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陜甘寧盆地煤層氣選區(qū)初步地質(zhì)評價
【摘要】陜甘寧盆地是我國一大型聚煤盆地，上古生界的石炭-二疊系和中生界的侏羅系是其兩套主要含煤層系。石炭-二疊系煤層鏡質(zhì)組含量高，熱變質(zhì)程度較高，含氣量大，有利勘探區(qū)主要位于盆地的東緣和西緣；侏羅系煤層鏡質(zhì)組含量較低，熱變質(zhì)程度低，含氣量相對較小，有利勘探區(qū)主要分布于盆地內(nèi)部。綜合評價表明：兩套含煤層系有7個有利勘探區(qū)塊，埋深小于1500ｍ的煤層氣資源量約11×１０??１２?ｍ?３。 陜甘寧盆地地跨陜、甘、寧、蒙、晉五省區(qū)，面積約25萬ｋｍ?2，是一大型聚煤盆地，上古生界的石炭-二疊系和中生界的侏羅系是其兩套主要含煤層系，煤炭儲量巨大，蘊藏著豐富的煤層氣資源。有關(guān)部門已在盆地東緣的柳林、韓城及南部彬長地區(qū)進行了開采試驗，并取得一定成果。1 陜甘寧盆地煤層氣富集的控制因素 國內(nèi)外的成果表明：煤層氣的高產(chǎn)富集與否，其主要受控于煤層的含氣量、滲透性和保存條件。煤層的含氣量代表著煤層氣資源的富集程度，它與煤巖的組分、煤的變質(zhì)程度、煤層的埋深和壓力有關(guān)。煤層的滲透率決定著煤層氣的產(chǎn)氣量和生產(chǎn)周期，它取決于煤層本身的裂縫系統(tǒng)(割理和裂隙)，而裂縫系統(tǒng)又受煤質(zhì)和煤變質(zhì)程度及煤層構(gòu)造條件的。煤層氣的保存條件與煤層頂?shù)装鍘r性、構(gòu)造活動、水文條件密切相關(guān)。1?1 煤層的展布特征 陜甘寧盆地石炭-二疊系的煤層主要分布于山西組和太原組，煤層數(shù)可達十余層，累計厚度5~20ｍ。山西組煤層形成于陸相泥炭沼澤環(huán)境，層位穩(wěn)定性相對較差；太原組煤層形成于海相泥炭潮坪環(huán)境，層位相對穩(wěn)定。兩套煤層全盆地均有展布，但西部地區(qū)煤層最厚，局部累計達20ｍ以上，東部地區(qū)次之，累計約10ｍ以上，南部和北部煤層較薄，其中埋深小于1500ｍ的地區(qū)主要分布于盆地東緣晉西地區(qū)、東南部韓城-銅川地區(qū)以及盆地西緣，這說明石炭-二疊系煤層氣的勘探方位應(yīng)立足于盆地周緣。 侏羅系的煤層在石溝驛-銀洞子以東平?jīng)?彬縣-黃陵-延安-神木西-準格爾旗一線向盆地外圍方向尖滅，因而延安組煤層埋深由盆地沉積中心向四周遞減。侏羅系煤層展布總面積約15?5萬ｋｍ?２，煤層總厚5~４２ｍ不等。層數(shù)1~２７層，單層厚度0?5~１２ｍ，平均厚度大于3ｍ。這套煤層總的分布是：埋藏相對較淺，沉積受古構(gòu)造和古河道控制，層數(shù)多，單層厚度變化大；由南向北厚度增大，層數(shù)增多，由西向東煤層厚度變薄，層數(shù)減少。1?2 煤巖組分特征 煤巖組分中鏡質(zhì)組含量影響著煤層的含氣量大小和煤層的滲透性。鏡質(zhì)組含量大，生氣能力強，煤層裂隙發(fā)育，煤層滲透率相對較高。 圖1是石炭系太原組煤層鏡質(zhì)組含量變化圖，盆地東緣和西緣鏡質(zhì)組含量均達80%以上，具有良好的生氣和儲集條件。1?3 煤變質(zhì)特征 煤的變質(zhì)過程即煤階的變化直接影響煤的生氣量、吸附量和其作為儲層的滲透性。煤的變質(zhì)過程圖1 石碳系太原組煤鏡質(zhì)組含量
伴隨著烴類氣體的生成過程，在煤層生氣量低于煤層最大吸附量時，生氣量就是煤層中吸附氣量的影響因素；但據(jù)徐永昌(1986)和張新民(1991)等人研究，大約在氣煤(R?ｏ＝０?８５％)以后，煤層的生氣量大于煤的最大吸附量，并隨煤階增高二者差距加大。同時可以看出不同煤階的煤吸附能力不同，氣煤、肥煤和焦煤的吸附能力相對于其它煤階的吸附能力略低。綜合看來，在同一外部條件下(同一埋深和壓力條件下)煤層氣含量隨煤階增高而增高。圖2 某地山西組煤面割理密度與煤階的關(guān)系(據(jù)樊明珠等1995)從儲層滲透率來看，割理發(fā)育與否是滲透率好壞的關(guān)鍵，而割理是煤變質(zhì)的結(jié)果，統(tǒng)計表明(圖2)，中低變質(zhì)程度的煤具有較高的割理密度，滲透率較高。 陜甘寧盆地侏羅系煤層形成的地質(zhì)相對較晚，煤化作用持續(xù)時間較短，因而全盆地侏羅系煤層處于中~低煤階，鏡煤反射率在0?55~1?2%之間變化，大部分地區(qū)鏡煤反射率在0?5~0?9%之間。北部伊金霍洛旗以東為褐煤階；杭錦旗-靖邊地區(qū)為長焰煤階；鄂托克旗、石溝驛、定邊、環(huán)縣等廣大地區(qū)呈氣煤階；慶陽以西小范圍地區(qū)屬肥煤階。煤階的變化除與埋深有關(guān)外，還受構(gòu)造運動和斷裂帶的控制。 圖3為陜甘寧盆地石炭-二疊系煤階圖。在盆地周緣小于1500ｍ埋深區(qū)，東部準格爾旗以北屬長焰煤，煤化程度低，向南煤化程度逐漸增高，到韓城一帶可達瘦煤階；西緣地區(qū)煤階為肥煤階。總的看來，石炭-二疊系煤層煤化程度較高，含氣量較高。
圖3 石炭-二疊系煤階圖1?4 煤的吸附性能 圖4為石炭-二疊系和侏羅系煤樣等溫吸附曲線，石炭-二疊系煤樣屬肥~焦煤階，侏羅系煤樣屬氣煤階。從圖中可以看出：侏羅系煤層的吸附能力明顯低于石炭-二疊系煤層，其中侏羅系煤層惰質(zhì)組含量較高、鏡質(zhì)組含量低應(yīng)是其主要原因。顯然石炭-二疊系煤層的儲集條件遠好于侏羅系煤層。1?5 煤層氣保存條件 表明：侏羅系煤層中煤層氣保存條件主要有四種方式：其一是地層沿煤層頂板狀微裂縫滲濾封堵區(qū)，這種封堵類型主要分布在古河道的主體部位及承壓水區(qū)；其二是構(gòu)造應(yīng)力封堵區(qū)，主要處于向斜部位；其三是煤層頂板局部泥巖封蓋；其四是古河道兩翼的側(cè)向遮擋區(qū)，河流深切該組地層，充填物側(cè)向封蓋，此類方式廣泛存在于侏羅系甘陜、寧陜、慶西、安鹽古河谷的兩側(cè)。除了以上四種方式外，局部地區(qū)煤層與砂巖直接接觸，若砂巖致密仍可起到較好的封蓋作用。
圖4 石炭-二疊系、侏羅系煤等溫吸附曲線 盆地東部煤層頂?shù)装鍘r性統(tǒng)計表明：煤層頂?shù)装逡阅噘|(zhì)巖和致密灰?guī)r同時出現(xiàn)的機率可達62~68%，這說明煤層氣保存條件較好。另有資料表明；在盆地東緣水動力條件對于煤層氣的保存有著重要作用，對于石炭-二疊系地層，東部地層出露區(qū)是供水區(qū)，水體由東向西向盆地內(nèi)延伸，當(dāng)水體受到斷層遮擋、巖性變化或滲透率變化遮擋時，易形成有利于煤層氣保存的超壓條件。2 資源量估算 煤層氣資源量參數(shù)主要有煤層分布面積、厚度、煤巖密度以及煤層氣含量，各項參數(shù)準確與否直接計算結(jié)果，其中煤層氣含量最為重要。 盆地中彬長地區(qū)侏羅系煤層以往所做含氣量測試表明：煤層氣含量比較低，一般在埋深300～８００ｍ時，含氣量為3～７ｍ?３／ｔ。但從含氣量與埋深的關(guān)系來看，含氣量隨埋深加大而增加(袁品燕1995)。由此可以粗略推斷埋深大于彬長地區(qū)的慶陽等地區(qū)的煤層氣含量大于8ｍ?３／ｔ。對處于700～１５００ｍ埋深之間的侏羅系煤層，大部分地區(qū)平均煤層氣含量取值為8ｍ?３／ｔ，而北部變質(zhì)程度低的褐煤~長焰煤區(qū)取值在3～７ｍ?３／ｔ之間。 盆地東緣地區(qū)石炭-二疊系煤層氣含量如表1，進入盆地內(nèi)部埋藏加深，煤化程度高，保存條件更好，推斷含氣量應(yīng)更高一些。鑒于此，對盆地周緣埋深小于1500ｍ的地區(qū)，根據(jù)煤層埋深變化和煤階變化，含氣量取值可在2～１８ｍ３／ｔ之間。
綜合石炭-二疊系、侏羅系的煤層分布面積、埋藏深度、厚度及含氣量情況，初步估算出陜甘寧盆地煤層氣資源量如表2，限于資料掌握程度低，估算結(jié)果僅僅是粗略的。
表2 陜甘寧盆地石炭-二疊系和侏羅系煤層氣資源量初步估算結(jié)果
面積(10?４ｋｍ?２） 厚度(ｍ） 含氣量(ｍ?３／ｔ) 資源量(10??１２?ｍ?３）石炭-二疊系 6?3 10~20 2~18 6?8侏羅系 5 5~30 3~8 4?2
３ 目標區(qū)初步評價 根據(jù)前述煤層氣富集的各項因素，以如下原則選擇勘探目標區(qū)： (1)煤層埋深適中。煤層埋深大，煤階高，生氣量大，含氣量也大，向上逸散量小，保存條件好。但埋深過大，滲透率低，開發(fā)成本高；埋深過淺，煤階可能偏低，生氣量低；因此埋深一般選300~1500ｍ為宜。 (2)煤層厚度大。煤層氣是煤層中自生自儲的以吸附形式賦存于煤體中的烴類。煤層越厚，生氣量越大，儲集空間越大。 (3)含氣量要高。噸煤甲烷含量反映煤層氣資源的富集程度，決定著目標區(qū)是否值得投入開發(fā)。 (4)中等煤階。一般選擇R?ｏ為0?7~1?6%范圍。因為煤階低，煤層滲透率相對高，但含氣量低；若煤階偏高，煤層氣含量高，但滲透率低。對于侏羅系，由于煤階普遍偏低，選區(qū)應(yīng)適當(dāng)考慮低階煤。 (5)煤巖組分中鏡質(zhì)組含量要高。這樣煤層生氣量大，內(nèi)生裂隙發(fā)育，儲集條件好。 侏羅系 正寧地區(qū)：含煤面積4000ｋｍ?２，煤層平均總厚度8ｍ，煤層1～８層，單層厚度大于1ｍ；煤層埋深800
侏羅系煤層 向外石炭-二疊系 石炭-二疊系 侏羅系埋深＜1500m 煤層埋深＜1500m 煤層氣有利區(qū) 煤層氣有利區(qū)
圖5 陜甘寧盆地石炭-二疊系、侏羅系煤層氣選區(qū)初步評價～1500ｍ；鏡煤反射率0?65～０?８％，含氣量高于8ｍ?３／ｔ，煤層氣資源量4000億ｍ?３。本區(qū)侏羅系煤階較高，十分便利，有利于煤層氣的開發(fā)利用。 烏審旗地區(qū)：含煤面積6000ｋｍ?２，煤層總厚度10～３５ｍ，平均厚度18ｍ，煤層5～７層，單層厚度大于2ｍ；煤層埋深600～１３００ｍ；鏡煤反射率0?55～０?７％；含氣量與彬長地區(qū)相當(dāng)，煤層氣資源量10500億ｍ?３。本區(qū)煤層厚度大，但煤階低，目前開發(fā)條件不便利，可作為煤層氣勘探開發(fā)的后備區(qū)塊。 靖邊地區(qū)：含煤面積4000ｋｍ?２，煤層平均總厚度8ｍ，煤層3～５層，單層厚度大于2ｍ；埋深300～１５００ｍ；鏡煤反射率0?55～０?６５％；含氣量小于8ｍ?３／ｔ，煤層氣資源量約3100億ｍ?３。該區(qū)地處陜甘寧盆地中部大氣田的主體部位，煤層氣開發(fā)利用極其便利，既可就地利用，又可進入大氣田輸氣管道，利用條件得天獨厚，不利因素是煤階較低。 石炭-二疊系 吳堡-永和地區(qū)：含煤面積約4300ｋｍ?２，煤層總厚度可達15ｍ，單層厚2～８ｍ，埋深400～１５００ｍ，煤巖鏡質(zhì)組含量65～７０％，煤化程度為肥煤~焦煤，煤層頂?shù)装鍘r性主要為砂泥巖、泥巖和灰?guī)r，封存條件好，含氣量8～１８ｍ?３／ｔ，初步估算資源量11700億ｍ?３。該區(qū)柳林一帶，有關(guān)部門鉆煤層氣井6口，產(chǎn)氣量70～４０００ｍ?３／ｄ，前景良好。 韓城地區(qū)：面積10000ｋｍ?２，煤層總厚達10ｍ，埋深200～１０００ｍ，鏡質(zhì)組含量70%以上，煤階屬焦煤~瘦煤，含氣量8ｍ?３／ｔ，估算資源量11200ｍ?３。該區(qū)不利條件是煤層較薄，有利條件是煤層埋深淺，區(qū)域封蓋條件好，交通便利，向西安地區(qū)供氣便利。 銀洞子地區(qū)和橫山堡地區(qū)：面積分別為2600ｋｍ?２和1400ｋｍ?２，煤層厚度均可達30ｍ，埋深分別為300～８００ｍ和600～１５００ｍ，煤層鏡質(zhì)組含量大于75%，煤階屬肥煤，推測含氣量8～１０ｍ?３／ｔ，估算資源量分別為6240億ｍ?３和4200億ｍ?３。該區(qū)不利之處是處于西緣斷褶帶，斷層發(fā)育使得保存條件變差和勘探難度加大，有利之處是緊鄰銀川和吳忠等市，具有較好的市場條件。
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