白額地區(qū)2#煤層氣藏成藏控制因素分析

李志杰,徐博會,鄭柏平,袁同星,劉占勇

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北 邯鄲056038;2.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局,河北 邯鄲 056004)

煤層氣是一種以吸附態(tài)為主、賦存在煤儲層中、以甲烷為主要成分的非常規(guī)天然氣。煤層氣是一種潔凈能源,可以在一定程度上彌補(bǔ)我國常規(guī)天然氣的不足;煤層氣的主要成分甲烷是一種溫室氣體,其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)為二氧化碳的20倍,并且對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍[1];煤層氣(瓦斯)是煤礦生產(chǎn)中的災(zāi)害氣體,預(yù)先開采可以有效減少其突出和爆炸造成的危害。

我國已經(jīng)在沁水盆地南部建成了煤層氣商業(yè)開發(fā)示范區(qū),現(xiàn)在勘探開發(fā)集中在河?xùn)|煤田、鐵法盆地和阜新盆地等地[2]。白額地區(qū)位于河?xùn)|煤田南部,區(qū)內(nèi)煤層氣資源豐富。關(guān)于煤層氣成藏控制因素及成藏類型前人做了很多研究[3-6]。宋巖[3]等在綜合研究煤層氣成藏控制因素的基礎(chǔ)上對鄂爾多斯盆地東緣成藏類型進(jìn)行了概括。然而,針對白額地區(qū)煤層氣成藏因素的研究尚待深入。本文在分析2#煤儲層空間發(fā)育特征、儲層物性特征、含氣量分布特征以及區(qū)域構(gòu)造基礎(chǔ)上,對煤層氣成藏控制因素進(jìn)行了探討。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

白額地區(qū)位于河?xùn)|煤田南部,大地構(gòu)造位置位于華北地臺鄂爾多斯臺坳東緣的河?xùn)|坳緣帶的南部。河?xùn)|坳緣帶南部為鄉(xiāng)寧-禹門口北東向斷陷,為走向NE,傾向NW的單斜構(gòu)造,伴有次級寬緩的褶曲[7]。白額地區(qū)地處鄉(xiāng)寧-禹門口北東向斷陷內(nèi)。總體構(gòu)造形態(tài)為一個走向NE-NNE、傾向NW的單斜構(gòu)造,地層傾角為3°～8°,斷層不發(fā)育,南部發(fā)育有NE向次級寬緩背、向斜構(gòu)造,構(gòu)造條件比較簡單(圖1)。

1.2 煤層發(fā)育特征

2#煤位于下二疊統(tǒng)山西組底部,上距K4砂巖底47.22m左右,沉積環(huán)境為一套潮坪-瀉湖-三角洲沉積體系[8]。煤層厚度為2.09～6.23m,平均厚度4.10m,變異系數(shù)0.275,平面上分布穩(wěn)定,局部含夾矸1～2層,屬結(jié)構(gòu)較簡單煤層,總體上有自南向北逐漸變薄的趨勢。該煤層埋深受構(gòu)造控制作用明顯,由東南向西北埋深逐漸增大,埋深500～1050m,全部在風(fēng)化帶以下[9],有利于煤層氣的保存(圖2)。

2 煤儲層物性特征及含氣性

2.1 煤儲層物性特征

煤巖煤質(zhì)特征。2#煤鏡質(zhì)組最大反射率變化在2.20%～2.50%之間,煤層煤化程度較高,為高煤階煙煤,煤級為貧煤、貧瘦煤。宏觀煤巖成分以亮煤為主,含少量鏡煤,少見暗煤及絲炭。宏觀煤巖類型以半亮型煤為主,個別地方為半暗型煤。有機(jī)顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組和絲質(zhì)組為主,鏡質(zhì)組含量在66.5%～88.7%間,平均為78.8%,絲質(zhì)組含量在11.3%～33.5%間,平均為21.1%。礦物質(zhì)含量一般在6.1%～12.0%之間,平均為9.0%,原煤干燥基灰分含量為10.90%～29.46%,平均值為18.20%,屬低～中灰煤,具有北高南低的總體分布趨勢?？紫?裂隙特征及滲透性。煤儲層孔隙為煤層氣儲集的主要場所,裂隙分為割理和外生裂隙[10],對煤層氣的運移和產(chǎn)出起決定性作用。由等溫吸附法、壓汞法和低溫液氮吸附法等測試得出,2#煤總孔容在36～67mm3／g之間[11],孔隙度2%左右,屬于特低孔隙度煤層?？讖椒植家源罂诪橹?過渡孔次之,微孔及中孔所占的比例最低,屬過渡型孔隙類型。割理比較發(fā)育,密度平均為12條／cm,面割理走向NE-SW,與本地區(qū)的走向近乎平行,端割理走向為SE-NW。大部分割理面緊閉,裂隙中無充填物,連通性較差。外生構(gòu)造裂隙不太發(fā)育。由于滲透性由外生構(gòu)造裂隙體系和內(nèi)生割理體系共同決定,測試得出滲透率為0.01～0.90mD之間,滲透率較低。

煤的吸附性能。煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存于煤儲層中,吸附量的大小取決于煤對氣的吸附能力,而吸附能力又取決于煤的孔隙率、變質(zhì)程度以及儲層壓力和溫度,一般用等溫吸附曲線來描述煤層氣的吸附或解吸過程。2#煤空氣干燥基蘭氏體積在27～37m3／t之間(圖3)。

2.2 含氣性

研究區(qū)地層傾向NW,煤層氣含量隨埋深增大而增大(4.5～13m3／t)?？傮w上,淺部煤層氣含量較低,深部煤層氣含量較高。西南部背斜區(qū)域存在一近南北向橢圓形低氣區(qū),向斜區(qū)域存在一橢圓形高氣區(qū)(圖4)。

3 煤層氣富集主控因素分析

煤層氣富集成藏的主控地質(zhì)因素為區(qū)域構(gòu)造演化、水動力作用和圍巖封閉條件。其中構(gòu)造演化不僅控制著含煤盆地煤的形成,還對煤層氣的生成、聚集和保存有重要意義。含煤盆地抬升、煤層停止產(chǎn)氣之后,上覆地層最薄時期是煤層氣藏形成的關(guān)鍵階段,當(dāng)時煤層氣散失的多少往往決定著現(xiàn)今煤層氣含氣量的大小。水動力條件和圍巖封閉條件等往往決定其成藏類型[3,12]。

3.1 構(gòu)造演化的控制作用

受加里東運動的影響,奧陶紀(jì)至早石炭紀(jì)本區(qū)抬升,地層遭受剝蝕。石炭-二疊紀(jì),受海西運動的影響,至二疊紀(jì)末本區(qū)穩(wěn)定沉降接受沉積。這一時期是地史上重要的成煤期,2#煤形成于這個時期,隨著煤層埋深加大,煤化作用開始進(jìn)行,同時煤層氣開始生成。三疊紀(jì)由于印支運動的影響[13],本區(qū)加速沉降,到三疊紀(jì)末達(dá)到最大埋深3 000m,2#煤經(jīng)歷了長期深成變質(zhì)作用,達(dá)到中等成熟階段,同時也是煤層氣生成的主要時期。印支期末至燕山期初,構(gòu)造抬升使2#煤蓋層遭受剝蝕,隨后由于燕山運動和呂梁山隆起共同的影響,致使本區(qū)先沉降然后抬升再沉降,但是埋深變化不太顯著,2#煤達(dá)到高成熟階段,達(dá)到最大生氣量,同時這一時期為煤層氣次要散失期,當(dāng)時本區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場擠壓應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向為NWW-SEE。白堊紀(jì)末由于喜馬拉雅造山運動的影響[14],本區(qū)持續(xù)抬升至今,上覆地層變薄,高煤階煤層主要為割理-裂隙性孔隙,構(gòu)造抬升后壓力降低,割理裂隙面開啟,滲透率增大,有可能造成煤層氣大量散失[15]。這一時期為本區(qū)煤層氣主要散失期(圖5)。

隨著煤層埋深的改變,儲層壓力、溫度和煤級也處于不斷改變之中[16],煤的吸附能力與這3個因素有關(guān),所以煤層氣含量隨著埋深也一直處于動態(tài)平衡狀態(tài)之中。喜馬拉雅期本區(qū)構(gòu)造主應(yīng)力場為NE-SW向擠壓,與燕山期構(gòu)造擠壓軸向近乎平行,在這兩種運動綜合作用下,圍巖封閉能力變差,可能會加劇煤層氣的散失。由于構(gòu)造作用的影響,本區(qū)總體為一單斜構(gòu)造,西北部煤層埋深大,覆蓋層較厚,煤層氣散失的偏少,含氣量較高;東南部煤層埋深淺,蓋層偏薄,煤層氣散失多,含氣量偏低。

3.2 水動力封閉條件的控制作用

2#煤層上覆地層為富水性極弱的裂隙承壓含水層,水動力條件為臨近水文地質(zhì)單元側(cè)向徑流補(bǔ)給,由于單斜構(gòu)造,沿著煤儲層向深部運移,形成一個水動力條件相對滯流區(qū)域,水的承壓作用使得儲層壓力增高,煤層氣的解吸作用不易發(fā)生,地下水對煤層氣形成封堵機(jī)制[8],對煤層氣的保存起到積極作用。

3.3 圍巖封閉條件的控制作用

上、下覆地層對煤層氣起到封閉保存作用,不同類型封蓋層具有不同的封蓋能力。泥巖頁巖的封蓋能力好于砂巖的封蓋能力。2#煤層頂?shù)装迤矫嫔戏植挤€(wěn)定連續(xù),頂板巖性主要為泥巖,偶為粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖,底板巖性主要為粉砂巖質(zhì)泥巖,局部為泥巖,良好的圍巖封蓋能力使得煤層氣難以失散。

4 結(jié)論

1)構(gòu)造演化史直接控制著煤儲層埋藏史及生烴史,是煤層氣成藏主控因素,煤層埋藏史通過改變儲層壓力、溫度和煤級間接控制著煤吸附能力。

2)水動力條件和圍巖封閉作用決定了煤層氣藏的保存條件,是煤層氣成藏的關(guān)鍵。

3)2#煤層氣成藏類型為單斜-水動力封堵煤層氣藏。

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