沁水盆地地質(zhì)概況

1、2.1 沁水盆地地質(zhì)概況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：其煤層氣資源量達3.28X1012m3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區(qū)域9o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、北東和弧形走向的褶皺；中部則以北北東向褶皺發(fā)育為特點。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。盆地地層屬華北地層區(qū)劃

2、缺失志留紀、泥盆紀和下石炭世地層。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（P1S）、下石盒子組（P1X）、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掰口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，將盆地內(nèi)石炭一一二疊系含煤地層的煤層氣富集單元劃分為沁南富氣區(qū)、東翼斜坡帶富氣區(qū)、西翼斜坡帶富氣區(qū)、將山富氣區(qū)和高平一一晉城富氣區(qū)10。沁南富氣區(qū)總含氣面積3630km2,分為樊莊、潘莊、鄭莊三個區(qū)塊111

3、2。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，計算高產(chǎn)富集區(qū)內(nèi)探明含氣面積346km2,地質(zhì)儲量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18.5319.96km東西寬16.

4、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27°,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為主，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)造簡單，煤層厚度穩(wěn)定，且具有較高的煤層氣含量，據(jù)估

5、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。煤層號煤炭儲量104t平均含氣量m3/t含氣面積/12km煤層氣資源量/108m3資源豐度/(108m3-km-2)3#26136622.44311.19506.600.81415#11574618.10324.93228.720.352小計37711

6、2一一735.321.166表1樊莊區(qū)塊主力煤層3#、15#煤層氣資源量煤層號煤層氣性等級及資源量/108m3埋藏深度等級及資源量/108m3資源量級別可靠性等級富氣性等級58m3/t含氣812m3/t富含氣>12m3/t富氣<300m淺煤層300600m中等煤層>600m深煤層3#48.10226.24232.267.80297.28201.52預(yù)測儲量可靠儲量富氣區(qū)15#65.1270,9092.70一98.48130.24小計113.22297.14324.967.80395.76331.76表2樊莊區(qū)塊主力煤層3#、15#煤層氣資源量及級別、等級樊莊區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層

7、（見表3）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號煤層為局部可采煤層，煤層頂板為泥巖、粉

8、砂質(zhì)泥巖，局部為中細粒長石石英砂巖。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#S層是區(qū)塊內(nèi)煤層氣的主要儲集層。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）24m350850m由灰黑色泥巖、粉砂

9、巖、細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）深灰色細粒長右右英砂巖、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，局部為中細粒長石石英砂巖。山西組3#號煤47m350750m一套河流三角洲相含煤沉積，由深灰灰黑色泥巖、粉砂巖、細粒長右右英砂巖及34層煤組成。3#煤是主要可米煤層，厚度為47m,平均6m,總體呈東厚西薄展布，分布穩(wěn)定，頂板為泥巖，平

10、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)定的煤層對勘探開發(fā)煤層氣非常有利。|。HmlcxjytJdi«|7£產(chǎn):Jr|i崎3T第wnasrft<m>圖3樊莊地區(qū)3#煤層埋深等值線24表4為部分鉆井煤層厚度一覽表，從中可看出，沁水盆地南部3#煤層全區(qū)穩(wěn)定。3#煤層位于山西組的下部，煤層厚度4.257.25m,平均5.79m。|煤層氣井一般合采煤層厚度610m,平土勻厚8m17

11、井號煤層厚度（m）合計（m）備注3#15#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-75.24.49.6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煤層氣儲集層物性特征及

12、開采特征3.1 煤層氣儲集層物性特征3.1.1 儲層孔隙度及割理發(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)煤層氣探井、開發(fā)井毛管壓力曲線特征反映儲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，對煤層氣的吸附能力強，有利于煤層氣的保存。同時煤層氣儲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?.035390.65仙m,平均38.15111mo圖煤巖孔隙結(jié)構(gòu)圖據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù)分析可知，3#煤儲層孔隙以微、小孔

13、為主，大孔次之，中孔欠缺，且孔形以含有相當數(shù)量的半封閉孔為特征；煤儲層發(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；顯微裂隙成為銜接擴散的良好通道，提高了擴散強度。區(qū)內(nèi)試井滲透率統(tǒng)計表明，3#煤儲層相對發(fā)育；宏觀裂隙中，內(nèi)生裂隙（割理）發(fā)育程度明顯較中、低煤級煤儲層差，這也是滲透率相對較低的主要原因21。（圖3、圖4）割理是煤變質(zhì)作用的產(chǎn)物，具發(fā)育程度與變質(zhì)作用類型及地應(yīng)力的強弱密切相關(guān)。發(fā)生在晚侏羅世時期的燕山運動為區(qū)塊內(nèi)煤的熱演化生姓，促進煤中割理大量形成創(chuàng)造了有利條件圖43#煤樣電鏡下孔隙特征圖53#煤樣電鏡下裂縫特征3#煤層宏觀割理特

14、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,小型割理密度為3140條/10cm。單從割理密度看，中、小型割理密度均總條/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。3.1.2 儲層滲透性煤層氣儲集層的滲透率是衡量煤層氣可采性的重要指標，滲透率的大小決定于煤層孔隙和割理的發(fā)育程度，當煤層氣儲集層割理發(fā)育處于相對開啟狀態(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塊煤樣的實驗測定樊莊區(qū)塊3#煤的孔隙度一般為1.43.5%,與一般煤層孔隙

15、度2%左右的經(jīng)驗值吻合。樊莊區(qū)塊內(nèi)煤層氣探井典型煤樣基質(zhì)擴散系數(shù)測定結(jié)果表明，3#煤層擴散系數(shù)最高4.085e-5,最低2.5E-07,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)達至U12mD。井號測試井段m表皮系數(shù)注入/壓降試井解釋滲透率mD1井519.0-524.4-3.660.222井539.0-544.4-3.40.083井521.6-527.4-0.530.514井514.2-520.6-1.290.085井509.2-515.2-1.140.0386井521.6-527.4-0.640.025表73#煤層滲透率測試結(jié)果表3.1

16、 3儲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)煤層氣儲集層煤的吸附能力及儲層壓力表現(xiàn)為，3#煤原煤蘭氏體積為27.61 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價中的一個重要指標，較高的含氣量是資源豐度大，氣藏儲量富集,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20.42m3

17、/1由容積J求得探明儲量為227.16X108m3(135.6X108X5.6X1.465X20.421京明可采儲量按探明儲量的50%測算，沁水盆地樊莊區(qū)塊山西組3#煤層的探明可采儲量煤層氣可采儲量為113.28X108m30根據(jù)煤層氣探井和開發(fā)井測試數(shù)據(jù)分析，開發(fā)井、樊井、測井解釋結(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24.065m3/t,說明各井變化不大。即區(qū)塊內(nèi)煤層氣儲集層含氣量特征為：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)井氣量煤心測試、開發(fā)井測并解釋分析

18、結(jié)果，繪制了樊莊區(qū)塊主要目標煤層3#煤層含氣量等值線圖見圖6M本區(qū)在燕山運動中期抬升緩慢，經(jīng)歷了該期的異常熱事件后形成了高煤階煤。在喜馬拉雅運動晚期，沁水盆地南部開始穩(wěn)步抬升，煤層在逸散帶中停留時間較短，煤層氣保存條件好，煤層含氣量較高22(o序號井群3號煤層含氣量/(m3.t-1)15號煤層含氣量/(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24.310一6華堯、華固、華溪井23.588一7晉試1-5井22.15222.2358晉試7-13井22.12420.633表53號煤層與15號煤層平

19、均含氣量圖63#煤層氣含氣量等值線圖3.14煤層氣采收率及產(chǎn)氣量煤層氣采收率是一個不確定的參數(shù)，主要受煤層氣地質(zhì)特征、開發(fā)技術(shù)條件及經(jīng)濟因素等控制。采收率的確定方法有解吸實驗法、類比法、等溫吸附曲線法采用等溫吸附曲線預(yù)測本區(qū)3#煤層氣采收率最大為63%,平均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)。27.62 煤的變質(zhì)程度對孔滲性的影響煤的變質(zhì)程度對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。同時煤在高變質(zhì)程度和低變質(zhì)程度對于孔滲性的影響也是不同

20、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。Ro在2.4%左右是煤巖孔滲變化的重要轉(zhuǎn)折點，變質(zhì)程度低于此點時，其孔滲性隨著變質(zhì)程度的增加而降低；當變質(zhì)程度高于此點時，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，屬于無煙煤階段（即硬煤），煤級呈現(xiàn)由N向S明顯遞增的趨勢。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

21、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)氣量相對穩(wěn)定，產(chǎn)水量逐漸下降，為高峰