白額地區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.河北工程大學資源學院,河北 邯鄲056038;2.中國煤炭地質總局第一勘探局,河北 邯鄲 056004)

煤層氣是一種以吸附態為主、賦存在煤儲層中、以甲烷為主要成分的非常規天然氣。煤層氣是一種潔凈能源,可以在一定程度上彌補我國常規天然氣的不足;煤層氣的主要成分甲烷是一種溫室氣體,其產生的溫室效應為二氧化碳的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)是煤礦生產中的災害氣體,預先開采可以有效減少其突出和爆炸造成的危害。

我國已經在沁水盆地南部建成了煤層氣商業開發示范區,現在勘探開發集中在河東煤田、鐵法盆地和阜新盆地等地[2]。白額地區位于河東煤田南部,區內煤層氣資源豐富。關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上對鄂爾多斯盆地東緣成藏類型進行了概括。然而,針對白額地區煤層氣成藏因素的研究尚待深入。本文在分析2#煤儲層空間發育特征、儲層物性特征、含氣量分布特征以及區域構造基礎上,對煤層氣成藏控制因素進行了探討。

1 地質背景

1.1 構造特征

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

1.2 煤層發育特征

2#煤位于下二疊統山西組底部,上距K4砂巖底47.22m左右,沉積環境為一套潮坪-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0.275,平面上分布穩定,局部含夾矸1～2層,屬結構較簡單煤層,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

煤巖煤質特征。2#煤鏡質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。有機顯微煤巖組分以鏡質組和絲質組為主,鏡質組含量在66.5%～88.7%間,平均為78.8%,絲質組含量在11.3%～33.5%間,平均為21.1%。礦物質含量一般在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。孔隙-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。孔徑分布以大孔為主,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。割理比較發育,密度平均為12條／cm,面割理走向NE-SW,與本地區的走向近乎平行,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。外生構造裂隙不太發育。由于滲透性由外生構造裂隙體系和內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

研究區地層傾向NW,煤層氣含量隨埋深增大而增大(4.5～13m3／t)。總體上,淺部煤層氣含量較低,深部煤層氣含量較高。西南部背斜區域存在一近南北向橢圓形低氣區,向斜區域存在一橢圓形高氣區(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因素為區域構造演化、水動力作用和圍巖封閉條件。其中構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、煤層停止產氣之后,上覆地層最薄時期是煤層氣藏形成的關鍵階段,當時煤層氣散失的多少往往決定著現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 構造演化的控制作用

受加里東運動的影響,奧陶紀至早石炭紀本區抬升,地層遭受剝蝕。石炭-二疊紀,受海西運動的影響,至二疊紀末本區穩定沉降接受沉積。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,煤化作用開始進行,同時煤層氣開始生成。三疊紀由于印支運動的影響[13],本區加速沉降,到三疊紀末達到最大埋深3 000m,2#煤經歷了長期深成變質作用,達到中等成熟階段,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,致使本區先沉降然后抬升再沉降,但是埋深變化不太顯著,2#煤達到高成熟階段,達到最大生氣量,同時這一時期為煤層氣次要散失期,當時本區構造應力場擠壓應力的最大主應力方向為NWW-SEE。白堊紀末由于喜馬拉雅造山運動的影響[14],本區持續抬升至今,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,所以煤層氣含量隨著埋深也一直處于動態平衡狀態之中。喜馬拉雅期本區構造主應力場為NE-SW向擠壓,與燕山期構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。由于構造作用的影響,本區總體為一單斜構造,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單元側向徑流補給,由于單斜構造,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生,地下水對煤層氣形成封堵機制[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#煤層頂底板平面上分布穩定連續,頂板巖性主要為泥巖,偶為粉砂質泥巖或粉砂巖,底板巖性主要為粉砂巖質泥巖,局部為泥巖,良好的圍巖封蓋能力使得煤層氣難以失散。

4 結論

1)構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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