郑庄地区煤层气成藏主控因素分析

谭青松

（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 武汉430100）

（中石油华北油田分公司地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

汪 剑，刘 静，陈玉婷，王霁霞

柳 溪，田思思，陈源裕，冯 玲

（中石油华北油田分公司地球物理勘探研究院，河北任丘062552）

近年来，随着中国经济的高速发展，石油、天然气的需求与日俱增，但却面临能源短缺瓶颈的制约。煤层气作为常规油气的重要补充，其战略地位十分显著。中国煤层气勘探开发始于20世纪90年代，起步较晚，无论煤层气地质学的基本理论还是勘探开发工艺的研究应用均还不够完善，因此，对煤层气及其成藏原理进行研究，勘探开发利用煤层气藏既存在现实要求也具有广阔前景。下面，笔者以山西省沁水盆地郑庄区块为例，通过对影响煤层气成藏的主控因素：煤层厚度、煤层埋深、煤岩热演化程度、储层物性、围岩封闭条件、构造条件、水动力条件、陷落柱等逐一展开分析，逐步认识煤层气成藏富集规律，为下步勘探开发提供了地质依据。

1 地质概况

沁水盆地位于山西省的东南部，东依太行山隆起，南接中条山隆起，西邻霍山隆起，北靠五台山隆起，是华北晚古生代成煤期以后，由断块差异性抬升作用形成的山间断陷盆地［1］。盆地南部煤层气田总体构造形态为一马蹄形斜坡，东、西、南3个方向为隆起区，北部与沁水盆地腹地相接；东南部为一组北东向－近东西向正断层组成的弧形断裂发育带，即由寺头与后城腰2条大断层控制的断裂带，而其他区域无大型断层，主要发育北北东和近南北向的小的褶皱构造。郑庄区块即位于该斜坡带南部，地表地形以丘陵为主，地层宽阔平坦，地层倾角一般2°～7°，平均只有4°，构造相对简单。矿区面积约982.7km2，资源量大，有望建成9×108m3产能，勘探开发前景广阔。

2 煤层气成藏主控因素

2.1 煤层厚度

单位重量煤层含气量不直接受煤层厚度的影响，但是煤层总的含气量却随着煤层厚度的增加而增大［2］。薄煤层也可以抽采煤层气，但由于含气量低，开采稳产持续时间短，产量少，从经济角度看是不利的。目前，根据多个地区煤层气开发的经验，煤层气选区时煤层厚度下限为1m。煤层厚度越大，对形成气藏越有利，煤层厚度是煤层气富集的物质基础。

沁水盆地属于华北石炭－二叠系聚煤盆地，主要含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组。山西组属发育于陆表海沉积背景之上的三角洲沉积，煤层总厚4～10m，总体趋势为南厚北薄、东西厚中间薄。其中3号煤为其主要煤层，厚3～7m，横向连续，分布极为稳定。太原组为海陆交互相沉积。煤层总厚3～9m，总体趋势为北厚南薄，与山西组煤层变化趋势相反。其中，15号煤为其主要煤层，厚2～5m，较3号煤层略薄，分布相对稳定。沁水盆地山西组3号煤与太原组15号煤厚度均达到了煤层气选区开采的厚度要求，是该区煤层气勘探开发的有利目的层。

2.2 煤阶

煤层气是煤岩在热演化变质作用下产生的，随着变质作用的加深，煤阶由低向高转化，生气量也随之增加。沁水盆地3号、15号煤煤阶以亮煤和镜质组煤为主，镜质组反射率为2.4%～4%，这类组分的含量高，煤岩热演化程度高，生气潜力大。

2.3 煤层埋深

煤层的埋藏深度是控制煤层生气和成藏保存的重要控制因素之一，其对煤层气的影响表现在2个方面［3］。首先，随着煤层埋深的增加其含气量呈规律性的增长，原因在于埋深增大，煤岩变质作用程度加剧，微孔隙、裂隙更发育，使煤层吸附能力增强，从而导致煤层中甲烷气体含量增多；同时，地层压力增大，封闭性增强，有利于甲烷储集成藏。另一方面，煤层含气量随着煤层埋深增加又不是无限制增加的。多项实验数据证实，当深度达到1200m，地层压力到9MPa以后，煤层含气量增长变缓，甚至逐渐减少。

沁水盆地煤样朗格缪尔等温吸附试验数据表明，煤层 （干燥基）原煤对气体吸附量达到饱和即接近兰氏体积时，随着埋深的增加，地层温度升高，煤层孔隙度、渗透率降低，对气体吸附量减少，且开采成本也跟着增加。郑庄地区除了局部洼槽区比较深以外，主力煤层3号煤埋藏深度一般在500～1200m，这一深度范围适合煤层气经济开采。

2.4 储层物性

对于煤层气来说，煤层既是气源层，又是储层。它是一种双孔隙岩层，由基质孔隙和裂隙组成，有其独特的割理、裂隙系统。前者是甲烷气吸附储集的场所，后者是气体运移和产出的通道。煤层渗透率是控制煤层气产能大小的关键参数，其主要取决于煤质、煤岩压实程度及煤岩中割理、裂隙系统的发育程度。与常规储层相比，煤层中孔隙度、渗透率均偏低。

郑庄地区3号煤层孔隙以微孔为主，发育了少量的中孔和大孔，孔隙度2.02%～6.48%，渗透率0.136～3.42×10－3μm2。晋试1井电镜扫描结果显示，3号煤层原始渗透率为0.51×10－3μm2，割理密度约500条／m，煤层裂缝发育，渗透性较好，达到了煤层气勘探选区标准对煤层渗透率的要求［4］。

2.5 围岩

与常规气藏相比，煤层气不仅对煤层顶板要求严格，对煤层底板要求也同样严格，这是与它自生自储式储层特征分不开的。围岩顶底板主要是通过维持吸附和解吸的平衡，减少游离气的逸散和减弱交替地层水的影响来对煤层气成藏起作用。而对顶底板的要求主要体现在岩层岩性、厚度上。大套的致密泥岩、盐岩及膏岩等，透气性差，可以形成良好的封盖层，能保持较高地层压力，维持最大的吸附量，有效地减少煤层气的散失，而利于煤层气保存。

通过对沁水盆地已钻井3号煤层顶底板岩性与含气量统计数据对比发现，顶底板为泥岩时比砂岩储层含气量明显要大。郑庄地区3号煤层顶底板岩性主要为泥岩或碳质泥岩，厚度16～70m，厚度大，致密坚硬且分布比较稳定，封盖能力强，对煤层气的保存较为有利。

2.6 构造

构造是煤层气储集、保存的重要控制因素，它主要是通过地壳运动，改变地层压力，打破煤层中吸附气与游离气之间动态平衡，使二者相互转化，从而影响煤层中吸附气的含量。

1）褶皱和断裂 压性构造发育区煤层含气性优于张性构造发育区；逆断层发育区煤层含气性优于正断层发育区；向斜构造富气，背斜构造相对贫气［5］。对于褶皱作用，向斜构造两翼及轴部中和面以上表现为压应力，特别是中和面以上应力明显集中，有利于煤层气封存；而背斜构造的两翼及轴部中和面以下表现为压应力，特别是中和面以下出现明显应力集中，利于煤层气聚集。对于断裂作用来说，逆断层断面呈封闭性，煤层气不易散失，同时，压力增大，吸附甲烷气体也增多；相反，正断层断面呈开发性，应力释放而降压解吸，是煤层气逸散的通道。

2）陷落柱 陷落柱是在奥陶系灰岩中发育的一种比较特殊的地质现象，分几类，主要通过沟通煤层顶底板、减少煤层厚度或直接连通地表而使甲烷气体散失，其已成为煤层气勘探开发一大制约因素。郑庄区块陷落柱形成主要是石炭－二叠系可溶岩层受活跃地下水强径流溶蚀作用 （见图1）和区域构造运动的控制。识别陷落柱主要通过其地震反射特征，在地震剖面上主要表现为：标准反射波在小范围内突然中断、消失或变弱及反射波同相轴不同程度向中心弯曲倾斜的现象等［6］（见图2）。

图1 陷落柱形成示意图

图2 陷落柱在地震剖面上的反应

在沁水盆地内的局部地区，小断层和陷落柱相当发育。它们使煤层的连续性受到严重破坏，影响了煤层的含气性，是影响煤层气勘探成效的重要原因之一。因此对其进行研究，分析其成因及分布规律显得相当重要。

郑庄区块整体为北倾宽缓斜坡，区内断层走向多为NE－NNE向，主要形成于喜山期。除南部寺头与后城腰断层比较大以外 （100～600m），其它断层规模较小，一般在10～50m，个别小于10m，多分布于东部，与两条大断层走向基本一致，且距离相近。

经过研究落实，区内共发现各类陷落柱134个，以圆锥状半截柱为主，直径一般在100～300m，受二维地震资料的限制，直径小于100m的陷落柱解释较少。陷落柱分布具有明显不均匀性，主要分布于褶皱槽部与挠曲部，并沿着断裂走向展布，断裂带是集中发育区。

3）含气量与构造关系 对郑庄区块3号煤层含气量与构造关系分析发现，煤层含气量较高的井主要分布在向斜构造 （负向构造）和单斜下倾方向，而距断层、陷落柱比较近 （小于150m）或断裂发育区，煤层的含气量较低 （见图3）。部署井位时，应尽量避开断层与陷落柱发育区，以提高勘探成效。

图3 郑庄地区3号煤层含气量与构造关系

2.7 水动力条件

地下水条件发生变化，影响地层液体压力和含气饱和度的变化，从而打破煤层中吸附气、溶解气和游离气间的原有平衡，进而影响煤层中甲烷气体的含量。一般情况下，地层水弱交替区或交替水阻滞区，地层液体各项指标变化小，原有平衡变化小，煤层气散失少，有利于煤层气保存；地下水活跃区，原有平衡被破坏，煤层中吸附气减少，从而造成煤层含气量的减少，并且地下水活跃区易于形成陷落柱发育区，煤层气易散失，不利于煤层气的保存。但也有例外，如在承压水区，上覆地层和煤层含水层压力大，易引起煤层中甲烷气体吸附量增加，并形成水动力封堵，造成煤层气的富集成藏。

沁水盆地形成后，盆地南部地下水在重力驱动下从高地势的霍山地区向低地势的晋城地区顺层泾流［7］，水流方向为东、南，在张性断裂及岩溶构造发育区，引起地下水排泄。

区内主要区域含水层有4层：新生界松散孔隙含水层、三叠系裂隙含水层、石炭－二叠系砂岩裂隙含水层和奥陶系灰岩裂缝岩溶含水层。前2层离主要煤层较远，并有厚度比较大粘土层、泥岩层，形成好的区域隔水层，对古生界灰岩影响甚小；石炭－二叠系裂隙含水层，下石盒子组厚层泥岩和本溪组铝土岩隔水性能好，水动力条件较弱，对煤层冲刷散失小，有利煤层气保存，且石炭－二叠系地层出露地表，接受地表水与大气降水，在地层下倾方向形成承压水区，有利于形成承压水封闭的煤层气藏；中奥陶石灰岩层富水性较强，受水面积广，裂缝发育，为地下水溶蚀作用提供了有利条件。当地下可溶性灰岩溶蚀到一定程度时，产生大量孔洞，最终，由于上覆地层重力作用导致上部岩层坍塌、跨落，从而形成陷落柱，这也是陷落柱比较发育的重要因素。

3 结 论

（1）煤层气的生成、储层、封藏、运移、聚集和保存，不同于常规天然气，有着其特殊的成藏条件，并且不同地区由于地质作用等不同，成藏规律有很大差异。因此，在研究过程中，在借鉴其他地区成功经验的同时，要结合地质特点，研究出适合该地区地质特征的成藏条件。

（2）煤层气成藏的主控因素包括煤层厚度、煤层埋深、煤岩热演化程度、储层物性、围岩封闭条件、构造条件、水动力条件、陷落柱等，影响因素极其复杂。

（3）郑庄地区具有煤层厚度大、埋藏适中、分布稳定、热演化程度高、生气潜力大等有利条件。在研究过程中，主要针对构造特征、断层和陷落柱分布规律等对该区煤层气成藏影响比较大的因素展开分析，选区时做到规避断层和陷落柱发育区，优选向斜背景下的正向构造，从而为今后井位优化部署提供了更多地质依据。