白額勘探區(qū)含煤巖系沉積環(huán)境及其對(duì)煤層氣富集的影響

劉占勇

(中煤地質(zhì)總局 第一勘探局，河北 邯鄲，056004)

煤儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征(包括宏觀煤巖類型、顯微煤巖組分及顯微煤巖類型、煤的化學(xué)性質(zhì)、煤級(jí)和煤相等)、煤儲(chǔ)層物性特征(如孔隙、裂隙、滲透性和吸附解吸等)是煤層氣成藏的基礎(chǔ)條件［1－5]。煤儲(chǔ)層的形成與演化、區(qū)域構(gòu)造演化與特征、水文地質(zhì)特征和含煤巖系沉積環(huán)境等則對(duì)煤層氣的賦存起著控制作用［6－8]。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)不難看出，已有的研究多集中于煤儲(chǔ)層特征、構(gòu)造特征、水文地質(zhì)特征對(duì)煤層氣藏的影響，而對(duì)含煤巖系沉積環(huán)境對(duì)煤層氣的賦存的影響研究罕見(jiàn)。本文在分析白額勘探區(qū)含煤巖系沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上，闡述了沉積環(huán)境對(duì)煤層氣富集的影響。

1 地質(zhì)概況

白額勘探區(qū)位于華北地臺(tái)鄂爾多斯臺(tái)坳?yáng)|緣的河?xùn)|坳緣帶南部(河?xùn)|煤田之南端)，行政區(qū)劃屬臨汾市白額縣、吉縣管轄。研究區(qū)含煤地層為華北型石炭二疊系，煤系地層平均厚度120.91 m，煤層總厚平均9.73 m，含煤系數(shù)為8.05%。主要可采煤層賦存于太原組和山西組(圖1)。主要可采煤層為2#、3#和10#煤層。2#煤層位于山西組下部，上距 K8砂巖底571.33 m左右，K4砂巖底47.22 m左右，層位穩(wěn)定。煤層厚度 2.09－6.23 m，平均厚度 4.10 m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。一般含1－3層泥巖夾矸，屬結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單煤層。3#煤層為薄煤層，與2#煤層的間距較小，厚度變化不大，僅局部出現(xiàn)不可采點(diǎn)。10#煤層位于太原組下部，上距3#煤層平均間距44.89 m。煤層平均厚度2.77 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

2 含煤巖系沉積環(huán)境分析

2.1 本溪組沉積環(huán)境

本組下部以含菱鐵礦結(jié)核或黃鐵礦結(jié)核的鋁土質(zhì)泥巖為主，中部主要為灰色粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，上部主要為灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖和中－細(xì)粒石英砂巖。下部的泥巖中含大量的黃鐵礦結(jié)核和菱鐵礦鮞粒反映出半滯留、半流通的水環(huán)境，中部的深灰色砂質(zhì)泥巖、含鋁質(zhì)泥巖和粉砂巖則反映了由于沉積作用的持續(xù)水體變淺。在這些細(xì)粒沉積物中具有典型的波狀、透鏡狀和脈狀層理，并發(fā)育大量生物擾動(dòng)，這是典型潮汐環(huán)境的沉積組合。上部的粗粒沉積以石英砂巖為代表，砂體底部一般具有明顯沖刷面，沖刷面之上為石英底礫巖或者含石英礫的粗砂巖，向上逐漸變?yōu)橹猩凹凹?xì)砂沉積。細(xì)粒沉積則主要為灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖，并有薄煤層出現(xiàn)。根據(jù)上述特征，分析認(rèn)為研究區(qū)本溪組上部為一套海灣充填沉積。

2.2 太原組沉積環(huán)境分析

太原組為一套泥巖、粉砂巖、煤層及石灰?guī)r交替沉積的海陸交互相沉積建造，與下伏本溪組地層整合接觸。根據(jù)巖性組合特征可為下、中、上三段。

下段(K1砂巖至L2灰?guī)r底)。底部為鈣質(zhì)膠結(jié)的中－細(xì)粒石英砂巖(K1砂巖)。石英砂巖中的石英顆粒分選好、成熟度極高，最厚可達(dá)11 m;上部由一套灰－灰黑色細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖組成。其中的砂泥薄互層中發(fā)育潮汐周期層序、扁平的泥礫和底棲生物的遺跡化石，發(fā)育生物擾動(dòng)構(gòu)造。本段為典型的潮坪沉積(圖2)。

中段(L2灰?guī)r至L4灰?guī)r頂)。本段發(fā)育有1－3層灰?guī)r，其中以L2灰?guī)r層位最為穩(wěn)定(局部相變?yōu)橹写至Ｊ⑸皫r)。灰?guī)r中常見(jiàn)生物化石，灰?guī)r中的原地生物為介形蟲(chóng)和部分有孔蟲(chóng)，其中的海百合莖、腕足、雙殼類等生物多為礫、砂和粉砂級(jí)，反映了異地生物由強(qiáng)動(dòng)蕩水搬運(yùn)到弱動(dòng)蕩的水域快速堆積的特點(diǎn)。本段石灰?guī)r主要形成于淺陸表海環(huán)境。另外，本段局部由分選好、成熟度極高的石英砂組成，最厚可達(dá)10 m左右。砂巖上部可見(jiàn)砂、泥薄互層沉積，具有典型的潮汐周期層序，此為典型潮下淺水砂體沉積特征。

太原組中段主要沉積層序(自下而上)為:灰色泥巖(高潮坪)→灰黑色生物屑灰?guī)r(潮下－潮間碳酸鹽巖)→灰色泥巖(高潮坪)→灰黑色泥巖、粉砂巖互層(低潮砂坪或潮間坪)→煤(泥炭坪)。局部沉積層序自下而上為:灰色泥巖(高潮坪)→厚層石英砂巖(潮下淺水砂體)→灰黑色泥巖、粉砂巖互層(潮間坪)→煤(泥炭坪)(圖3)。

上段(L4灰?guī)r頂至K3砂巖底)。主要由深灰、黑灰色含菱鐵質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾少量鋁質(zhì)泥巖及薄煤層組成。

自下而上:具脈狀或透鏡狀層理的互層狀細(xì)砂巖和粉砂巖→中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖→粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖→泥巖及煤層，其分別代表了三角洲前緣相、河口砂壩、分流間灣和沼澤沉積環(huán)境(圖4)。

2.3 山西組沉積環(huán)境分析

山西組主要由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖及煤層組成。共含煤3－5層，其中2#煤為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，3#煤為全區(qū)大部可采的較穩(wěn)定煤層。

本組下段以薄層狀粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖互層為特征。本段底部泥巖中發(fā)育生物擾動(dòng)構(gòu)造、生物潛穴和雙粘土層構(gòu)造，為典型的三角洲分流間灣沉積。中部為細(xì)粒和中粒砂巖，并由小型交錯(cuò)層理為主向上變?yōu)榇笮托罨蛘甙鍫罱诲e(cuò)層理，為分流河道沉積。上部沉積相由泥巖、砂泥互層組成。泥巖為深灰色至黑色，間夾有細(xì)砂巖或者粉砂巖薄層，厚2－3 m?；瘜W(xué)沉積的菱鐵礦結(jié)核沿層面呈不規(guī)則的條帶分布，薄的砂泥互層沉積，層面上豐富炭化植物化石碎片是典型三角洲泛濫平原上的分流河道間淺水湖的沉積特征。其頂部的2#和3#煤層就是在此環(huán)境下發(fā)育形成的。

中段沉積相由粗粒至細(xì)粒砂巖、黑色泥巖組成。底部具有沖刷面，沖刷面之上為含礫的粗砂巖－滯留沉積，向上逐漸變?yōu)榛业綔\灰色中?；蛘呒?xì)粒砂巖。內(nèi)部發(fā)育大型交錯(cuò)層理，底部發(fā)現(xiàn)泥礫和樹(shù)干化石。

上段沉積特征與中段類似，但總體沉積物粒度變細(xì)，沒(méi)有發(fā)育煤層。

山西組典型的沉積層序?yàn)?三角洲分流間灣→分流河道(或決口扇)→泥炭沼澤→分流河道→河漫湖泊→泥炭沼澤(圖5)。研究區(qū)山西組主要為河控三角洲體系，且沉積物特征和沉積相構(gòu)成基本符合淺水三角洲沉積體系的構(gòu)成特點(diǎn)，即三角洲平原上分流河道十分發(fā)育，三角洲前緣組合和前三角洲組合不甚發(fā)育，分流河道往往直接充填直接覆蓋于薄層的前三角洲泥巖，反映了淺水三角洲明顯的進(jìn)積作用。

3 沉積環(huán)境對(duì)煤層氣成藏的影響

沉積環(huán)境對(duì)煤層氣成藏的影響主要在以下三個(gè)方面:(1)對(duì)煤層氣成藏基礎(chǔ)地質(zhì)條件的控制，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)煤層厚度與結(jié)構(gòu)、煤巖與煤質(zhì)方面;(2)對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制;(3)對(duì)煤層氣藏保存條件的控制作用，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在對(duì)煤層氣藏圍巖巖性的影響上［9]。

3.1 對(duì)煤層氣成藏基礎(chǔ)地質(zhì)條件的影響

1)對(duì)煤層厚度與結(jié)構(gòu)的影響。10#煤層厚度的變化與發(fā)育特點(diǎn)受其沉積環(huán)境控制。研究區(qū)太原組早期(太原組下段)沉積環(huán)境主要為障壁島－瀉湖相。該階段白額勘探區(qū)整體上地勢(shì)平坦，濱海沼澤發(fā)育良好，故形成的10#煤層厚度穩(wěn)定。白額勘探區(qū)以13號(hào)勘探線為界，北部區(qū)域煤層厚度一般大于3.0 m，而南部區(qū)域煤層厚度一般2.0－3.0 m，說(shuō)明北部沼澤的覆水深度適中，更利于泥炭化作用的進(jìn)行及保存。

3#煤層位于2#煤層下部，平均厚度1.19 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，為全區(qū)基本可采的穩(wěn)定煤層;2#煤層厚度 2.09 －6.23 m，平均厚度 4.10 m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，厚煤帶分布于南部8－5孔和1－3孔連線以南地區(qū)，煤層厚度變化呈由南向北逐漸變薄的趨勢(shì)。山西組早期，研究區(qū)處于一種濱岸平原環(huán)境中，為陸相三角洲平原沉積環(huán)境，物源主要來(lái)自北部陰山古陸［10]。在三角洲朵體的分流間灣、泛濫盆地等大面積沼澤化。2#煤煤層的厚煤帶分布范圍大致與三角洲朵葉體前緣分布范圍一致，表明2#煤層沉積時(shí)期的古環(huán)境總體上還處于受河控三角洲影響的淡水環(huán)境中，南部的泥炭沼澤發(fā)育比北部的好，故煤層相對(duì)較厚。煤層結(jié)構(gòu)受沉積環(huán)境影響，2#煤層屬結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單煤層，所含的1－3層泥巖夾矸，可能是泥炭沼澤受分流河道決口扇或局部受潮汐作用影響所致［11]。

2)對(duì)煤巖與煤質(zhì)的影響。研究區(qū)各煤層宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，個(gè)別點(diǎn)為半暗型煤。煤巖成分大部以亮煤為主，含少量鏡煤，少見(jiàn)暗煤及絲炭。10#煤儲(chǔ)層形成于海水控制下的鹽水沼澤環(huán)境，煤質(zhì)總體上表現(xiàn)為含硫高。從研究區(qū)56個(gè)樣點(diǎn)分析可知，10#煤層原煤全硫 1.04% －7.42%，平均3.61%，以中高硫 －高硫煤為主，見(jiàn)煤點(diǎn)中有40個(gè)樣品大于3.0%，為特高硫煤;3#煤層原煤全硫含量0.38% －3.01%，平均1.46%，含量較2#有所增高，屬特低硫－中高硫煤;2#煤層原煤全硫含量0.30% －1.97%，平均0.73%，屬特低硫－中硫煤，研究區(qū)南部的深部各孔硫分較高，主要受潮汐作用影響有關(guān)?？傮w上，10#煤層硫分較2#、3#煤層高，這與成煤環(huán)境有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，海相成煤環(huán)境下煤層受咸水影響，其硫分高于陸相煤層硫分。10#煤層沉積相為障壁島－瀉湖相，屬海洋環(huán)境咸水泥炭沼澤相，受此影響10#煤硫分較高。2#、3#煤層當(dāng)時(shí)成煤環(huán)境為河控三角洲平原沉積環(huán)境，屬陸相淡水泥炭沼澤。

3.2 對(duì)煤儲(chǔ)層圍巖的影響

煤層氣形成以后必須被封存在煤層中才可能成藏，對(duì)煤層氣來(lái)講，煤層本身既是生氣層，又是儲(chǔ)氣層，其上覆、下伏地層對(duì)煤層氣起到封閉作用。在整個(gè)圍巖“系統(tǒng)”中，煤儲(chǔ)層的直接頂?shù)装鍖?duì)煤層氣的保存與富集起決定性作用。

不同沉積環(huán)境下形成的封蓋層具有不同的封蓋能力。一般情況下，煤層上覆泥、頁(yè)巖等直接蓋層，平面上連續(xù)穩(wěn)定分布，其上又有區(qū)域性蓋層，對(duì)煤層氣的保存最為有利。砂巖孔隙比較發(fā)育，滲透率較高，為煤層氣逸散提供了良好的通道，對(duì)煤層氣的封蓋能力不如泥巖。裂隙不發(fā)育的厚層灰?guī)r、泥晶灰?guī)r也是好的封蓋層。

研究區(qū)2#和3#煤層頂、底板以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主;10#煤層頂板以灰?guī)r為主，局部為砂質(zhì)泥巖，底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。實(shí)際情況也反映了本區(qū)太原組煤層中的煤層氣含量較山西組的要低:2#煤層煤層氣含量為 3.27 －12.66 m3/t，平均為 8.11 m3/t;10#煤層煤層氣含量為 4.35 －14.11 m3/t，平均為 6.96 m3/t。

4 結(jié)論

研究區(qū)晚古生代含煤巖系沉積環(huán)境為陸表海－海岸平原環(huán)境。其中本溪組為一海灣充填沉積、太原組主要為障壁島－瀉湖－潮坪沉積和淺陸表海碳酸鹽臺(tái)地沉積、山西組主要為淺水河控三角洲沉積。沉積環(huán)境控制聚煤特征、含煤巖系的巖性、巖相組成及其空間組合。山西組沉積體系較太原組沉積體系對(duì)煤層氣成藏更有利，山西組頂板－煤層－底板沉積相組合較太原組更有利于煤層氣富集和保存。

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