鄭莊地區煤層氣成藏主控因素分析

譚青松

（長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢430100）

（中石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

汪 劍，劉 靜，陳玉婷，王霽霞

柳 溪，田思思，陳源裕，馮 玲

（中石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552）

近年來，隨著中國經濟的高速發展，石油、天然氣的需求與日俱增，但卻面臨能源短缺瓶頸的制約。煤層氣作為常規油氣的重要補充，其戰略地位十分顯著。中國煤層氣勘探開發始于20世紀90年代，起步較晚，無論煤層氣地質學的基本理論還是勘探開發工藝的研究應用均還不夠完善，因此，對煤層氣及其成藏原理進行研究，勘探開發利用煤層氣藏既存在現實要求也具有廣闊前景。下面，筆者以山西省沁水盆地鄭莊區塊為例，通過對影響煤層氣成藏的主控因素：煤層厚度、煤層埋深、煤巖熱演化程度、儲層物性、圍巖封閉條件、構造條件、水動力條件、陷落柱等逐一展開分析，逐步認識煤層氣成藏富集規律，為下步勘探開發提供了地質依據。

1 地質概況

沁水盆地位于山西省的東南部，東依太行山隆起，南接中條山隆起，西鄰霍山隆起，北靠五臺山隆起，是華北晚古生代成煤期以后，由斷塊差異性抬升作用形成的山間斷陷盆地［1］。盆地南部煤層氣田總體構造形態為一馬蹄形斜坡，東、西、南3個方向為隆起區，北部與沁水盆地腹地相接；東南部為一組北東向－近東西向正斷層組成的弧形斷裂發育帶，即由寺頭與后城腰2條大斷層控制的斷裂帶，而其他區域無大型斷層，主要發育北北東和近南北向的小的褶皺構造。鄭莊區塊即位于該斜坡帶南部，地表地形以丘陵為主，地層寬闊平坦，地層傾角一般2°～7°，平均只有4°，構造相對簡單。礦區面積約982.7km2，資源量大，有望建成9×108m3產能，勘探開發前景廣闊。

2 煤層氣成藏主控因素

2.1 煤層厚度

單位重量煤層含氣量不直接受煤層厚度的影響，但是煤層總的含氣量卻隨著煤層厚度的增加而增大［2］。薄煤層也可以抽采煤層氣，但由于含氣量低，開采穩產持續時間短，產量少，從經濟角度看是不利的。目前，根據多個地區煤層氣開發的經驗，煤層氣選區時煤層厚度下限為1m。煤層厚度越大，對形成氣藏越有利，煤層厚度是煤層氣富集的物質基礎。

沁水盆地屬于華北石炭－二疊系聚煤盆地，主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組。山西組屬發育于陸表海沉積背景之上的三角洲沉積，煤層總厚4～10m，總體趨勢為南厚北薄、東西厚中間薄。其中3號煤為其主要煤層，厚3～7m，橫向連續，分布極為穩定。太原組為海陸交互相沉積。煤層總厚3～9m，總體趨勢為北厚南薄，與山西組煤層變化趨勢相反。其中，15號煤為其主要煤層，厚2～5m，較3號煤層略薄，分布相對穩定。沁水盆地山西組3號煤與太原組15號煤厚度均達到了煤層氣選區開采的厚度要求，是該區煤層氣勘探開發的有利目的層。

2.2 煤階

煤層氣是煤巖在熱演化變質作用下產生的，隨著變質作用的加深，煤階由低向高轉化，生氣量也隨之增加。沁水盆地3號、15號煤煤階以亮煤和鏡質組煤為主，鏡質組反射率為2.4%～4%，這類組分的含量高，煤巖熱演化程度高，生氣潛力大。

2.3 煤層埋深

煤層的埋藏深度是控制煤層生氣和成藏保存的重要控制因素之一，其對煤層氣的影響表現在2個方面［3］。首先，隨著煤層埋深的增加其含氣量呈規律性的增長，原因在于埋深增大，煤巖變質作用程度加劇，微孔隙、裂隙更發育，使煤層吸附能力增強，從而導致煤層中甲烷氣體含量增多；同時，地層壓力增大，封閉性增強，有利于甲烷儲集成藏。另一方面，煤層含氣量隨著煤層埋深增加又不是無限制增加的。多項實驗數據證實，當深度達到1200m，地層壓力到9MPa以后，煤層含氣量增長變緩，甚至逐漸減少。

沁水盆地煤樣朗格繆爾等溫吸附試驗數據表明，煤層 （干燥基）原煤對氣體吸附量達到飽和即接近蘭氏體積時，隨著埋深的增加，地層溫度升高，煤層孔隙度、滲透率降低，對氣體吸附量減少，且開采成本也跟著增加。鄭莊地區除了局部洼槽區比較深以外，主力煤層3號煤埋藏深度一般在500～1200m，這一深度范圍適合煤層氣經濟開采。

2.4 儲層物性

對于煤層氣來說，煤層既是氣源層，又是儲層。它是一種雙孔隙巖層，由基質孔隙和裂隙組成，有其獨特的割理、裂隙系統。前者是甲烷氣吸附儲集的場所，后者是氣體運移和產出的通道。煤層滲透率是控制煤層氣產能大小的關鍵參數，其主要取決于煤質、煤巖壓實程度及煤巖中割理、裂隙系統的發育程度。與常規儲層相比，煤層中孔隙度、滲透率均偏低。

鄭莊地區3號煤層孔隙以微孔為主，發育了少量的中孔和大孔，孔隙度2.02%～6.48%，滲透率0.136～3.42×10－3μm2。晉試1井電鏡掃描結果顯示，3號煤層原始滲透率為0.51×10－3μm2，割理密度約500條／m，煤層裂縫發育，滲透性較好，達到了煤層氣勘探選區標準對煤層滲透率的要求［4］。

2.5 圍巖

與常規氣藏相比，煤層氣不僅對煤層頂板要求嚴格，對煤層底板要求也同樣嚴格，這是與它自生自儲式儲層特征分不開的。圍巖頂底板主要是通過維持吸附和解吸的平衡，減少游離氣的逸散和減弱交替地層水的影響來對煤層氣成藏起作用。而對頂底板的要求主要體現在巖層巖性、厚度上。大套的致密泥巖、鹽巖及膏巖等，透氣性差，可以形成良好的封蓋層，能保持較高地層壓力，維持最大的吸附量，有效地減少煤層氣的散失，而利于煤層氣保存。

通過對沁水盆地已鉆井3號煤層頂底板巖性與含氣量統計數據對比發現，頂底板為泥巖時比砂巖儲層含氣量明顯要大。鄭莊地區3號煤層頂底板巖性主要為泥巖或碳質泥巖，厚度16～70m，厚度大，致密堅硬且分布比較穩定，封蓋能力強，對煤層氣的保存較為有利。

2.6 構造

構造是煤層氣儲集、保存的重要控制因素，它主要是通過地殼運動，改變地層壓力，打破煤層中吸附氣與游離氣之間動態平衡，使二者相互轉化，從而影響煤層中吸附氣的含量。

1）褶皺和斷裂 壓性構造發育區煤層含氣性優于張性構造發育區；逆斷層發育區煤層含氣性優于正斷層發育區；向斜構造富氣，背斜構造相對貧氣［5］。對于褶皺作用，向斜構造兩翼及軸部中和面以上表現為壓應力，特別是中和面以上應力明顯集中，有利于煤層氣封存；而背斜構造的兩翼及軸部中和面以下表現為壓應力，特別是中和面以下出現明顯應力集中，利于煤層氣聚集。對于斷裂作用來說，逆斷層斷面呈封閉性，煤層氣不易散失，同時，壓力增大，吸附甲烷氣體也增多；相反，正斷層斷面呈開發性，應力釋放而降壓解吸，是煤層氣逸散的通道。

2）陷落柱 陷落柱是在奧陶系灰巖中發育的一種比較特殊的地質現象，分幾類，主要通過溝通煤層頂底板、減少煤層厚度或直接連通地表而使甲烷氣體散失，其已成為煤層氣勘探開發一大制約因素。鄭莊區塊陷落柱形成主要是石炭－二疊系可溶巖層受活躍地下水強徑流溶蝕作用 （見圖1）和區域構造運動的控制。識別陷落柱主要通過其地震反射特征，在地震剖面上主要表現為：標準反射波在小范圍內突然中斷、消失或變弱及反射波同相軸不同程度向中心彎曲傾斜的現象等［6］（見圖2）。

圖1 陷落柱形成示意圖

圖2 陷落柱在地震剖面上的反應

在沁水盆地內的局部地區，小斷層和陷落柱相當發育。它們使煤層的連續性受到嚴重破壞，影響了煤層的含氣性，是影響煤層氣勘探成效的重要原因之一。因此對其進行研究，分析其成因及分布規律顯得相當重要。

鄭莊區塊整體為北傾寬緩斜坡，區內斷層走向多為NE－NNE向，主要形成于喜山期。除南部寺頭與后城腰斷層比較大以外 （100～600m），其它斷層規模較小，一般在10～50m，個別小于10m，多分布于東部，與兩條大斷層走向基本一致，且距離相近。

經過研究落實，區內共發現各類陷落柱134個，以圓錐狀半截柱為主，直徑一般在100～300m，受二維地震資料的限制，直徑小于100m的陷落柱解釋較少。陷落柱分布具有明顯不均勻性，主要分布于褶皺槽部與撓曲部，并沿著斷裂走向展布，斷裂帶是集中發育區。

3）含氣量與構造關系 對鄭莊區塊3號煤層含氣量與構造關系分析發現，煤層含氣量較高的井主要分布在向斜構造 （負向構造）和單斜下傾方向，而距斷層、陷落柱比較近 （小于150m）或斷裂發育區，煤層的含氣量較低 （見圖3）。部署井位時，應盡量避開斷層與陷落柱發育區，以提高勘探成效。

圖3 鄭莊地區3號煤層含氣量與構造關系

2.7 水動力條件

地下水條件發生變化，影響地層液體壓力和含氣飽和度的變化，從而打破煤層中吸附氣、溶解氣和游離氣間的原有平衡，進而影響煤層中甲烷氣體的含量。一般情況下，地層水弱交替區或交替水阻滯區，地層液體各項指標變化小，原有平衡變化小，煤層氣散失少，有利于煤層氣保存；地下水活躍區，原有平衡被破壞，煤層中吸附氣減少，從而造成煤層含氣量的減少，并且地下水活躍區易于形成陷落柱發育區，煤層氣易散失，不利于煤層氣的保存。但也有例外，如在承壓水區，上覆地層和煤層含水層壓力大，易引起煤層中甲烷氣體吸附量增加，并形成水動力封堵，造成煤層氣的富集成藏。

沁水盆地形成后，盆地南部地下水在重力驅動下從高地勢的霍山地區向低地勢的晉城地區順層涇流［7］，水流方向為東、南，在張性斷裂及巖溶構造發育區，引起地下水排泄。

區內主要區域含水層有4層：新生界松散孔隙含水層、三疊系裂隙含水層、石炭－二疊系砂巖裂隙含水層和奧陶系灰巖裂縫巖溶含水層。前2層離主要煤層較遠，并有厚度比較大粘土層、泥巖層，形成好的區域隔水層，對古生界灰巖影響甚小；石炭－二疊系裂隙含水層，下石盒子組厚層泥巖和本溪組鋁土巖隔水性能好，水動力條件較弱，對煤層沖刷散失小，有利煤層氣保存，且石炭－二疊系地層出露地表，接受地表水與大氣降水，在地層下傾方向形成承壓水區，有利于形成承壓水封閉的煤層氣藏；中奧陶石灰巖層富水性較強，受水面積廣，裂縫發育，為地下水溶蝕作用提供了有利條件。當地下可溶性灰巖溶蝕到一定程度時，產生大量孔洞，最終，由于上覆地層重力作用導致上部巖層坍塌、跨落，從而形成陷落柱，這也是陷落柱比較發育的重要因素。

3 結 論

（1）煤層氣的生成、儲層、封藏、運移、聚集和保存，不同于常規天然氣，有著其特殊的成藏條件，并且不同地區由于地質作用等不同，成藏規律有很大差異。因此，在研究過程中，在借鑒其他地區成功經驗的同時，要結合地質特點，研究出適合該地區地質特征的成藏條件。

（2）煤層氣成藏的主控因素包括煤層厚度、煤層埋深、煤巖熱演化程度、儲層物性、圍巖封閉條件、構造條件、水動力條件、陷落柱等，影響因素極其復雜。

（3）鄭莊地區具有煤層厚度大、埋藏適中、分布穩定、熱演化程度高、生氣潛力大等有利條件。在研究過程中，主要針對構造特征、斷層和陷落柱分布規律等對該區煤層氣成藏影響比較大的因素展開分析，選區時做到規避斷層和陷落柱發育區，優選向斜背景下的正向構造，從而為今后井位優化部署提供了更多地質依據。