沁水盆地煤層氣富集的主控因素分析

劉建軍 (中石油華北油田勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

林玉祥 (山東科技大學地質科學與工程學院，山東 青島 266510)

張鵬豹 (中石油華北油田勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

沁水盆地煤層氣富集的主控因素分析

劉建軍 (中石油華北油田勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

林玉祥 (山東科技大學地質科學與工程學院，山東 青島 266510)

張鵬豹 (中石油華北油田勘探開發研究院，河北 任丘 062552)

煤層氣富集與水文地質條件關系密切，對沁水盆地的構造、水文地質條件進行了研究。沁水盆地燕山期至喜山期的構造活動為一個完整的過程，即構造活動由褶皺隆起到斷陷隆起的過程；根據構造活動對煤層氣藏成藏過程及其演化的影響，可以將氣藏劃分為原生型、調整型和改造型等3種類型；沁水盆地含水層主要碳酸鹽巖類、碎屑巖夾碳酸鹽巖類、碎屑巖類和松散巖類等4種類型；地下水水質主要有3種類型：HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—Ca·Mg型；HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—K+Na型；HCO3—K+Na、SO4—Ca·Mg型。

沁水盆地；煤層氣；構造；水文地質；主控因素

沁水盆地位于山西省中南部，是晚古生代的殘留盆地，其東部和東南部為太行山隆起，西部為霍山隆起，西南部為中條山隆起，北部為五臺山隆起。盆地內發育地層為前寒武系，寒武系，奧陶系峰峰組，石炭系本溪組和太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，三疊系，侏羅系，第三系和第四系。主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，太原組含煤5～10層，其中15#煤為主要煤層，山西組含煤2～7層，3#煤為主要煤層[1]。沁水盆地晚古生代太原組和山西組賦存著豐富的天然氣資源，其中煤層氣資源量為3.3×1012m3。沁水盆地南部不僅是重要的無煙煤工業基地，而且已成為中國煤層氣勘探開發的熱點地區之一。

1 沁水盆地構造地質特征及其對煤層氣保存的影響

1.1沁水盆地構造地質特征

三疊紀以來，沁水盆地經歷了燕山期褶皺隆升和喜山期斷陷隆升的過程，但這種隆升是不均衡的，其構造活動也具有不均衡性，主要表現在沁水盆地內線性延伸的背、向斜構造帶具有多方向互相疊置交切等現象，不同走向的斷層力學性質普遍有過轉換過程，說明燕山期有過多期次應力方向不同的構造活動。但盆地內背、向斜褶皺構造在分布上具有一定的等間距性，較為均勻、廣泛地布滿整個盆地，表明是在較均勻、緩慢的擠壓作用下形成的產物[2-3]。

1)燕山期構造地質特征 燕山期巖漿活動具有多期性，主要巖漿活動帶有呂梁山區活動帶，右玉-晉中-臨汾-中條山活動帶，北部邊緣活動帶，太行山區活動帶，南部有翼城巖漿巖體，北部的祁縣巖漿巖體。在沁水盆地內線性延伸的背向斜構造帶具有多方向互相疊置交切等現象，表明燕山期有過多期次應力方向不同的構造活動。中、上侏羅統分別與下伏地層呈角度不整合接觸以及下白堊統角度不整合于上侏羅統之上也表明沁水盆地燕山期構造活動頻繁。

沁水盆地是一個燕山期形成的向斜構造，相對于周邊的大型褶皺隆起構造，它是一個構造拗陷或稱為構造盆地。雖然構造活動頻繁，但其構造變形如褶皺及沖斷活動不及周邊隆起強烈，向斜內以舒緩的波狀平行褶皺為主，除少數地區外，斷裂不發育，規模也較小，從這點看其對煤層氣保存是比較有利的。

2)喜山期構造地質特征 沁水盆地在喜山期表現為隆起上升活動，如緊鄰的廊固、保定、石家莊及邯鄲凹陷新生界沉積最大厚度分別達10000、8000及5000m；而太行山脈的最大剝蝕深度已達阜平群及贊皇群，最大剝蝕厚度遠遠超過5000m，可見相對隆起幅度之大。在總體隆起的背景下區內活動是不均衡的，最顯著的表現是自上新世以來晉中斷陷、臨汾斷陷的出現，其新生界最大沉積厚度分別達到4600、2000m。

沁水盆地及相鄰地區新生界內部還有多期地層不整合關系，最顯著的角度不整合見于榆社地區；更新統大墻、離石及馬蘭等黃土層不整合于下更新統樓則峪組、上新統張村組及任家垴組之上，下伏層傾角可達10°左右。此外上新統張村組與任家垴組之間，下更新統樓則峪組與張村組之間，中更新統離石與下更新統大墻組之間都有平行或微角度不整合，而上更新統及全新統則可覆于任何不同層位之上。

燕山期至喜山期的構造活動可以理解為一個完整的過程，即構造活動由褶皺隆起到斷陷隆起的過程。由于活動的多期性，應力方向多次交變必然導致結構面的松馳，而最終發生較大規模的正斷活動即強烈的隆起抬升及斷陷盆地[3-4]。

1.2構造活動對煤層氣保存的影響

按照構造活動對煤層氣藏成藏過程及其演化的影響，可以將氣藏劃分為原生型、調整型和改造型3種類型。

1)原生型煤層氣藏 原生型煤層氣藏主要形成于燕山期一期成藏，在該區表現為北東向構造和近東西向構造，煤系地層烴源巖形成的烴類氣體進行大規模運聚，在先于或同期形成的構造或巖性圈閉中聚集成藏，其后氣藏基本上沒有顯著變化，煤層氣藏的規模取決于烴類氣體的補充和擴散、水溶、氧化等引起的散失之間的相對強度，總體上氣藏自燕山期以來變化不大，保存條件最好。沁水盆地南部TL007背斜是該類型氣藏的典型代表。TL007背斜位于成莊區塊西部，形成于燕山早期。在其后地質歷史時期中受寺頭-后城腰走滑斷裂消減帶的保護，氣藏基本上沒有顯著變化，目前日產氣平均4000m3以上。

2)調整型煤層氣藏 調整型煤層氣藏至少包括燕山期、喜山早期2期成藏。其在燕山期第1次成藏與原生型模式成藏相同，只是在喜山早期北東-南西向擠壓作用下，燕山期北東-南西向褶皺遭受改造，疊加了新的一期構造變形，新形成的圈閉既是原來的氣藏，又接受了來自原型氣藏因構造變動引起的煤層氣再分配的氣源，形成第2期成藏過程，氣藏的規模主要取決于新一輪構造變形疊加后圈閉的規模，保存條件較好。固縣背斜是該類型氣藏的典型代表。固縣南背斜位于固縣背斜南高點，走向北北西，形成于燕山晚期-喜山期。受寺頭左旋走滑斷層的影響，在燕山期北東-南西向褶皺背景上遭受調整，背斜軸向由北東向，調整為北北西向，疊加了新的一期構造變形，氣藏的規模主要取決于新一輪構造變形疊加后氣藏的規模，日產氣平均3000m3左右。

3)改造型煤層氣藏 改造型煤層氣藏是原生型或調整型煤層氣藏遭受后期改造，使原生型(或調整型)氣藏破壞、煤層氣大量散失，氣藏規模大大減小而最終殘留的氣藏。既包括斷裂、裂隙和“陷落柱”等構造活動引起的散失，也包括水動力、氧化作用對氣藏的顯著改造。一般這類氣藏氣源補充不足，散失量顯著大于補給，導致氣藏規模越來越小。玉溪背斜是該類型氣藏的典型代表。玉溪背斜位于樊莊區塊中部，走向北北西，形成于燕山晚期-喜山期。受寺頭左旋走滑斷層的影響，在燕山期北東-南西向褶皺背景上遭受改造，疊加了新的一期北北西向構造變形，雖然玉溪背斜的面積規模比較大，但受斷層切割，造成煤層氣散失，日產氣平均只有幾百方左右。

2 沁水盆地水文地質特征及水動力對煤層氣保存條件的影響

2.1主要含水層

盆地內主要含水層組按其含水類型和結合地層時代可分為4類：碳酸鹽巖類含水層組、碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組、碎屑巖類裂隙含水層組和松散巖類孔隙含水層組。

1)碳酸鹽類含水層 中奧陶統馬家溝組-峰峰組為碳酸鹽類含水層，受埋深、巖溶發育規律及構造等因素的影響，含水性具有明顯的水平分區和垂直分帶性，在剖面上，具有“上弱下強”的含水性分布規律。

2)碎屑巖夾碳酸鹽巖含水層 上石炭統太原組為海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖含水層，在盆地東側邊緣出露，為區內主要含水層組，其富水程度主要取決于碳酸鹽巖巖溶裂隙的發育程度。

3)碎屑巖類裂隙含水層 包括二疊-三疊系一套以陸相沉積為主的碎屑巖類，主要為砂巖裂隙含水。含水層以風化裂隙和構造裂隙為主，屬弱含水層。徑流區與排泄區不明顯，除少部分沿構造破碎帶向深部流動外，以沿走向運動為主。含水層相對呈層狀，不同層位含水層各具補給區，其間水力聯系較弱。

4)松散巖類孔隙含水層組 主要由第三系、第四系松散沉積巖類組成。單位涌水量因地而異，為農田灌溉和生活用水的主要含水層，主要孔隙含水層分布于下更新統、中更新統、全新統。

2.2含水層及煤層水質特征

沁水盆地南部的地下水水質主要有3種類型：第1種為HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—Ca·Mg型水，主要為新生界沖積、洪積孔隙含水層；第2種為HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3—K+Na型水，主要為碎屑巖裂隙含水層和碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶隙含水層；第3種為HCO3—K+Na、SO4—Ca·Mg型水，主要為中奧陶統碳酸鹽巖類含水層。由上向下地下水礦化度有所增高，但中奧陶統水層Cl-未見明顯增大，表明該層位地下水交替作用較強。

2.3水動力對煤層氣保存條件的影響

煤層氣吸附在煤巖基塊微孔隙內表面中，地下水的運動直接造成煤層氣的解吸擴散和滲流。在沁水盆地南部，煤層氣的含量往往存在很大的差異。這種現象除了煤層本身存在不均質性以外，與區塊之間的水動力條件關系密切。當煤層頂板為泥巖類隔水層時，有利于煤層氣的保存與富集；煤層氣和地下水具有邊界條件上的相同屬性，阻水的斷層一般阻氣，可以阻止煤層氣的逸散，而導水的斷層則可以造成煤層氣逸散，隔水層可以阻止氣體逸散，而含水層則可促進氣體逸散。只有當含水層中的地下水運移方向和煤層氣逸散方向相反，而且地下水運移速度大于煤層氣逸散速度時，才表現出明顯的封堵作用。在沁水盆地南部樊莊區塊西部為地下水高壓區，有利于3#煤層對煤層氣的吸附，因此煤層氣總體來說應在西部富集，但由于局部地段地下水動力的變化及其煤層滲透性差異，煤層氣的開發潛力不同。樊莊區塊北部地下水由東南向西北流動，在固6-10井一帶形成地下水高壓區，且該地段煤層的滲透率尚可，形成煤層氣自流飽和區，因此是煤層氣開發的有利區塊。樊莊區塊蒲池一帶地下水由北向南匯集，再加上煤系地層由東南方向向中心傾斜，導致煤系地層中地下水的壓力較大，且這一地段煤層的滲透率也較好，易形成煤層氣自流飽和區，也是該區煤層氣開發的有利區塊。

[1]劉煥杰，秦勇，桑樹勛，等.山西南部煤層氣地質[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998.

[2]秦勇，張德民，雪海，等.沁水盆地中南部現代構造應力場與煤儲層物性關系之探討[J].地質論評,1999,45(6):576-583.

[3]鄧攀，魏國齊，楊泳. 儲層構造裂縫定量預測中地質數學模型的建立與應用研究[J].天然氣地球科學, 2006,17(4):480-486.

[4]宋巖，王喜雙.新構造運動對天然氣晚期成藏的控制作用[J].天然氣地球科學,2003,14(2):103-106.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.016

P618.1

A

1673-1409(2012)01-N050-03