沁水盆地南部3号煤层含气量主控地质因素分析

沁水盆地南部3号煤层含气量主控地质因素分析
张谦;黄文辉;郭立夫;胡咤咤;许启鲁;陆小霞
【摘要】以沁水盆地南部四个矿区不同深度的3号煤岩样品为研究对象,采用压汞、低温液氮吸附、显微镜和扫描电镜等试验方法对煤样的孔径、裂缝和孔隙连通性、渗透性以及吸附性进行表征,结合研究区的构造特征、储层特征以及水动力特征,研
究该地区3号煤层含气量的主控地质因素.研究区处于一个大型复式向斜构造上,3
号煤层煤样总比表面积和总比孔容积与煤层埋深呈负向关系.煤岩类型以半亮煤为主,镜质组含量较高,生气能力较强,顶底板密封性较好.盆地接受大气降水,从向斜翼
部流向轴部,有效阻止了煤层气的逸散.研究结果表明,该区3号煤层含气量主控地质因素包括:煤岩类型、孔裂隙结构、水动力特征以及顶底板封闭性,煤层气的富集是
上述几项地质因素耦合作用的结果.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2015(015)013
【总页数】7页(P13-19)
【关键词】沁水盆地南;3号煤;含气量;地质因素;耦合作用
【作者】张谦;黄文辉;郭立夫;胡咤咤;许启鲁;陆小霞
【作者单位】中国地质大学能源学院,北京1000831;中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京100083;中国地质大学地质资源勘查国家级
实验教学示范中心,北京100083;中国地质大学能源学院,北京1000831;中国地质
大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京100083;中国地质大学
地质资源勘查国家级实验教学示范中心,北京100083;中国地质大学能源学院,北京
1000831;中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京100083;中国地质大学地质资源勘查国家级实验教学示范中心,北京100083;中国
地质大学能源学院,北京1000831;中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京100083;中国地质大学地质资源勘查国家级实验教学示范中心,
北京100083;中国地质大学能源学院,北京1000831;中国地质大学海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京100083;中国地质大学地质资源勘查国家级
实验教学示范中心,北京100083;中国地质大学能源学院,北京1000831;中联煤层
气有限责任公司,北京100011
【正文语种】中文
【中图分类】P624.6
随着能源利用形式的多元化发展，煤层气的开发和利用受到了人们的广泛关注。

近年来，煤层气勘探一直是非常规天然气勘探的热点[1]。

沁水盆地蕴藏着丰富的煤
层气资源，南部地区是我国重要的煤层气生产基地，3号煤层是该盆地的主力煤层，也是煤层气勘探开发的主要目标煤层，其煤层气的开采已经取得较好的经济效益[2]。

近20年来，国内学者对煤层含气量的影响因素做了大量的研究。

全裕科研究认为，煤层储气能力才是煤层含气量的主要控制因素[3]；秦勇研究认为，煤储层
厚度越大，煤层气向顶底板扩散的阻力就越大，含气量越高[4]；姜波研究认为，
构造变形导致了煤层气的逸散[5]；秦胜飞研究认为，流动的地下水对煤层气的保
存不利[6]；陈敬轶研究认为煤层上覆基岩厚度是3号煤层含气量分布的主控因素[7]；陈红东研究认为构造作用对煤层气运移和散失提供了条件[8]。

笔者重点分析
了储层物性特征，结合构造及水动力特征，对沁水盆地南部3号煤层含气量的影
响做了系统研究。

沁水盆地位于华北板块内部，太行隆起与吕梁隆起带之间，构造上属吕梁-太行断
块上最大的次级构造单元——沁水块坳。

北至五台山隆起带，南以中条山为界，东邻太行山隆起，西邻吕梁山，总体呈NNE-SSE 复向斜构造[9]。

其石炭一二叠纪煤炭资源量大，是我国北方地区的重要煤炭资源分布区之一[10]。

研究区地层属华北地区层系，缺失志留纪、泥盆纪和下石炭世地层，由盆地边缘向内部依次出露上古生界、中生界地层，盆地内部三叠纪地层大面积出露[11]。

研究区位于沁水盆地南部，东临太行山隆起，西临霍山凸起，南部为中条山隆起，北部连接沁水盆地腹部。

煤层埋深由盆地边缘向盆地中心逐渐增大，盆地边缘可见煤层出露，深部超过1 200 m[图1(a)]。

含煤盆地构造运动直接控制着整个盆地的性质及其演化，从而控制盆地内煤层的分布、厚度以及煤岩性质。

沁水盆地南部呈向斜构造形态，盆地南段地层宽阔平缓，平均倾角只有4度左右，区内低缓。

多期次的板块构造运动控制着盆地的地质演化，经历了不同期次的构造演化以及热事件[12]。

区内褶皱发育[图1(a)]，由于盆地地层经受了印支期近南北向挤压应力场和燕山一喜马拉雅早期NW-SE向挤压应力场，使研究区褶皱以北东向和北北东向展布为主，褶皱对该区煤层气影响较大。

区内断层不发育，主要为文王山断层、二岗山断层、庄头断层和晋获断层，断层作用对该区煤层气影响较小。

3.1 分布特征
煤层气含气量的影响因素很多，主要包括煤层面积、煤层厚度、煤岩类型、储层孔隙体积、吸附性、水动力作用以及顶底板封闭性。

3号煤层全区分布，稳定可采，厚度分布范围较大，为1.5～5.75 m ，平均3 m，由盆地边缘向中心厚度逐渐增大。

研究区东面和南面均有15号煤层露头[图1(a)和图1(b)]。

3号煤顶板多为泥岩和粉砂质泥岩,厚度多在10 m 以上，底板为泥岩，封闭能力强[13]。

3.2 煤岩类型
3号煤以半亮煤为主、半暗煤次之，煤岩裂隙及割理发育，贝壳状及阶梯状断口
[图2(a)]明显可见；部分裂隙被方解石充填[图2(b)]；白色方解石薄膜以及黑色暗煤条带[图2(c)]；黑色块状煤岩，相对致密，具有玻璃光泽[图2(d)]；氧化结构丝
质体，细胞腔被粘土矿物充填[图2(e)]；显微镜下偶见分散状、结核状、薄膜状黄铁矿赋存煤岩表面[图2(f)]；发育的裂缝更加清晰可见[图2(g)]；扫描电镜下可见
孔隙被片状黏土矿物[图2(h)]以及晶形完整的石英颗粒[图2(i)]充填。

最大镜质组
反射率介于1.96%～2.92%，平均为2.31%；镜质组含量介于71.5%～88.1%之间，平均为81.4%；惰质组含量介于5.7%～17.3%之间，平均为12.0%；矿物质含量介于2.4%～11.3%之间，平均在6.6%(表1)。

通常来讲，半亮煤内生裂隙较
发育，脆性较大，容易破碎，暗煤内生裂隙不发育。

镜质组含量反映成煤沉积物沉积时的水体深浅和沉积环境还原程度的强弱，还能较好的反映煤层气储层物性条件，通常煤的各种有机显微组分含量能反映其原始成煤环境，在强还原条件下形成的煤，其显微组分中的镜质组含量高，在弱还原条件下形成的煤，其显微组分中的惰质组含量就高。

镜质组含量越高，反映煤层气储集物性条件越好[14]。

煤岩三大组分组的生烃能力也有显著差异，镜质组生烃能力较强[15]，主要生成气态烃，惰质组生烃能力较弱。

研究区煤样的镜质组含量总体较高，这就使煤具备了很好的生气潜力。

全裕科认为，生气量不是煤层含气的关健控制因素，煤层储气能力才是煤层含气量的主要控制因素[3]。

由图2(a)、(b)、(h)和(i)可以看出，研究区3号煤岩孔隙和裂隙发育，但充填严重，后期充填作用对煤储层储气空间起到了破坏性作用。

3.3 孔隙性和渗透性
(1)压汞法可以定量得到孔半径3.75 nm 以上的有关孔隙大小、孔径分布、孔隙类型等参数信息。

煤的孔隙度是指煤中孔隙体积与煤总体积之比的百分数。

实验样品取自四个不同矿区，且深度由浅到深均匀分布，基本能够代表整个研究区的总体特征。

孔隙度范围在1.40%～3.40%之间，平均为2.35%(表2)，应该注意的是，压汞法侧得的孔隙度为样品有效孔隙度。

从表2可以看出，3号煤层随着埋深增加，
孔隙度呈减小的趋势。

伯方矿区样品埋深较大，孔隙度却较埋深较浅的几个矿区大，可能是由于该深度处煤层受构造运动影响较大，裂隙及割理等较发育，使得有效孔隙体积增加。

煤中不同大小孔隙的发育程度叫孔隙分布、也称孔隙结构。

由于煤层气的产出需要通过各级孔隙导通出来，煤的孔隙分布特征更能反映煤的孔隙属性，压汞测试出的各孔径段孔隙含量的变化对煤层气渗流有显著的影响[16]。

该区煤岩孔喉直径变化范围为0.06～0.25 μm，平均为0.14 μm。

随着埋深增加，最大汞
饱和度有减小的趋势，排驱压力及退汞效率都呈现先增大后减小，渗透率呈现出增大的趋势。

煤层埋深可影响储层压力[17]，单位孔隙体积可储存的气体量增加，因此，孔体积的减少对煤层含气量并不能起到决定性的控制作用，含气量是多项地质因素耦合作用的结果。

(2)低温氮吸附法主要用于测定孔径小于10 nm的孔隙，可测最小孔半径达0.6 nm，可测最大孔半径能达150 nm，此方法主要用于研究吸附孔。

实验选取了由
浅到深具有代表性的不同矿区的四块样品，从表3可以看到，样品总孔体积分布
范围为0.90～4.46 mm3/g，平均为2.15 mm3/g，总体随深度增加呈减小的趋势。

中孔和小孔所占比例较小，微孔所占比例较大，平均58.46%。

总比表面积分布范围为0.71～2.21 m2/g，平均为1.51 m2/g，中孔和小孔所占比例较很小，
微孔所占比例较大，大多在95%左右，平均为93.34%。

由图3可知，煤样微孔
体积百分比随深度增加减小较快，微孔比表面积所占的百分比减小较慢，说明在同样的孔隙体积的情况下，微孔对比表面积的贡献率比小孔和中孔的要大。

孔直径、孔体积、孔比表面积之间关系密切，微孔的孔体积比中孔的小，但同体积微孔的比表面积比中孔的大，比表面积的大小取决于微孔体积的大小，与中孔的体积大小无明显关系。

孔隙平均直径越大，总比表面积越小，孔隙平均直径越小，总比表面积越大[18]。

水动力作用对煤层气的影响主要体现在对煤层气成藏和保存条件的影响，主要表现
在水动力强度和水流方向两个方面。

水动力强度由高势区向低势区逐渐减弱，水流方向受到区域构造形态的影响。

如图4所示，沁水盆地南部呈复式向斜构造形态，盆地接受大气降水补给，水体沿不同岩性地层由高水位等势面向低水位等势面汇流[19]，重力是地下水径流的主要驱动力，总体呈现出从盆地边缘向中心由上往下渗流的特点[20]。

随着地层埋深的增加，由于孔隙性和渗透性变差以及孔隙压力增大，水动力强度逐渐减小。

王勃认为，处于向斜部位的煤层气含量一般要比处于背斜部位的煤层气含量高得多，从向斜的轴部到翼部，煤层气含量逐渐降低。

这是由于从向斜轴部到翼部，上覆地层变厚，地层压力增大，煤层吸附能力增强，且水动力作用较弱，使得向斜轴部煤层气富集。

由图5可以看出研究区3号煤层含气量在平面上的分布规律性很强，由盆地边缘
向盆地中心含气量逐渐增大，且盆地周边含气量等值线较密集，说明随着煤层埋深增加，含气量梯度逐渐减小。

含气量是影响含气饱和度的重要因素之一，含气饱和度是煤层气选区评价与开发的重要参数，更是反映煤层气开发难易程度和煤层气井产能评价的重要指标[21]。

高和群认为，沁水盆地南部含气饱和度与煤储层埋深具有良好的负相关性，即含气饱和度随煤层埋深的增加而降低[22]。

研究区煤层由盆地边缘向中心埋深逐渐增大，含气量随埋深增大而增加，可见含气量与含气饱和度之间没有必然的联系。

通过对研究区3号煤储层的研究，结合该区构造特征，水动力特征，含气特征，
取得以下几点认识：
1)研究区煤岩显微组分中，镜质组百分含量高，平均为81.4%，占绝对优势，使
该区3号煤层具备较强的生气潜力。

2)研究区3号煤以半亮煤为主，内生裂隙发育，但多被矿物充填，使得储层孔隙
体积减少，孔隙类型以微孔为主，有利于煤层气的吸附储存。

3)研究区煤层随着埋深增加，孔隙体积呈减小的趋势，但上覆地层压力增大，有利
于煤层气吸附，因此，孔隙体积的减小并不能导致含气量减小。

4)研究区3号煤层含气量的影响因素包括煤层面积、煤层厚度、煤岩类型、储层孔隙体积、吸附性、水动力作用以及顶底板封闭性，而煤岩类型、孔裂隙结构、水动力特征以及顶底板封闭性是煤层含气量的主控地质因素。

5)单一地质因素对煤层含气量并不能起到决定性的控制作用，研究区3号煤层煤层气富集是煤岩类型、孔裂隙结构、水动力特征以及顶底板封闭性几项地质因素耦合作用的结果。

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