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1、辽河坳陷东部凸起古生界煤层气富集影响因素研究李春华1汪百齐 1毛俊丽 1 杜洋 2(1 辽河油田勘探开发研究院2 中国地质大学) 摘要：本文以煤层气富集影响因素研究入手，充分利用钻井、地震、录井、测井、煤岩心化验分析及动态 测试资料，开展了煤储层构造、沉积、煤岩变质、煤层顶底板沉积相组合及水文地质条件等方面研究工作。通过深入、系统的研究认为本区构造活动较弱，具有先沉降后抬升的特点，利于煤层气的生成与聚集；沉 积环境为潮坪、泻湖亚相，煤层发育、分布稳定；煤岩经历两期变质作用，变质程度高、产气量大；煤层 顶底板组合属于潮坪（泥炭坪）泻湖亚相泥岩组合，封闭性好，保存条件好；水文地质条件单一，煤系 地
2、层没有受到地表和相邻地层强动力水层影响，层内砂岩含水层动力弱、无径流，利于煤层气吸附。这几 方面的研究认识对于研究区内煤层气勘探开发选区具有重要的指导意义。关键词：辽河坳陷 东部凸起 古生界 煤层气 富集 影响因素0 引言随着全球对天然气资源量需求的不断增大，常规天然气储量日益减少，各国对非常规的煤层气资源 量均给予的足够的重视。煤层气地质作为一个新的研究领域，国外起步较早，而在我国只有 10 余年的历 史1，近几年来经过卓有成效的研究工作，在沁水、鄂尔多斯等盆地取得采气试验突破2-6。这些突破给 我国煤层气基础研究创造了较好的条件，研究认为煤层气富集影响因素主要有煤储层构造、沉积、煤岩 变质
3、、煤层顶底板、水文地质等条件。按照这些基本地质条件，开展了辽河坳陷东部凸起古生界煤层气富 集影响因素研究工作，目前研究区勘探程度较低，部署二维地震测网密度为 24km；钻探各类探井 11 口， 均见到煤层，其中有 1 口探井见到煤层气。另外，研究区东南隆起区域是辽宁省红阳煤田，煤炭开发始于70 年代，到目前共建成 4 个煤矿，年产焦煤 700 万吨，该地区的煤质优良，厚度稳定，是煤层气勘探开发 的有利区域。（2.区域地质特征研究区在构造上位于辽河坳陷东部凹陷东侧凸起带，凸起带北以苏家屯大断层（F4）为界接沈阳隆起， 南以腾鳌断层（F3）为界与营口隆起相接，西以佟二堡断层（F1）为界接东部凹陷，
4、东以刘二堡断层（F2） 为界接辽东沉降带，面积 1600km2（图 1）。研究区自下而上发育的地层有太古界、元古界、下古生界的寒武系和奥陶系、上古生界的石炭系和二 叠系、中生界的侏罗系和白垩系、新生界古近系、新近系和第四系。含煤层段主要集中在二叠系下统山西 组和石炭系上统太原组。山西组含煤层 7 层(编号 17 煤层)，3、6 煤层为局部可采煤层，7 煤位于山西1 作者简介：李春华，男，1964 年生，1987 年毕业于江汉石油学院，获资源勘查学士学位；现在辽河油田勘探开发研究院 工作，高级工程师，从事油气综合勘探工作。地址：辽宁省盘锦市辽河油田勘探开发研究院，邮编 124010，电话 042
5、7-7803306， 移动电话 13604279251，邮箱 组底部，为单一煤层，厚度为 1.04.3m，是矿区重点主采煤；太原组含煤层 7 层(编号 814 煤层) ，厚度不一，其中 12 煤最为发育，为复合煤层，单厚度为 1.05.7m，累计厚度为 2.07.7m。F4F1F2F3图 1 辽河坳陷东部凸起位置图2构造特征对煤层气富集的影响构造特征和构造演化从宏观上控制了煤层的形成和演化，也是导致煤储层和封盖层的产状、结构、物 性、裂隙发育状况及地下水径流条件差异性的重要原因，进而影响到煤储层的含气性和可采性7。2. 1 研究区构造特征在区域构造和基底构造背景控制下，地层走向总体呈北东向，向
6、北西方向缓倾，东南翘起的单斜构造（图 2）。构造的总体面貌特征由北西向南东方向由断阶带逐渐过渡到斜坡带、背斜带；构造活动表现为由 强-弱-强的特点，主要以拉张构造形迹为主导。其中位于斜坡带西侧和背斜带东侧呈北东向展布的两条 分别为营口-佟二堡断层（F1）、刘二堡断层（F2）是控制本区构造形态的主干断裂，具有延伸距离远、 断距大的特点，控制了古生界地层分布；位于斜坡、背斜带内的一些断层主要呈近南北向展布，多呈雁列 排列，与北东向主干断裂斜交，具有延伸距离短、断距小特点，属于主干断裂的伴生断层，对地层分布没 有控制作用，是分带化块的断层。这些断层基本上都为张性正断层，它们的形成和演化控制了研究区的
7、构 造变形以及圈闭的形成，并最终对煤层气的分布产生重要影响。西侧断阶带煤层埋藏深，储层物性差，F1 断裂活动强，断层纵向延伸到新生代地层中，对煤层气聚集保存不利；中部斜坡带煤层埋藏适中，远离风化带，断裂活动弱，利于煤层气聚集保存；东部背斜带属于构造应力集中区，断裂发育，东侧通过 F2 断层与鞍山隆起太古界地层相接，对煤层起侧向封堵作用，较 利于煤层气聚集保存。全区 60%以上煤层埋深在 600 1500m 深度的斜坡带、背斜带范围内，这对煤层气 成藏和勘探开发十分有利。F2F1带背斜带坡斜图 2辽河坳陷东部凸起构造剖面图2. 2 研究区构造演化构造演化对煤层气起着一定程度的控制作用，地壳的升降
8、运动对煤层的形成、成岩和生烃作用影响巨 大，也会打破煤层中原有的吸附平衡条件，使吸附气和游离气相互转化。本区构造演化主要经历了三个阶 段，地层发生三次升降作用，影响煤系地层的作用有两次 8（图 3）。中生代沉积之前阶段：该阶段构造作用不强烈，此时的地形坡度较缓，构造活动主要以整体水平 升降为主。中晚奥陶世至早石炭世期间，华北地台整体抬升，中奥陶统顶部被长期风化剥蚀，并缺失 志留系与泥盆系地层。晚古生代期间，华北地台又开始了逐步沉降，此时地台的大部分地区还浸没在 较浅海水中，初期沉积了一套海陆交互相的含煤建造夹陆表海碳酸盐岩建造，煤岩进入初期生烃阶段。 晚期随着地台的进一步隆升，海水逐渐退出华北
9、地台，至晚古生代二叠纪中晚期，地台持续抬升，早 中三叠世，研究区无地层残留，认为是在印支运动期间被抬升剥蚀了。图 3乐古 2 井单井埋藏史曲线新生代沉积之前阶段：本区晚侏罗世时，受燕山运动的影响，地层伸展裂陷，开始新一轮持续沉 降，煤岩进入再次生烃阶段。凸起西界营口佟二堡断裂开始活动，断层西侧沉降东侧翘倾，形成了 西厚东薄的白垩系箕状小断陷。形成了东部凸起与东部凹陷的雏形，奠定了现今构造的基本面貌。新生代阶段：受喜山期太平洋板块挤压影响，构造活动强烈，凸起西界营口佟二堡断层强烈活 动，断层西侧持续沉降，沉积了较厚的新生界地层；东侧抬升，使得早、中白垩世地层普遍遭受剥蚀。 东部凸起形成了向西侧凹
10、陷内倾斜的斜坡构造面貌，使得古生界地层由西向东埋深变浅，研究区大量 的断裂在此时形成，构造面貌最终定型。构造演化的阶段性导致本区煤层气形成也分为三个阶段：形成初期阶段（中生代沉积之前）、形成阶 段（新生代沉积之前）、萎缩阶段（新生代时期）。初期阶段，相当于长焰煤肥煤阶段，系有机质生烃的 生化甲烷和凝析油-湿气阶段，R0 值在 0.61.3%，地温由 80。C 升至 120。C；形成阶段，相当于焦煤-无烟 煤阶段，甲烷为主的天然气大量出现，R0 值在 1.32.0%，地温由 120。C 升至 160。C；萎缩阶段，发生在 中生界末期，由于中生界末期地层整体抬升，地层遭到剥蚀，埋深由 4000m
11、抬升到 1000m 左右，上覆地层 载荷减少，地温降低（由原来的 160。C 降到 40。C），储层中的煤层气发生解吸-扩散-运移作用，是导致本 区煤层气藏受构造形态控制明显的主要因素。3沉积相特征及对煤层气富集的影响3. 1 沉积相类型本区石炭系和二叠系地层的探井相对较少，资料匮乏，给沉积相研究工作带来了一定的困难。本次研 究主要利用现有地震、测井、分析化验、测试等资料，开展了沉积相研究工作。研究认为沉积相类型主要 有：辫状河三角洲、有障壁海岸、陆表海等海陆过渡相和海相沉积，其中太原组和山西组煤层主要发育于 潮坪、泻湖、三角洲平原亚相（图 4）。图 4 东部凸起上古生界沉积相柱状图3. 2
12、沉积相平面展布特征太原组主要发育障壁岛、泻湖、潮坪及碳酸盐台地相沉积。研究区南部处于华北地台内部陆表海环境， 水体较浅，形成一套以碳酸盐岩沉积为主的陆表海台地相沉积；障壁岛把研究区中北部和南部陆表海隔离 开来，中北部发育了潮坪及泻湖相沉积；陆源碎屑物质来源于西部和北部的剥蚀区，通过辫状河和辫状河 三角州向泻湖区输送陆源碎屑物质（图 5）。图 5东部凸起太原组沉积相平面图图 6东部凸起山西组沉积相平面图山西组沉积时期，随着北部褶皱山系的进一步抬升，陆源碎屑物质的供应进一步增加，辫状河三角洲 向南推进，分布宽度范围也有所扩大，潮坪相及泻湖相向南东方向萎缩，障壁岛相也向南迁移，南部的陆 表海相面积减
13、小，北部以辫状河三角洲沉积为主，中南部以潮坪相和泻湖相为主，南段局部发育了陆表海 相和障壁岛相（图 6）。从沉积相分布特征来看，太原组和山西组地层沉积环境总体上在平面上呈现南海北陆的特点，纵向上具有自下而上由陆表海相、海陆交互相逐步过渡为陆相的基本特点。3. 3 沉积相对煤层气富集的控制作用研究认为区内经过多次海退，形成了多套煤层，根据区内沉积特征分析，认为太原组煤层主要发育在 本区东北部潮坪（泥炭坪）泻湖亚相，向南部逐渐减薄；山西组煤层主要发育在本区中部、东北部潮坪（泥炭坪）泻湖相和三角洲平原亚相内，向南、北部逐渐减薄。潮坪（泥炭坪）泻湖亚相煤层具有厚 度大、分布范围广、灰份含量低、镜质组含
14、量较高的特点，是煤层气富集的最有利聚煤环境。煤层分布以 乐古 2 和王参 1 井区为两个厚度中心，厚度最大值分别为 25 米和 15 米（图 7）。图 7东部凸起石炭- 二叠煤层厚度图4煤变质作用和煤岩特征对煤层气富集的影响4. 1 煤变质作用煤阶是控制煤层含气性的重要因素。本区煤层经历了两期变质作用，除印支期的浅变质作用外，在燕 山期经历了异常高的古地热场演化，煤阶大幅度提高，达到了贫煤和无烟煤阶段。煤层经历了两个生气高 峰，尤其是在异常高的古地温场下发生的二次生气作用生气量巨大，为煤层气的富集成藏提供了强大的气 源，因此，本区煤层的含气性普遍较好，含气量较高。从研究区东南毗邻区红阳煤田煤的
15、镜质组反射率测 试结果表明林盛矿为肥煤煤阶，红菱矿为瘦煤煤阶，红阳矿为焦煤煤阶，西马矿(四矿) 为无烟煤煤阶， 随着 Ro 的增大含气量逐渐增大（表 1）。其原因主要是随着热演化作用的加强(煤阶增高)，煤中挥发成分 进一步排出，形成大量的微孔隙，提高了煤的吸附能力，一般焦煤的割理最为发育，到瘦一无烟煤时，割 理逐渐闭合，可以部分抑制煤层中气体的逸散，提高了煤层储气能力。表 1 红阳煤田煤的镜质组反射率测试结果表矿区煤层Ro, mi n( %)Ro, max( %)Ro, ran( %)煤阶林盛矿51. 071. 251. 17肥煤50. 961. 121. 0571. 041. 151. 171. 131. 21. 16121. 141. 241. 19红菱矿71. 591. 81. 771. 541. 591. 57瘦煤121. 811. 951. 88
