太原西山煤田古交区块煤层气成藏地质单因素分析

刘燕海 刘东娜,2 常锁亮,2 陈 强,2 常泽光 邹雨 程剑波

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西省太原市，030024)



★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

太原西山煤田古交区块煤层气成藏地质单因素分析

刘燕海1刘东娜1,2常锁亮1,2陈 强1,2常泽光1邹雨1程剑波1

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西省太原市，030024)

为了分析太原西山煤田古交区块内影响煤层气成藏的地质因素，本文从含煤岩系地层分析入手，讨论了煤储层顶底板岩性与厚度、煤层厚度、煤岩煤质、煤化程度、储层埋深、区域构造热事件以及地质构造与煤层气成藏之间的关系。研究结果表明，煤层顶底板厚度与储层气含量不具有明显的相关性；气含量与煤储层厚度呈正相关，与煤中灰分、挥发分和水分含量呈负相关。含煤岩系煤储层至少经历了三次生烃高峰，煤层热演化是影响煤层气生成量的主控因素；区内主体向斜和正断层的断裂构造是控气的主要原因。研究区煤层气成藏主要受控于煤化作用与构造特征，同时受煤储层埋藏深度和煤层厚度影响，是多种因素影响下综合作用的结果。

太原西山煤田 煤层气成藏 相关性分析 地质因素

我国煤层气资源储量十分丰富，据统计，我国煤层气资源储量高达3～4万亿m3。近几年，沁水盆地南部高阶煤的煤层气开发取得了很大的成功，鄂尔多斯盆地东缘低—中阶煤的煤层气研究也取得了重要进展。太原西山煤田与鄂尔多斯含煤盆地东缘相邻，煤类以中—高变质程度的焦煤和瘦煤为主，煤层气资源量可达820亿m3，是我国重要的煤层气潜在商业开发区之一。

煤层气储层的特征和气含量受诸多地质因素制约。聚煤沉积环境和地层层序对煤储层的厚度、连续性、渗透性和煤层气赋存封堵性具有重要控制作用，煤层埋深—热演化和构造改造作用对煤储层生气和储气皆有重要影响。本文以山西蓝焰集团开采2#、8#、9#煤层的煤层气为对象，利用现有煤田钻井和煤层气参数井资料及野外实测地层剖面资料为基础，从地层层序、煤岩煤质、煤层埋深、构造热事件及构造特征等方面研究入手，分析了研究区内影响煤层气成藏的主控地质因素，旨在为进一步划分区块内的煤层气封存单元及预测区块尺度的煤层气富集有利区并揭示煤层气成藏规律提供理论依据。

1 地质背景

西山煤田位于华北克拉通中部，吕梁山脉中段东缘。古交区块位于西山煤田西北部，区内地质构造形态主要以NW-SE向褶皱构造和NE-SW向断裂构造为主，断裂构造多为正断层，如图1所示，其中NW-SE向马兰向斜呈S型贯穿本区，古交断层、屯兰断层和李家社断层是研究区内主要的区域断裂构造。

图1 西山煤田古交区块构造图

自晚古生代石炭—二叠纪含煤岩系形成以后，西山煤田经历了印支运动、燕山运动和喜山运动三次区域构造运动。印支运动时期，扬子板块与华北板块发生剪刀式碰撞拼合作用，本区随华北克拉通整体隆升遭受剥蚀。燕山运动时期，华北克拉通受库拉-太平洋板块NW向俯冲的影响，吕梁山地区形成西部以基底岩系为核部的大型背斜隆起构造和东部以沉积盖层变形为主的复式向斜构造。本区位于吕梁山复式向斜的东翼，同时受燕山期岩浆活动影响，煤层因岩浆热作用影响变质程度较高，特别是狐偃山岩体附近煤层形成围绕狐偃山的环带状煤级分布特征。喜山运动时期，本区在拉张环境下形成一系列正断层。在印度板块向欧亚大陆俯冲的背景下，本区经历了强烈构造抬升作用和剥蚀作用形成现今的构造形态。

太原西山煤田主要含煤地层为上石炭统太原组(C2t)和下二叠统山西组(P1s)。太原组沉积于泻湖-滨海、三角洲-潮坪环境，主要由砂岩、泥岩、砂泥岩、灰岩和煤层组成，地层厚度一般介于120～166 m，平均厚度为130 m，含主采煤层8#和9#煤层；山西组沉积于滨海三角洲平原-湖泊环境，主要由砂岩、泥岩、砂泥岩及煤层组成，地层厚度一般介于30～66 m，平均厚度为45 m，含主采煤层2#煤层。古交区块2#、8#和9#煤层气含量、埋藏深度、煤厚及工业分析参数均值见表1。

表1 2#、8#和9#煤层气含量及相关参数平均值表

2 实验部分

本次研究数据源于太原西山煤田古交区块煤层气参数井及部分煤层钻孔井，包括东曲井田8口井、马兰井田14口井和屯兰井田10口井，共32口井，数据结果均为平均值。按照GB212-2008煤的工业分析方法测定了灰分(Ad)、水分(Mad)和挥发分(Vdaf)等项目；根据GBT19559-2008 煤层气含量测定方法现场解吸测试了2#、8#和9#煤层的瓦斯含量，按照参数井钻孔设计，在煤层顶板、底板取芯各不少于2 m，煤层上、中、下部分各取一瓦斯样解吸。采用数理统计方法将收集的钻孔资料及样品测试数据按照煤层和矿区分组进行气含量单因素相关性分析。

3 生烃潜力

3.1 煤变质程度

煤储层的煤岩组分和煤变质程度对煤层的吸附能力具有重要控制作用，煤岩组分类型和含量与煤层吸附能力相关，一般惰质组含量越高，吸附能力越弱；镜质组含量越高，吸附能力越强。煤化程度不仅影响煤层生烃量和生烃类型，而且影响煤体内部结构和吸附能力。随着煤化程度的增大，兰氏体积增大，煤储层对煤层气的吸附能力增强。

古交区块煤层主要以焦煤和瘦煤为主，2#、8#和9#煤层煤的镜质组反射率均值分别为1.81%、1.83%和2.18%，煤岩显微成分以镜质组为主，其次为惰质组，壳质组含量很低。煤层镜质组含量高且镜质组反射率值较高，煤样的等温吸附实验表明2#、8#和9#煤层的兰氏体积均值分别为22.21 ml/g、24.81 ml/g、25.53 ml/g，表明古交区块煤储层的吸附能力较强，且随着镜质组反射率的增大，兰氏体积有增大的趋势。

古交区块煤层气含量均值以8#煤层最高，2#煤层最低，且均低于其相应的兰氏体积，不具有随兰氏体积增大气含量也增大的趋势。按古交区块主采煤层的变质程度，其煤层气生成量应该高于其兰氏体积量，但主采煤层空气干燥基气含量均值却远低于兰氏体积，表明煤层气在生成之后曾受其他因素影响，曾发生大量的逸散。

3.2 构造热事件

煤层气生成量受控于煤的变质程度，而煤变质程度受控于含煤盆地的沉降埋藏史和热史。以往研究表明中—晚三叠世时期，鄂尔多斯原始含煤盆地煤系地层埋深达到3000～4000 m，作为鄂尔多斯三叠纪聚煤盆地的一部分，西山煤田含煤岩系主采煤层此时完成初级煤化作用。晚三叠世华北东部、北缘及南缘发生强烈的岩浆构造热事件，鄂尔多斯盆地也发生了显著的构造热事件，受构造热事件影响，西山煤田局部地区煤层在晚三叠世异常热古地温影响下煤级定型。燕山期晚侏罗世—早白垩世，华北克拉通发生了强烈的岩浆—构造热事件，该时期内普遍存在古地温异常，西山煤田石炭二叠系煤层煤化作用最终完成，局部地区受岩浆热作用影响，镜质组反射率可高达4.0%～5.0%。综上所述，西山煤田煤储层至少经历了3次生烃高峰，表明西山煤田主采煤层均具有足够的生烃潜能。

煤变质程度不仅影响煤层生气量，而且随着煤化作用的进行，煤层的物理和化学结构的变化以及煤层孔裂隙结构的改变造成煤层吸附能力增强。古交区块主采煤层均具有较高的吸附能力，煤储层兰缪尔体积均大于22 ml/g，与其较高的煤变质程度和非埋深作用造成的异常古地温密切相关。

4 影响煤层气成藏的单因素分析

4.1 煤层及顶底板厚度与气含量

煤层的顶底板岩性是影响储层封闭性的直接因素。据钻孔资料揭示，2#煤层直接底板以泥岩和砂质泥岩为主，少数钻孔见细砂岩，厚度变化较大，一般为1～5 m；直接顶板以砂质泥岩为主，其次为泥岩，厚度一般为0.5～3 m；顶底板渗透性均差。8#煤层直接底板以砂质泥岩为主，其次为泥岩，厚度变化较大，一般为1～4 m；直接顶板以泥岩为主，其次为灰岩，局部为砂质泥岩，顶底板渗透性均差。9#煤层直接底板一般为砂质泥岩和泥岩，局部为细砂岩，厚度变化较大，一般为0.8～4 m；直接顶板为泥岩和砂质泥岩，个别钻孔见细砂岩，厚度一般为0.5～2 m，顶底板渗透性均差。以上表明本区主采煤层的顶底板岩性多以泥质岩和砂质泥岩为主，煤储层封闭性相对较好。

但数据分析显示本区2#、8#和9#煤层气含量与煤层顶板及底板厚度的相关系数分别为-0.074和0.10，不具有明显的相关性。因此，本区煤储层顶底板的岩性和厚度对煤层气含量控制作用不明显。2#煤层厚度一般介于0.9～4.2 m，平均厚度为2.3 m。8#煤层厚度一般介于1.3～4.6 m，平均厚度为3.3 m。9#煤层厚度一般介于0.7～4.7 m，平均厚度为2.0 m。煤层厚度与气含量相关系数仅为0.261，相关性较弱，表明煤层厚度增加，煤层气含量具有随之略有增大的趋势，如图2所示。

图2 古交区块主采煤层气含量与煤厚关系散点图

4.2 煤岩煤质特征与气含量

之前的研究表明煤中水分因占据煤层空隙结构从而使煤层吸附能力降低，且影响十分显著；此外，随着煤层灰分、挥发分含量的增加，煤储层的吸附能力亦降低。

由表1可知，2#煤层灰分(Ad)产率在21.14%～25.95 %，均值为24.31 %；水分(Mad)含量均值为0.62%～0.79%，均值为0.68%；挥发分(Vdaf)产率为19.43%～22.70%，均值为20.88%。8#煤层灰分产率为15.70%～25.84%，均值为22.09 %；Mad含量为0.58%～0.83%，均值为0.69 %；挥发分Vdaf产率为17.58%～19.95%，均值为17.82%。9#煤层灰分Ad产率为20.11%～25.15%，均值为22.32%；Mad含量为0.61%～0.81%，均值为0.70 %；Vdaf产率为15.36%～19.47%，均值为17.67%。

古交区块气含量与水分、灰分、挥发分关系如图3所示。由图3可知，随着挥发分、灰分和水分含量的增高，古交区块煤储层气含量呈降低趋势。

图3 古交区块气含量与水分、灰分、挥发分关系散点图

4.3 埋藏深度与气含量

以往研究表明，随着埋深增加，储层压力增大，在一定程度上煤层气含量随着煤层的埋深增加而增加。古交区块煤储层埋藏深度以马兰向斜核部埋深最大，埋深趋势由北向南增加。本区2#、8#、9#煤层气含量显示出明显的随着埋深增加而增加的趋势，如图4所示，这与古交区块埋深与气含量关系的已知研究结果一致。

图4 古交区块主采煤层气含量与埋深的关系散点图

4.4 构造特征与气含量

褶皱与断裂构造对煤层气储层改造作用十分明显，通过改变储层的连续性、埋深、压力和封闭性从而影响煤层气运移和成藏。古交区块煤储层分布特征主体受马兰向斜构造控制，2#煤层气含量以马兰向斜核部较周围煤层较高，而北西部正断层较发育的地区气含量相对较低。原因在于区内张性断裂发育，断层附近储层压力降低，形成开放通道，不利于煤层气的吸附储集，形成低气含量区。这表明古交区块煤层储气成藏受到构造因素影响显著，地质构造是控制古交区块煤层气成藏的一个重要因素。

5 结论

本文通过对古交区块主采煤层煤层气成藏地质影响因素分析，主要取得到以下几点认识：

(1)西山煤田含煤岩系煤储层至少经历了3次生烃高峰，煤变质程度和以构造岩浆热作用为主的煤变质演化过程使主采煤层具备较高生烃潜力的主要因素。

(2)主采煤层的顶底板封闭性相对较好，煤层顶底板厚度与储层含气量不具有明显的相关性；含气量与煤储层厚度呈正相关；气含量与灰分、水分和挥发分呈明显负相关。

(3)马兰向斜和以正断层性质为主的断裂构造及煤层埋藏深度是控制古交区块煤层气含量的主要地质因素。

综上所述，古交区块煤层气含量可能受多种地质因素控制，准确地分析采区范围内影响气含量的地质因素需要进一步进行含煤层气系统和煤层气封存单元划分。

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(责任编辑 郭东芝)

Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield

Liu Yanhai1, Liu Dongna1,2, Chang Suoliang1,2, Chen Qiang1,2, Chang Zeguang1, Zou Yu1, Cheng Jianbo1

(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2.Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

To analyze the geological influence factors of coalbed methane (CBM) reservoir forming in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield, the author discussed the relationships between the CBM reservoir forming and thickness and lithology of coal reservoir roof and floor, thickness of coal seam, constituents of coal, coal rank, burial depth of coal seam, regional structure thermalevent, geologic structure. The research results showed that there was no significant correlation between the thickness of roof and floor and CBM content of the reservoir; the CBM content was positively correlated with the thickness of coal reservoir, while was negatively correlated with the content of ash, volatiles and moisture content in coals. In addition, the coal seams had experienced at least three periods of hydrocarbon generation by thermal pyrolysis, and the thermal evolution was the main controlling factor in the CBM generation; syncline and normal fault in the area were the main reason of CBM control.The CBM reservoir forming in the Gujiao block was mainly influenced by coal coalification and tectonic characteristics, as well as many other integrated factors, such as the buried depth and thickness of coal seam.

Taiyuan Xishan coalfield, CBM reservoir forming, correlation analysis, geological factor

山西省煤基重点科技攻关项目——山西省煤层气成藏模式与储层评价(MQ2014-01)

刘燕海，刘东娜，常锁亮等. 太原西山煤田古交区块煤层气成藏地质单因素分析[J]. 中国煤炭，2017,43(4)：38-42，47. Liu Yanhai, Liu Dongna, Chang Suoliang, et al. Single factor analysis of CBM reservoir forming geology in Gujiao block of Taiyuan Xishan coalfield[J]. China Coal, 2017,43(4):38-42，47.

P618.11

A

刘燕海(1992-)，男，内蒙古商都人，硕士研究生，主要从事煤层气相关研究。