沁水盆地煤层气地质条件评价

2007年第10期 煤 炭 工 程 研究探讨

沁水盆地煤层气地质条件评价

冀 涛,杨德义

1

2

(11太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西太原 030024;

21太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024)

摘 要:沁水盆地煤变质程度高,煤层厚度大,煤层埋深适度,构造简单,从煤层气形成的条件来看,是我国煤层气勘探开发最有利的地区之一。开发利用沁水盆地的煤层气资源,对于改

善中国的能源结构,加快地区经济发展,都具有重要的意义。 关键词:沁水盆地;煤层气;评价

中图分类号:P618111 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2007)10-0083-041 地质概况

沁水盆地位于山西省东南部,含煤面积29500km2,煤炭储量5100亿t,为特大型含煤盆地。自上元古代山西陆台形成,到古生代广泛海侵,本区沉积了前寒武系、寒武系,加里东运动本区隆起,缺失上奥陶统、志留系、泥盆造密集发育,主要为大型断裂的两侧或临近地区,岩石力学性质处于中等强度。10煤主要位于研究区东南部、西南部地区。岩性以粉砂岩为主,构造属中等发育区,局部小构造密集发育,主要为大型断裂的两侧或临近地区,岩石力学性质处于中等强度。

3)稳定顶板分布区:2煤主要位于研究区的西部,岩性以细砂岩、粉砂岩为主,构造发育中等,岩石力学强度较高。10煤主要位于研究区的中部、北部,岩性以细砂岩、粉砂岩为主,构造发育中等,岩石力学强度较高。

4)非常稳定顶板分布区:

2煤主要位于研究区的西

部,从沉积、构造、岩石力学等方面分析,均属于稳定情况。岩性主要以细砂岩为主,构造极少发育,岩石力学强度高。10煤主要位于研究区的西南部、北部地区,从沉积、构造、岩石力学等方面分析,均属于稳定情况。岩性主要以细砂岩为主,构造极少发育,岩石力学强度高。

系、下石炭统地层。

华夏系拗陷控制了中上石炭世的沉积,海陆交互相含煤岩系本溪组、太原组平行不整合于中奥陶统之上。二叠纪阴山构造带隆起,海水退出,转化为过度相的山西组含煤沉积。煤系平均总厚200m。二叠系石盒子组、石千峰组为煤系主要盖层,厚500~1500m。

具有一定的指导作用。综合指数法,是一种新型的评价方法,它丰富了对客观事物的分析研究手段,在木城涧矿的应用结果与实际情况基本一致,该方法值得推广。参考文献:

[1] 葛道凯.平顶山矿区综采面顶板稳定性的沉积模式[J].

煤炭学报,1994,

(2).

[2] 彭苏萍.复合型三角洲的沉积特征与沉积模式[J].煤炭

学报,1994,19(1).

[3] 孟召平.煤层顶板沉积岩体结构及其对顶板稳定性的影响

[D].北京:中国矿业大学,北京:地质出版社,

199311.

199915.

[4] 李增学,马兴祥.实用矿井地质研究一方法与进展[M].[5] 于双忠.煤矿工程地质研究[M].徐州:中国矿业大学出

版社,1994:130~140.

[6] 彭向峰,等.煤层顶板工程地质分类方案初步研究[J].

煤田地质与勘探,

1997,

(6):

34~36.

[7] 王生全,夏玉成,等.邢台显德汪井田煤层顶板稳定性评价

与预测[J].西北地质,1997(4).

[8] 孟召平.煤层顶板沉积岩体结构及其对顶板稳定性的影响

[博士学位论文][D].北京:中国矿业大学,析[J].岩石力学与工程学报,2006,

(7).

1999.

[9] 刘海燕,伍法权,等.兖州煤田主采煤层顶板稳定性特征分

3 结 语

木城涧矿区2、10号煤层顶板的岩性均以粉砂岩、细砂岩为主,局部见泥岩;岩性组合以粉砂-细砂岩组合为主;受断裂影响,顶板岩体裂隙较发育,顶板较破碎。以稳定和中等稳定型为主。根据已开采的部分区域来看,评价的结果是比较合理的,对该矿在顶板管理、维护等方面

(责任编辑 章新敏)

收稿日期:2007-07-12

生产管理与技术工作。

作者简介:冀 涛(1967-),男,高级工程师,煤田地质勘探专业毕业,现在太原煤炭气化(集团)公司从事煤矿

研究探讨 煤 炭 工 程 2007年第10期

印支运动本区再度隆起,燕山中期成生了太行山、太岳山经向构造体系,与南北端的降县-驾岭、阳曲-盂县纬向构造带联合控制,形成当今的沁水盆地。

喜山期上新世成生晋中、临汾盆地,第三系红土和第四系黄土角度不整合于晚古生代各地层之上,最厚可达4000m[1]。

沁水盆地现今构造面貌为一近南北向的大型复式向斜,次级褶曲发育。南部和北部以近南北向褶曲为主,局部为近东西、北东和弧形走向的褶皱;中部则以北北东向褶皱发育为特点。断裂以北东、北北东和北东东向高角度正断层为主,集中分布于盆地西北部、西南部及东南部边缘。

部东西两侧狭窄地带为肥、焦、瘦煤外,其余绝大部分地区均为高煤级的贫煤和无烟煤(Romaxl19~413%)。其中,山西组的无烟煤分布面积较小,仅在北部的阳泉和南部晋城~阳城一带分布,太原组无烟煤分布面积较山西组明显扩大,但仍分布于盆地南北两端。煤变质程度高,高煤级分布面积广是本区最明显的特征。

214 构造形迹及展布

21411 褶曲

褶曲控制煤层的埋深。构成盆地主体构造的沁水向斜为一轴向NNE的复式向斜,其两翼不对称,西翼地层倾角相对稍陡,一般为100b~200b,东翼相对平缓,一般100b左右。在复式向斜的两翼发育有一系列次一级褶曲,褶曲轴走向以NNE向和NE向为主,局部地区受后期构造运动的改造,轴向改变,如阳泉~寿阳一带褶曲轴走向近EW;西山煤田的西山向斜轴呈/S0型。从褶曲分布的密度看,在盆地中部的左权~来远以南、襄垣~沁源以北地区、南部的安泽以南地区相对较高。一般说来,褶曲规模较小,延伸范围有限。21412 断裂

断裂的发育程度及力学性质在局部地区影响煤层的含气性。

断裂性质以正断层居多,断层走向长从几百米到数十公里不等,断距从几米到4000余米,有的可能是导致岩浆上升的通道,断层延伸方向以NE向为主,局部呈近EW向和NW向延伸。断层主要分布在盆地西北部的西山~汾西~霍州一带和盆地东南边缘的襄垣~长治~高平一带。从物探资料看,向深部似乎有断层减少,断距变小的趋势。从井下采煤所观察到的情况看,断层的密度比较稀少。位于晋中断陷西侧的断裂可能是太原期就己存在的同沉积断层,它的存在导致西山煤田与周边地区的地层、岩性、岩相和含煤性的差异。晋中断陷与临汾断陷为两个新生代形成的断陷盆地,新生代地层厚度逾千米,石炭二叠纪煤系埋藏深度在数千米,断陷盆地周边的断层的断距一般较大。21413 岩浆岩及陷落柱

岩浆岩对其附近的煤层煤级影响较大。已有资料证实,在太原西山煤田西部和临汾到侯马一带有二长斑岩和闪长岩类出露,物探资料推测在太谷~平遥间有一闪长岩侵入体,昔阳地区有玄武岩出露。这些燕山期和喜山期的产物,对石炭二叠纪煤系的影响各异。在沁水盆地北部的清徐、榆次、阳泉等地存在正磁异常,南部阳城、高平、陵川、晋城等地也有正磁异常分布,这预示着在这两个地区可能存在隐伏体,可能具有岩基规模。与吕梁山己知花岗岩异常对比,推测北部隐伏体的埋藏深度在2500~3000m,南部隐伏体的深度在500~1500m。另据煤田勘探资料,清徐施工的K7孔在中奥陶统峰峰组灰岩中打到花岗闪长斑岩;阳泉二矿2-69号孔在9号煤顶板见到蚀变闪长岩脉。这也为推侧隐伏体的存在提供了有利的佐证。

2 煤层气地质条件评价211 煤层埋深及其分布

煤层埋深或者上覆地层有效厚度是控制沁水盆地煤层含气量的主要因素之一,其控制作用表现为随上覆有效厚度增大,含气量增高[2]。

区内太原组、山西组煤层埋深受环形向斜构造盆地和局部新生代断陷控制,埋深由边缘露头向盆地中部增大,石炭系底埋深0~5000余米。其中西北部平遥、祁县、太谷一带的晋中断陷,煤层埋深达2000~5000余米,是埋深最大的地区;沁县一带是向斜轴部,煤层埋深约2000m。埋深小于1000m区域分布于盆地边部,

2

分布面积

14750km,占总含煤面积的52%,以太原~阳泉、襄垣~长治、沁水~阳城和沁源~安泽四个地区面积较大。埋深1000~2000m含煤带呈环带状分布于前两者之间,面积9950km2,占总含煤面积的35%,以中南部和东北部分布面积较大。

212 煤层厚度及其分布

石炭系太原组和二叠系山西组是沁水盆地的含煤组段,共含煤6~ll层,其中,单层厚度大于015m、稳定分布的煤层,太原组为8号、9号、15号煤层,累厚3~10m,总体变化北部阳泉、昔阳、太原西山、榆次及东部和顺、左权一带最厚,累厚一般大于7m,中部及南部一般5m左右。山西组为2号、3号煤层,累厚2~6m,分布特征是东南部潞安、安泽、高平、屯留和北部清徐、太原西山厚度较大,一般4~6m,其它地区较薄,厚2~4m。其中太原组15号和山西组3号煤层是沁水盆地分布最稳定、单层厚度最大的煤层,是煤层气勘探开发的主要目标煤层。

山西组主要可采煤层厚度变化于0~715m之间,总体变化趋势为由南向北,煤层厚度变薄,不同地区厚度差异较大。太原组主要可采煤层厚度变化于0~8m之间,总体变化趋势为北厚南薄,与山西组主煤层变化趋势相反。

213 煤级变化特征

煤的变质程度控制煤层含气性的分布,表现为随煤级升高含气量增加。

区内石炭系太原组和二叠系山西组煤层除在西山和中

2007年第10期 煤 炭 工 程 研究探讨

陷落柱对煤层气的逸散、运移和聚集起着一定制约作用。陷落柱主要在西山、汾西地区及阳泉、寿阳地区比较发育,南部地区也有发现。如阳泉三矿生产中已揭露出258个,五矿90个,西山杜儿坪矿己发现573个,局部地区陷落柱密度可达28个/km2。

2)盆地南北部有差异,总的看,盆地北部(寿阳地区)的渗透率值(范围值为01002~82184md,平均19149md)高于南部的长治~晋城地区(范围值为01000344~2100md,平均01468md)。

3)盆地北部太原组煤层渗透率(平均值为341876md)大于山西组煤层渗透率(平均值01268md);而盆地南部的长治~晋城地区则表现为山西组煤层渗透率(平均值为01533md)高于太原组(平均值为01375md)。21613 煤储层压力

沁水盆地地层压力在垂向上和横向上,均有较大差异。上二叠统上石盒子组是区域上的接近正常~微超压层,地层压力梯度在0101MPa/m左右。在钻井钻进过程常常出现涌水现象,地层水水头常达地表以上数米。二叠系上石盒子组至奥陶系马家沟组,地层压力梯度逐渐降低的趋势较明显,据阳城、阳泉和潞安地区资料计算结果,上石盒子组地层压力梯度平均值为0100939MPa/m,山西组和太原组为0100767~0100772MPa/m,而奥陶系峰峰组至马家沟组仅0100681MPa/m。地层压力在横向分布上也存在着非均衡性,如盆地南部阳城~端氏地区、盆地东部长治~潞安及盆地北部寿阳~阳泉地区煤层气钻井测试获得的山西组和太原组煤层压力梯度普遍较低,平均值010043~010075MPa/m,地层欠压严重。靠近盆地中部的沁参1井二叠系山西组煤层,深度102119m,地层压力91635MPa,地层压力梯度010094MPa/m,表明盆地中部附近地层属微欠压或基本接近正常压力。21614 煤的天然裂隙

煤中的天然裂缝依据其成因分为割理(内生裂隙)和外生裂隙两大类[3]。割理是煤变质作用的产物,其发育程度与地应力的强弱和变质作用的类型密切相关。

沁水盆地燕山运动的抬升作用,不仅使该盆地侏罗纪及其之后的沉积分布局限,而且导致了盆地绝大部分地区煤系上覆地层遭受了至今长达114亿年的风化剥蚀作用。上覆地层的变薄,使煤层所受地应力变弱,为割理的形成创造了良好的外在地质环境。同时,燕山运动导致的区域岩浆热变质作用,使得煤层上覆地层不必加厚,相反在逐渐变薄的条件下,为煤层变质程度的加深提供了足够的热源,为加快沁水盆地煤的热演化进程,促进割理的大量形成,创造了必要的内在地质条件。起因于燕山运动的有利于割理形成的这两种优越的地质条件,使沁水盆地高变质煤中的割理发育程度并未变差,据盆地边部煤矿煤样光面统计,贫煤和无烟煤的面割理密度为9~16条/5cm,端割理密度为5~l8条/5cm。割理组合类型以网状为主,次为孤立~网状和孤立状,开启性较好,偶见充填。如此好的、出乎人们意料的割理特征,为该盆地的煤层背景渗透性的改善提供了保障。

外生裂隙是经过地应力作用,在煤层中出现的没有显著错动或位移的破裂,它们与褶皱构造或断裂构造等有着

215 顶底板岩性

受成煤环境控制,沁水盆地石炭、二叠纪煤层顶、底板岩性基本是稳定的。太原组主要可采煤层和局部可采煤层的顶板岩性多为灰岩,这是由于整个聚煤作用均发生在海退期,海侵作用才导致了成煤作用的结束。局部地区煤层顶板相变为泥岩或粉砂质泥岩。从钻孔统计资料分析,顶板为生物灰岩的占大部分,为泥岩的较少,灰岩多呈连续分布,而泥岩呈零散分布。太原组主煤层底板岩性有95%的钻孔揭示为根土泥岩或粉砂质泥岩,分布比较稳定,厚度一般3~5m,局部地区底板泥岩含铝质较高,含量可达30%,对煤层气保存十分有利。

山西组主煤层直接顶板为泥岩、粉砂岩的钻孔占统计钻孔总数的65%;为砂岩的钻孔占35%,其中顶板为砂岩的钻孔主要分布于汾西)襄垣一线以北地区,这是因为该区古地理环境为上三角洲平原,分流河道发育,局部煤层受冲刷,形成砂岩为煤层的直接顶,这一现象在阳泉和西山地区出现的几率高于其它地区。

盆地南部为三角洲前缘环境,冲刷作用发生的较少,所以煤层顶板多为泥岩或粉砂岩,煤层直接底板为根土岩的占92%,砂岩占8%。泥岩厚度一般在3~5m,泥岩底板对气体的保存较为有利。

A12O3

216 煤储层特征

21611 煤的孔隙度

据西安煤科院的研究成果,沁水盆地石炭~二叠系主要煤层的有效孔隙度变化在1115%~7169%间,一般多在5%以下。煤的孔隙发育情况与煤化程度有关,其中肥煤、焦煤的孔隙度最低,瘦煤以后又有所增高。从其它一些盆地的孔隙度测试资料看,低煤阶煤有更高的孔隙度。综合这些结果可以得出,沁水盆地煤的孔隙度随煤化程度的增高,呈现出两头高、中间低的特点。此外,煤孔隙的大小多参差不齐,不同煤化程度的煤,孔隙体积分布有差别,各种煤微孔都很发育。相对而言,中等变质程度煤的大孔和中孔比较发育,高变质煤的过渡孔较多。21612 煤的渗透率

煤层渗透率的大小决定于煤层孔隙和裂缝(包括内、外生裂缝)的发育程度,虽然沁水盆地石炭、二叠系煤层演化程度较深,以高变质的贫煤~无烟煤为主,但煤层中的割理并没有完全闭合,加之构造裂缝的叠加,使部分地区煤层的裂缝系统十分发育,从而预示着煤层有较高的渗透性。本区的煤层渗透率具有如下几个现象:

1)煤层渗透率变化范围大,测试最大值为82184md,最小仅为01000334md。

研究探讨 煤 炭 工 程 2007年第10期

密切的成生联系。一般说来,在地层走向或倾向急剧变化的部位或断裂两侧,煤层外生裂隙最为发育,这些部位的煤层渗透性因此得以改善,煤层气井的产能相应地提高。沁水盆地为一大型复式向斜,与其内部强烈发育的次级褶皱相伴生的外生裂隙也十分发育。出露地表的石炭、二叠系中的裂隙观察结果表明,大多数地区为两组,在北部阳泉地区和南部沁水地区为3或4组。裂隙密度因岩性或相同岩性的厚度变化而变化,其变化范围为2~20条/m。屯留地区地表上二叠统上石盒子组和煤矿中3号煤的外生裂隙测量结果表明,地表外生裂隙的组数和走向与煤层中的基本一致,只是它们的密度不同。

410737@1012m3,基本相当于美国圣胡安盆地煤层气资源总量(约212074@1012m3,

1988年估算)的大约2倍。其中煤

1000~2000m范围内的资源量

层埋深300~1000m面积内煤层气资源占总资源量的4011%,为116339@1012m3;

占总资源量的5919%,为214397@1012m3。

4 结 语

沁水盆地煤层厚度大,分布面积广,主要煤层含气量高,煤层割理、裂隙发育,煤的原生结构和割理保存好,煤层气资源量很大,煤层气产出地质条件良好并已被勘探证实具有良好的气产能,具备了进行煤层气勘探的基本地质条件。尤其是在潞安矿务局~北张店~线以南,安泽~沁水县以东;榆次以东,

37b30c纬线以北,这两个地区煤层

埋深均在600~1200m,为最有利区块。

沁水盆地煤田地质条件有一定变化,不同地区煤层气富集规律也不尽相同。只有深入研究全盆地煤层气形成的地质条件,才能客观认识煤层气赋存地质规律及高产富集因素,从中筛选出一批重点区作为勘探靶区,做到有的放矢,提高勘探成功率,以点带面,实施滚动开发。参考文献:

[1] 曹代勇,吴国强,等.潞安矿区屯留井田断裂构造研究

[J].中国煤田地质,1995,国矿业大学出版社,陕西科学技术出版社,煤田地质与勘探,

1997,1998.1991.(4):

25~30.(2):7~10.

[2] 中国煤田地质总局.中国煤层气资源[M].江苏徐州:中[3] 张新民,张遂安,李静,等.中国的煤层甲烷[M].西安:[4] 秦勇,刘焕杰,等.山西南部晚古生代煤层的含气性[J].

3 含气性及煤层气资源量预测

沁水盆地煤层含气性变化特征的研究表明,制约该盆地的煤层含气性的主要地质因素为煤变质程度和煤层埋藏深度[4]。变质程度越高,含气量越高,如屯留井田、韩庄井田和阳城矿区,前两个地区分别为瘦煤(Romaxl173%)和贫煤(Romaxl18~

214%),

阳城矿区为无烟煤

(Romax411%),在煤层埋深相同,均为500m的条件下,最高含气量前两个地区为1615~l7m3/t,阳城矿区为38m3/。煤层埋深越大,含气量越高,如韩庄井田、屯留井田和t

潘庄井田,尽管这三个地区煤变质程度明显不同,但均呈现出随埋深增加含气量增加的宽带状线性关系。

从现代煤层气商业开发的经验和现状考虑,沁水盆地的煤层气资源量仅计算煤层埋深300~2000m范围内的。其中300~1000m埋深的煤层含气量和煤层厚度数据多,计算的煤层气资源量数据相对可靠,而1000~2000m埋深上几乎无含气量数据,也缺乏可靠的煤层厚度资料,计算的煤层气资源数据可靠性相对较差。该盆地煤层气资源总量为

(责任编辑 章新敏)

x信息资讯#技术信息x

陕西韩城发现储量达50亿m煤层气田

在韩城进行煤层气田勘探工作的中联煤层气有限责任公司(简称中联公司)近日发现并探明该地区首个煤层气田,探明地质储量达50亿m3。据介绍,此次韩城煤层气田的发现,是我国继沁水煤层气田之后的又一个重要发现。

此次发现的韩城煤层气田地质构造比较简单,地层平缓,煤层分布相对稳定,埋深多在地平面以下300~900m左右,较适合进行煤层气开发。韩城煤层气田的勘探工作开始于2001年,目前,该气田区已钻13口煤层气井,一个由11口井组成的试验井组正在进行生产,单井最高产气量达每日3500m3,单井平均产气量在每日1800m3左右,显示出了良好的产气潜力和开发前景。

据中联公司负责人介绍,韩城煤层气田的技术可采储量为25105亿m3,经济可采储量为22155亿m3,可以建成每年115亿m3的生产能力。并且,随着勘探、开发工作的进展,该煤层气田的探明储量还将逐步增加。韩城煤层气田除作为本地城市燃气和煤化工原料外,所生产的煤层气还可通过管道输送到天然气主要消费地区。

[本刊通讯员]

3