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陜甘寧盆地煤層氣選區初步地質評價
【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-二疊系煤層鏡質組含量高，熱變質程度較高，含氣量大，有利勘探區主要位于盆地的東緣和西緣；侏羅系煤層鏡質組含量較低，熱變質程度低，含氣量相對較小，有利勘探區主要分布于盆地內部。綜合評價表明：兩套含煤層系有7個有利勘探區塊，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，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。有關部門已在盆地東緣的柳林、韓城及南部彬長地區進行了開采試驗，并取得一定成果。1 陜甘寧盆地煤層氣富集的控制因素 國內外的成果表明：煤層氣的高產富集與否，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、煤的變質程度、煤層的埋深和壓力有關。煤層的滲透率決定著煤層氣的產氣量和生產周期，它取決于煤層本身的裂縫系統(割理和裂隙)，而裂縫系統又受煤質和煤變質程度及煤層構造條件的。煤層氣的保存條件與煤層頂底板巖性、構造活動、水文條件密切相關。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境，層位穩定性相對較差；太原組煤層形成于海相泥炭潮坪環境，層位相對穩定。兩套煤層全盆地均有展布，但西部地區煤層最厚，局部累計達20ｍ以上，東部地區次之，累計約10ｍ以上，南部和北部煤層較薄，其中埋深小于1500ｍ的地區主要分布于盆地東緣晉西地區、東南部韓城-銅川地區以及盆地西緣，這說明石炭-二疊系煤層氣的勘探方位應立足于盆地周緣。 侏羅系的煤層在石溝驛-銀洞子以東平涼-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，沉積受古構造和古河道控制，層數多，單層厚度變化大；由南向北厚度增大，層數增多，由西向東煤層厚度變薄，層數減少。1?2 煤巖組分特征 煤巖組分中鏡質組含量影響著煤層的含氣量大小和煤層的滲透性。鏡質組含量大，生氣能力強，煤層裂隙發育，煤層滲透率相對較高。 圖1是石炭系太原組煤層鏡質組含量變化圖，盆地東緣和西緣鏡質組含量均達80%以上，具有良好的生氣和儲集條件。1?3 煤變質特征 煤的變質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。煤的變質過程圖1 石碳系太原組煤鏡質組含量
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系(據樊明珠等1995)從儲層滲透率來看，割理發育與否是滲透率好壞的關鍵，而割理是煤變質的結果，統計表明(圖2)，中低變質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相對較晚，煤化作用持續時間較短，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-靖邊地區為長焰煤階；鄂托克旗、石溝驛、定邊、環縣等廣大地區呈氣煤階；慶陽以西小范圍地區屬肥煤階。煤階的變化除與埋深有關外，還受構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，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組含量較高、鏡質組含量低應是其主要原因。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，這種封堵類型主要分布在古河道的主體部位及承壓水區；其二是構造應力封堵區，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向遮擋區，河流深切該組地層，充填物側向封蓋，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。除了以上四種方式外，局部地區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 盆地東部煤層頂底板巖性統計表明：煤層頂底板以泥質巖和致密灰巖同時出現的機率可達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，東部地層出露區是供水區，水體由東向西向盆地內延伸，當水體受到斷層遮擋、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，各項參數準確與否直接計算結果，其中煤層氣含量最為重要。 盆地中彬長地區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的慶陽等地區的煤層氣含量大于8ｍ?３／ｔ。對處于700～１５００ｍ埋深之間的侏羅系煤層，大部分地區平均煤層氣含量取值為8ｍ?３／ｔ，而北部變質程度低的褐煤~長焰煤區取值在3～７ｍ?３／ｔ之間。 盆地東緣地區石炭-二疊系煤層氣含量如表1，進入盆地內部埋藏加深，煤化程度高，保存條件更好，推斷含氣量應更高一些。鑒于此，對盆地周緣埋深小于1500ｍ的地區，根據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 目標區初步評價 根據前述煤層氣富集的各項因素，以如下原則選擇勘探目標區： (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，決定著目標區是否值得投入開發。 (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，選區應適當考慮低階煤。 (5)煤巖組分中鏡質組含量要高。這樣煤層生氣量大，內生裂隙發育，儲集條件好。 侏羅系 正寧地區：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 煤層氣有利區
圖5 陜甘寧盆地石炭-二疊系、侏羅系煤層氣選區初步評價～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。本區侏羅系煤階較高，十分便利，有利于煤層氣的開發利用。 烏審旗地區：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％；含氣量與彬長地區相當，煤層氣資源量10500億ｍ?３。本區煤層厚度大，但煤階低，目前開發條件不便利，可作為煤層氣勘探開發的后備區塊。 靖邊地區：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。該區地處陜甘寧盆地中部大氣田的主體部位，煤層氣開發利用極其便利，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：含煤面積約4300ｋｍ?２，煤層總厚度可達15ｍ，單層厚2～８ｍ，埋深400～１５００ｍ，煤巖鏡質組含量65～７０％，煤化程度為肥煤~焦煤，煤層頂底板巖性主要為砂泥巖、泥巖和灰巖，封存條件好，含氣量8～１８ｍ?３／ｔ，初步估算資源量11700億ｍ?３。該區柳林一帶，有關部門鉆煤層氣井6口，產氣量70～４０００ｍ?３／ｄ，前景良好。 韓城地區：面積10000ｋｍ?２，煤層總厚達10ｍ，埋深200～１０００ｍ，鏡質組含量70%以上，煤階屬焦煤~瘦煤，含氣量8ｍ?３／ｔ，估算資源量11200ｍ?３。該區不利條件是煤層較薄，有利條件是煤層埋深淺，區域封蓋條件好，交通便利，向西安地區供氣便利。 銀洞子地區和橫山堡地區：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。該區不利之處是處于西緣斷褶帶，斷層發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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