沁水盆地地質(zhì)概況

1、2.1沁水盆地地質(zhì)概)兄沁水盆地位于山西省東南部(見圖1),盆地總面積436.8km2,煤炭資源量29.16 萬t,具有形成煤層氣的豐富物質(zhì)基礎(chǔ)。沁水盆地是我國重要的含煤盆地之一，且據(jù) 中國煤層氣資源預(yù)測(cè)：其煤層氣資源量達(dá)3.28X10i2m3占全國煤層氣總資源量的 10%左右，是我國煤層氣資源勘探的重點(diǎn)區(qū)域。圖1沁水盆地區(qū)域構(gòu)造背景圖盆地現(xiàn)今構(gòu)造面貌為一近南北向的大型復(fù)式向斜，次級(jí)褶曲發(fā)育。南部和北部 以近南北向褶曲為主，局部為近東西、北東和弓弧形走向的褶皺；中部則以北北東向褶 皺發(fā)育為特點(diǎn)。斷裂以北東、北北東和北東東向高角度正斷層為主，集中分布于盆地 西北部、西南部及東南部邊緣。盆地地層屬

2、華北地層區(qū)劃缺失志留紀(jì)、泥盆紀(jì)和下石 炭世地層。沁水盆地自下而上鉆遇的主要地層有峰峰組(O2f)、本溪組(C2b)、太原組 (C3t)、山西組(PS)、下石盒子組(PX)、上石河子組(P2s)、石千峰組(P2sh)和第四系(Q) 等，其中山西組和太原組為主要含煤層系，3#和15#煤層為煤層氣勘探的主要目的層， 3#煤層為局部勘探目的層。根據(jù)盆地內(nèi)的構(gòu)造發(fā)育特征、煤層埋藏深度、煤階分布、煤層氣含量變化等特 點(diǎn)，將盆地內(nèi)石炭一一二疊系含煤地層的煤層氣富集單元?jiǎng)澐譃榍吣细粴鈪^(qū)、東翼斜 坡帶富氣區(qū)、西翼斜坡帶富氣區(qū)、西山富氣區(qū)和高平晉城富氣區(qū)1。沁南富氣區(qū) 總含氣面積3630km2，分為樊莊、潘莊、鄭

3、莊三個(gè)區(qū)塊Ui。研究區(qū)沁水盆地南部煤層氣田位于沁水復(fù)向斜南部晉城地區(qū)，東臨太行山隆起， 西臨霍山凸起，南為中條山隆起，北部以北緯30線為界連接沁水盆地腹部，面積 約3260km2，包括樊莊區(qū)塊，潘莊區(qū)塊，鄭莊區(qū)塊等（圖2）。據(jù)已經(jīng)取得工業(yè)產(chǎn)能的 煤層氣井資料，計(jì)算高產(chǎn)富集區(qū)內(nèi)探明含氣面積346km2，地質(zhì)儲(chǔ)量754X108km313。 邊緣出露地層老盆地內(nèi)出露較新地層，下古生界在盆地四周出露地表向盆地內(nèi)部依次 出露上古生界、中生界，盆地中部三疊紀(jì)地層大面積出露。圖2沁水盆地南部煤層氣田區(qū)塊位置圖2.2樊莊區(qū)塊煤炭地質(zhì)概況沁水盆地樊莊區(qū)塊位于山西省晉城市西北85km處。區(qū)塊南北長18.5319.

4、96km 東西寬16.3719.27km，面積398km2。樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部斜坡，總體構(gòu)造形 態(tài)為一馬蹄斜坡帶，地帶寬闊平緩，地層傾角一般為2。7。，平均4左右。區(qū)內(nèi)大 型斷層不發(fā)育，斷距大于20m的斷層僅在西緣分布，主要有寺頭斷層以及與之相伴 生的次一級(jí)斷層，這些斷層基本上均為正斷層。由于研究區(qū)位于近南北向沁水復(fù)向斜 南部仰起端，區(qū)內(nèi)地層分布具有典型的向斜盆地特征。區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育低緩、平行褶皺， 展布方向以近南北方向和北北東向?yàn)橹?，褶皺面積和幅度都很小，背斜幅度一般小于 50m，面積小于5km2,延伸長度在數(shù)百至上千米之間，呈長軸線型褶皺（見圖2）。樊莊區(qū)塊構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層厚度穩(wěn)定，且具

5、有較高的煤層氣含量，據(jù)估算煤層氣 資源量近1000億m3,具有很高的勘探開發(fā)前景。該區(qū)屬于中國石油天然氣股份有限 公司煤層氣勘探開發(fā)礦權(quán)登記范圍，為近年來沁南煤層氣集中熱點(diǎn)開發(fā)區(qū)。自1998 年以來，中石油先后在該區(qū)鉆探了晉試1井5井和晉試井13井共11 口探井（沒有晉 試10井）。2006年開始大規(guī)模開發(fā)至2006年底有100 口煤層氣井投入生產(chǎn)，至今約 有800 口井投入生產(chǎn)14。煤層號(hào)煤炭?jī)?chǔ)量104t平均含氣量 m3/t含氣面積/ km2煤層氣資 源量 /108m3資源豐度/(108m3 km-2)3#26136622.44311.19506.600.81415#11574618.103

6、24.93228.720.352小計(jì)377112735.321.166表1樊莊區(qū)塊主力煤層3#、15#煤層氣資源量煤層 號(hào)煤層氣性等級(jí)及資源量/108m3埋藏深度等級(jí)及資源量/108m3資源量 級(jí)別可靠性 等級(jí)富氣性 等級(jí)58m3/t含氣812m3/t富含氣12m3/t富氣600m深煤層3#48.10226.24232.267.80297.28201.52預(yù)測(cè)儲(chǔ) 量可靠?jī)?chǔ) 量富氣區(qū)15#65.1270,9092.7098.48130.24小計(jì)113.22297.14324.967.80395.76331.76表2樊莊區(qū)塊主力煤層3#、15#煤層氣資源量及級(jí)別、等級(jí)樊莊區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層（見表3

7、）為上石炭統(tǒng)太原組及下二疊統(tǒng)山西組，含煤 地層總厚度118.97145.75m，平均135.53m，含煤系數(shù)8.3%15。太原組為一套濱海 平原環(huán)境下形成的海陸交互相含煤沉積，自下而上分為三段：一段由灰黑色泥巖、粉 砂巖、細(xì)粒長石石英砂巖和煤層組成，是本組重要的含煤層段。主煤層15號(hào)煤發(fā)育 于此段，一般厚度為24m，平均3m煤層分布總體東厚西薄，北厚南薄，屬較移穩(wěn) 定煤層；二段由灰一深灰色生物碎屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成， K2、K3、K4灰?guī)r全區(qū)穩(wěn)定，含豐富的腕足、珊瑚化石；三段由深灰色細(xì)粒長石石英 砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r及薄煤層組成；其中9號(hào)煤層為局部可采煤層，煤層頂板 為

8、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為中細(xì)粒長石石英砂巖。山西組為一套河流三角洲相含煤 沉積，由深灰灰黑色泥巖、粉砂巖、細(xì)粒長石石英砂巖及34層煤組成，3#煤是主 要可采煤層，厚度為47m，平均6m，總體呈東厚西薄展布，分布穩(wěn)定，頂板為泥巖， 平均厚度2.1m9。15#煤層埋深在350850m，大部分區(qū)域不超過700m，3#煤層埋深 比15#煤層淺數(shù)十米。這一埋藏深度有利于煤層氣的開發(fā)16。其中3#15#煤層是區(qū) 塊內(nèi)煤層氣的主要儲(chǔ)集層。煤巖鏡質(zhì)組反射率為2.6%3.7%，煤層含氣量1522m3/t， 注入/壓降測(cè)試煤層滲透率為0.0250.51mD。層組厚度埋深巖性太原組一段（15#煤）24m350850

9、m由灰黑色泥巖、粉砂巖、細(xì)粒長石石英砂巖 和煤層組成。其中主煤層15#煤一般厚度為24m， 平均3m煤層分布總體東厚西薄，北厚南薄，屬較 移穩(wěn)定煤層。二段灰一深灰色生物碎屑灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖、粉砂巖及薄煤層組成，K2、K3、K4灰?guī)r全區(qū)穩(wěn)定， 含豐富的腕足、珊瑚化石。三段（9# 煤）深灰色細(xì)粒長石石英砂巖、粉砂巖、泥巖、 灰?guī)r及薄煤層組成；其中9#煤層為局部可采煤層， 煤層頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為中細(xì)粒長石 石英砂巖。山西組3#號(hào)煤47m350750m一套河流三角洲相含煤沉積，由深灰灰黑色 泥巖、粉砂巖、細(xì)粒長石石英砂巖及34層煤組成。 3#煤是主要可米煤層，厚度為47m，平均6m， 總

10、體呈東厚西薄展布，分布穩(wěn)定，頂板為泥巖，平 均厚度2.1m。表3樊莊區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層2.3 3#煤層煤炭地質(zhì)概況3#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，底板以炭質(zhì)泥 巖、泥巖及粉砂巖為主。煤層埋藏深度一般350750m24（見下圖3）。埋藏淺、厚度大 且分布穩(wěn)定的煤層對(duì)勘探開發(fā)煤層氣非常有利。#煤層全區(qū)穩(wěn)定。合采煤3#煤層位|間地點(diǎn)及地名|器斗|生點(diǎn)試驗(yàn)井?dāng)鄬勇裆畹戎到y(tǒng)煩）層厚度610m,平均厚8 m17。煤層厚度（m）井號(hào)3#15#合計(jì)（m）備注QD-24.44.59.9煤層氣勘探井QD-36. 4517.45煤層氣勘探井QD-46.23.19.3煤層氣勘探井QD-75.

11、24.49.6煤層氣勘探井QD-97.04.911.9煤層氣勘探井ZY-26.33.259.55煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井00025.843.359.19煤田勘探孔04027.161.48.56煤田勘探孔12055.142.797.93煤田勘探孔6-15.893.139.02煤田勘探孔11036.82.829.6煤田勘探孔1275.672.237.9煤田勘探孔P262.88.8煤層氣勘探井表4部分鉆井煤層厚度一覽表3煤層氣儲(chǔ)集層物性特征及開采特征3.1煤層氣儲(chǔ)集層物性特征儲(chǔ)層孔隙度及割理發(fā)育特征區(qū)塊內(nèi)3#煤樣電鏡掃描分析顯示，煤層氣儲(chǔ)集層中發(fā)育有原生孔、后生孔、外生孔及礦物質(zhì)孔等多種孔隙類型。據(jù)煤層氣探

12、井、開發(fā)井毛管壓力曲線特征反 映儲(chǔ)層以裂隙一一孔隙型為主。煤中基質(zhì)孔以微孔和過渡孔為主，基質(zhì)微孔、過 渡孔發(fā)育，比表面積大，對(duì)煤層氣的吸附能力強(qiáng)，有利于煤層氣的保存。同時(shí)煤層氣儲(chǔ)集層中裂隙一一孔隙發(fā)育，也有利于煤層氣的滲流1819。其中3#煤有效孔隙度2.05%7.09%，平均4.2329%?？紫吨兄蛋霃?.035390.65pm，平均38.151pm。圖煤巖孔隙結(jié)構(gòu)圖據(jù)壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，3#煤儲(chǔ)層孔隙以微、小孔為主，大孔次之，中 孔欠缺，且孔形以含有相當(dāng)數(shù)量的半封閉孔為特征；煤儲(chǔ)層發(fā)育宏觀裂隙和微觀 裂隙，以宏觀裂隙中內(nèi)生裂隙發(fā)育較差、微觀裂隙的顯微裂隙、超顯微裂隙較發(fā) 育為特征；顯微裂

13、隙成為銜接擴(kuò)散的良好通道，提高了擴(kuò)散強(qiáng)度。區(qū)內(nèi)試井滲透 率統(tǒng)計(jì)表明，3#煤儲(chǔ)層相對(duì)發(fā)育；宏觀裂隙中，內(nèi)生裂隙（割理）發(fā)育程度明顯較 中、低煤級(jí)煤儲(chǔ)層差，這也是滲透率相對(duì)較低的主要原因21。（圖3、圖4）割理是煤變質(zhì)作用的產(chǎn)物，其發(fā)育程度與變質(zhì)作用類型及地應(yīng)力的強(qiáng)弱密 切相關(guān)。發(fā)生在晚侏羅世時(shí)期的燕山運(yùn)動(dòng)為區(qū)塊內(nèi)煤的熱演化生烴，促進(jìn)煤中割 理大量形成創(chuàng)造了有利條件。第7頁共54頁圖4 3#煤樣電鏡下孔隙特征圖5 3#煤樣電鏡下裂縫特征3#煤層宏觀割理特征總體為，以兩組正交割理為主，部分割理表面有方解 石不完全充填。其中大型割理密度一般為16 條/10cm，中型割理密度明顯增大 為350條10cm

14、，小型割理密度為3140 條/10cm。單從割理密度看，中、小型 割理密度均崩條/10cm，說明宏觀割理發(fā)育。反光顯微鏡下，3#煤微型面割理密 度一般為37129條10cm。儲(chǔ)層滲透性煤層氣儲(chǔ)集層的滲透率是衡量煤層氣可采性的重要指標(biāo)，滲透率的大小決 定于煤層孔隙和割理的發(fā)育程度，當(dāng)煤層氣儲(chǔ)集層割理發(fā)育處于相對(duì)開啟狀態(tài)， 滲透性就好。通過晉試3井、晉試4井、晉試5井、晉試6井4 口井5塊煤樣的 實(shí)驗(yàn)測(cè)定樊莊區(qū)塊3#煤的孔隙度一般為1.43.5%，與一般煤層孔隙度2%左右 的經(jīng)驗(yàn)值吻合。樊莊區(qū)塊內(nèi)煤層氣探井典型煤樣基質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定結(jié)果表明，3# 煤層擴(kuò)散系數(shù)最高4.085e- 5，最低2.5E-0

15、7，煤層滲透率最高2.0265mD，最低 0.025mD，總體而言其值為0.0250.51mD，部分地區(qū)達(dá)到12mD。井號(hào)測(cè)試井段m表皮系數(shù)注入/壓降試井解釋滲透率mD1井-3.660.222井-3.40.083井-0.530.514井-1.290.085井-1.140.0386井-0.640.025表7 3#煤層滲透率測(cè)試結(jié)果表3.1 3儲(chǔ)層吸附能力及含氣量根據(jù)3#煤吸附等溫曲線，確定3#煤氣藏臨界解吸壓力為4.4MPa,原始儲(chǔ)層 壓力5.24MPa，地解壓差為0.84MPa，地解壓差接近，有利于排水降壓采氣。 區(qū)塊內(nèi)煤層氣儲(chǔ)集層煤的吸附能力及儲(chǔ)層壓力表現(xiàn)為 ，3#煤原煤蘭氏體積為 27.6

16、1 39.91m3/t,平均 35.032m3/t,蘭氏壓力 3.2823.505MPa，平均 3.401Mpa。煤層含氣量是資源評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)，較高的含氣量是資源豐度大， 氣藏儲(chǔ)量富集，煤層氣高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。樊莊區(qū)塊3#煤層圈定探明儲(chǔ)量含氣面 積135.6km2,，煤層權(quán)衡厚度5.6m，平均密度1.465t/m3，面積權(quán)衡法平均含氣量 20.42 m3/|，由容積法求得探明儲(chǔ)量為 227.16X108m3(135.6X 108X5.6X 1.465X 20.42)。探明可采儲(chǔ)量按探明儲(chǔ)量的50%測(cè)算，沁水盆地樊莊區(qū)塊山西組3#煤層 的探明可采儲(chǔ)量煤層氣可采儲(chǔ)量為113.28X108m3

17、。根據(jù)煤層氣探井和開發(fā)井測(cè) 試數(shù)據(jù)分析，開發(fā)井、樊井、測(cè)井解釋結(jié)果表明：3#煤層平均含氣量24.15m3/t； 綜合開發(fā)井含氣量解釋平均值：3#煤層平均含氣量24.065 m3/t，說明各井變化不 大。即區(qū)塊內(nèi)煤層氣儲(chǔ)集層含氣量特征為：3#煤原煤含氣量11.5435.70m3/t, 平均24.1075m3/t,含氣飽和度69.65%95.11%。開發(fā)井氣量煤心測(cè)試、開發(fā)井測(cè) 井解釋分析結(jié)果，繪制了樊莊區(qū)塊主要目標(biāo)煤層3#煤層含氣量等值線圖見圖本區(qū)在燕山運(yùn)動(dòng)中期抬升緩慢，經(jīng)歷了該期的異常熱事件后形成了高煤階 煤。在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期，沁水盆地南部開始穩(wěn)步抬升，煤層在逸散帶中停留時(shí) 間較短，煤層氣保

18、存條件好，煤層含氣量較高22。序號(hào)井群3號(hào)煤層含氣 量/ (m3.t-1)15號(hào)煤層含 氣量/ (m3.t-1)1樊井24.14517.1872固井24.02617.5463蒲井24.00718.9004蒲南井24.31318.7475華蒲井24.3106華堯、華固、華溪井23.5887晉試1-5井22.15222.2358晉試7-13井22.12420.633表5 3號(hào)煤層與15號(hào)煤層平均含氣量I煤層氣采收率是一個(gè)不確定的參數(shù)，主要受煤層氣地質(zhì)特征、開發(fā)技術(shù)條 件及經(jīng)濟(jì)因素等控制。采收率的確定方法有解吸實(shí)驗(yàn)法、類比法、等溫吸附曲線 法。采用等溫吸附曲線預(yù)測(cè)本區(qū)3#煤層氣采收率最大為63%，平

19、均53.23%。 區(qū)塊內(nèi)開發(fā)井日產(chǎn)氣量最高為5052m3，平均日產(chǎn)氣量為1418.56m3，說明本區(qū)塊 內(nèi)具備一定的煤層氣高產(chǎn)條件，適合于煤層氣規(guī)模開發(fā)。煤的變質(zhì)程度對(duì)孔滲性的影響煤的變質(zhì)程度對(duì)于孔隙度和滲透率有很大的影響，不同變質(zhì)程度的煤的空 隙結(jié)構(gòu)特征、孔隙度、滲透率等有所不同。同時(shí)煤在高變質(zhì)程度和低變質(zhì)程度對(duì) 于孔滲性的影響也是不同的由此可見；煤的變質(zhì)程度與其孔滲性之間存在著密切 的聯(lián)系。R0在2.4%左右是煤巖孔滲變化的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變質(zhì)程度低于此點(diǎn)時(shí)， 其孔滲性隨著變質(zhì)程度的增加而降低；當(dāng)變質(zhì)程度高于此點(diǎn)時(shí)，其孔滲性則隨著 變質(zhì)程度的增加而升高。沁水盆地樊莊區(qū)塊3#煤變質(zhì)程度較高，屬于

20、無煙煤階段（即硬煤），煤級(jí)呈現(xiàn)由N向S明顯遞增的趨勢(shì)。3#煤宏觀煤巖類型主要以半亮煤為主，其次為光 亮煤，局部也夾有暗淡煤分層；顯微組分以鏡質(zhì)組為主，常見基質(zhì)鏡質(zhì)體，其次 為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組少見。3#煤灰分平均約為12.98%，屬于低灰煤，揮發(fā)份（Vdaf） 平均約為7.08%；水分（Mad）平均約1.34%。3.2 3#煤層煤層氣目前開采特征煤層氣的賦存介質(zhì)和賦存方式均與常規(guī)天然氣不同，煤層氣是自生自儲(chǔ)在 煤巖中，煤由基質(zhì)和割理系統(tǒng)組成。煤層氣主要以吸附方式賦存于煤巖基質(zhì)中， 少部分以游離形式，或以溶解狀態(tài)賦存于煤層割理、裂縫的煤層水中。由于煤層 氣的賦存介質(zhì)和賦存方式的同，煤層氣開采方式也與常規(guī)氣藏不同，主要利用井 組面積法排水降壓采氣。通過大面積排水降壓，使煤層壓力降到臨界解吸壓力以 下，使得煤層氣從基質(zhì)中解吸出來，延割理或裂縫系統(tǒng)流入井筒而被采出。隨著 臨界解吸壓力波及范圍越來越大，并口產(chǎn)氣量也越來越大。煤層氣井的生產(chǎn)一般 有三個(gè)階段（見圖7）：1）降壓解吸階段：主要產(chǎn)水，隨著壓力降到煤層臨界解吸壓力以下，氣體飽 和度增加，氣相滲透率提高，井口開始產(chǎn)氣并逐漸上升。時(shí)間可能幾天或數(shù)月， 圖中I階段。2）穩(wěn)定生產(chǎn)階段：產(chǎn)氣量相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)水