浅析桌子山煤田煤层气资源赋存条件

浅析桌子山煤田煤层气资源赋存条件
桌子山煤田位于内蒙古自治区西部，地跨乌海及鄂尔多斯市两市，其地理坐标：东经106°47′～107°11′，北纬39°10′～39°53′。

桌子山煤田煤层气评价研究区域：包括铁盖苏木矿区、千里山矿区、老石旦矿区、阿巴斯矿区、骆驼山井田、白云乌素矿区等，面积约1111km2。

煤层气田成藏的主控因素主要体现在三个方面，一是煤層气烃源条件，二为煤层气储层物性条件，三为煤层气保存条件。

这三个方面有机组合，才使得煤层物性好、含气量高，并最终形成具有高产富集条件的煤层气藏。

本文通过对桌子山煤田以上三个煤层气成藏因素的分析研究，预测了桌子山煤田煤层气赋存的有利区块[1]。

1 地质背景
桌子山煤田位于华北赋煤区鄂尔多斯盆地西缘北段赋煤构造带，该构造单元位于鄂尔多斯盆地西缘。

该赋煤构造带是由10余条近SN向延伸的大型逆冲断裂、数条同向大型正断层及一些近EW走向的大型平移断层组成构造骨架，基本构造形态为总体由东向西扩展的逆冲断裂组合（如图1）。

主要含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，除煤田东北部千里山一带有侏罗系煤层外，大部分为石炭二叠系含煤地层。

桌子山煤田主要可采煤层为9、10、16号煤层，厚度较稳定，但结构复杂。

2 烃源条件
2.1 有利的成煤环境
桌子山煤田主要气源岩为石炭系上统太原组（C2t）的9号煤层和二叠系下统山西组（P1s）的16号煤层，有利的成煤环境为该区煤层气藏的形成提供了很好的物质基础。

山西组为发育于陆表海沉积背景之上的三角洲沉积，一般以三角洲河口沙坝、支流间湾过渡到三角洲平原相。

太原组为一套海陆交互相沉积，形成了陆表海台地相碳酸盐岩沉积体系和堡岛沉积体系的复合沉积体系。

国内外煤层气勘探与研究表明在海陆交互沉积与陆表海沉积背景上的三角洲沉积体系中形成的煤层生气潜力大，有利于煤层气藏的形成。

如美国圣湖安盆地水果地组煤层属于三角洲泛滥平原沉积，拉顿盆地拉顿组煤层属于陆相泛滥平原沉积。

2.2 煤层厚度大、分布稳定
本区太原组和山西组总厚111-250米，煤层总厚0-39.19米，平均15.45米。

其中，木耳沟含煤区含煤12层，煤层累计厚度10.08米，可采煤层2层，可采厚度3.50米；卡布其含煤区含煤21层，煤层累厚11.61米，可采4层，可采厚度9.42米；骆驼山区含煤20层，煤层厚度15.01米，可采4层，可采厚度13.85米；滴沥帮乌素区含可采煤层8层，可采厚度11.92米；白云乌素区含煤17层，累计16.70米，可采10层，可采厚度13.00米；老石旦区含煤18层，可采5层，可采累计厚度14.04米。

总体而言，煤层厚度由北向南增厚趋势明显。

就煤层而言，主要可采煤组9号煤，北部自然分成两层，中部为三层，南部又合并为一层。

北部煤厚1.26-2.84米，中部煤厚4.86-5.72米，南部煤厚2.83-10.20米。

另一可采煤层16号煤，亦是南厚北薄，由木耳沟的0.84-1.27米到公乌素增至8.2-10.7米，自然分层亦由北部的二层增至南部的四层。

2.3 有机显微组分有利于煤层气的生成
煤岩的生气潜力与有机显微组分含量关系密切，随着煤化程度的提高，煤层气的总反射率不断增加，气体组成也逐渐变化[2]。

桌子山煤田山西组9号煤，镜质组（含半镜质组）占63.6-81.4%，丝质组含量占18.4-35.8%，壳质组含量占0.2-0.6%。

太原组16号煤镜质组（含半镜质组）含量占69.6-75%，丝质组含量占27.7-30%，壳质组占0.3-0.4%。

镜质组的含氢量较低，是生成气态烃的母岩。

煤田内9号和16号煤层的镜质组含量可占到80%左右，是煤层气生成的物质基础；丝质组虽然生气能力较差，但对煤层气具有较强的吸附能力；稳定组富氢，生烃能力最强，是生成煤中烃类物质的主要有机类型。

2.4 热动力条件好，有利于煤层气的大量生成
煤岩热演化生气与温度条件密切相关，局部高温会加速煤岩演化，生成大量的煤层气。

煤田内煤类有气煤、肥煤、焦煤等，属中等变质阶段[3]。

9号煤最大反射率为R0，max=1.0267-1.1990%，16号煤R0，max=1.1823%，均属肥煤阶段。

根据成烃理论：R0，max=0.4-1.3%之间，即褐煤至肥煤阶段，煤的吸附量随变质程度的增高而减小，当煤变质程度继续升高时，大量的烃类物质转化为气态烃并逸散于煤层中，导致煤的表面能增高，并使煤的吸附性增强。

因此，在肥、焦煤阶段，煤的含气性较高。

3 煤层气储层物性条件
3.1 煤储层埋藏深度
煤田内9号和16号煤层处于桌子山背斜的西翼上，煤层倾角较小，地表起伏不大，埋深由东向西逐渐加深，至卡布其向斜轴部，部分矿区内煤层埋深超过1000米。

3.2 煤层储集能力
桌子山煤田煤种以肥煤、焦煤为主，镜质组最大发射率为R0，max=1.0267-1.1990%，煤岩类型为半亮-亮型煤。

镜质组较其它显微组分具有更强的生气和亲CH4能力，同时光亮型煤比暗淡型煤吸附CH4能力强。

桌子山煤田煤层镜质组含量较高，在63.6-81.4%之间，煤岩类型属光亮型-半亮型煤，因此煤储层对CH4的吸附能力强，具有良好的储集能力。

3.3 裂隙系统
本区处于鄂尔多斯盆地的西缘，后期改造运动强烈，形成了众多不同方向的小规模断裂和褶皱构造，煤层构造节理裂隙较为发育，例如其中一组走向近NE-WS向，节理面近于直立，节理密度7-8条/米；另一组走向近SN，节理面也近于直立，节理密度3条/米，煤层内生裂隙和构造裂缝发育，煤层的渗透性得到很大程度的改善，对煤层气储集运移是有利的。

3.4 渗透率
采用钻孔径向测定法对卡布其矿区内平沟煤矿的主采煤层进行了透气性的测定。

计算得到平沟煤矿9号煤层的透气性系数为0.405-0.458m2/MPa2？d；10号煤层的透气性系数为0.885-0.932m2/MPa2？d；16号煤层的透气性系数为0.129-0.611m2/MPa2？d。

3.5 储层压力
煤层气的有效压力系统决定了煤层气产出的能量大小及有效驱动能量的持续作用时间。

储层压力越高、临界解吸压力越大、有效地应力越小，煤层气的解吸-扩散-渗流过程进行得就越彻底，表现为采收率增大，气井产能增大。

有效压力系统由静水压力、地应力以及气体压力组成。

对不饱和储层来说，气体本身没有压力，因此储层有效压力系统主要由静水压力和地应力组成[4]。

根据对卡布其矿区平沟煤矿在不同水平实测的瓦斯压力及瓦斯含量，对瓦斯压力及瓦斯含量和底板标高进行回归，如图2所示，发现距卡布其向斜轴部越近的煤层，瓦斯压力及瓦斯含量越大。

3.6 孔隙度
煤层既是煤层气的气源岩，又是煤层气的储层。

一般情况下，随着煤层埋深和热演化程度的加深，煤层孔隙直径变小，渗透性变差，但通过研究表明：该区煤的变质成因以区域热变质为主，在高温和相对低压环境下，煤层孔隙仍较发育，孔隙度可达2.98%～7.69%，孔隙以微孔和过渡孔为主，保存了少量的中孔和大孔，这一孔隙特征导致煤的孔面积增大，吸附能力强，并且煤层孔隙具有一定的连通性。

3.7 煤储层含气性
山西组煤层气储层以9号煤为主，太原组煤层气储层以16号煤为主。

因为它们的厚度大、稳定，基本上全区可采，相应的甲烷含量也大。

9号煤层的煤层气含量通过以往施工的钻孔来获得。

经过统计，煤层气主要赋存于卡布其区和骆驼山区，其他矿区内煤层气含量相对较低，同一矿区内有由浅到深煤层气含量增大的趋势。

其中卡布其矿区平沟煤矿主采煤层为山西组9号、10号煤和太原组16号煤，其中16号煤层为井田内最厚煤层，煤厚0.2-8.12米，平均4.17米，顶板为泥页岩和砂质泥岩和碳质岩。

16号煤层为具有煤与瓦斯突出危险性，实测16号煤层瓦斯压力最高为3.89MPa，瓦斯含量为11.67m3/t。

根据骆驼山勘探报告，本地区沼气含量随深度而增加。

在煤田北部416号钻孔中，16-1号煤层甲烷含量达10.18m3/t，属高沼气瓦斯矿井区。

因此可见，该区煤层气含量比较高。

4 煤层气保存条件
4.1 煤层顶底板条件分析
储集层上方或上倾方向和顶、底板均为非渗透岩层，对煤层气的储存有利，因此桌子山煤田的圈闭类型属于构造-地层复合圈闭类型。

煤田内9号煤层顶板在全区范围内，几乎全是泥岩、砂质泥岩、粘土岩类，仅局部地区为砂岩类。

粘土岩呈灰色，贝壳状断口，垂直裂隙发育，易成碎块，抗压强度为450kg/cm2；底板以泥岩为主，次为细砂岩，泥岩裂隙不发育，抗压强度为82-183kg/cm2，细砂岩抗压强度为837kg/cm2，泥岩裂隙不发育，封盖条件好。

16号煤组顶板为泥岩、砂质泥岩和细砂岩。

细砂岩常见垂直裂隙，抗压强度672-1170kg/cm2；底板为致密状粘土岩或泥岩和细砂岩，砂泥岩抗压强度139-940kg/cm2，细砂岩以石英为主。

16-1和16-2号煤层间，为致密状粘土岩、泥岩，部分为炭质泥岩。

可见该区煤层顶底板条件好，有利于煤层气的保存。

4.2 构造发育情况
地质构造控制了煤田的展布和形态，特别是张性断裂的切割程度及压性构造应力集中程度，对煤层气的储存和扩散，具有重要的控制作用。

桌子山煤田处于鄂尔多斯盆地西缘逆冲断裂带上，构造变形主要表现为褶皱冲断作用。

主要是逆冲断裂面皆倾向西，表明具有向东逆冲的性质。

从构造体系讲，逆冲断裂带对煤层气的储存有利。

桌子山东麓逆冲断层形成了一个逆冲岩席。

逆冲席前锋隆起形成了桌子山背斜，地层时代老，地貌上形成山岭，构造变形强烈，褶皱、断裂构造发育，尾端形成卡布其向斜，石炭-二叠系煤层气储层得以保存下来，向斜内部地层出露较新，地貌上多呈平坦洼地，次级褶皱不发育，但横向张性断裂十分发育。

卡布其向斜西翼又被岗德尔逆断层冲断，寒武-奥陶系老地层逆冲于煤系之上。

落差800-1200米，倾角48-52°。

对向斜轴部的煤储层起到了封闭作用。

向斜内部的横向张性断裂，延展长度短，落差小，是次一级构造，个别落差较大者达70-120米，常构成井田边界。

众多张性断裂落差由深向浅增大，大多为开放性，不利于煤田中浅部煤层气的储存。

煤田南部的矿区，由于桌子山东麓断层北敛南散，派生出阿尔巴斯、棋盘井等逆断层系列，再加上由岗德尔逆断裂分支出来的西来峰逆断层，与东西向的张性断层组合成较为复杂的"棋盘式"格局，是造成煤层气扩散的主因。

4.3 水文地质条件
地层水的矿化度是反映煤层气运聚、保存和富集成藏的重要指标，本区上部煤系地层水矿化度均超过1000mg/l，说明当时沉积环境闭塞，水体外泻条件差，封闭条件好，且在煤层深部由于逆断层的封闭效应，煤层水为滞流水，对上主煤层中煤层气的保存极为有利[5]。

5 煤层气资源有利区预测
桌子山煤田煤层气资源勘查程度过低，目前没有专门施工过煤层气参数井，根据以往探煤钻孔及煤矿瓦斯数据分析，结合各矿区煤层发育情况及煤层气赋存
条件，初步预测煤田西部为本次煤层气评价有利区域（图3，图4）。

因此建议在该区域施工1-2个煤层气预探井，获得煤层气的实测资料，为下一步勘探开发工作奠定基础。

参考文献：
[1] 傅雪海，秦勇，韦重韬.煤层气地质学.徐州：中国矿业大学出版社，2007.
[2] 孙茂远，黄盛初.煤层气勘探开发利用手册[M].北京：煤炭工业出版社.1998：237-238.
[3] 张培河.低变质煤的煤层气开发潜力--以鄂尔多斯盆地侏罗系为例[J].煤田地质与勘探，2007，35（1）：29-34.
[4] 孟召平，田永东，李国富.煤层气开发地质学理论与方法.北京：科学出版社，2007.。