煤相之間的關(guān)系，煤相對(duì)煤儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育特征的控制作用等尚未研究，可作為下一步研究的重點(diǎn)。

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