第三节　沁东南地区3#煤层煤层气富集的控制作用及富集模式

煤层气的富集是煤层埋藏史、热史及构造演化史的耦合作用与煤层气生成、运移、储集、保存条件相匹配的结果。煤储层现今的含气量是煤层气生成量、运聚量、逸散量的函数。煤层形成后地质历史时期埋深越大、地温梯度越高、形成时间越长，煤岩变质程度越高，煤层的生气量越大。煤层形成后埋藏深度的变化，引起煤层气赋存环境的压力、温度等变化，导致煤层气横向和纵向上发生运聚。煤层形成后关键时刻的上覆有效岩层厚度越大，保存条件越好，煤层气越难逸散。因此，查明煤层形成后的埋藏史、热史及构造演化史对煤层气分布格局的控制作用为煤层气富集区预测奠定了良好基础。

一、埋藏史、热史及构造演化史对含气总格局的控制作用

1.埋藏史对含气总格局的控制作用

埋藏史是指煤层形成后，随着地层的下降和抬升，煤层埋藏深度的变化历史。其对煤层气分布格局的影响主要是通过改变煤层的赋存环境影响了生气量，改变了上覆有效岩层厚度，影响了煤层中煤层气的保存量。随着煤层埋藏深度的增加，煤储层所处环境的温度、压力、所受的应力随之增加，煤的变质程度升高，煤层生气量增多，反之则减少。煤层形成后可能经历多期次上升、下降的过程，关键时刻煤层上覆有效厚度越厚，越有利于煤层气的保存。查明研究区3#煤层埋藏史为合理解释该区3#煤层含气量分布特征提供了重要保障。

秦勇教授等人（1998年）根据区内构造运动发展阶段以及地层厚度、古埋藏深度的恢复结果，认为晚古生代煤层经历了五个埋藏阶段［168，169］（表2-2）。

从表2-2可看出，晚石炭世至晚三叠世，研究区接受沉降，煤层埋深一直增加，构造分异不明显，沉降差异较小。研究区煤层现今埋藏深度的差异主要是由燕山期和喜马拉雅期抬升、下降造成的剥蚀量、沉积量的差异引起的。这些差异导致研究区北部、中部和南部煤层气富集程度产生分异。为了查明研究区北部、中部和南部埋藏的细微差异，对其地质历史时期的剥蚀量进行恢复。

剥蚀量预测方法主要有镜质组反射率法、声波时差法、构造剖面法等［170］。研究区在燕山期曾发生过岩浆热液作用，采用镜质组反射率法对剥蚀量进行计算难度较大。构造剖面法适合于构造比较发育的地区，要求构造特征比较明显。为了较准确地预测研究区剥蚀量，本次采用声波时差计算剥蚀量的方法结合现有钻井取芯资料对研究区不同块段的剥蚀量进行预测。

随着埋藏深度的增加，煤岩的压实作用逐渐增强，孔裂隙逐渐减少。由基质和孔裂隙组成的煤岩中，声波在固体中的传播速度大于在气体中的传播速度，所以随着孔裂隙的减小，传播速度逐渐增加，声波时差减小。以往学者（Magara，1976年）［171］研究认为声波时差与深度之间存在如下关系，即：

Δt=Δt0e-CH　　（2-1）

式中，Δt为深度为H处的声波时差，μs/m；Δt0为地表的声波时差，μs/m；C为正常压实趋势斜率；H为埋深，m。

式（2-1）两边同时取对数可得：

　　 （2-2） 　　

当地层为连续沉积地层时，由式（2-2）可知声波时差比值的对数与埋深之间呈线性关系。根据对部分声波时差及埋深数据的测试，得出声波时差与埋深之间的关系。然后通过统计地表附近的声波时差，计算出地表原始埋藏深度。用某一剥蚀面顶部埋深加上地表原始埋深即为该剥蚀面的剥蚀厚度。

研究区煤层从三叠纪末开始以整体抬升、剥蚀为主。对研究区煤层沉降历史和上覆剥蚀量进行计算，得出了研究区南部、中部和北部煤层沉积埋藏史，如图2-9所示。

从图2-9可以看出：晚第三纪之前，由南向北煤层沉降差异性及波动性逐渐增强。但是，其煤层均没有进入煤层气逸散带（距地表600m以浅），埋深差异造成的煤层气逸散差异不明显。埋深对含气格局差异性的影响，主要体现在晚第三纪之后煤层埋深的变化。晚第三纪以后，随着煤层的不断抬升，煤层逐渐进入或接近煤层气逸散带，煤层气逸散量增加，埋藏深度越大，煤层气越难以逸散，煤层气越容易保存。晚第三纪以后，由北向南煤层埋深逐渐减小。仅考虑埋深单因素作用下，煤层含气格局应该呈现出由北向南逐渐减小的趋势。

根据钻井资料，对研究区北部、中部和南部的石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组的厚度、底板标高等进行了统计。结果表明：研究区的北部，仅在该区东部区域还存在部分石千峰组岩层，上石盒子组剥蚀量为20～30m。该区由北向南剥蚀量呈现增加的趋势，由东向西黄土层下覆沉积地层由上石盒子组过渡到石千峰组，剥蚀量整体呈现出“东部大，西部小”的趋势；研究区的中部，上石盒子组的剥蚀量继续增加，其剥蚀量介于100～200m之间，呈现出由北向南剥蚀量逐渐增加的趋势。研究区的南部，上石盒子组岩层的剥蚀量继续增加，剥蚀量介于200～400m之间，到研究区最南部区域，上石盒子组仅剩余下段部分岩层，剥蚀量最大。煤储层上覆地层在沉积与剥蚀的耦合作用下呈现出如下规律：上石盒子组厚度沿“柿庄-固县-樊庄-潘庄”呈递减趋势，厚度由575m左右减少至155m左右。下石盒子组厚度变化幅度较小，介于70～120m之间，平均在86m左右。3#煤层顶部山西组厚度变化较大，其中固县附近该地层厚度最小，潘庄附近该层地层厚度最大，整个研究区该地层厚度介于8～92m之间，平均为45m左右。具体厚度变化如图2-10所示。

2.热史对煤层气分布格局的控制作用

热事件对煤层气分布格局的控制作用主要是通过改变煤的变质程度，影响着煤储层的生气量及赋存能力，进而控制着煤层含气量的分布格局。煤层演化过程中，古地温越高，煤的变质程度越高，煤层气生成量越大。

根据前人对该区地层沉积演化及热史的分析，认为沁东南地区煤层热史可以分为四个阶段［172］，分述如下。

第一阶段：晚石炭世至三叠纪末的正常地热场阶段

该阶段为地壳缓慢沉降时期，大部分区域古地温梯度在（2～3）°C/100m之间，少部分区域地温梯度更高。在三叠纪末期地壳沉降停止，煤层埋藏深度达到最大值，镜质组反射率达到1.2％左右，达到了第一次生烃高峰，此时沁东南地区未出现大的煤变质分异。

第二阶段：早侏罗世至中侏罗世的正常地热场阶段

该阶段主要对应于沉积埋藏史的稳定时期/波动时期，古地温场也随埋深波动而变化，研究区的北部，抬升1000m左右后又接受沉积；研究区的南部，抬升700m左右后接受沉积。南部和北部的埋深最大时相差800m左右，随后接受沉积后埋深相差300m左右。地温梯度仍为正常梯度。研究区南、北地温稍有差异，但与三叠纪末相比，煤层所处温度没有升高，对煤变质演化影响较小。

第三阶段：晚侏罗世至白垩纪的异常高地热场阶段

该阶段对应于煤层埋深显著变浅阶段。由于受到燕山期构造热事件的影响，导致沁东南地区处于异常古地温阶段，古地温梯度在（4～6）°C/100m之间，局部区域古地温梯度达到8°C/100m。尽管该时期地壳处于缓慢上升阶段，煤层埋深逐渐减小，但是由于受到热事件的影响，石炭-二叠系煤层所处的环境温度已远远超过三叠系末最大埋深时的环境温度，第二次煤化作用开始，并达到第二次生烃高峰。

研究区的南部，受到热事件影响较大，北部受到热液影响相对较小，且在此过程中，伴随着煤层的抬升-下降波动，南部波动相对较小，北部波动相对较大，在热事件和埋深波动的共同影响下，导致研究区南部、北部热演化程度发生变化，煤层生气量也发生大的变化。热事件及埋深波动最终决定了现今煤变质程度的时空格局。煤岩变质程度是煤层气生成量的直观反映，变质程度分布的差异表征了煤层气分布在区域上呈现出较大的差异性。

第四阶段：第三纪以来的古地热恢复正常阶段

进入第三纪以来，重新恢复到正常古地温状态，地温梯度在（2～3）°C/100m之间。大部分地区处于隆起剥蚀阶段，尽管在喜马拉雅山运动时期形成的一些地堑沉降幅度较大，但是没能使煤层超过历史上的最高受热温度，煤化作用停滞。

从研究区的热史演化来看，研究区的煤岩变质作用主要是受深成变质作用和岩浆侵入作用影响。研究区中部和北部区域，煤层埋深由东向西呈现出增加的趋势，深成变质作用导致煤岩变质程度由东向西逐渐变大。同时研究区受到东南部岩浆热液的影响，两者耦合使研究区中部和北部煤的变质程度在东西方向上差别不大。研究区南部受到岩浆热液影响较大，导致煤变质程度明显增加。

根据煤岩变质程度与气体生成量之间的关系，得出了研究区累计生气量等值线图，如图2-11所示。

从研究区煤层气生气量计算结果可以看出：研究区北部与南部累计生气量远远高于目前的含气量，现今保存的煤层含气量为原始累计生气量的1/10～1/6，也就意味着煤的变质程度不是决定现今煤层含气量格局差异的主要因素。

3.构造史对煤层气分布格局的控制作用

构造史对煤层气分布格局的控制主要是指煤岩沉积和演化过程中，在地应力作用下，煤层发生弯曲变形或断裂，引起应力的释放或集中对煤层气赋存的控制作用，进而导致煤层气的分布格局发生变化。通过分析研究区地质构造对煤层气分布格局的影响，认为影响研究区煤层气分布的主要地质构造有断裂构造和褶皱构造。

石炭-二叠纪含煤地层在海西运动时期沉积以后，先后经历了四次构造运动，即海西运动、印支运动、燕山运动和喜山运动。海西运动使盆地持续接受沉积，研究区没有形成明显的褶皱和断裂构造。印支运动早期，盆地一直接受沉积，晚期盆地整体抬升，遭受剥蚀，但对含气格局的影响不大。

燕山运动期，华北板块受太平洋和欧亚板块的挤压，该期所受的地应力是引起研究区构造形态发生明显变化的第一期应力。在自西向东挤压应力作用下，石炭、二叠系及三叠系等地层随山西隆起的上升而抬升、剥蚀，形成了轴向近NNE向的沁水复式向斜，导致研究区整体上呈现走向近NNE向，倾向近NWW向的单斜构造，并且沿倾向接近于向斜轴部位置，煤岩受到的挤压应力逐渐增加，煤层渗透性变差，为煤层气的保存提供了有利条件，煤层含气量逐渐增加。同时，在近东西向挤压作用下，衍生出一系列的宽缓褶皱。研究区内不同的构造位置，受应力作用影响也存在一定的差异。研究区的南部受到该期构造应力作用相对较小，该期形成的宽缓褶皱依然存在，并且在向斜的轴部受到挤压作用较强，渗透性变差，保存条件较好，通常具有较高的含气量。研究区的中部和北部，受到该期构造应力作用较强烈，形成的褶皱保存不够完整，煤体变形相对强烈。

第二期明显的应力作用主要是发生在喜马拉雅山运动的早期，使燕山运动形成的褶曲及断裂构造进一步深化，并对其构造形态进行了调整。在近NNE-SSW挤压应力作用下，原有褶皱进一步变形，开始形成轴向近NWW-SEE向为主的褶皱构造。同时，在压剪应力作用下，局部地区发育近NWW-SEE向的断层。研究区的中部受到这两期应力的综合作用，导致向斜的轴部受到挤压作用较强，煤层透气性差，具有相对较高的含气量。背斜的轴部主要受到张应力作用，形成张性裂隙，煤层气容易逸散，含气量相对较低。

第三期近NEE-SWW向的挤压应力一直持续至现在，在其作用下引起局部区域煤层展布形态发生变化，同时在局部地区发育近NWW走向的断裂构造。研究区的北部同时受到这三期构造作用的影响，构造变形进一步加剧，导致向斜构造轴部渗透性进一步变差，背斜轴部裂缝进一步张开，渗透性变好。同时，煤体进一步发生变形，以碎裂-碎粒煤为主。因此，研究区北部，向斜轴部或多期向斜轴部叠加区域煤层含气量相对较高，背斜轴部或多期背斜轴部叠加区煤层含气量相对较低。

综上可知：研究区整体为一单斜构造，所受到的构造扰动呈现出由南向北逐渐增强的趋势。含气量分布格局总体呈现出由东南向西北逐渐增加的趋势。研究区的西南部，受岩浆热液作用明显，含气量较高。研究区的中部，一般情况下向斜轴部含气量相对较高，背斜轴部含气量相对较低。研究区的北部，多期向斜轴部叠加区含气量相对较高，背斜轴部多期叠加区含气量相对较低。

二、水动力环境对煤层气富集的再分配作用

水文地质条件是影响煤层气保存的重要因素之一。不同的水文地质条件，煤层气的赋存规律有很大的差异。

1.水动力条件对煤层气富集的影响

煤层中的水主要包括基质孔隙中的束缚水、游离水和裂隙系统中的游离水。束缚水难以流动，游离水始终处在不断的交替循环之中，导致煤层的水头和压力发生变化，煤基质中的煤层气由吸附态转变为游离态，在浓度梯度差的作用下由煤基质的微孔隙扩散运移至裂隙系统，然后随地下水流动，发生运移、逸散（或再吸附）。煤层中的游离水可能溶解了煤储层中部分的游离煤层气，发生运移。地下水能量系统、地质构造发育程度、煤层围岩岩性等的差异，使煤层气以不同方式进行储存、运移、富集和逸散。在漫长的地质历史过程中，这种长时间的水动力作用，对煤层气的富集将产生较大的影响。

煤储层和围岩含水层中的水流动主要是重力驱动。在无断裂、陷落柱等构造影响的情况下，地下水一般水力坡度降从高势能区向低势能区流动，煤层气则由高压向低压方向运移。单斜构造的含煤盆地中，地下水的流向与煤层气运移方向有相反和相同两种流动方式，两种流动方式对煤层气富集的影响主要有三种形式：当煤储层及围岩含水层中的水流动方向与煤层气运移方向相反时，不利于煤层气富集；当煤储层及围岩含水层地下水流动方向与煤层气运移方向一致时，有利于煤层气富集；煤储层及围岩含水层地下水的滞流区有利于煤层气的富集。

水动力条件对煤层气富集的控制作用不仅仅体现在水流动的方向上，还体现在水流动区域上。当煤储层及围岩接受地表大气降水补给时，煤层中的煤层气容易向大气逸散，煤层含气量较低。同时，由于大气降水（或地表水）沿裂隙向煤储层深部运移，水运移过程中，将溶于水的煤层气带走，是煤层中含气量降低的另一原因。

当煤储层处于地下水径流区时，煤储层中的煤层气溶于水被带走，煤层气含量也会降低，其降低量与地下水的流量、流速及作用时间有关。

当煤储层处于地下水的排泄区时，如果属于地下排泄，即煤储层中的水排向其他含水层，煤层气散失主要是通过地下水携带而逸散，煤层含气量降低。如果是向地表排泄，煤层气的散失特点与处于补给区的情况类似，主要通过地下水携带和沿裂隙逸散导致煤储层含气量降低。

当煤储层处于地下水的滞流区或与地下水联系不紧密时，有利于煤层气的保存。主要原因有三个：第一，水的承压作用，致使煤储层处于较高的压力状态，煤层不易发生解吸；第二，由于地下水的循环交流作用较弱，水溶解带走的煤层气量较少；第三，水流动变化较小，引起的储层压力波动较小，煤层气解吸量较少。

地下水的水文地质特征也显示了地下水的活跃度。当地下水的矿化度比较高时，说明该区水流动缓慢，属于滞流区，利于煤层气的富集。当地下水的矿化度较低时，说明水流动活跃，煤层气容易随水流动，煤层含气量通常较低。

2.沁东南地区水动力条件对煤层气富集的影响

研究区位于沁水盆地复式向斜东南部，为一单斜构造。沁东南地区3#煤层底板等高线如图2-12所示。研究区的东部和南部为3#煤层露头，接收大气降水补给；北部存在地下水分水岭。西部以寺头断层为界使地下水流动方向发生改变。

为了得出研究区3#煤层地下水流势，根据研究区部分煤层气生产直井的排采资料和参数井试井测试资料，得出这些井坐标处的储层压力，结合煤层底板等高线图，得出了研究区3#煤层地下水水势等值线图，如图2-13所示。

从图2-13可看出，研究区东南部煤层露头接收大气降水补给，大气降水向煤层补给，携带煤层气向更深处运移。同时，煤层中的煤层气向大气中逸散，导致含气量降低。随着煤层埋藏深度的增加，逸散量减少，含气量增加。研究区南部的潘庄附近，形成了地下水的滞流区，同样埋藏深度条件下，该区域煤层含气量相对较高。研究区的中部，地下水等势线相对平缓。中东部3#煤层露头区接受大气降水，煤层含气量较低。中部的蒲池南部附近，形成地下水的另一个滞流区，且该区煤层远离煤层露头，该区煤层含气量相对较高。中部的樊庄附近处于地下水径流区，与同样埋深的蒲池附近相比，含气量稍低。研究区北部的固县附近，接受来自北部分水岭的地下水补给，地下水流动相对平缓，形成了研究区煤层气的又一富集区。研究区东北部，处于地下水的径流区，煤层含气量相对较低。

地下水的水化学场也进一步验证了上述地下水流场特征。煤层气科技工作者研究结果表明［173］：研究区东南部补给区地下水水质类型多为HCO3-K+Na型，矿化度较低，<600mg/L。向煤层深部延伸，地下水中的和Cl-含量逐渐增加，潘庄一号井田含量增大到1003.48mg/L，矿化度也逐渐加大到2620mg/L，水质类型变为SO4、HCO3-K+Na型，反映了浅部地下水接受补给，地下水径流交替条件好。深部径流缓慢甚至呈滞流状态，矿化度增高。根据前人研究成果，得出沁东南地区地下水矿化度等值线图，如图2-14所示。地下水由高势能区向低势能区驱动，而煤层气由高压力区向低压力区运移渗流，最终在樊庄南部、潘庄—大宁一带形成地下水滞流区，煤层气侧向运移和垂向运移几乎没有发生。本区独特的地下水流场特征，导致煤层气在滞流区得到富集，形成地下水和煤层中流体（气体、水）能量的积聚，这种能量的聚集为形成高压煤储层提供了重要保障。

三、沁东南地区煤层气富集模式

1.地质构造要素对煤层气富集的控制

煤层气的富集受到生气条件、运移条件、保存条件等多种因素的影响。这些条件的差异，导致煤层气的富集存在较大的差异性。通过对沁东南地区煤层气富集、再分配的影响因素及控制作用的分析，结合研究区的地质特点，认为影响研究区煤层气富集差异的主要因素是煤层埋深、岩浆热液作用、地下水特征和构造特征，分述如下。

（1）煤层埋深、岩浆热液作用对煤层气富集的控制　煤层埋藏深度（简称为埋深）对煤层气富集的影响是多方面的。一方面埋藏深度的增加，增加了上覆岩层厚度，增加了煤层气的逸散距离，减少了风化剥蚀过程中煤层气的逸散，利于煤层气的保存。同时，埋深的增加形成了较大的围岩应力，降低了煤储层的透气性，增加了煤层气逸散难度。另一方面埋深的增加，煤储层压力增加。根据等温吸附理论，煤储层吸附煤层气的能力增强。再者，埋深的增加，加大了煤岩的深成热变质程度。因此，在不考虑其他因素的前提下，随着埋藏深度的增加，煤层含气量逐渐增加。埋藏深度大的区域，易成为煤层气富集区。

根据研究区3#煤层埋藏史、热史、构造史可知：研究区关键时刻的有效上覆岩层厚度仍使该区处于风氧化带深度以下。受岩浆热液影响较小的研究区是北部区域，煤层含气量受埋藏深度的影响较大，埋藏深度与含气量之间呈现正相关关系。即随着埋藏深度的增加，含气量呈现增加的趋势。研究区中部，处于风氧化带以深的区域，总体上受煤层埋深的控制，但在地下水滞流区和径流区，局部受到地下水的微调作用。煤层埋深与含气量的相关性比研究区的北部稍差。研究区的南部受岩浆热液作用明显，煤变质程度升高。潘庄附近埋深与含气量之间不是正相关关系，埋深不是控制该区含气量的主要因素。研究区西南部的成庄附近，风氧化带以浅，含气量较低；风氧化带以深，含气量受煤层埋深和地下水两者共同作用，煤层埋深与含气量之间具有一定的相关性。

（2）地下水特征对煤层气富集的控制　地下水的运移使储层能量系统发生变化，进而引起煤层气富集区的变化。根据地下水等势线图可看出，研究区中北部的蒲池附近属于地下水的滞流区，在地下水和埋深的双重作用下，该区域煤层气形成相对的富集区。研究区的东北部，主要受到单斜构造及水文地质条件的影响，该区属于地下水径流区，含气量较低。研究区的西北部受到东部地下水补给，处于地下水滞留区，并且埋深较大，在地下水和埋深的耦合作用下，形成了煤层气的相对富集区。研究区中部的樊庄附近虽处于地下水的径流区，但水力坡度较缓，地下水对该区域含气量的影响相对较小，受埋深的控制相对明显。研究区西南部的潘庄附近属于地下水的滞流区，在岩浆热液和地下水的双重作用下，该区域形成了煤层气的相对富集区。研究区东南部的成庄附近，处于地下水的径流区，且水力坡度相对较陡，导致该区煤层气与相同埋藏深度的其他区域相比相对较低。

（3）构造特征对煤层气富集的控制　构造主要是指褶皱和断层。研究区内发育有一定数量的小断层，小断层对局部小范围内含气量有一定的影响，但不影响含气量的整体变化趋势。受勘探开发精度及收集资料的限制，针对研究区内小断层对含气量的影响在此不做分析。本次仅对研究区西部寺头断层和东部的晋获断裂对3#煤层含气量的影响进行简单分析及论述。研究区的西部，受寺头断层的影响，导致含气量的分布呈现一定的差异性。断层的发育形成了断裂面，为煤层气的运移提供了导流通道，煤层气容易逸散，断层附近煤层含气量较低。寺头断层为由南向北断距逐渐增加的封闭性逆断层［174］，断层两盘岩性配置、泥岩涂抹的差异性，导致随着断距的增加，断层的封闭性逐渐变差。研究区东部，煤层含气量受到晋获断裂带南段部分的影响。晋获断裂带形成过程派生出一些次生断裂构造，沿断裂面孔裂隙发育，渗透性较好，煤层气容易逸散。因此，研究区东部断层附近煤层气含气量较低。

褶皱是影响研究区内煤层气分布的主要地质因素之一。研究区的南部，受构造应力作用较弱，主要形成了轴向近南北向的宽缓褶皱，部分煤层气向背斜轴部远聚且被保存，通常具有较高的含气量。研究区的中部和北部受到多期构造作用较明显，在多期构造作用下，含气量与褶皱的关系变得复杂，需要根据实际情况进一步深入分析。

2.沁东南地区煤层气富集模式

综合考虑煤层气富集影响因素，认为：在煤层埋深及热液作用、地下水条件和构造三者的耦合作用下，形成了研究区不同的煤层气富集和逸散模式，决定了现今的煤层气分布格局。研究区不同区域煤层气富集、逸散控制模式图如图2-15所示。