晋中盆地西南缘煤层气地质特征及资源潜力研究

第32卷11期2020年11月
Vol.32No.11
Nov.2020中国煤炭地质
COAL GEOLOGY OF CHINA
doi：10.3969/j.issn.1674-1803.2020.11.07
文章编号=1674-1803(2020)11-0033-07
晋中盆地西南缘煤层气地质特征及资源潜力研究
王丹凤
(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京100039)
摘要:在分析煤层构造演化特征、沉积环境及岩性岩相特征、空间展布特征、煤岩煤质特征及含气性的基础上，评价了晋中盆地西南缘煤层气资源勘探潜力，并优选了有利区。

研究结果表明:研究区主力煤层镜质体反射率(&)在0.94%-1.32%,主要为焦煤;煤层埋深较大,3号煤为700~1800m,9号煤为800-1900m；厚度适中,3号煤为
0.0^1.91m,平均1.61m,W+11号煤为1.5^6.5m,平均4.8m o通过Langmuii■方程建立的煤层含气量计算模型预
测含气量中等较高,3号煤为7.07〜11.19n?/t,平均9.67m3/t,10+11号煤为7.84-12.57n?/t,平均10.97m3/t o煤层位于构造稳定带，埋深越大、厚度越大、顶底板岩性越致密及厚度越大，煤层含气量越高，含气量分布主要受控于构造样式和煤层埋深。

并通过建立区块煤层气有利区优选标准,优选出3号煤有利区3处,10+11号煤有利区5处。

关键词:煤层气;空气因素;资源潜力和有利区;晋中盆地西南缘
中图分类号:P618.13文献标识码:A
CBM Geological Features and Resource Potential in Southwestern Margin of Jinzhong Basin
Wang Danfeng
(Exploration and Research Institute,CNACG,Beijing100039)
Abstract:Based on analyses of coal reservoir structural evolution,sedimentary environment,lithology,lithofacies,spatial distribution, coal petrology,coal quality features and gas-bearing property have assessed CBM resource exploration potential in the southwestern margin of Jinzhong Basin,and optimized favorable areas.The study has shown that the main coal seam vitrinite reflectance(RJ is 0.94%~1.32%,thus mainly coking coal.Coal reservoir buried depth is rather deep：coal No.3700〜1800m；coal No.9800〜1900m；with medium thickness:coal No.30.0~1.91m,average1.61m,coal No.10+111.5~6.5m,average4.8m.Through Lang­muir equation established coal gas content computation model has predicted gas content belongs medium to rather high:coal No.3 7.07~11.19m3/t,average9.61m A,coal No.10+117.84-12.57m3/t average10.97m3/1.Coal seams are situated in structurally stable zone,the deeper the buried depth,the thicker the coal thickness；roof and floor lithology the compacter and thicker,the higher the coal gas content;gas content distributions mainly controlled by structural pattern and coal buried depth.Through block CBM favor­able area optimization criterion establishment has optimized coal No.3favorable areas3,coal No.10+11favorable areas5. Keywords:CBM；gas controlling factor；resource potential and favorable area；southwestern margin of Jinzhong Basin
0引言
煤层气作为一种重要的非常规天然气资源,在缓解国家能源供给、保护生态环境及保障矿井安全方面发挥着重要的作用⑴。

煤层气地质条件的认识及资源评价是煤层气资源增储上产的地质基础O 以往研究认为，煤层气资源评价的地质因素主要包括煤层埋深、煤层厚度、煤级、含气量、渗透率、含气饱和度、储层压力、构造条件及水文地质条件
基金项目：中国煤炭地质总局勘查研究总院青年科技创新基金项目(ZGMDKZ-Y-201902(ZY)、ZGMDKZ-Y-201905(ZY))。

作者简介:王丹凤(1982-),女,高级工程师,主要从事煤炭、煤层气地质勘査与研究。

收稿日期：2020-09-30
责任编辑:宋博辇等UM,其中含气量是评价煤层气资源及开展有利区优选的关键指标⑸。

沁水盆地煤层气资源量为3.95万亿川，资源丰富同。

盆地是我国最早实现煤层气商业开发的地区，煤层气勘探开发已取得重要突破，成为我国目前最重要的煤层气生产基地口冈。

晋中盆地位于沁水盆地的西部，和沁水盆地具有相似的构造沉积演化特征，在石炭-二叠纪发育了海陆过渡相及陆相煤系地层，形成了多层可采煤层,煤炭资源丰富，但针对本区煤层气资源的评价工作甚少，这一定程度上制约了对全区煤层气资源的落实，及本区煤层气勘探开发进程。

鉴于此，笔者在分析晋中盆地西南缘石炭-二叠系煤层地质特征的基础上，重点剖析了主力煤层含气性及其主控因素，预测了煤层气富集有利区，以期为沁水盆地新区
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中国煤炭地质
第32卷
煤层气资源的落实及本区煤层气勘探提供依据。

1区域地质特征及含煤地层
研究区位于沁水盆地西部次级构造单元晋中盆
地的西南部。

本区经历了多期构造演化。

燕山期， 形成盆地基本地貌格局;喜马期，形成断陷盆地的雏
形;喜马拉雅晚期，盆地进一步断陷,形成现今盆地 的基本轮廓。

研究区为一倾向北西的单斜构造，倾 角一般4。

~ 15°,在构造发育地段岩层倾角较大，为
15。

~25。

在此基础上发育了一系列近南北向的宽 缓褶曲及北东向至东西向的正断层，构造在断阶发 育的基础上，平面上表现出平缓的东隆西凹的特征， 剖面上呈现垒堑相间的构造形态（图1A 、图1B ）。

研究区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二 叠系下统山西组。

太原组岩性主要为灰黑色泥岩、 砂质泥岩,灰色细粒砂岩,深灰色石灰岩和煤层，局
部夹中、粗粒砂岩;山西组岩性主要由灰黑泥岩、砂
质泥岩、粉砂岩,夹浅灰色细、中砂岩,局部为浅灰色 铝质泥岩（图1C ）。

煤层主要发育于海陆过渡相障 壁岛-潟湖沉积及陆相三角洲平原沉积环境中。

含
煤12~ 17层,煤层总厚度为10. 25~ 17. 61m,含煤系
数5.95% ~ 10. 98%,平均9.02%。

可采煤层总厚度
平均为9.96m,可采含煤系数为6.59%。

其中太原 组10+11号煤和山西组3号煤为研究区主力煤层, 前者煤厚介于3.0-6. 5m,平均4. 5m ；后者煤层厚
度为0~ 1. 91m,煤层厚度变化不大，平均1. 60m 左
右;主力煤层以亮煤为主，暗煤次之,含少量镜煤。

煤的最大镜质组反射率在0. 94% ~ 1. 32%,属中等
变质程度。

主力煤层显微组分以镜质组占优势，含 量介于57. 8%-96. 2%,其中又以凝胶化基质体为 主;无机组分以黏土为主。

地质分层
深双侧向/Q ・m
25 23361
自然伽马/Pa ・
18
530
深 度
/m
岩性
600
仙
（1）晋中盆地西南缘构造纲要图；（B ）研究区北西-南东向地质剖面图；（C ）研究区石炭-二叠系综合柱状图
图1研究区构造纲要图及地层柱状图
Figure 1 Study area structural outline map and stratigraphic
column
11期王丹凤:晋中盆地西南缘煤层气地质特征及资源潜力研究35
2煤层含气量分布预测
煤层含气量是评价煤层气勘探开发潜力的重要参数之一。

煤层含气量的评价和预测可以根据煤层含气量与其地质主控因素(地质构造特征、煤厚及埋深、上覆地层岩性特征、煤岩煤质特征、水文地质条件)之间的关系和模型进行预测和评价。

预测方法包括含气梯度法、基于Langmuir方程的煤层含气量预测法和地质统计分析法等。

其中，基于Lang­muir方程的煤层含气量预测法，预测精度相对较高，是目前预测深部煤层气含气量的主要方法。

基于Langmuir方程的煤层含气量预测法是根据煤的等温吸附实测数据、煤层压力变化规律和含气饱和度来预测煤层含气量的一种方法。

煤层含气量预测模型：
G=B xV L x P/(P L+P)
P-0.01x P k x D
式中:G为预测含气量,m3/t；B为含气饱和度,％;P 为煤层压力,MPa；P%为煤层压力梯度,MPa/100m；D 为煤层埋藏深度,m；%为Langmuir体积,013/1：;/^为Langmuir压力,MPa。

根据研究区已实施煤层气探井资料，并结合所在沁水盆地以往煤层气研究成果，综合各种地质因素，充分利用等温吸附实验结果，依据Lang-muir等温方程,建立了煤层含气量预测模型，对研究区山西组3号煤层和太原组10+11号煤层含气量进行了预测。

(1)3号煤层含气量预测公式
V=20x P/(2.0+P)
P=0.01x P k x D
P k=0.69
G=B xV
B的取值:当DW1000m时,B=Q.50；当DM 1000m时,B=0.65o
(2)10+11号煤层含气量预测公式
7=22x P/(l.8+P)
P-0.01x P k x D
P k=0.56
G=BxV
B的取值与山西组3号煤层相同。

根据上述含气量预测公式计算出研究区含气量等值线图如图2和图3所示。

由图可见，本区煤层含气量相对较高，3号煤层含气量为7.07-11.19m3/t,平均9.67m3/t,10+11号煤含气量为7.84-12.57m3/t,平均10.97m3/t o煤层含气量主要受盆地构造和煤层埋深控制，其平面分布特征和煤层埋藏深度变化密切相关，表现为断陷边缘向中央煤层含气量逐渐增大，且在局部断块内煤层含气量亦由浅部向深部有逐渐增高的趋势。

煤层含气量的变化反映了不同煤层非均质性和各种地质因素的综合影响。

图3研究区10+11号煤层含气量预测图Figure3Study area coal No.10+11gas content prediction
3煤层含气量主控地质因素
3.1构造特征对含气量的控制
地质构造是影响煤层气富集的主要因素之一。

聚煤期构造控制煤层的发育，聚煤后构造不同程度的控制着煤层气的运聚及保存[9-11]o构造演化史控制着含煤地层的沉积埋藏史及热演化史，对煤层厚度、煤层顶底板稳定性、地温地压和水文地质条件等多种地质条件都起着明显的控制作用,进而控制煤层的热演化及含气性。

燕山期至西山期，研究区所处的晋中盆地经历了多次构造沉降作用,不断增加了煤层上覆地层厚度，一方面促进煤热演化，生成大量甲烷气,另一方面为煤层气的保存提供良好条件。

研究区在单斜构造的基础上发育一系列近南北向的宽缓褶曲及北东向至东西向的高角度正断层。

可细分为三种类型的构造样式，
即高角度正
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中国煤炭地质
第32卷
断层、地垒-地堑及单斜构造。

以往的研究表明， 煤层气通常富集在构造负向构造中，如向斜、地堑
等,而背斜、地垒和大型正断层发育的地区，封闭 性较差，利于煤层气逸散“刀。

通过叠合构造样式
及煤层气含气性分布特征表明，研究区地堑区及 单斜构造的发育带含气量高于地垒区及正断层发 育带（图4a 、图4b ） o
3.2沉积特征对含气量的控制
沉积环境控制含煤岩系岩性、岩相及厚度展布 特征，进而一定程度上影响煤层气的赋存好⑸。

尤 其是沉积环境控制下的煤层宜接顶板特性对煤层气
的保存具有明显的影响。

一般厚层致密的泥岩、砂 质泥岩等封闭性强，对煤层气的保存起着良好的封
盖作用，而物性较好的砂岩，封闭性差，容易造成煤 层气逸散。

研究区3号和10+11号煤层上覆地层岩性及厚 度如表1所示。

煤层顶板封闭能力可以分为较高封 闭能力的泥岩、一般封闭能力的灰岩、泥岩-粉砂岩 互层及低封闭能力的细砂岩和砂岩。

在本研究区
内，存在四种不同的顶板岩性组合影响着煤层含气
量分布（图5）。

1）封闭能力较低的泥岩、砂质泥岩
和砂岩互层，如7-2井和TJ1井3号煤层的上覆地 层;2）封闭能力一般的砂质泥岩和粉砂岩，如3-1
井3号煤层的上覆地层;3）封闭能力较强的泥岩、砂 质泥岩，如7-3井3号煤层上覆地层。

4）封闭能力
差的细砂岩，如7-3井10+11号煤层的上覆地层。

另外，相较于煤层上覆地层厚度,其上覆地层岩性对 含气量的控制更为明显。

表1研究区主力煤层上覆地层岩性及厚度
Table 1 Main coal reservoir overburden lithology
(b)
and thickness in study area
井号
3号煤
10+11号煤
岩性
厚度/m
岩性
3-1砂质泥岩7. 36砂质泥岩、粉砂岩 5.187-1泥岩、粉砂岩
1.50
泥岩、中砂岩
3.057-2泥岩、细砂岩 2.04粉砂岩 1.407-3
泥岩、砂质泥岩
5.96细砂岩
2. 79
11-1/
/
粉砂岩 5. 06JT1
泥岩、细砂岩
4.31
细砂岩、砂质泥岩
3. 13
2
8-
6-4-10-64
• - 3号----------10+11号
2
I 000-
10+11号
800 -1 200-
400 -
O
1300
I 600-1 200
---------3号 ----------10+11号
1 10010+11号
图例
正断层
PjX
下石盒子组山西组
煤层C 2t 太原组泥岩C 2b 本溪组灰岩
奥陶系
图4研究区构造样式对煤层含气量控制剖面
Figure 4 Study area structural pattern CBM gas content controlliiig
section
11期王丹凤:晋中盆地西南缘煤层气地质特征及资源潜力研究37
地层
下石盒子组
山西组
太原组
本溪组
峰峰组
图5研究区上覆地层岩性及厚度与煤层关系的连井剖面
Figure5Cross well section of relationship betweenoverburden lithology,thickness and coal reservoir cross well section in study area
3.3煤变质程度和煤质与含气量的关系
研究区煤层的最大镜质组反射率为0.94%~ 1.32%,属中等变质程度,其水分、灰分和挥发分含量分别为0.39%~0.94%、12.85%~29.71%和22.90%~24.95%。

已有的研究表明，在一定范围内,煤层含气量与变质程度之间呈正相关关系,而与煤中水分和灰分之和呈负相关关系,这主要是由于90%以上的煤层气主要以吸附态赋存于煤基质的孔隙表面。

太原组10+11号煤层的R o相较于山西组3号煤层较高,一定程度上决定了煤层含气量相对较高。

基于实验模拟，水分比甲烷更容易吸附在煤孔隙表面，取代了甲烷的吸附位。

此外，灰分产率主要与煤中矿物有关,如黏土矿物、碳酸盐矿物和黄铁矿等,主要受控于沉积环境以及岩浆侵入活动。

煤基质孔隙容易被矿物充填，从而导致煤层气吸附能力的降低，进而影响含气量的大小。

因此，煤中水分和灰分产率对含气量的控制起着重要作用，进一步反映了成煤沉积环境和构造运动的共同作用［闵o 3.4煤厚与含气量的关系
研究区3号煤层厚度为0~1.91m,平均1.60m；10+11号煤厚度介于1.5-6.5m,平均4.8m0主力煤层厚度与含气量之间的关系如图6、图7所示。

3号煤和10+11号煤层的厚度由南向北逐渐增厚，两套煤层的预测含气量也具有由南向北增大的趋势,煤层厚度越大，含气量越高,厚煤带与煤层气富集区近重合，表明煤层厚度对含气量有一定的控制作用O 煤层气作为一种自生自储的非常规天然气，煤层厚度越大，煤层生气量越多,气体向煤层外扩散的阻力越大，煤层含气量相对越高。

3.5煤层埋深与含气量的关系
埋藏深度对煤层含气量的影响作用主要表现在煤层压力的控制,深度增大，储层压力增强,含气量增大，同时，埋藏深度增大，上覆地层厚度加大，有利于煤层气的保存岚］。

研究区煤层现今埋深与含气量的关系如图8、图9所示。

研究区3号煤层埋深介于700~1800m,10+11号煤层埋深介于800~ 1900m,煤层埋深由东南向西北方向逐渐增大。

煤层埋深较大的区域，含气量较大，煤层埋深浅的区域，如区块东南部长条型地垒区,含气量较小。

纵向±,10+11号煤相较于3号煤埋深含气量均较高,
随
38中国煤炭地质第32卷
Figure6Relationship between coal No.3gas content and coal thickness in study area 图9研究区10+11号煤层含气量与煤层埋深的关系Figure9Relationship between coal No.10+11gas content and coal buried depth in study area
Figure7Relationship between coal No・10+11gas
content and coal thickness in study area
着煤层深度的增加，含气量具有增大的趋势,表明煤层埋深对含气量有明显的控制作用。

Figure8Relationship between coal No.3gas
content and coal buried depth in study area
4煤层气有利区优选
煤层气富集主控因素包括煤层埋深、厚度、含气量、构造特征、水文地质条件等审切］,不同地质背景下煤层气富集控制因素有所差异。

综合分析研究区煤层气地质条件与成藏特征,本次将本区煤层气有利区预测标准确定为①煤层厚度大于lm；②储层埋深＜1500m；③煤层预测含气量＞6n?/t；④有利区位置处于构造发育稳定区（地堑、稳定斜坡）内，且远离大断层200m o
综合煤层厚度、埋深、含气量、构造稳定性等指标，预测本区煤层气勘探有利区见图10、图ll o3号煤煤层气勘探有利区被大型正断层围限，共预测出3处,均呈长条状,3号煤煤层气有利勘探区范围受控于煤层厚度及构造样式（图10）。

10+11号煤煤层气勘探有利区分布特征和3号煤相似,共预测出5处，均呈长条形，其勘探有利区范围主要受控于构造样式。

建议对上述有利区部署煤层气探井，进一步落实煤层气资源潜力,尽快实现勘探突破。

Figure11Coal No.10+11favorable area distributions in study
area
11期王丹凤:晋中盆地西南缘煤层气地质特征及资源潜力研究39
5结论
(1)研究区构造特征在平面上东隆西凹，剖面上垒堑相间，含煤地层为石炭-二叠系，主力煤层山西组3号煤厚介于0.0~1.91m,平均1.61m,埋深介于700~1800m；太原组10+11号煤层厚度为1.5-6.5叫平均4.8m,埋深在800~1900m。

煤岩镜质体反射率(乩)在0.94%-1.32%,热演化程度中等较低，有机质达到成熟阶段。

(2)依据Langmuir方程建立的煤层含气量计算模型预测3号煤层含气量为7.07-11.19m3/t,平均9.67m3/t,10+11号煤含气量为7.84-12.57m3/t,平均10.97mVt o煤层含气量主要受构造样式和煤层埋深控制，煤层含气性分布特征为构造稳定斜坡带优于地垒区及大型断层发育区，埋深增加含气量增大,10+11号煤层＞3号煤层。

(3)主力煤层含气量受构造样式、埋深、厚度、顶板岩性及厚度等控制。

煤层位于构造稳定带、埋深大、厚度大、顶底板岩性致密及厚度大，煤层含气量高。

(4)综合考虑构造特征、煤厚、埋深、含气量等因素,建立了区块煤层气有利区优选标准,并优选出研究区两套主力煤层勘探有利区8处，有利区呈长条形集中分布于区块东南部。

3号煤煤层气勘探有利区受煤层厚度及构造样式控制，10+11号煤煤层气勘探有利区受控于构造样式。

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