李 清

(中國石化 華東分公司 非常規(guī)勘探開發(fā)指揮部，南京 210011)

山西延川南煤層氣田2號煤層煤相研究
——煤層氣開發(fā)選區(qū)意義

李 清

(中國石化 華東分公司 非常規(guī)勘探開發(fā)指揮部，南京 210011)

基于延川南煤層氣田2號煤層煤相分析的基礎(chǔ)上，探討了煤層氣富集規(guī)律與煤層煤相的關(guān)系。研究結(jié)果表明：2號煤層主要發(fā)育于下三角洲平原，其泥炭沼澤具有覆水相對較深、水體活躍、還原性較強(qiáng)的特征。煤層中鏡/惰比、灰分產(chǎn)率和硫含量的平面變化比較好的表明泥炭沼澤的微相分布。煤層煤相與煤層氣含量分布具有好的一致性，高鏡/惰比和低灰分產(chǎn)率煤層具有高的煤層氣含量，低鏡/惰比和高灰分產(chǎn)率煤層具有低的煤層氣含量，高的煤層氣產(chǎn)能區(qū)主要分布于煤層厚度大、高鏡/惰比和低灰分產(chǎn)率區(qū)。

煤相；煤層氣；煤巖學(xué)；延川南煤田；山西

煤相是煤的原始成因類型，它取決于原始泥炭形成的環(huán)境[1]。不同泥炭沼澤沉積背景，決定了植物群落持續(xù)生長的物質(zhì)總量及泥炭堆積的厚度、結(jié)構(gòu)、煤巖組成等[2]。煤儲層含氣性和儲集性是煤層氣成藏的關(guān)鍵內(nèi)在因素，嚴(yán)格受煤儲層本身的物質(zhì)組成、物理性質(zhì)以及煤—水—?dú)馊嘟橘|(zhì)之間耦合關(guān)系等因素的影響[3]。煤層的厚度和結(jié)構(gòu)、煤巖的成分組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等對煤層氣的生成和儲層特征具有重要影響[4-6]，因此，查明它們的空間展布特征對預(yù)測煤層含氣量分布和高產(chǎn)能區(qū)具有重要意義。目前延川南煤層氣田在煤層厚度、煤層含氣量、構(gòu)造位置、水動力條件等影響儲層地質(zhì)因素上做了大量工作。本文以煤巖學(xué)、地球化學(xué)、沉積學(xué)為理論基礎(chǔ)，對延川南煤層氣田山西組2號煤層宏觀和微觀煤巖特征、煤相參數(shù)進(jìn)行綜合分析，僅從煤層煤相的空間展布特征與煤層氣含量和產(chǎn)能的關(guān)系進(jìn)行了探討，為煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

延川南煤層氣田位于現(xiàn)今鄂爾多斯盆地東南緣，處于陜北斜坡、晉西擾褶帶和渭北隆起交叉帶，構(gòu)造相對復(fù)雜(圖1)。其含煤地層為石炭—二疊系，包括上石炭統(tǒng)本溪組、太原組和下二疊統(tǒng)山西組，屬于華北地臺陸表海盆地的一部分[7]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃

華北地臺陸表海盆地晚石炭世本溪組—太原組沉積期，隨地臺的持續(xù)沉降，海水侵入，形成受限陸表海，研究區(qū)主要形成潟湖—潮坪沉積；二疊紀(jì)早期，鄂爾多斯地區(qū)地殼又復(fù)上升，海水逐漸退出，研究區(qū)主要為濱海平原環(huán)境，水系發(fā)育、以三角洲平原沉積為主。

2 2號煤層發(fā)育特征

2號煤層位于下二疊統(tǒng)山西組，該煤層全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度在3.8～6 m之間，平均4.7 m，呈現(xiàn)出由北和東向南和東南部增厚的特征(圖2)。含1～2層夾矸，下部夾矸全區(qū)穩(wěn)定分布，主要為灰黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖，厚度在0.1～1 m之間，平均0.5 m，分布穩(wěn)定，但整體呈現(xiàn)出由東北向西南增厚的特征；上部夾矸不太發(fā)育，只在工區(qū)東北部較發(fā)育，厚度一般0.1～0.7 m，平均0.3 m。下部夾矸和上部夾矸在工區(qū)南部垂向間隔明顯，往東北方向2套夾矸逐漸合二為一，導(dǎo)致北部夾矸增厚。

3 煤巖學(xué)特征

煤的巖石學(xué)特征是反映煤層成因最直接、最可靠的標(biāo)志之一，包括煤的宏觀巖石類型、顯微組分、礦物成分和煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。煤的形成受到成煤植物群落，泥炭堆積環(huán)境的Eh值、pH值、鹽度和水文特征，以及泥炭聚積時期的古氣候、古構(gòu)造運(yùn)動及古地理環(huán)境等諸多因素的影響[8-10]。因此，根據(jù)煤巖學(xué)特征可以反推以上諸多成因因素，故它們是煤相劃分的重要標(biāo)志。

圖2 山西延川南煤層氣田2號煤層厚度分布

3.1 宏觀煤巖特征

延川南煤層氣田山西組2號煤層宏觀煤巖類型以半亮和光亮煤為主，其次為半暗煤和暗淡煤；煤的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以條帶狀、線理狀為主，鏡煤條帶中內(nèi)生裂隙較發(fā)育。煤層受后期構(gòu)造作用的影響局部發(fā)育碎裂煤、碎粒煤和糜鱗煤。平面上，在工區(qū)東北部和南部延10井區(qū)，以暗淡煤和半暗煤為主，中部及西部以光亮煤為主；垂向上表現(xiàn)出由光亮煤、半亮煤過渡到半暗淡煤和暗淡煤的垂向變化，表明2號煤層在形成過程中存在向上覆水深度不斷變深。

3.2 顯微煤巖特征及煤相類型

2號煤層變質(zhì)程度較高，鏡質(zhì)體反射率在1.5%～2.5%之間，屬于中高變質(zhì)程度煙煤。從顯微組分組成來看，2號煤層具有較高的鏡質(zhì)組含量，一般在60%以上，局部可達(dá)80%以上，平均為72%。鏡質(zhì)組主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體，其次為均質(zhì)鏡質(zhì)體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體，團(tuán)塊鏡質(zhì)體較少。惰質(zhì)組含量較豐富，一般在10%以上，高者可達(dá)30%以上，平均在18%，其中以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體含量最豐，粗粒體和惰屑體也較為常見。殼質(zhì)組含量較低，一般在5%以下。

應(yīng)用Diessel提出的結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)和凝膠化指數(shù)(GI)2個煤相參數(shù)[7]，編制了研究區(qū)2號煤層的TPI-GI煤相圖解(圖3)。由圖3可以看出延川南2號煤層總體形成于三角洲平原環(huán)境，并以下三角洲平原環(huán)境為主，這與研究區(qū)山西組的總體沉積環(huán)境是一致的。根據(jù)其凝膠化指數(shù)和結(jié)構(gòu)保存指數(shù)的范圍，其煤相具有覆水較深、泥炭層埋藏速度相對較慢的特征。

圖3 山西延川南煤層氣田2號煤層TPI-GI相圖

3.3 礦物成分

延川南2號煤層礦物組成以黏土礦物、硫化物和碳酸鹽為主，其中黏土礦物占絕對優(yōu)勢。黏土礦物可能主要來自于沼澤水體或地表水流帶來的細(xì)粒碎屑沉積；硫化物和碳酸鹽部分可能為同沉積時期的化學(xué)沉積，部分可能為后期裂隙充填沉積，在煤層裂隙中常見碳酸鹽充填。

4 鏡/惰比、灰分產(chǎn)率和全硫含量的變化特征

鏡/惰比(V/I)、灰分產(chǎn)率(Ad)和全硫含量(St.d)一直被用于解釋泥炭沼澤的形成環(huán)境[11-13]。一般來說，鏡質(zhì)組形成于潮濕還原環(huán)境，而惰質(zhì)組則形成于干燥氧化環(huán)境，所以鏡惰比這一參數(shù)可以較為直觀地反映沼澤的覆水程度及氣候的干濕情況。Smith把V/I比值看做是成煤泥炭遭受氧化程度的參數(shù)，認(rèn)為V/I<1時指示成煤泥炭曾暴露于氧化環(huán)境[14]。灰分含量可以在一定程度上反映成煤泥炭沼澤的覆水程度，一般覆水深度增加則灰分增高?；曳趾康脑龈咄瑫r也可以說明泥炭層的水動力條件流動性增大[11]。煤中硫含量主要取決于泥炭沼澤水體的氧化還原程度以及受海水的影響程度，一般比較閉塞的覆水環(huán)境或受海水影響比較大的沼澤易于形成高的硫含量。

由延川南2號煤層的鏡/惰比、灰分產(chǎn)率和全硫含量的變化特征(圖4，5，6)可以看出：(1)2號煤層鏡/惰比值范圍在1.5～9；全硫含量較低，一般在0.5%以下；灰分產(chǎn)率范圍在4%～19%，平均9%，反映泥炭沼澤環(huán)境總體具有覆水較深、還原性較強(qiáng)、主要以淡水注入為主。(2)鏡/惰比值和灰分產(chǎn)率在平面上分布具有很好的相似性(圖4，5)，它們之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究區(qū)西部煤層具相對高的鏡/惰比值和低的灰分產(chǎn)率，東部出現(xiàn)一個近南北向帶狀的相對低鏡/惰比和高灰分產(chǎn)率值帶。全硫含量的平面分布表現(xiàn)為研究區(qū)的東部向東具有增高的趨勢，西部相對較低(圖6)。

圖4 山西延川南煤層氣田2號煤層鏡/惰比值分布

圖5 山西延川南煤層氣田2號煤層灰分產(chǎn)率分布

圖6 山西延川南煤層氣田2號煤層全硫含量分布

由鏡/惰比、灰分產(chǎn)率和全硫含量的平面分布可以推斷，研究區(qū)西部相對高的鏡/惰比和硫含量可能與泥炭沼澤相對覆水較深和埋藏速率相對較快有關(guān)；而低的鏡/惰比、相對高灰分產(chǎn)率，以及低的硫含量帶可能與泥炭沼澤內(nèi)具有“河道型特征”[15]的相對強(qiáng)水動力條件影響有關(guān)；這與研究區(qū)的沉積相研究基本吻合，反映物源有一定的繼承性。

圖7 山西延川南煤層氣田2號煤層煤層氣含量分布

5 煤相與煤層氣含量和產(chǎn)能的關(guān)系

延川南煤層氣田2號煤層煤層氣含量的平面分布(圖7)表明，研究區(qū)東部煤層氣含量具有增高的趨勢，東北部具有降低的趨勢。這種分布特征與煤相分布具有好的一致性。研究區(qū)東部泥炭沼澤處于相對覆水的還原環(huán)境，煤層具有相對高的鏡/惰比和低的灰分產(chǎn)率，以及相對高的硫含量，具有相對好的煤層氣形成的煤相條件。研究區(qū)東北部泥炭沼澤處于水動力條件活動相對較強(qiáng)的弱氧化的環(huán)境，煤層具有相對低的鏡/惰比和高的灰分產(chǎn)率，以及低的硫含量，具有相對差的煤層氣形成的煤相條件。

通過煤層氣井排采試驗(yàn)，研究區(qū)東北部產(chǎn)量低或遞減快，不能穩(wěn)產(chǎn)；東部由于埋藏深，煤層相對較薄，采用直井開采，產(chǎn)能會較低，成本高，如果采用水平井開采可以提高產(chǎn)能；研究區(qū)的中部區(qū)具有相對厚的煤層厚度，具有相對高的產(chǎn)能。

6 結(jié)論

(1)宏觀煤巖特征、顯微煤巖特征及TPI-GI相圖表明，延川南煤層氣田2號煤層主要形成于下三角洲平原環(huán)境，具有覆水相對較深，水體活躍，還原性較強(qiáng)的特征。

(2)研究區(qū)東部2號煤層具有相對高的鏡/惰比、低的灰分產(chǎn)率和高的硫含量，其泥炭沼澤具有覆水相對較深、埋藏速率相對較快的還原環(huán)境。西部煤層具有相對低的鏡/惰比、高的灰分產(chǎn)率和低的硫含量，其泥炭沼澤具有相對強(qiáng)的水動力活動、埋藏速率相對較慢的弱氧化環(huán)境。特別是東北部煤層，更低的鏡/惰比和高灰產(chǎn)率表明更強(qiáng)的水動力活動。

(3)研究區(qū)東部2號煤層煤相與煤層氣含量分布具有好的一致性，高鏡/惰比和低灰分產(chǎn)率煤層具有高的煤層氣含量，低鏡/惰比和高灰分產(chǎn)率煤層具有低的煤層氣含量，高的煤層氣產(chǎn)能區(qū)主要分布于煤層厚度大、高鏡/惰比和低灰分產(chǎn)率區(qū)。

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(編輯 徐文明)

Coal facies of no.2 coal in Yanchuannan coal field of Shanxi:Significance for constituencies of coalbed methane exploitation

Li Qing

(UnconventionalResourceExplorationandDevelopmentHeadquarter,SINOPECEastChinaBranchCompany,Nanjing,Jiangsu210011,China)

Based on the systematic study of coal facies of No.2 coalbed in the Yanchuannan district, the relationship between enrichment regularity of coalbed methane and coal facies was discussed. The results showed that the No.2 coalbed formed on low delta plain, and the swamp was characterized by relatively high water level, active water body, better reducibility. The space distribution of vitrinite/inertinite ratio, ash yield and sulfur content in coals indicated the space distribution of swamp microfacies. The distributions of coal facies and coalbed methane content were comparable. The coals of high vitrinite/inertinite ratio and low ash yield had higher coalbed methane contents, while those of low vitrinite/inertinite ratio and high ash yield had lower coalbed methane contents. The area of high coalbed methane capacity distributed mainly in the area of thick coal seam, high vitrinite/inertinite ratio and low ash yield.

coal facies; coalbed methane; coal petrology; Yanchuannan coal field; Shanxi

1001-6112(2014)02-0245-04

10.11781/sysydz201402245

2013-02-02；

2014-02-14。

李清(1964—)，男，高級工程師， 從事油氣勘探開發(fā)生產(chǎn)管理和科研工作。E-mail: wyunhai@126.com。

中國石化重大先導(dǎo)科研項(xiàng)目“延川南煤層氣田產(chǎn)氣能力影響因素分析”( 2012XD0102)資助。

TE132.2

A