摘要：寧武盆地是我國典型的中煤階構造殘余盆地，勘探證實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境、煤質特征、熱演化程度與煤階分布、煤儲層物性等地質特征，通過構造特征、地應力分布特征、封蓋條件分析，結合前期勘探成果，綜合研究后認為：寧武盆地南部煤層氣的富集受構造部位、應力場以及煤層頂底板封閉條件控制，構造上斜坡帶煤層氣富集高產，構造應力場低值區煤層滲透性好，封閉條件好的地區煤層氣保存條件好。進而預測出W02井以東、W04井以南地區具有獲得高產煤層氣井的有利條件，是有利的煤層氣富集區。

關鍵詞：寧武盆地；煤層氣；富集；斜坡帶；地應力場低值區；主控因素；有利區；封蓋層

    寧武盆地位于山西省西北部，西側為呂梁山隆起和蘆芽山復背斜，東側為五臺山隆起帶，是晚古生代成煤期后受構造運動擠壓抬升形成的小型山間構造盆地^[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氣超過1000m³(WO1、W04、W05井)，均分布于南部斜坡帶，證實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，筆者通過對該區構造特征、地應力分布特征、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。

    寧武盆地發育石炭-二疊系、侏羅系2套含煤巖系^[3]。其中下二疊統山西組(P₁s)底部4#煤和上石炭統太原組(C₃t)下部9#煤單層厚度大，全盆地穩定分布，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，成煤環境變差，在太原組中上部僅發育一些分布不連續的薄煤層和濱-淺海相泥巖泥灰巖；本區山西期海水退出，初期沉積環境較穩定，處于河流亞相的沼澤沉積微相區，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。有機顯微組分中鏡質組一般在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，煤變質程度加深，煤階增高，推測盆地腹部為肥、焦煤，已進入熱解生氣高峰，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，該區煤層孔隙以微孔為主，發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，鏡質組反射率為0.85%～1.12%。

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

煤心觀察表明，該區煤層割理發育，割理密度為3～5條/cm，縫寬4～7μm。構造裂縫多垂直煤層發育，呈不規則分布，裂縫未充填，疏通了煤層孔隙，改善了煤儲層性能。

注：1)顯微組分為含礦物基分析結果。

表2 太原組9#層滲透率測試結果表 mD

    寧武盆地成煤期后主要經歷了燕山期和喜山期構造運動^[6]。現今構造形態為NNE向展布的復向斜，兩翼陡，地層傾角25°～40°，南北兩端構造較平緩，地層傾角6°～12°。

    寧武盆地南部構造斜坡帶，煤層埋深主要受構造和地形起伏控制，變化規律較簡單，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口井日產氣超過1000m³，煤層氣富集高產主要有以下幾方面原因。

2.1.1 上斜坡帶為低勢區，是烴類運移指向區

    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，與盆地腹部埋深超過2000m的生氣中心銜接，成為烴類運移指向區，配合區域性分布穩定的直接蓋層，易于形成高含氣、高飽和煤層氣藏。

2.1.2 上斜坡帶割理發育，煤層滲透性好

    上斜坡帶處于盆地后期構造幅度大，煤層埋藏相對較淺，處于地應力相對低值區，張性裂隙發育，煤層滲透性好，利于煤層氣井高產。

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氣特征

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

    影響煤儲層滲透率的因素十分復雜，地質構造、應力狀態、煤層埋深、煤體結構、煤巖煤質特征、煤變質程度和天然裂隙系統等都不同程度地影響著煤儲層滲透率^[7～8]，煤儲層滲透率是多因素綜合作用的結果，但其中構造應力場是控制煤層滲透率的最主要因素^[9～10]，煤層滲透率與地應力增加呈指數關系降低^[11～13]。

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

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

    煤層頂底板封閉性直接控制煤層氣的保存條件，主要體現在控制煤層含氣量，同時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。泥灰巖頂板稍遜于泥巖頂板，而優于石灰巖頂板，亦能有效發揮封閉作用。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巖、泥巖，有少量石灰巖和砂巖。太原組9#煤泥巖、泥灰巖頂板主要發育于南部WO1-W04-W05井區，泥灰巖、泥巖頂板厚度2～18.0m，石灰巖頂板厚度1～6.14m。在西部W02-W03井區太原組蓋層9#煤層之上蓋層主要為富水性較強的中砂巖為主，煤層氣保存條件差。總體上太原組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、泥灰巖為主，局部為砂巖及粉砂巖、石灰巖。下伏本溪組發育一套厚度介于5～15m的鋁土質泥巖，全區穩定分布，底襯封閉作用良好。

    總體上，寧武盆地南部W01-W04-W05井區頂底板封閉性好，煤層含氣量一般大于10m³/t，最高達到20m³/t，而西部W02-W03井區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還是很好的隔水層，煤層上部地層泥巖、泥灰巖發育能夠很好地封隔上部地層水的網絡狀滲濾，同時煤層上部地層泥巖發育使該區含水層不發育，富水性差，有利于煤層氣的保存，同時煤層氣井排采產水量小，煤層易降壓解吸，對煤層氣開發極為有利。W05井頂板泥巖發育，厚度超過15m，煤層氣井產水量一般低于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，保存條件好，煤層產氣效果較好，而W03井區頂板以砂巖為主，富水性強，斷層發育，斷層溝通含水層，使得該區水文地質條件復雜，W03井試氣水礦化度985mg/L(表3)，而該區煤系地層水礦化度一般超過2500mg/L，說明該區有地表水混入，處于地下水徑流區，同時煤層氣井產水量大，產水量超過100m³/d，煤層難以降壓解吸，不利于煤層氣開發。

表3 寧武盆地試氣井9#煤層產出水分析化驗數據表 mg/L

   綜合以上研究，構造部位、地應力、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井以南地區太原組9#煤埋深小于1500m，處于應力場低值區，煤層滲透性好、煤層頂底板封蓋條件好，同時處于構造上斜坡帶，利于煤層氣井高產，是煤層氣富集高產有利地區。

   寧武盆地南部有利區內太原組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)，證實本區處于飽和吸附帶，煤層氣開發潛力較大。預測太原組98煤1500m以淺煤層氣有利勘探面積為138km²，煤層氣地質資源量為221×10⁸m³。

[1] 葉建平，范志強.中國煤層氣勘探開發利用技術進展[M].北京：地質出版社，2006.

[2] 王憲花，蔣衛東，高穎，等.寧武盆地煤層氣勘探現狀及試采效果[J].天然氣工業，2008，28(3)：93-95.

[3] 趙慶波，孫斌.中小型含煤盆地煤層氣勘探取得突破的幾點認識[J].天然氣地球科學，2004，15(4)：452-456.

[4] 唐書恒，蔡超，朱寶存，等.煤變質程度對煤儲層物性的控制作用[J].天然氣工業，2008，28(12)：30-33.

[5] 陳振宏，王一兵，宋巖，等.不同煤階煤層氣吸附、解吸特征差異對比[J].天然氣工業，2008，28(3)：30-32.

[6] 單家增.寧武盆地煤層段古應力場演化特征研究[R].北京：中國科學院地質與地球物理研究所，2003.

[7] 吳國代，桑樹勛，楊志剛，等.地應力影響煤層氣勘探開發的研究現狀與展望[J].中國煤炭地質，2009，21(4)：31-34.

[8] 霍永忠.煤儲層的氣體解吸特性研究[J].天然氣工業，2004，24(5)：24-26.

[9] 葉建平，史保生，張春才.中國煤儲層滲透性及其主要影響因素[J].煤炭學報，1999，24(2)：118-122.

[10] 王生維，段連秀，陳鐘惠，等.煤層氣勘探開發中的煤儲層評價[J].天然氣工業，2004，24(5)：82-84.

[11] 歐成華，李士倫，杜建芬，等.煤層氣吸附機理研究的發展與展望[J].西南石油學院學報，2003，25(5)：34-38.

[12] MCKEE C R，BUMB A C，KOENIG R A. Stress-dependent permeability and porosity of coal[C]∥Procs.1987 Coalbed Methane Symposium. Tsuascaloosa，Alabama：AAPG，1987：16-19.

[13] 何偉鋼，唐書恒，謝曉東.地應力對煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術大學學報，2000，19(4)：353-355.

[14] 康毅力，羅平亞.煤巖氣藏開發分類探討[J].西南石油學院學報，2003，25(6)：19-22.

[15] 石書燦，林曉英，李玉魁.沁水盆地南部煤層氣藏特征[J].西南石油大學學報，2007，29(2)：54-56.

[16] 薄冬梅，趙永軍，姜林，等.煤層氣儲層滲透性研究進展[J].西南石油大學學報，2008，30(6)：31-34.

 

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