呼魯斯太礦區煤層氣成藏條件分析

姚海鵬，李 彬

（1.內蒙古自治區煤田地質局,呼和浩特 010010；2.內蒙古煤炭地質調查院，呼和浩特 010010）

煤層氣是在成煤過程中形成的、賦存在煤層中的、以甲烷為主的混合氣體，煤礦亦稱瓦斯[1]。煤層氣是自生自儲的非常規天然氣，包括吸附、游離、溶解三種賦存狀態，是高效優質的一種清潔能源，對于保護大氣環境、改善能源結構、緩解能源緊張、綜合開采煤炭，實現煤炭資源的綜合利用具有重要作用[2-4]。內蒙古雖是煤炭資源大省，但主要以低變質程度煤為主。目前國內煤層氣的商業性開發，以高變質程度煤為主。因此對內蒙古自治區進行煤層氣成藏條件分析、進行煤層氣選區評價工作、開發煤層氣，建成保障首都、服務華北、面向全國的清潔能源輸出基地，建成我國北方的生態安全屏障具有重要作用。

1 區域地質背景

礦區位于內蒙古阿拉善左旗呼魯斯太鎮，距旗政府（巴彥浩特鎮）約70 km。礦區所處大地構造單元為中朝大陸板塊（Ⅰ）鄂爾多斯斷塊Ⅰ1西緣褶皺沖斷帶（I11）的賀蘭山-橫山堡段（I1-21）。該構造帶自震旦紀至侏羅紀是一個沉降較深的地帶，尤以中石炭世-晚三疊世為甚，為主要聚煤期。晚三疊世時，受到印支運動影響，先期的沉積構造格局徹底改變，先期沉積盆地被改造。早期燕山運動雖未產生地層間的不整合，但使侏羅紀的沉降減少，中期燕山運動使前白堊系產生了北北東向復式褶皺及斷裂，并對包括勘查區在內的呼魯斯太礦區總體構造的形成有較大影響。白堊紀晚期的燕山運動已較前期大大減弱，全區普遍抬升隆起，造成晚白堊世沉積缺失。新生代以來，該區主要受喜山運動影響，構造應力場發生變化，受印度板塊與歐亞板塊碰撞擠壓本區南部發育了具碰撞谷性質的銀川地塹，但是構造運動仍以隆升為主。區域構造相關的深大斷裂為賀蘭山大斷裂，是三級構造單元的分界，依賀蘭山東麓作北北東向展布，于石嘴山處與黃河大斷裂相交，該斷裂為重力斷層，傾向南東，傾角80°左右，斷距2 000～3 600 m。向南與龍首-六盤山深斷裂相交，斷裂形成于燕山期。本區發育的地層主要有寒武系、石炭系上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，二疊系上統上石盒子組、石千峰組，三疊系中統紙坊組、上統延長組，侏羅系中下統延長組、第四系，其中石炭系上統太原組，二疊系下統山西組為本區的主要目的層。

2 成藏條件分析

2.1 生氣條件

煤層氣與常規天然氣的顯著區別之一是：煤層既是煤層氣的源巖又是儲集巖。因此煤層的發育特征對于煤層氣的賦存特征及其的開發都很重要，決定著煤層氣的經濟開發性，也是煤儲層評價的重要指標。

1）煤層發育情況。本勘查區主要煤層賦存于上石炭統太原組（C3t）及下二疊統山西組（P1s）中，共計含煤25層(太原組可采煤層13層，山西組可采煤層4層。石盒子組含煤3-4層均不可采)。煤系地層平均厚度258.0 m，煤層平均總厚24.69 m，含煤系數9.6%，可采煤層平均總厚20.68 m，含煤系數8.0%。本勘查區煤層較發育，可采煤層多、厚度大、層位較穩定，夾矸一般1-3層、結構簡單，可采煤層間距不大、一般在30 m以內，具備良好生氣能力。

2）煤巖因素。①煤巖類型與煤層氣的生氣潛力及開發難易都有很大的關系。一般認為鏡質組含量高，具有很好生烴能力，產氣量也高[5]。本勘查區宏觀煤巖類型以半亮煤為主，其次為半暗煤，夾鏡煤、亮煤條帶，煤中有機質含量高（占84.4%～96.8%），有機質中以鏡質組為主（在64%～85%之間）、殼質組含量很少。因此煤層具有很好的生烴能力。②煤變質對煤層氣含量的影響，主要是通過對煤的生氣量和吸附能力的控制作用體現的。大量研究表明，煤的生氣量隨著煤變質程度的增加而增大。前人研究表明，高變質程度的貧煤、無煙煤，微孔發育，占總孔隙體積的50%以上，大中孔所占比例較低，平均小于總孔隙體積的20%。中變質程度的肥煤、焦煤、瘦煤，大中孔發育，尤以焦煤最高，可占總孔隙體積的 38%左右，微孔相對較低、小于總孔隙體積50%。因此中演化變質程度的煤，大中孔發育，對煤層氣的降壓、解吸、擴散、運移有利，是煤層氣儲層評價中最有利的煤級；并且由于第二次煤化作用躍變大量流體的生成和集中釋放，造成中煤級中肥、焦煤階段割理最發育，儲層滲透性較好[6]。③本勘查區總體以焦煤為主，其次為肥煤、瘦煤。礦區北部太原組各可采煤層以肥煤為主，焦煤次之；山西組各煤層偏南部為焦煤，北部為氣煤。礦區南部煤變質程度較高，其中山西組 2、3 號煤層及太原組 5、9、10、12、13、15、22 號等煤層，以主焦煤為主，僅在井田南部邊界和深部有少量瘦煤。太原組6、7、8號煤，則多為瘦煤，其次是主焦煤和貧煤。從分布上自北向南，從淺到深由主焦煤變為瘦煤、貧煤。

3）煤層埋深。由于本區煤層中未發現巖漿活動，因此煤變質作用主要受到煤層埋深影響。由于本區為一傾向南西的單斜構造，造成煤變質程度在空間上的差異，進而影響到煤層的生烴能力。例如本區由北向南煤變質程度逐漸增加，礦區北部主要為氣肥煤，中部則為主焦煤，南部則變為瘦貧煤。再者，煤層埋深也會對煤層氣儲存有重要影響。煤層埋深越深、蓋層越厚，越有利于煤層氣的儲存；隨著煤層埋深的增加，壓力也在增加，也有利于煤層氣的吸附。本區的西南邊緣煤層埋深較深，是較為有利的煤層氣儲集區。

2.2 保存條件

1）構造因素：構造作用直接或間接控制著從含煤地層形成至煤層氣生成聚集全過程，是最重要的因素。煤層形成前后的構造運動對煤層氣的生成、富集成藏、保存均有深刻影響。聚煤期后構造控制著生、儲、蓋層性能及組合，并影響煤層氣運移、聚集、保存特征，從而影響煤層氣勘探開發潛力[7]。本區在中石炭世-晚三疊世處于構造運動穩定期，盆地持續沉降、接受沉積，成為本區的主要聚煤期。之后經歷了印支末期抬升剝蝕改造，燕山中期擠壓造山，燕山晚期褶皺逆沖和喜馬拉雅期斷陷與推覆改造作用，形成了賀蘭山逆沖推覆構造帶。本區從區域構造上來說，處于逆沖斷裂形成的的斷塊背景中，北為正誼關斷裂，西為牙馬烏蘇斷裂，西南為小松山斷裂，東為賀蘭山斷裂。雖然斷塊活動造成煤系地層零星分割，煤層氣逸散，使其總體處于不利的煤層氣構造環境，但是斷塊活動也在一定程度上造成煤層松動，提高了煤層滲透性。本區處于斷塊背景下相對穩定的地區，周圍的斷裂為逆沖性質，斷層面閉合，使得煤層氣難以通過斷層而運移散失，而且由于斷層面附近應力集中，使得煤層氣受到壓力增加，因此煤層吸附甲烷量增多，煤層含氣量相對增高[8]。

2）封蓋層因素：煤層氣成藏除了具備很好的生烴能力外，還取決于良好的封蓋條件。煤層頂底板巖層的封蓋性能，對煤層氣的保存和富集仍起著很重要的作用。良好的封蓋層可減少煤層氣的滲流運移和散失，保持較高的地層壓力，維持較高的含氣量。煤層頂底板基本可分三類：中砂巖、細砂巖；灰巖、頁巖；頁巖、砂質頁巖。其中絕大部分為頁巖、砂質頁巖。前者厚度—般達3～5 m以上，有時厚達10 m多，組份均以石英為主、膠結致密，巖石飽水時抗壓強度大于500 kg/cm2、干燥時達1 000 kg/cm2以上，抗剪強度在366 kg/cm2以上、風干后500 kg/cm2以上。故當砂巖作為直接頂板時，穩定性良好，封閉條件好。灰巖厚1～3 m，致密堅硬，未見溶洞，飽水抗壓強度900 kg/cm2以上，抗剪強度400 kg/cm2以上，穩定性良好。煤層底板多為砂質頁巖或頁巖，據本區地下水微弱的特點以及鄰區（烏達、石炭井)生產井情況，—般不致引起軟化變形，浸水后不易膨脹，底板穩定性良好。再者，煤系上覆蓋層條件較優越，石盒子組、石千峰組地層主要為泥巖、砂質泥巖、砂巖互層組成。從石千峰組到太原組發育多層泥巖、砂質泥巖，成為石炭—二疊紀煤層很好的上覆蓋層條件。特別是石盒子組地層，不僅巖性細、厚度大，而且直接覆蓋在煤系上，對含煤地層起到良好封蓋作用。

3）水文地質條件。本區氣候干燥，雨量稀少，蒸發量大。區內山體比高不大，相對高差一般20～50 m，溝谷不甚發育，地形較平緩。區內溝谷平時干涸無水，雨季山洪始有流水，唯有呼魯斯太溝有季節性流水、但水量不大。地下水主要補給以大氣降水為主，但因頁巖、高嶺石泥巖、砂質頁巖等隔水層的存在，大氣降水補給量甚少。因此，本區以孔隙裂隙水為主的水文地質條件屬簡單類型。各含水帶之間均以煤層及煤層頂底板砂質頁巖、頁巖為隔水層，各含水帶水位標高、水質類型各有差異，其間一般不發生水力聯系，水力循環微弱，有利于煤層氣的保存。再者，對井田內主要斷層的透水情況也進行了調查，發現鉆孔揭露各斷層破碎帶時沖洗液消耗量甚微，導水性不強，地下水徑流微弱，有利于煤層氣的保存。

3 結束語

呼魯斯太礦區煤層發育良好，可采煤層較多，厚度大、鏡質組含量較高，具有較強的生烴能力；礦區煤層埋深適中，主要以中等變質程度的焦煤、肥煤為主，割理發育，煤儲層滲透性較好。礦區處于逆沖斷裂形成的的斷塊背景中，斷層面密閉，礦區內斷層多為逆斷層，不利于煤層氣散失。煤層頂底板主要為泥巖、砂質泥巖、灰巖，上覆石盒子組地層巖性細、厚度大，水文地質條件簡單，水力循環微弱。因此礦區煤層氣保存條件較好，具有良好開發前景。

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