通延川南地區煤層氣控氣因素分析

0東部分河西區域延川南區塊位于山西省河東煤田南部，面積7137.4公里。黃河從北向南流經該區域，該區域分為東、西兩部分。黃河以東部分面積較大,以下簡稱河東地區,黃河以西部分稱為河西地區。對區內煤炭資源的勘察工作早在上世紀50年代就已經開始,并且取得了豐碩成果。而且區內煤層氣資源豐富,以其含氣量高、地質構造簡單、埋藏深度適中等有利條件引起了國內外煤層氣地質學家的廣泛關注,自2006年在區內的譚坪成功進行第一次煤層氣試井以來,延川南地區逐漸成為國內煤層氣勘探活動最活躍的熱點地區之一。1煤巖賦存特征延川南區塊東以紫荊山斷裂帶與晉西隆起帶相連,區內總體為走向NE-NNE,向NW傾斜的單斜構造,斷裂不發育,沿走向發育短軸狀次級背向斜,構造形跡多以東北向為主,構造條件簡單。區塊西接鄂爾多斯盆地韓城礦區,屬盆地內穩定型海陸交互相含煤碎屑沉積,由于從晚石炭世至早二疊世早期成煤物質充分,沉積環境穩定,同時又連續沉積了晚二疊世及早三疊世厚度較大的陸相碎屑巖,形成含煤巖系的蓋層,有利于含煤巖系的沉積賦存。古生代以后的燕山運動、喜馬拉雅運動對該區影響不大,所以區塊內主要可采煤層厚度較大,層位穩定,構造簡單,成為區內煤層氣資源富集的前提。區塊內及周邊賦存的地層有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新生界新近系和第四系。石炭系上統太原組和二疊系下統山西組為該區的主要含煤地層,共發育11層煤。山西組含煤3層,太原組含煤7層,其中山西組2#煤層和太原組的10#煤層為本區塊的主要可采煤層,也是該研究的目的煤層。區內主力煤層宏觀煤巖類型以半光亮型煤為主,鏡質組含量較高保證了煤層具有很高的生氣潛力。煤儲層大孔隙不發育,主要以微小孔主,大量的微小孔為煤層氣的吸附提供了足夠的空間。總體上,區內煤層生氣、儲氣能力較好。2油氣地質條件2.1地下水保水條件煤層氣的形成、運移、富集以及資源評價、開采各個方面都與地下水及水文地質條件息息相關[2~6]。呂梁山南端、東及東南出露有寒武系、奧陶系碳酸鹽地層,形成地下水補給區,地下水向西及西南流向黃河排泄,構成完整的水文單元。區塊內為黃河切割地形,以鄂河為代表,“V”字型溝谷呈樹枝狀分布于鄂河兩側,形成塬、峁、梁黃土地貌。由于區塊內“V”字型溝谷切割強烈,給地表水排泄創造了良好的條件,地表水流失快,地下水受大氣降水的補給甚小。呂梁山作為區域地下水補給區,而地表水由東向西匯入黃河,這使該區的主要含水層補給受限,巖溶不發育,水文地質條件相對簡單。研究區砂巖含水層以弱富水性為主,成為煤層直接充水含水層時,水文地質條件為簡單類型。太原組石灰巖含水層以弱富水性為主,東部淺埋藏地帶富水性可達中等,水文地質條件為簡單-中等類型。深埋藏地帶由于奧灰地下水具有較強的壓力,水文地質條件可達中等以上類型。對主采煤層煤層氣儲存影響較大的是煤系地層中的石炭系上統太原組石灰巖、砂巖巖溶裂隙含水層組和二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層組。石炭系上統太原組底砂巖裂隙承壓含水層組和石灰巖巖溶裂隙含水層組,單位涌水量為0.002-0.208L/s·m,屬于富水性弱-中等的含水層;二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層組以弱富水性為主。根據區內構造、局部水勢特征、地下水礦化度分布、地層特征、含水層隔水層等特征,將區內水文地質單元劃分為:構造復雜強徑流/補給區、構造簡單強徑流/補給區、構造簡單滯留區、構造簡單中滯留區、構造簡單中低滯留區、構造簡單弱滯留區、構造簡單徑流區、斷層發育泄水區,共8類。研究區煤系地層中的含水層整體富水性弱-中等,徑流比較緩慢,地下水交替作用不強,對煤層氣的封蓋和富集比較有利(圖2)。結合區塊內2#煤含氣性特征,區塊中部構造簡單滯留區的含氣量較高基本在10m3/t,而構造簡單滯留區周圍的中滯留區的含氣量則逐漸降低,說明弱滯留區是煤層氣富集有利區。區塊東南部含煤地層出露地表,構造情況比較簡單,斷層發育較少,大氣降水和地面徑流成為地下水主要補給方式,因此成為區塊內的構造簡單強徑流/補給區。區塊東北部地區裂隙發育構造相對復雜,含煤地層出露地表地表水補給強烈所以形成了構造復雜強徑流/補給區。強的徑流對煤層氣的富集具有破壞作用,因此整個區塊東部地區含氣量較低。區塊西部地區受黃河以及奧灰地下水影響,在黃河左右形成徑流區和弱徑流區,使得含氣性較差。2.2煤儲層和封蓋層煤儲層分離產物的產出和分離不同類型的地質構造在其形成過程中構造應力場特征和內部應力分布狀況的不同,其導致煤儲層和封蓋層的產狀、結構、物性、裂隙發育狀況及地下水徑流條件等也出現差異,進而影響煤層氣聚集[7~9]。延川南區塊內構造比較簡單,主要存在正斷層、次級背斜等構造類型,下面分別總結其對區塊內煤層氣富集的影響。2.2.1域內地層內空氣正斷層為拉張構造應力作用產物,但不同的地質時期和動力學特征的差異對煤層氣保存的影響是有差異的。張性斷層一般為開放型,封閉性較差。張性斷層表現為正斷層或拉張性走滑斷層,斷層面為開放性,往往成為煤層氣運移的極好通道。斷層面附近為低壓區,煤層氣大量解吸,含氣量下降。但在遠離斷層面的兩側一般形成2個構造應力高壓區,煤層氣含量相對升高。區內發育的斷層以正斷層為主,正斷層在區內對煤層氣的富集起到了是破壞作用。區塊內正斷層對含氣量起到破壞作用,典型剖面如地震測線NW1所顯示。(圖3,4),該測線經過了區塊內的6條斷層,并且經過區塊內含氣量的高值區域。在區塊中部的含氣量高值區中的正斷層周圍形成了含氣量的相對低值區。區塊中部地區的含氣量在12m3/t左右,而受正斷層F12、F13和F14的控制,3個斷層所在的周邊地區的含氣量在8m3/t左右。受區塊內最大正斷層F10和F9的影響,2斷層周邊地區的含氣量則降到了2m3/t左右。斷層F10是區內最大的正斷層,推測斷層兩側拉張性應力比較大,斷層面開放性較強,成為煤層氣運移的很好的通道,使煤層氣通過斷層面大量散失,所以周邊含氣量較低。2.2.2中和面煤層內壓積相背斜兩翼與軸部中和面以下表現為壓應力,應力明顯集中,這些部位一般為高壓區。背斜軸部中和面以上表現為拉張應力,產生大量的張性裂隙或斷層,應力釋放,造成低壓區。煤層氣在背斜的兩翼能較好地封存,在軸部就要看煤層與中和面的關系,中和面以上煤層氣易散,中和面以下煤層氣易聚集。若泥巖蓋層發育良好,裂隙不發育,中和面以上煤層也能富含煤層氣,兩翼煤層氣也會向軸部運移,造成煤層甲烷富集。通過對延川南區塊測線NW2(圖5)經過的地震剖面及含氣性剖析表明:顯著的次級背斜的構造,地層構造情況不復雜,含煤地層受地應力產生的形變較小。張性應力對次級背斜軸部的破壞不嚴重,而且煤層頂板多為泥巖,封蓋性比較好,所以,煤層氣富集與此處,造成了局部的含氣量高值區。同時,靠近F10斷層處含氣量顯著降低,推測F10斷層開放性比較強且附近可能為水文排泄區,含氣量有所降低。2.2.3逆斷層開發區中部區塊中部延1井到延2井一線大部分地區未受斷層等構造形式的破壞,形成煤層氣富集的有利區域。該區域中部發育一系列逆斷層,使相鄰區域含氣量稍低,其他區域基本在10m3/t以上。在中部區域含氣量比較高也綜合有其他因素的影響,包括煤厚、水文等因素,但是未遭劇烈破壞的地層,以及相對較好的煤層氣賦存條件也是該區域含氣量較高的一個因素。2.3出露地表的地層煤層含氣量的高低,從宏觀來看受地層壓力、地層溫度及頂底板封閉性的控制,這些因素又與煤層埋藏深度以及構造樣式等因素密切相關,因此煤層埋深也是影響含氣量的重要因素。延川南區內2#煤的埋深總體上由東南向西北逐漸加深。區塊的東南部煤層埋深最淺的地區,甚至有些地方煤層出露地表。煤層氣在出露地表之前基本上早已逸散,事實上東南部的煤層含氣量較低。河西地區煤層埋深較大,但是該區域受水文地質條件影響比較大,所以含氣量較低。煤層埋深對煤層氣的控制作用主要體現在河東地區。在河東地區,隨著煤層埋深由東南部向西北部的加深,含氣量總體上有增加的趨勢,到區塊的中部含氣量達到最大值。通過對延川南區內煤層埋深與含氣性分析表明:2#煤含氣量在12m3/t以上的區域,總體上在埋深750m到950m的區塊中部地區。10#煤的埋深趨勢與2#煤基本相同。煤層埋深對10#煤含氣量的控制規律基本上與2#煤相同。10#煤含氣量在10m3/t以上的區域,主要集中埋深900m左右的區塊中部地區(圖6)。總體上,河西地區煤層含氣量受埋深影響不大,在河東地區應充分考慮煤層埋深的控氣作用。2.4頂板巖性發育良好的封蓋層不但可以阻止煤層氣垂向逸散,保持較高地層壓力和氣體吸附量,還可阻止地層水的垂向交替,減少煤層氣逸散。煤層的頂板和底板對煤層氣的保存都起作用,一般認為頂板的作用更為顯著。區塊內2#煤的頂板巖性由砂巖和泥巖組成。絕大部分地區的煤層頂板是泥巖,在區塊中部發育了少量砂巖頂板,東南部砂巖零星發育砂巖,河西地區發育局部的砂巖(圖7)。總體上砂巖頂板少,泥巖較多。根據2#煤層頂板巖性與含氣含氣性特征的相關分析:區塊中部的延1井與延2井一線地區由泥巖封蓋,含氣量總體上較其他區域高。局部地區發育了砂巖的頂板,發育地區相對泥巖頂板區域含氣量稍低,可見泥巖頂板對煤層氣的封蓋作用還是較砂巖好,但并不是很明顯。10#煤層頂板巖性主要以泥巖和灰巖為主。砂巖主要發育在區塊的東南部地區,中部零星發育。區塊中部灰巖頂板的封蓋作用比較好,原因可能是區塊內的灰巖發育穩定,且厚度較大,使灰巖的封蓋作用也相對較好。總體上,延川南區塊10#煤層圍巖封閉性的控氣作用不明顯,認為