摘要：寧武盆地是我國典型的中煤階構(gòu)造殘余盆地，勘探證實(shí)其南部具有很好的煤層氣勘探潛力，但煤層氣富集的主控因素尚不清楚。為此，分析了盆地南部主要含煤地層的沉積環(huán)境、煤質(zhì)特征、熱演化程度與煤階分布、煤儲(chǔ)層物性等地質(zhì)特征，通過構(gòu)造特征、地應(yīng)力分布特征、封蓋條件分析，結(jié)合前期勘探成果，綜合研究后認(rèn)為：寧武盆地南部煤層氣的富集受構(gòu)造部位、應(yīng)力場以及煤層頂?shù)装宸忾]條件控制，構(gòu)造上斜坡帶煤層氣富集高產(chǎn)，構(gòu)造應(yīng)力場低值區(qū)煤層滲透性好，封閉條件好的地區(qū)煤層氣保存條件好。進(jìn)而預(yù)測出W02井以東、W04井以南地區(qū)具有獲得高產(chǎn)煤層氣井的有利條件，是有利的煤層氣富集區(qū)。

關(guān)鍵詞：寧武盆地；煤層氣；富集；斜坡帶；地應(yīng)力場低值區(qū)；主控因素；有利區(qū)；封蓋層

    寧武盆地位于山西省西北部，西側(cè)為呂梁山隆起和蘆芽山復(fù)背斜，東側(cè)為五臺(tái)山隆起帶，是晚古生代成煤期后受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓抬升形成的小型山間構(gòu)造盆地^[1～2]。南北長約130km，寬20～30km，面積約3120km²(圖1)。目前已有3口煤層氣井最高日產(chǎn)氣超過1000m³(WO1、W04、W05井)，均分布于南部斜坡帶，證實(shí)寧武盆地南部具有很好的煤層氣勘探潛力。但寧武盆地南部煤層氣富集主控因素尚不清楚，需要深入研究，筆者通過對該區(qū)構(gòu)造特征、地應(yīng)力分布特征、封蓋條件等方面的研究，分析了寧武盆地南部煤層氣富集主控因素，指出了煤層氣有利富集區(qū)。

    寧武盆地發(fā)育石炭-二疊系、侏羅系2套含煤巖系^[3]。其中下二疊統(tǒng)山西組(P₁s)底部4#煤和上石炭統(tǒng)太原組(C₃t)下部9#煤單層厚度大，全盆地穩(wěn)定分布，是煤層氣勘探的主要目的層。侏羅系含煤性差，分布范圍小，為次要勘探目的層。

    本區(qū)在晚古生代太原期為海退背景下濱、淺海三角洲平原亞相的低位沼澤，物源主要來自大同以北古陸。早期植物生長繁盛，泥炭堆積厚度大，在太原組下部沉積了9#煤，厚4.36～24.62m，平均厚度超過11m。中、后期海水向南退出，成煤環(huán)境變差，在太原組中上部僅發(fā)育一些分布不連續(xù)的薄煤層和濱-淺海相泥巖泥灰?guī)r；本區(qū)山西期海水退出，初期沉積環(huán)境較穩(wěn)定，處于河流亞相的沼澤沉積微相區(qū)，形成了山西組下段較厚的4#煤，厚0.37～13.15m，一般為2～4m。中、后期沼澤相帶收縮，成煤條件變差，沉積了1～3層橫向分布不穩(wěn)定的薄煤層，單層厚0～1.95m。

    寧武盆地南部太原組9#煤煤巖特征總體上以半暗 半亮型和半亮-光亮型煤為主。顯微組分中鏡質(zhì)組含量一般大于60%，惰性組含量一般小于30%。煤層以中低灰分煤為主，灰分含量一般小于15%(表1)。

    4#煤煤巖特征總體上以半暗型為主。有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組一般在50%左右，惰性組含量一般為40%左右。煤層以中灰分為主，灰分含量一般為14.2%～22.7%。

   寧武盆地淺部已知煤階為低 中變質(zhì)的氣、肥煤，W01井9#煤R_o為0.95%～1.10%(表1)。隨著埋藏加深，煤變質(zhì)程度加深，煤階增高，推測盆地腹部為肥、焦煤，已進(jìn)入熱解生氣高峰，可為煤層氣富集提供充足的氣源^[4～5]。山西組4#煤演化程度略低于太原組9#煤，煤階分布規(guī)律與太原組9#煤相同。

    寧武盆地南部煤層巖心壓汞資料表明，該區(qū)煤層孔隙以微孔為主，發(fā)育了少量的中孔和大孔，孔隙度為3.97%～5.2%，孔隙中值半徑為0.1～63μm，鏡質(zhì)組反射率為0.85%～1.12%。

    煤層滲透率是影響煤層氣高產(chǎn)的主要因素之一，W05井煤巖實(shí)測滲透率為0.41mD，根據(jù)注入/壓降法測試結(jié)果(表2)，壓裂前煤層滲透率一般為0.01～0.86mD。

煤心觀察表明，該區(qū)煤層割理發(fā)育，割理密度為3～5條/cm，縫寬4～7μm。構(gòu)造裂縫多垂直煤層發(fā)育，呈不規(guī)則分布，裂縫未充填，疏通了煤層孔隙，改善了煤儲(chǔ)層性能。

注：1)顯微組分為含礦物基分析結(jié)果。

表2 太原組9#層滲透率測試結(jié)果表 mD

    寧武盆地成煤期后主要經(jīng)歷了燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)^[6]?，F(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)為NNE向展布的復(fù)向斜，兩翼陡，地層傾角25°～40°，南北兩端構(gòu)造較平緩，地層傾角6°～12°。

    寧武盆地南部構(gòu)造斜坡帶，煤層埋深主要受構(gòu)造和地形起伏控制，變化規(guī)律較簡單，W04井以南煤層埋深一般小于1500m，處于上斜坡帶，向腹部煤層迅速加深，腹部最深約2700m。寧武盆地南部上斜坡帶3口井日產(chǎn)氣超過1000m³，煤層氣富集高產(chǎn)主要有以下幾方面原因。

2.1.1 上斜坡帶為低勢區(qū)，是烴類運(yùn)移指向區(qū)

    上斜坡帶煤層早期煤層埋藏深，生氣條件好，煤層后期抬升幅度大，形成低勢區(qū)，與盆地腹部埋深超過2000m的生氣中心銜接，成為烴類運(yùn)移指向區(qū)，配合區(qū)域性分布穩(wěn)定的直接蓋層，易于形成高含氣、高飽和煤層氣藏。

2.1.2 上斜坡帶割理發(fā)育，煤層滲透性好

    上斜坡帶處于盆地后期構(gòu)造幅度大，煤層埋藏相對較淺，處于地應(yīng)力相對低值區(qū)，張性裂隙發(fā)育，煤層滲透性好，利于煤層氣井高產(chǎn)。

2.1.3 上斜坡在整體降壓情況下煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征

    在整體降壓情況下，高部位容易優(yōu)先形成面積降壓，處于構(gòu)造高部位的排采井，煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征，一般產(chǎn)水量小，產(chǎn)氣量大，初期本井周圍降壓解吸，后期構(gòu)造下傾部位解吸氣又運(yùn)移到本井產(chǎn)出；煤層氣井產(chǎn)水特征：日產(chǎn)水遞減-微產(chǎn)水或不產(chǎn)水。

    影響煤儲(chǔ)層滲透率的因素十分復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤變質(zhì)程度和天然裂隙系統(tǒng)等都不同程度地影響著煤儲(chǔ)層滲透率^[7～8]，煤儲(chǔ)層滲透率是多因素綜合作用的結(jié)果，但其中構(gòu)造應(yīng)力場是控制煤層滲透率的最主要因素^[9～10]，煤層滲透率與地應(yīng)力增加呈指數(shù)關(guān)系降低^[11～13]。

    構(gòu)造應(yīng)力場中的低應(yīng)力分布區(qū)往往是裂縫高密度分布帶^[14～16]，寧武盆地構(gòu)造應(yīng)力場低應(yīng)力分布區(qū)是裂縫高密度分布帶，高應(yīng)力分布區(qū)煤層割理不發(fā)育。盆地南部高應(yīng)力分布區(qū)位于西部W02-W03井區(qū)，該地區(qū)臨近大斷層或斷裂，而低應(yīng)力分布區(qū)位于W01-W04-W05井區(qū)，是高密度裂縫分布帶^[6]。

    通過WO1井和W02井煤樣品的顯微構(gòu)造照片對比，可清楚地觀察到兩口鉆孔巖心顯微構(gòu)造的明顯差異。WO1井所處的構(gòu)造位置是應(yīng)力場低值分布區(qū)，煤巖割理裂隙十分發(fā)育。圖2-a顯示出在大約100μm長度范圍內(nèi)分布有條微裂隙，裂縫明顯地具有張剪性力學(xué)特性；而W02井由于處應(yīng)力場高值分布區(qū)，煤巖裂縫分布密度低且為閉合(圖2-b)。

    煤層頂?shù)装宸忾]性直接控制煤層氣的保存條件，主要體現(xiàn)在控制煤層含氣量，同時(shí)封隔煤層上下含水層，有利于煤層氣井排水降壓。

泥巖頂板無疑是最有效的封蓋層。泥灰?guī)r頂板稍遜于泥巖頂板，而優(yōu)于石灰?guī)r頂板，亦能有效發(fā)揮封閉作用。寧武盆地南部山西組4#煤直接頂板以泥頁巖、砂巖、粉砂巖為主，太原組9#煤頂板絕大部分為泥灰?guī)r、泥巖，有少量石灰?guī)r和砂巖。太原組9#煤泥巖、泥灰?guī)r頂板主要發(fā)育于南部WO1-W04-W05井區(qū)，泥灰?guī)r、泥巖頂板厚度2～18.0m，石灰?guī)r頂板厚度1～6.14m。在西部W02-W03井區(qū)太原組蓋層9#煤層之上蓋層主要為富水性較強(qiáng)的中砂巖為主，煤層氣保存條件差?？傮w上太原組9#煤頂板封蓋能力好于4#煤，這是9#煤含氣量高于4#煤的主要原因。

    山西組4#煤底板以砂巖為主，次為泥巖、粉砂巖。太原組9#煤底板以泥巖、泥灰?guī)r為主，局部為砂巖及粉砂巖、石灰?guī)r。下伏本溪組發(fā)育一套厚度介于5～15m的鋁土質(zhì)泥巖，全區(qū)穩(wěn)定分布，底襯封閉作用良好。

    總體上，寧武盆地南部W01-W04-W05井區(qū)頂?shù)装宸忾]性好，煤層含氣量一般大于10m³/t，最高達(dá)到20m³/t，而西部W02-W03井區(qū)煤層頂板主要以砂巖為主，封蓋條件差，煤層含氣量較低，W02井最高含氣量只有4.9m³/t。

    煤層頂板封蓋層同時(shí)還是很好的隔水層，煤層上部地層泥巖、泥灰?guī)r發(fā)育能夠很好地封隔上部地層水的網(wǎng)絡(luò)狀滲濾，同時(shí)煤層上部地層泥巖發(fā)育使該區(qū)含水層不發(fā)育，富水性差，有利于煤層氣的保存，同時(shí)煤層氣井排采產(chǎn)水量小，煤層易降壓解吸，對煤層氣開發(fā)極為有利。W05井頂板泥巖發(fā)育，厚度超過15m，煤層氣井產(chǎn)水量一般低于15m³/t，地層水礦化度超過5000mg/L(表3)，說明處于地下水弱徑流-滯留區(qū)，保存條件好，煤層產(chǎn)氣效果較好，而W03井區(qū)頂板以砂巖為主，富水性強(qiáng)，斷層發(fā)育，斷層溝通含水層，使得該區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，W03井試氣水礦化度985mg/L(表3)，而該區(qū)煤系地層水礦化度一般超過2500mg/L，說明該區(qū)有地表水混入，處于地下水徑流區(qū)，同時(shí)煤層氣井產(chǎn)水量大，產(chǎn)水量超過100m³/d，煤層難以降壓解吸，不利于煤層氣開發(fā)。

表3 寧武盆地試氣井9#煤層產(chǎn)出水分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)表 mg/L

   綜合以上研究，構(gòu)造部位、地應(yīng)力、封蓋層共同控制煤層氣的富集與保存，是寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素，W02井以東、W04井以南地區(qū)太原組9#煤埋深小于1500m，處于應(yīng)力場低值區(qū)，煤層滲透性好、煤層頂?shù)装宸馍w條件好，同時(shí)處于構(gòu)造上斜坡帶，利于煤層氣井高產(chǎn)，是煤層氣富集高產(chǎn)有利地區(qū)。

   寧武盆地南部有利區(qū)內(nèi)太原組9#煤原煤含氣量最高為20.61m³/t，平均為10.61m³/t，總體呈北高南低、東高西低的趨勢。解吸氣甲烷含量為91.3%～95.1%，平均含氣飽和度超過85%(表1)，證實(shí)本區(qū)處于飽和吸附帶，煤層氣開發(fā)潛力較大。預(yù)測太原組98煤1500m以淺煤層氣有利勘探面積為138km²，煤層氣地質(zhì)資源量為221×10⁸m³。

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(本文作者：田文廣^1，2 湯達(dá)禎¹ 孫斌² 任源鋒³ 1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)