沁水盆地石炭-二叠系煤层气勘探潜力分析

沁水盆地石炭-二叠系煤层气勘探潜力分析

0成藏条件分析沁水盆地位于山西省南部，东西宽约120公里，南北长约330公里，总面积约42.2公里。盆地的北部为五台山隆起,南部为中条山隆起,东面太行山隆起,西面霍山隆起,整体上是一个北北东向的复向斜构造。沁水盆地石炭-二叠系(山西组和太原组)煤系地层分布稳定,煤层厚度大、演化程度高、含气量大,是我国首个成功商业化开发的煤层气盆地。国内许多学者曾对沁水盆地煤层气成藏做过研究:李五忠等在分析晋城地区煤层气藏的形成和保存时认为地应力、煤层顶底板、煤岩组分、煤层厚度及埋深、热演化程度等是影响沁南煤层气成藏的主要地质因素;王红岩等的研究表明我国的煤层气高产富集区大部分分布在盆地斜坡带,煤层气的成藏受控于构造背景和储层物性;赵孟军、宋岩等研究认为煤层气成藏取决于最高演化程度的“关键时期”和煤层生气终止后的最小埋深的“关键时刻”,煤层气地化特征取决于最高热演化阶段,煤层气含气量则主要取决于生烃停止后上覆岩层的最小有效厚度,煤层埋深控制了现今煤层气含量,生气停止后不断沉降的地区是煤层气成藏的有利位置;林晓英等指出地下水动力条件、煤层顶底板岩性以及断层是直接控制和影响煤层气富集成藏的主要因素;秦勇等则认为沁水盆地煤层气成藏是构造动力学各因素之间合理配置的结果;王勃等通过国内外不同煤阶的煤层气盆地研究认为构造热事件和水动力条件是高煤阶的沁水盆地煤层气成藏的主控因素。纵观前人的研究,大部分学者以单因素分析为主,或者侧重某几个成藏条件分析。因此,对沁水盆地煤层气成藏主控地质因素和成藏模式的综合研究不仅有利于沁水盆地煤层气的进一步勘探开发,同时对丰富我国煤层气地质理论,都具有一定的意义。1盆地构造及水动力条件沁水盆地煤层气的成藏主要受控于构造活动、煤层埋深、水动力条件、热演化程度、显微组成等。盆地的构造活动影响着煤层气的成藏过程,水动力条件则影响煤层气的保存;煤层气主要是以吸附状态赋存在煤层中,因此,煤层的吸附能力对煤层含气量有着重要的影响,而煤岩的热演化程度、埋深、显微组分组成是决定煤层吸附能力的重要因素。1.1晚二叠期盆地沉降期构造活动起着控制盆地演化、沉积、有机质保存、煤层埋深、热演化过程、岩浆活动等的作用,煤层气藏是在这些因素共同作用、在时空上高效合理配置形成的。沁水盆地的煤层有两次生烃,这两期生烃都是在构造运动影响下发生的。盆地内第一次大的构造运动是发生在晚石炭到晚二叠末期,这个时期内盆地迅速沉降,盆地迅速沉降对有机质保存起到重要作用,煤系地层的深埋避免了有机质氧化和被流水冲刷破坏,而且使石炭-二叠系煤系地层埋深超过4000m,足以使有机质在正常的地温梯度下生烃,之后的盆地抬升对第一次生烃的气藏有一定的破坏作用,部分煤层气逸散;第二次大的构造运动是燕山末期的岩浆侵入和构造抬升,岩浆侵入产生了异常高的地温梯度(可高达6℃/100m),使有机质迅速成熟生烃,燕山末期是沁水盆地主要的生烃期,占总生烃量的60%以上,盆地的抬升使上覆地层遭受大量的剥蚀,储层压力减小,煤层气发生解吸作用,导致煤层气大量排出,保存在煤层的只有少部分,之后盆地冷却煤层气再次发生吸附作用,使储层普遍出现欠饱和状态。由此可见,构造运动对沁水盆地石炭-二叠系的煤层气成藏具有重要的影响。1.2向斜富气吸附规律沁水盆地是一个以榆社-沁县-沁水为轴线的复向斜构造,从向斜两翼到轴部,煤层的埋深不断增加,上覆岩层厚度变大,导致煤层气纵向上的逸散量降低,并且上覆岩层增厚导致储层压力增大,因此向斜轴部煤层含气量相对两翼要高,具有良好的向斜富气规律。沁水盆地内的次一级构造也显示出这样的规律,如盆地南部晋城-阳城地区就是很典型的例子:以晋试6井-潘2井-CQ09井一线做剖面,通过含气量统计数据可以看出,在向斜的两翼煤层含气量较低,大部分小于10m3/t,而在向斜的核部煤层含气量接近30m3/t,后城腰断层和寺头断层破坏了煤层气藏的盖层,使部分煤层气逸散而导致局部煤层的含气量降低,但是总体上煤层含气量显示出良好的向斜核部高于两翼的规律(图1)。沁水盆地北部阳泉-寿阳地区也是一个很典型的向斜富气的例子,以阳泉-寿阳一线做剖面,结合含气量统计数据可以看出,在阳泉和寿阳这个向斜的两翼,含气量很低,只有0~10m3/t,随着煤层埋深加大,越靠近核部煤层含气量越高,最高接近30m3/t,显示出良好的向斜富气特点(图2)。通过沁水盆地南部晋城-阳城与北部阳泉-寿阳地区两个向斜剖面的含气量分析可知,向斜是沁水盆地煤层气藏形成的有利位置。1.3阳春砂区-阴山山地煤层气的保存是多种因素共同决定的,对沁水盆地煤层气而言,水动力条件是一个重要的影响因素。通过沁水盆地石炭-二叠系含煤地层地下水等水位线、矿化度以及补径排条件的研究发现:与周边地区的等水位线差值差越大、地下水矿化度越高的地下水滞留地区的煤层含气量往往较高。以沁水盆地南部晋城地区和北部阳泉地区为例,盆地南部地区煤系地层含水层接受来自霍山隆起东缘的沁源-安泽一带的降水和地表河流入渗补给,向盆地地势低洼的樊庄-端氏一带汇集,地下水从补给区煤层和径流区煤层溶解的煤层气随着地下水聚集到汇水区,由于樊庄-端氏地区地下水排泄条件不好,水体滞流,水动力条件较弱,矿化度超过1800mg/L,当地下水溶解煤层气达到饱和之后开始析出并保存下来,增加了滞流区的含气量,导致樊庄-端氏地区含气量比其他低矿化度、水动力条件较强的地方高很多;在南部南坡头-樊庄-端氏一带有两个二级小向斜,在这两个小向斜之间存在一个小型的线性隆起,这个线性隆起也成为沁水盆地南部地区的一个小型的地下水分水岭,该地区的煤层气含气量以这个线性隆起为界,出现南北两个高值区(图3);北部阳泉地区石炭-二叠系煤系地层接受降水和地表河流入渗补给,地下水流经煤层时溶解了煤层中的煤层气,向地下水等水位线较低的阳泉地区汇集,因为阳泉地区地下水排泄条件较差,水体滞留,水动力条件较弱,矿化度高达1500mg/L以上,地下水溶解的煤层气在滞流区饱和之后开始解析并保存下来,使阳泉地区的煤层气含气量比周边寿阳、和顺地区高(图3)。通过上述分析,可见沁水盆地石炭-二叠系煤系地层地下水滞留的弱水动力条件地区是沁水盆地煤层气富集的有利部位。1.4煤岩中的含气量显微煤岩组分含量是影响煤层含气量的另一个重要因素。不同的煤岩组分生烃能力不同:壳质组生烃能力最强,其次为镜质组,最次为惰质组,但是由于沁水盆地煤岩中壳质组含量很低,对生烃贡献很小,因此决定煤岩生烃能力的显微组分是镜质组,在同样的演化程度下,镜质组含量越高生烃量越大,煤层气含气量越高[1，12]。不同的煤岩组分对气体的吸附能力也不同,在褐煤到焦煤的演化过程中,惰质组-镜质组-壳质组对气体的吸附能力依次减弱,在焦煤-瘦煤的演化过程中,镜质组与惰质组的吸附能力相似;煤岩的吸附能力与演化程度呈抛物线状,在R0=3.5%时吸附能力最大[11，19]。因此,一般情况下,镜质组含量越高的煤层其含气量越高。以3#煤为例,南部晋城地区镜质组含量很高,最高可达90%以上,平均85%左右,惰质组含量极低,只有不到15%,含气量数据统计显示该区的含气量为18~30m3/t,其次是北部的阳泉地区,镜质组含量80%~90%,平均约70%,含气量仅次于南部晋城-阳城地区,为14~18m3/t,潞城地区镜质组含量只有50%~75%,煤层含气量小于10m3/t。(图4)。可见,沁水盆地石炭-二叠系煤层的显微煤岩组分中镜质组含量较高的煤层含气量较高。1.5煤层含气量与r0由煤岩热模拟实验可知,随着模拟温度的升高,煤岩演化程度不断升高,生气量不断增大。也就是说,演化程度越高生气量越高。并且,不同演化程度煤岩吸附气量是不同的,低煤阶煤岩大孔多,微孔少,比表面积小,煤层的吸附能力较差,随演化程度升高,大孔数量减少,而微孔比例增加,吸附能力增强[11，19]。以沁水盆地的3#煤为例,在南部地区R0值最大,含气量也最高;其次为东北部寿阳地区,R0值与含气量值具有很好的对应关系;盆地的两翼及西部地区,R0值相对盆地中部低,含气量也相对较低(图5)。从R0为1.7%左右开始,随着R0升高,煤层含气量升高的趋势很明显,当R0升高到3.0%之后,含气量变化较弱,基本保持在一个水平上。从总体上看,太原组煤R0比山西组煤R0要高,含气量比较高(图6)。沁水盆地石炭-二叠系煤层在一定范围内含气量随热演化程度增加而增加,一般热演化程度较高的区域含气量也较高。1.6煤层埋深对煤储层含气量的影响煤层含气量与埋深(上覆岩层厚度)呈现出一定的相关关系,在一定范围内,埋深越大,含气量越高。煤层埋深影响了煤储层的温度、压力、孔隙性、比表面积以及上覆地层厚度等,进而影响煤储层的含气量:温度越高、压力越小越不利于吸附;煤岩埋深与煤层吸附量呈现出上凸的抛物线形的相关关系,吸附量在埋深约为1500m时达到最大值,超过这个深度,煤储层的温度升高,不利于煤层气的吸附。煤层埋深加大使上覆岩层增厚,煤层气纵向上的逸散变得更加困难,保存条件变好。以沁水盆地3#煤和15#煤为例,风氧化带(按300m计算)以下,随着埋深加大,含气量随着升高(图7),埋深在600m以浅的煤层,含气量一般小于20m3/t,主要分布在8~20m3/t;埋深大于800m,含气量一般大于20m3/t,主要分布在20~35m3/t。由此可见,沁水盆地石炭-二叠系煤层埋深与煤层含气量显示出较好的相关性,在一定范围内,埋深大的煤层含气量比埋深小的煤层含气量大一些。2有利构造条件沁水盆地煤层生气与成藏大致可分为两个阶段[5，14]。1早期正常地温梯度下迅速深埋初次生烃,就地成藏,生烃量与含气量均较低,早-中侏罗世盆地波动阶段发生局部调整,煤系气源岩中止生烃;2燕山期岩浆运动导致沁水盆地古地温梯度异常高,煤岩迅速演化,进入二次生烃,生烃量可达150m3/t,是沁水盆地的主要生烃期,之后地温梯度恢复正常,盆地抬升冷却,煤层气藏发生改造调整最终形成现今的煤层气藏。沁水盆地煤层气富集成藏受煤层的埋深、储层所在构造位置、水文地质条件、煤岩组成、热演化程度等众多因素影响。如图8所示,向斜构造是煤层气藏形成的有利构造位置:由于向斜两翼煤系地层出露,煤层气很容易发生逸散,两翼地区煤层气保存条件比向斜腹部地区差,从向斜两翼向向斜腹部,煤储层的上覆岩层厚度不断增大,使得煤层气纵向上逸散更加困难,保存条件变好,煤层气含量增大;盆地两翼的石炭-二叠系煤系地层露头地区接受降水和地表水入渗补给,当地下水通过补给区和径流区时,一方面了溶解一部分煤层气,一定程度上降低了补给区和径流区的煤层气含量,地下水携带溶解的煤层气到滞流区,使滞流区的地下水溶解煤层气不断聚集,地下水饱和之后煤层气析出,使滞流区的含气量增高;另一方面,水流方向和煤层气的横向逸散方向相反,阻止了煤层气的向上运移,起到水力封堵作用。向斜的腹部地区,地下水滞留,矿化度高,煤层气的保存条件较好,有利于煤层气富集成藏。并且向斜腹部的煤层R0高于向斜两翼,使煤岩的生气量和吸附量均高于盆地两翼。开放性断层破坏气藏的封盖层,使局部地区煤层气发生逸散,不利于气藏的保存。总之,沁水盆地煤层气经过早期正常地温梯度初次生烃和燕山期岩浆烘烤作用下的异常高低温梯度二次生烃,盆地抬升冷却,煤层气藏发生调整,现今的煤层气一般在