沁水盆地构造演化与煤层气的生成
沁水盆地晋城地区煤层气成因 精品
第22卷 第4期石油与天然气地质OI L &G AS GE O LOGY2001年12月 收稿日期:2001-03-26文章编号:02539985(2001)04031903沁水盆地晋城地区煤层气成因胡国艺1,2,刘顺生1,李景明2,李 剑2,张建博2,李志生2(11中国科学院长沙大地构造所,湖南长沙410000;21石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊065007)摘要:沁水盆地晋城地区山西组和太原组煤岩中煤层气δ13C 1值为-21963%～-31539%,明显低于模拟实验和经验公式计算的原生煤层气δ13C 1值(-21701%),由此判断其为次生煤层气。
由于该区煤层气组分中,甲烷含量占绝对优势(>98%),不存在甲烷和C O 2碳同位素的交换,而且其保存条件良好,也不可能受到次生生物作用的影响,所以,煤层的解吸-扩散-运移作用才是晋城地区次生煤层气形成的真正原因。
关键词:煤层气;成因;δ13C 1;次生作用;晋城地区第一作者简介:胡国艺,男,33岁,工程师(博士生),石油天然气地质中图分类号:TE12211 文献标识码:A 根据成因,煤层气主要有原生和次生两种类型[1]。
原生煤层气是指由成煤作用(主要为热解和裂解)形成的后期未受其他地质因素重大干扰的煤层气。
不同演化阶段的原生煤层气其重烃含量及甲烷碳同位素值不同,无烟煤的原生煤层气重烃含量较低(常为2!+～3%或更低),δ13C 1值较高。
次生煤层气是指煤层气生成后,因受其他地质因素(解吸-扩散、CH 4和C O 2碳同位素交换及生物作用等)的影响,其组分和甲烷碳同位素值明显改变而形成的煤层气。
通常情况下,次生煤层气的甲烷碳同位素较轻。
笔者通过模拟实验和经验公式分析发现,晋城地区山西组和太原组的煤层气具有次生煤层气的特征。
1 实测值煤层气组分和碳同位素组成与取样条件密切相关。
如果取样条件有差别(井口采样和解吸气)即使是同一口井测得的煤层气组分和碳同位素值数据变化也较大(晋城地区所有煤层气δ13C 1值在-0191%～-3194%之间),因此在应用煤层气组分和碳同位素数据时一定要谨慎。
沁水盆地晋城地区煤层气成因
沁水盆地晋城地区煤层气成因
胡国艺;刘顺生;李景明;李剑;张建博;李志生
【期刊名称】《石油与天然气地质》
【年(卷),期】2001(022)004
【摘要】沁水盆地晋城地区山西组和太原组煤岩中煤层气δ13C1值为-
2.9630/0～-
3.5390/0,明显低于模拟实验和经验公式计算的原生煤层气δ13C1值(-2.7010/0),由此判断其为次生煤层气.由于该区煤层气组分中,甲烷含量占绝对优势(＞980/0),不存在甲烷和CO2碳同位素的交换,而且其保存条件良好,也不可能受到次生生物作用的影响,所以,煤层的解吸-扩散-运移作用才是晋城地区次生煤层气形成的真正原因.
【总页数】3页(P319-321)
【作者】胡国艺;刘顺生;李景明;李剑;张建博;李志生
【作者单位】中国科学院长沙大地构造所,;石油勘探开发研究院廊坊分院,;中国科学院长沙大地构造所,;石油勘探开发研究院廊坊分院,;石油勘探开发研究院廊坊分院,;石油勘探开发研究院廊坊分院,;石油勘探开发研究院廊坊分院,
【正文语种】中文
【中图分类】TE122.1
【相关文献】
1.沁水盆地煤层气同位素特征及成因类型初探 [J], 王彦龙;解光新;张培元
2.沁水盆地北部太原组煤层气碳同位素特征及成因探讨 [J], 徐占杰;刘钦甫;郑启明;
程宏飞;李中平;毋应科
3.沁水盆地晋城地区煤层气田固井实践 [J], 郑毅;刘爱平
4.沁水盆地南部潘庄区块废弃矿井煤层气地球化学特征及成因 [J], 刘超; 冯国瑞; 曾凡桂
5.深部煤层气水平井水力压裂技术——以沁水盆地长治北地区为例 [J], 申鹏磊;吕帅锋;李贵山;任博;白建平;贾晋生;陈召英
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沁水盆地煤与煤层气地质条件
１地质概况华夏系坳陷控制了中上石炭统的沉积，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，转化为过渡相的山西组含煤沉积。
煤系地层平均总厚２００ｍ。
二叠系石盒子组、石千峰组为煤系主要盖层，厚５００～１５００ｍ。
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。
２煤层气地质条件评价２．１煤层埋深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０～５０００ｍ。
其中西北部平遥、祁县、太谷一带的晋中断陷，煤层埋深达２０００～５０００ｍ，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，分布面积１４７５０ｋｍ２，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。
２．２煤层厚度石炭系太原组和二叠系山西组是沁水盆地的主含煤组，共含煤６～ｌｌ层，单层厚度大于０．５ｍ，且分布稳定，太原组有八、九、十五煤层，累厚３～ｌ０ｍ，其中北部阳泉、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；山西组有二、三煤层，累厚２～６ｍ，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。
沁水盆地胡底井田地质特征及煤层气赋存规律
沁水煤层气田位于沁水盆地南部晋城地区，主体部分在沁水县境内，共划分为樊庄、潘庄、郑庄三个区块[1]。
寺头断层以西为郑庄区块，以东北部为樊庄区块，南部为潘庄区块（图1）。
该区域为我国煤层气产业的重要基地，国内主要产气井多分布在此，研究意义重大。
胡底井田位于樊庄区块的中西部，在沁水县胡底乡蒲池村附近，西以老圪堆、王庄沟、东山一线为界，距沁水县城50km ，东至西岭后、上坟西西部，南抵鸡窝岭、小岭上、七坡、西庄北部，距胡底乡约1km ，北至吴沟村、楼底、银疙堆一线南部，隶属胡底乡管辖。
井田总体成东西向的长方形，长约6km ，宽约4km ，北纬35°43′～35°45′15″，东经112°32′44″～112°36′44″，面积约20.51km 2。
1区域地质概况沁水煤层气田位于沁水盆地东南部斜坡，总体构造形态为一马蹄形斜坡带，地层倾角平缓，一般2°～7°，平均4°左右。
断层相对不发育，断距大于20m 的断层仅在西南部分布，主要有寺头断层以及与之伴生的次一级正断层组成的弧形断裂带，呈北东向-东西向展布。
区内低缓、平行褶皱普遍发育，展布方向以北北东向和近南北向为主，褶皱的面积和幅度都很小，背斜幅度一般小于50m ，面积小于5km 2，延伸长度从数百至上千米，呈长轴线型褶皱（图2）。
区内地层由老至新包括下古生界奥陶系中统峰峰组、上古生界石炭系上统本溪组、太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、中统上石盒子组、上统石千峰组、中生界三叠系、新生界新近系及第四系。
岩浆活动以燕山期侵入体为主，导致煤岩变质程度增高。
2矿区地质胡底井田位于晋获褶断带的西侧，区内构造比作者简介：王凤清（1960—），女，1982年毕业于焦作矿业学院煤田地质与勘探专业，河南省三门峡黄金工业学校高级讲师、高级工程师，主要从事煤田地质研究。
收稿日期：2011-04-18责任编辑：唐锦秀沁水盆地胡底井田地质特征及煤层气赋存规律王凤清（河南省三门峡黄金工业学校，河南三门峡472000）摘要：沁水盆地由于其良好的储气条件，多年来一直是国内外煤层气学者的研究对象。
沁水盆地煤层割理系统特征及其形成机理
天然气工业
２００８年３月
之转变。高变质无烟煤中后生自形晶态的黏土矿物 多见。晋城无烟煤有薄片状伊利石、细纤维状坡缕 石一海泡石类矿物、绒球状绿泥石、竹叶状绿泥石。 这些特征都是一定温度下热液活动的反映。
国内外煤田地质学研究认为，在低于１５０℃时黏 土矿物主要是高岭石和蒙脱石，在１５０～２５０℃时是 伊利石和绿泥石。伊利石的形成温度大致在１３７℃ 以上，贫煤一无烟煤的形成温度为１５０～２２０℃，两 者形成温度接近，煤系自生伊利石有一定的成煤古 地温指示意义。低变质煤系所经受的古地温低，不 足以导致自生伊利石的形成，其他自生黏土矿物含 量也极微，低变质煤煤系中的黏土矿物主要是沉积 环境的反映。伊利石的形成除了必要的地球化学条 件外，与温度关系密切，探讨黏土矿物与煤变质关 系，重点应考虑伊利石的矿物学特征。由上面的分 析可以得出，沁水盆地霍西煤田低变质煤煤系矿物 的特征是矿物组合以高岭石为主，形态以原生沉积 形貌为主，伊利石结晶度一般较低；沁水盆地中一高 变质煤系泥质岩中黏土矿物的特征是矿物组合以伊 利石占优势，伊利石形态多为尖角直边状薄片，且结 晶度较高，中一高变质煤中见到坡缕石、绿泥石等低 温热液蚀变矿物。
明为原生的包裹体（表４）。一般情况下，岩浆热液矿 床的包裹体个体大（２０～９０灶ｍ）、气液比低、形状较 为规则；非岩浆热液包裹体个体小（小于３肚ｍ）、气 液比低（３％～８％），形状不规则。通过对比沁水盆 地的包裹体形态、大小来看，其形成既有非岩浆热液 成因，又有岩浆热液成因。据显微冷热台观测，本区 两相包裹体主要为ＮａＣｌ—Ｈ。０类型。
２．割理系统及其充填物的基本特征 沁水盆地割理统计结果表明，下部煤层的内生 割理发育密度在下主煤层较高，上主煤层相对较低， 割理密度以晋城、阳泉、潞安、霍西矿区为最大。手 标本观测充填物类型主要为方解石，以沁水盆地的 南北两端充填严重，盆地两翼割理紧闭，肉眼不能鉴 别其充填物（表２）。
沁水盆地地质概况
沁水盆地煤层气赋存区域地质背景2.1 沁水盆地地质概况沁水盆地位于山西省东南部（见图1），盆地总面积436.8km2，煤炭资源量29.16万t，具有形成煤层气的丰富物质基础。
沁水盆地是我国重要的含煤盆地之一，且据《中国煤层气资源》预测：其煤层气资源量达3.28×1012m3占全国煤层气总资源量的10%左右，是我国煤层气资源勘探的重点区域[9]。
图1 沁水盆地区域构造背景图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。
盆地地层属华北地层区划缺失志留纪、泥盆纪和下石炭世地层。
沁水盆地自下而上钻遇的主要地层有峰峰组(O2f)、本溪组(C2b)、太原组(C3t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上石河子组(P2s)、石千峰组(P2 sh)和第四系(Q)等，其中山西组和太原组为主要含煤层系，3#和15#煤层为煤层气勘探的主要目的层，3#煤层为局部勘探目的层。
根据盆地内的构造发育特征、煤层埋藏深度、煤阶分布、煤层气含量变化等特沁水盆地煤层气赋存区域地质背景点，将盆地内石炭——二叠系含煤地层的煤层气富集单元划分为沁南富气区、东翼斜坡带富气区、西翼斜坡带富气区、西山富气区和高平——晋城富气区[10]。
沁南富气区总含气面积3630km2，分为樊庄、潘庄、郑庄三个区块[11][12]。
研究区沁水盆地南部煤层气田位于沁水复向斜南部晋城地区，东临太行山隆起，西临霍山凸起，南为中条山隆起，北部以北纬30°线为界连接沁水盆地腹部，面积约3260km2，包括樊庄区块，潘庄区块，郑庄区块等(图2)。
据已经取得工业产能的煤层气井资料，计算高产富集区内探明含气面积346km2，地质储量754×108km3[13]。
沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用
沁水盆地南部晋试 1 井埋藏史及热史示意图
［10 ］
Section of burial and thermal history of Jinshi Well 1 in the south of Qinshui basin
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桂
林
理
工
大
学
学
报
2011 年
镜质组反射率达到 1. 2% 左右； 燕山早期， 由于抬 升造成煤化作用停滞， 生烃作用相应中断。 第 2 阶段发生在燕山晚期。 燕山期， 特别是晚侏罗世 —早白垩世， 一方面由于岩浆热液活动， 地层温 度继续增加，另一方面地层持续抬升， 地层压力 同时煤化作用继续进行， 煤层进入二次生烃阶段 并大规模产气， 早侏罗世， 因燕山运动华北板块 开始受到 NW － NWW 向的水平挤压应力， 地层整 体抬升，地层压力减小， 而温度维持在 100 ～ 130 ℃ ，此时吸附状态下的天然气开始解吸 ， 转化为 游离气。早、中侏罗世是沁水盆地煤系地层温度 和埋藏深度的波动期， 煤化作用进展较慢。 晚侏 罗世，地层持续抬升地层压力不断减小 ， 而由于 燕山期的岩浆热液活动， 地层温度继续增加， 一 方面，先成的源岩滞留吸附气与输导体系中的吸 附气进一步大量解吸， 溶解气因压力降低也部分 煤层进入二次生烃阶段并大规模产气， 并且由于 温度高、压力低， 天然气主要以游离气和溶解气 的形式存在。本阶段天然气大量生成， 伴随着构 造圈闭的形成， 是现今沁水盆地煤系地层天然气 煤层仍然继续抬升， 地热梯度趋于正常， 地层温 而溶解气因为温度和压力的降低大量析离， 最终 主要以 游 离 气 和 吸 附 气 的 状 态 存 在 于 煤 系 地 层 中
［ 2 ］ ［ 1］
、 叶建平等［4］、 孟召军等［5］ 通过
对沁水盆地成庄区块煤层气富集成藏规律的研究
板砂质泥岩 ： ０ ． ４ ７～１ １ ． ９ ５ ｍ， 泥岩： ０ ． ４ ５～８ ． ４ ｍ； 底 板砂 质泥岩 ： １ ． ６ １ １ ０ ２ ２ ｍ， 泥岩 ： １ ． ０ ５～ ７ ． ６ ９ ｍ， 砂 质泥岩和泥岩都具有 渗透性差 ， 隔 水性 良好 的特征 ， 对煤层气 的保存 十分 有利 ； 本区 １ ５ ＃ 煤层顶 板主 要为泥岩与灰岩 ， 其厚度分别 为顶 板泥岩 ： ０ ． １ ９～１ ． ７ ６ ｍ， 灰岩： １ ． ５ ９ １ Ｓ Ａ Ｔ ｎ； ｉ 底 板主要 为泥岩 与铝 土３ ５１ ｍ， 铝土泥岩 ： Ｏ ． ３ ０～１ ３ ． ４ ６ ｍ， 致 密 的灰 岩和 泥岩 同样 具有 渗透 性差 、 隔水 性 良好 的特 征 ， 对煤 层气 的保 存十 分有 利， 其中 Ｃ Ｚ一 ０ ０ １ 、 Ｃ Ｚ． ０ ０ ３ 、 Ｃ Ｚ．０ １ ５井顶底板都 是较厚 的砂质 泥岩 ， 对煤 层气 的保存非 常有利 。
４ ． 吸 附特 征
煤层气等温 吸附特征受压力 、 温度及煤级 、 煤岩组分 、 水分 、 煤 体变形程度 等因素的影响 ， 煤对煤层气 的吸附能力 随煤 化程度增 高而增 大。本 区煤化程度较高 ， 主要为腐植类高变质无烟煤 ， 有机 １ ． 煤 层厚 度 空 间 展 布 规 律 煤岩组分 以镜 质组为主 ， 占有机组分 的 ８ ５ ％ 以上 ， 灰分 含量低 ， 因 （ １ ） 含煤性及煤厚 此本区煤层具有较 大的煤层气 吸附量 。经测 算 ， Ｃ Ｚ． ０ ２ ５井 ３ 撑 煤 成庄区块 ３ 煤厚 ５ ． ３～７ ． ４ ｍ， 平均 ６ ． ４ ６ ｍ， ９ 撑 煤厚 ０ ． ９～１ ． ４ ３ ｍ， 原煤兰氏体积为 ３ ４ ． １ ４ ｍ ３ ／ ｔ ， 兰氏压力为 ２ ． ６ ４ ＭＰ ａ ； 可燃质 煤兰 氏体 平均 １ ． １ ７ ｍ， １ ５ 艨 厚 １ ． ８ ～１ １ ． Ｉ ｍ， 平均 ４ ． Ｏ Ｏ ｍ。其 中 ３ 样 、 １ ５ ＃ 煤 层厚 积为 ４ ３ ． ７ ３ ｍ ３ ／ ｔ ， 兰氏压力为 ２ ． ６ ４ ＭＰ ａ 。Ｃ Ｚ．０ ４ ９井 ３ 煤原煤 兰 氏 度从 整体上 都具有从 东到西逐渐 变薄 的趋势 ， ９ 煤层有从 四周向 体积为 ２ ３ ． ６ ６ ｍ ３ ／ ｔ ， 兰 氏压 力为 １ ． ７ ７ ＭＰ ａ ； 可燃质煤 兰 氏体积 为 ３ ３ ． 中部逐渐 变薄的趋 势 ， 并且 ３ 徉 、 １ ５ ＃ 煤厚度都 比较 大 ， 为煤层气 的 ９ １ ｍ ３ ／ ｔ ， 兰氏压力 为 １ ． ７ ７ ＭＰ ａ 。Ｃ Ｚ．０ ４ ９井 ９ 撑 煤 原 煤兰 氏体 积 为 富集提供 了较好物质基础 。 ３ ２ ． １ ｍ ３ ／ ｔ 。 兰氏压力为 ２ ． ５ ４ ＭＰ ａ ； 可燃质煤 兰氏体积 为 ４ ８ ． ５ ８ ｍ ３ ／ ｔ ， 兰 （ ２ ） 煤层埋深 氏压力为 ２ ． ５ ４ ＭＰ ａ 。Ｃ Ｚ一 ０ ４ ９井 １ ５ 撑 煤原煤兰氏体积为 ２ ６ ． ９ ４ ｍ ３ ／ ｔ ， 本 区煤层在华北盆地 奥陶 系在 经历 了长期 的风化剥 蚀后 ， 于 兰 氏压力为 １ ． ８ １ ＭＰ ａ ； 可燃质煤兰 氏体积 为 ３ ３ ． ４ ４ ｒ ｎ ３ ／ ｔ ， 兰 氏压力 为 晚石炭世开始沉降并接受沉积 ， 并依次经历 了印支 、 燕 山和喜 马拉 １ ． ８ １ ＭＰ ａ 。并且 ３ 撑 、 ９ 撑 、 １ ５ ＃ 煤 在压 力为 ０～３ ． Ｏ ＭＰ ａ范围 内时吸 附 雅三次构造运动 ， 形成 了被断裂切割成一系列断块构造形态 ， 从而 量增加幅度较 大 ， 而后增 幅逐渐减少 ， 当试验压力 达到 ４ ． ５ ＭＰ ａ以 改变 了煤层 的原有埋藏深度 ， 在阶梯断块的翘起端和地垒 中， 煤层 上时 ， 煤 的吸附量增 幅很小 ， 表明煤的吸附量 已趋于饱和 。 埋深变浅 ； 在阶梯状断块 的倾斜端 和地堑 中 ， 沉 降幅度大 ， 上 覆第 ５ ． 含 气 饱 和 度 三、 四系厚 度大 ， 煤层埋藏较深 。通过对成庄 区块部分煤 层气井 的 含气饱和度是指在一定条件下 （ 储层 压力 、 温度和煤 质等 ） 实 ３ 群 、 ９ ＃ 、 ｌ ５ 群 煤的埋深统计 ， 得 出本区 ３ ≠ ｝ 煤埋深 为 ４ ３ ７ ． １ １ ～５ ９ ７ ． ５ ８ ｍ， 际含气量与相应条件下 的理论 吸附量的 比值 ， 以百 分 比表示 。其 平均 为 ５ ２ ０ ． ８ ９ ｍ； ９ 删 埋深 为 ４ ８ ３ ． ８ ０～ ６ ４ ０ ． ９ ５ ｍ， 平均为 ５ ７ ０ ． ３ ４ ｍ； １ ５ 计算依赖于等温吸附参数与吸附曲线 、 实测煤储层压力 、 实测 含气 埋 深为 ５ １ ７ ． ６ ９—６ ８ ３ ． ７ ５ ｍ， 平均 为 ６ ０ ８ ． ６ ６ ｍｏ从埋 深来 看 ， 成庄 量等煤 层气井测 试数据 。对成庄 区块 ３ 煤 层的含气饱 和度进 行 区块非常有利 于煤 层气开发。 了计 算 ： ３ 撑 煤层井号 Ｃ Ｚ一 ０ ９ 、Ｃ Ｚ一１ ３ 、 Ｃ Ｚ一１ ８ 、 Ｃ Ｚ－ ２ ７ 、 Ｃ Ｚ－ ２ ８ 、 ２ ． 含气量 空间展布 规律 Ｃ Ｚ． ２ ９含气饱和度分别为 ０ ． ４ ３ 、 ０ ． ４ ７ 、 ０ ． ５ １ 、 ０ ． ９ ０ 、 １ ． ３ ９ 、 Ｏ ． ９ ５ 。 根据 成庄区块实测资料和测井资料分析 ， 区内 ３ ＃ 煤 层气含量 ６ 、 结 论 为８ ． ５ ９～２ ４ ． ６ ９ ｍ３ ／ ｔ ， 平均 １ ３ ． ４ ３ ｍ ３ ／ ｔ ； ９ 煤层 气 含 量 为 ８ ． １ ３～２ ５ ． ｌ 诚 庄井 田 ３ 煤 层稳 定较 厚 ， 含气 量 ８ ． ５ ９— ２ ４ ． ６ ９ ｍ ３ ／ ｔ ， 平 均 ８ ８ ｍ ３ ／ ｔ ， 平均 １ ３ ． １ ８ ｍ ３ ／ ｔ ； １ ５ 群 煤层气含量 为 ８ ． ２ ０—２ ７ ． ６ ３ ｍ ３ ／ ｔ ， 平均 ｌ ４ ． １ ３ ． ４ ３ ｍ ３ ／ ｔ ； ９ ＃ ￣ 层较薄 ， 局部可采 ， 含气量 ８ ． １ ３～ ２ ５ ． ８ ８ ｍ ３ ／ ｔ ， 平均 １ ３ ． ３ ８ ｍ ３ ／ ｔ 。其各煤层气 含量 有随煤 层埋 藏 深度 增加 而增 高 的趋 势 ， １ ８ ｍ ３ ／ ｔ ； １ ５ 煤层稳定 较厚 ， 含气量 ８ ． ２ ０—２ ７ ． ６ ３ ｍ ３ ／ ｔ ， 平均 １ ４ ． ３ ８ ｍ ３ ／ ｔ 。 具有 由东 北向西南含气量增高趋势。区内较大的正断层附近不利 具有 由东北 向西南含气量增高趋势 。其中各煤层甲烷 占煤 层气 的 于煤层气 的保 存 ， 煤层气含 量降低 。其 中 Ｃ Ｚ一 ０ ２ ８井 ３ 撑 、 ９ 、 １ ５ ＃ ９ ５ ％左右 。 煤层 含气量 为 ２ ４ ． ６ ９ ｍ ３ ／ ｔ ， ２ ５ ． ８ ８ ｍ ３ ／ ｔ ， ２ ７ ． ６ ３ ｍ ３ ／ ｔ ， 普遍 较高 。通 过测 ２ ） 成 庄 井 田开 发 区块 煤 层 埋 深 多 在 ４ ３ ０～６ ５ ０ ｍ之 间， 其中３ 撑 井资料分析 ， 主要 是 由于煤 层顶底板具 有较厚 的封 盖能力较强 的 煤 层埋 深为 ４ ３ ７ ． １ ｌ ～ ５ ９ ７ ． ５ ８ ｍ， 平均为 ５ ２ ０ ． ８ ９ ｍ； ９ ＃ 煤 层埋深 为 ４ ８ ３ ． 泥岩层 ， ３ 撑 煤层顶底板 泥岩厚度 分别 为 ９ ． ４ ３ ｍ、 ２ ． １ ３ ｍ； ９ ＃ 煤 层顶底 ８ ０～６ ４ ０ ． ９ ５ ｍ， 平均为 ５ ７ ０ ３ ４ ｍ； １ ５ 煤层埋深为 ５ １ ７ ． ６ ９— ６ ８ ３ ． ７ ５ ｍ， 平 板泥岩厚度分别为 ２ ． ７ ０ ｍ， １ ． ７ １ ｍ； １ ５ ＃ 煤层顶 底板泥 岩厚 度分别 为 均为 ６ ０ ８ ． ６ ６ ｍ。煤层埋藏深度与含气量总体 上呈正相关关 系。 １ ． ７ ６ ｍ， ２ ． １ ２ ｒ ｎ ｏ并且其 富水性较弱 ， 导致了煤层含气量的增高。 ３ 本区 ３ 撑 煤层顶底板 主要为砂 质泥岩 与泥岩 ， ９ 撑 煤层 顶底板
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沁水盆地构造演化与煤层气的生成李明宅杨陆武胡爱梅徐文军（中联煤层气有限责任公司科技研究中心，北京，１０００１１）摘要沁水盆地面积约２３９２３ｋｍ２，蕴藏着丰富的煤炭资源和煤层气资源，是我国重要的煤层气勘探区。
本文主要从盆地演化的角度讨论了煤层的形成及其生气潜力，认为沁水盆地南部是有利的煤层气勘探区块。
关键词沁水盆地构造演化沁水盆地南受煤层气１沁水盆地构造演化特征在影响煤层气生成和保存的众多地质因素中，以构造作用的影响最大，因为盆地的构造特征和构造热演化决定着煤的聚集和生气作用。
１．１构造特征及成煤期后构造发育特征沁水盆地位于晋中一晋东南地区，为近南北向的大型复式向斜，面积约２３９２３ｋｍ２。
盆地内次级褶皱发育，南部（古县一屯留一线至阳城）和北部（祁县以北）以近南北向褶皱为主，局部近东西、北东和弧形走向的褶皱；中部（祁县至沁源）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。
该盆地处于长期抬升状态，具有内部褶皱发育、断裂不甚发育和煤系地层广泛稳定分布的特点，区别于其西侧的鄂尔多斯盆地和东侧的华北东部断块含煤区，前者煤系沉积后长期持续稳定沉降、上覆地层厚、构造简单，后者煤系沉积后又经历了强烈的块断作用改造。
沁水盆地煤系地层沉积后，历经印支、燕山和喜山三次构造运动改造。
印支期本区受侯马一沁水一济源东西向沉积中心的控制，以持续沉降为主，沉积了数千米的三叠纪河湖相碎屑岩，由北向南增厚。
三叠纪末的印支运动，使华北地区逐渐解体，盆地开始整体抬升，遭受风化剥蚀。
燕山期内构造运动最为强烈，在自西向东挤压应力作用下，石炭系、二叠系和三叠系等地层随山西隆起的上升而抬升、褶皱，形成了轴向近南北的复式向斜，局部断裂并遭受剥蚀。
同时，区内莫霍面上拱，局部伴有岩浆岩侵入，形成不均衡的高地热场，使煤的变质程度进一步加深。
由于该变质作用是在煤层被抬升、褶皱、剥蚀，上覆静岩压逐渐减小的情况下进行的，因而对煤的割理及外生裂隙的生成、保存等均产生了有别于深成变质作用的影响。
喜山期区内受鄂尔多斯盆地东缘走滑拉张应力场作用，在山西隆起区产生北西一南东向拉张应力，发育了山西地堑系，区内形成了榆次—介休一带的晋中断陷，沉积了上千米的上第三系、第四系陆相碎屑岩，其他地区石炭系、二叠系和三叠系等地层继续遭受剥蚀，并在北部和东南部因拉张而形成北东向正断裂，致使沁水盆地定一３６—型于现今状态。
喜山构造期除晋中断陷、寿阳和屯留地区接受沉积外，盆地大部分地区继续遭受风化剥蚀，使煤层埋深小于２０００ｍ的地区占盆地总面积的８６％，成为国内少有的煤层埋深适中，分布面积大，连续性好的含煤区。
喜山期的拉张应力有利于煤层割理、裂隙的开启及张性裂隙的生成，有利于渗透率的提高，尤其在割理及裂隙比较发育的次级褶曲轴部和北东向断裂附近。
１．２盆地构造热演化分析研究表明，目前华北晚古生代煤层的埋藏类型主要为沉降抬升型（Ｖ型），因此煤层气的保存取决于煤层曾经达到的最大埋深及喜山期后上覆地层的剥程度。
在阳城一翼城地区，印支晚期以来地层总体上处于持续上隆的剥蚀状态，但上古生界煤系底界的最大埋深曾达４４００ｍ，煤层被抬升至气体逸散带的时间距今仅有５００万年左右，逸散时间较短，有利于煤层气的保存。
这是该区煤层含气量和含气饱和度均较高的重要原因之一。
在二叠纪一三叠纪，盆地处于台地型的均衡大地热流体制下，地温随埋深增大而升高。
此间山西组底部的地温由４５℃升到１３０℃左右。
二叠纪时含煤地层地温低，热演化速率很慢，为０．０１％／百万年左右，二叠纪末山西组底部有机质仅达褐煤演化阶段。
三叠纪时热演化速率加快，为０．０３％／百万年左右，山西组底部可达到焦煤、瘦煤、贫煤阶段。
燕山期该区及邻区的地幔拱隆，大地热流值背景值升高，加之差异埋深，导致区内有机质不均衡热演化。
在盆地边缘地带，侏罗纪热演化速率明显变慢（０．００９％／百万年），白垩纪时更慢（０．００５％／百万年）。
在白垩纪末，盆地边缘地带山西组底部有机质热演化达瘦煤阶段，盆地中部抬升幅度小，有机质热演化速率为０．０１％／百万年，相当于边缘地带的２０倍，此时的煤阶已达无烟煤阶段。
新生代时期，盆地边缘热演化已经停止，但在盆地中部，镜质体反射率仍以０．００８％／百万年的速率继续增加。
２聚煤条件前已述及，沁水盆地的主要聚煤期是石炭一二叠纪，之所以如此，主要与当时的古地形、古环境条件有关。
中奥陶世后，除山西西北部靠近阴山古陆地区及南部古隆起较高外，山西境内广大地区准平原化。
中石炭世后，经过本溪期沉积的填平补齐，地形更趋平坦，总趋势是北高南低，均匀沉降和补给，有利于大范围成沼，也给海水向西北方向进泛创造了有利条件。
实际资料表明，该区在太原期和山西期总体上处于三角洲前缘和上三角洲平原环境，其中，太原早期主要为大范围的分流间湾相环境，山西早期主要为湖沼环境，对成煤有利，形成了北起安泽，南至沁水，西起浮山，东到长子所围绕的范围内３号或１５号煤的厚煤分布带。
这一点已被勘探所证实，也是我们在沁水盆地南部勘探煤层气的依据。
３沁水盆地南部煤层气的生成与含气性３．１煤层分布特征勘探表明，区内山西组和太原组共含煤６～１１层，煤层厚度大且分布稳定的有３号、９号和１５号煤层，其中３号煤层全区稳定，厚度平均５ｍ，煤层之上有厚的暗色泥岩做盖一３７—层；１５号煤层属于较稳定煤层，平均厚度约３ｍ，煤层之上有厚的灰岩和泥岩做盖层，可以对气体起到比较好的保护作用，３号和１５号煤层是煤层气勘探的主要目的层。
煤层气井一般合采主煤层厚度平均为８ｍ，因此，该区稳定分布的厚煤层对勘探开发煤层气比较有利。
３．２煤的有机组成与生气能力（１）显微组成特征与生气能力的关系。
煤岩分析结果，３号煤层：镜质组和惰质组含量平均为７７．９９％和２２％，壳质组含量甚微，灰分含量平均１３．５１％；１５号煤层：镜质组和惰质组含量平均为７９．２１％和２０．０３％，壳质组含量甚微，灰分含量平均１２．５６％。
表明原始有机质主要来源于陆源高等植物，高等植物中富含的木质素和纤维素所形成的镜质组具有很高的生气能力。
热模拟实验表明，镜质组是主要的产气组分，也是吸附甲烷的主要参与者。
煤层生气量随煤阶的增高而增大，低煤阶一般为２．５矗／ｔ，高煤阶可达３ｌ一／ｔ。
沁水盆地南部煤层的镜质组含量较高，演化程度高，具有生气量高和吸附量也高的特点，因此，尽管后期地层长期抬升，造成一定程度的气体散失，但仍然有相当数量的吸附气体保存至今，供我们进行煤层气勘探开发。
（２）煤岩特征。
煤心观察表明，３号煤和１５号煤主要为半亮型和半暗型煤，夹亮煤和暗煤条带，而且总体上表现出１５号煤略好于３号煤，与煤岩分析结果一致，这种特点与该区原始沉积环境的变迁相关。
一般来说，光亮煤越多，产气能力越高。
（３）煤的元素分析。
区内煤的Ｈ／Ｃ和０／Ｃ原子比都很低，前者平均０．４６，后者平均Ｏ．０２。
图４为３号煤和１５号煤干酪根类型图，反映了煤的高演化特点。
３．３煤的热演化程度与生气作用区内煤的月。
在２．１％一３．９９％之间，自北向南逐渐增高，由贫煤演变为无烟煤，具有很高的生气能力。
煤变质程度高，以及高阶煤分布广泛是本区最明显的特征。
如前文所述，上古生界煤的第一次生气作用发生在快速沉降至缓慢增温阶段，历经石炭纪、二叠纪和三叠纪；第二次发生在快速抬升至快速升温阶段，历经晚侏罗世至早白垩世。
第二次生气作用包括从湿气到干气的生成阶段，基本上经历了煤化作用的整个生气过程。
据刘焕杰等人研究，该区一次生烃作用的生气量只占总生气量中３２％，而第二次占６８％，因此，认为第二次生烃作用的特征是影响煤层现今含气性的最为重要的因素之３．４煤层含气性实际勘探表明，沁水盆地南部煤层气含量较高，自盆缘向中部含气量增大，一般变化在１０～２４ｍ３／ｔ之间，而且全区稳定。
４结束语（１）由于特殊的构造热演化作用，使得该盆地煤的演化程度差异较大。
侏罗纪前，主要为深成变质作用，差异不大；侏罗纪后，差异较大，形成盆地南北两端为贫煤一无烟煤的特点。
（２）燕山晚期以来，盆地主要处于拉张环境，加之快速热演化的作用，使煤层保存了原生结构和发育了较好的割理裂隙；这种相对简单的构造特点，减少了煤层气因断裂而造一３８—成的大面积逸散，使气体能够在较好的构造环境中保存下来。
（３）沁水盆地南部两套广泛分布的厚煤层具有煤岩煤质好、演化程度高、封盖条件好、含气量高等优点，对煤层气勘探开发非常有利，是国内进行煤层气勘探开发的重点地区。
沁水盆地构造演化与煤层气的生成作者：李明宅， 杨陆武， 胡爱梅， 徐文军作者单位：中联煤层气有限责任公司科技研究中心(北京)1.琚宜文.侯泉林.范俊佳沁水盆地构造演化与煤层气成藏条件[会议论文]-20082.琚宜文.范俊佳.谭静强.武昱东.雒毅.Ju Yiwen.Fan Junjia.Tan Jingqiang.Wu Yudong.Luo Yi华北盆-山演化和岩石圈转型与煤层气富集的关系[期刊论文]-中国煤炭地质2009,21(3)3.陈群策.安其美.孙东生.杜建军.毛吉震.丰成君.CHEN Qun-ce.AN Qi-mei.SUN Dong-sheng.DU Jian-jun.MAO Ji-zhen.FENG Cheng-jun山西盆地现今地应力状态与地震危险性分析[期刊论文]-地球学报2010,31(4)4.樊生利沁水盆地南部煤层气勘探成果与地质分析[期刊论文]-天然气工业2001,21(4)5.张宏法.陈刚.鲍洪平.王润三.马占荣.彭天朗.ZHANG Hong-fa.CHEN Gang.BAO Hong-ping.WANG Run-san.MA Zhan-rong.PEN Tian-lang山西临县紫金山碱性火山机构岩体岩浆演化——岩相学及岩石矿物学的证据[期刊论文]-西北大学学报（自然科学版）2010,40(1)6.吴中海.吴珍汉鄂尔多斯、沁水盆地晚新生代隆升-剥蚀历史[期刊论文]-地质科技情报2001,20(3)7.袁洁浩.魏文博.叶高峰华北地区岩石圈电性结构研究-文水-日照大地电磁测深剖面[会议论文]-20078.孙丽娜.金学申.温超.边鹏飞.SUN Lina.JIN Xue-shen.WEN Chao.BIAN Peng-fei晋获断裂带构造和地震活动特征[期刊论文]-华北地震科学2009,27(4)9.郭良迁.占伟.杨国华.薄万举.Guo Liangqian.Zhan Wei.Yang Guohua.Bo Wanju山西断陷带的近期位移和应变率特征[期刊论文]-大地测量与地球动力学2010,30(4)10.赵庆波.孙斌中小型含煤盆地煤层气勘探取得突破的几点认识[期刊论文]-天然气地球科学2004,15(5)本文链接：/Conference_4405185.aspx。