基于地质特征的沁水盆地煤层气选区评价研究

摘要：沁水盆地煤层气资源条件良好，勘探开发潜力巨大。本文以沁水盆地煤层气资源的研究资料为基础，基于区域地质特征对研究区煤层气选区评价做了进一步的整体研究。基于前面针对沁水盆地煤层气赋存的基本地质背景的分析，并借鉴前人研究成果，在对盆地煤层气地质控制因素有一定的研究和认识的基础上，进行了该盆地的煤层气聚集区划分。文中在具体分析沁水盆地富集控制特征的基础上划分出该盆地基本的富集类型。

关键字：沁水盆地；煤层气；地质特征；选区评价

中图分类号：F470.1 文献标识码：A 文章编号：

引言

国内的煤层气地面勘探开发工作经过十余年的实践，我国煤层气从选区评价到勘探开发技术方面均取得了长足进展，针对我国自身的煤层气地质特点国内的学者提出了一系列新的学术思想和研究思路，在煤层气富集规律方面也进行了很多有益的探索并且已取得了快速的进步和重大突破。前人在沁水盆地的地质研究工作中取得了大量的研究成果，积累了丰富的地质资料，特别是在沁水盆地成为国内煤层气研究的热点地区以后，针对煤层气的地质研究大量涌现，随着沁水煤层气田生产的持续进行，也为本研究提供了重要的生产实践资料，将使论文的研究成果更加具有现实意义。

论文选择沁水盆地南部的箕状斜坡带为研究对象，该区是国内目前勘探开发活动最活跃的地区之一，且本区所处的地质环境条件是盆地内最为复杂和最为典型的地区，对本区选取评价研究必有助于整个沁水盆地富集规律的认识和了解，因此，本文具有很高的理论意义和实践价值。

沁水盆地构造地质特征

沁水盆地东以平定—昔阳—左权—长治—晋城一线的煤层露头线为界；西至霍山隆起以东煤层露头线与汾河地堑的东部边界，南起阳城；北抵盂县、寿阳。地理坐标上位于北纬35°15′至38°10′，东经111°45′至113°45′之间，盆地总体呈长轴状沿NNE向延伸，中间收缩为椭圆状，南北长约320km，东西宽约180km，有效含煤面积31100 km2。地形地貌总体北高南低，北部海拔多处于1000~1200m，南部海拔多位于480~580m之间，平均海拔为740~890m之间，地形起伏大，多为切割显著的中低山黄土地貌。

沁水盆地是位于华北板块吕梁-太行断块上的一个最大的次级构造单元，是一个在古生界基底上形成的构造盆地。盆地东部以晋获大断裂（太行山断裂）为界与太行山隆起相接，西部以霍山隆起为界，其北为五台山隆起带、其南与中条隆起带毗邻。盆地总体表现为被周缘断裂所围限的矩形断块，主体部分的呈北北东向展布，为一大型复式向斜。地质构造相对比较简单，仅在盆地边缘发育的一些较大规模断裂，内部以次级褶皱为主，断裂以北东、北北东和北东东向高角度正断层为主，集中分布于盆地的西北部、西南部以及东南部边缘，盆地东北部及腹部地带断裂稀少（图2-1）。

图 2 1沁水盆地构造纲要简图(注:实线-褶皱;虚线-断裂)

构造控煤作用

盆地形成与演化进程中经历的构造运动及其所形成的地质构造，对煤层的沉积发育、埋藏保存以及分布规律具有重要的控制作用。煤系沉积之前加里东运动期的隆升剥蚀、夷平和准平原化过程，为晚古生代含煤建造的沉积以及聚煤作用创造了有利的条件。石炭纪至二叠纪地壳持续沉降，构造相对比较稳定，区内连续沉积了一套分布广泛、稳定的海陆交互相含煤地层，受区域性差异升降的影响，煤层厚度变化出现区域性分异：下主煤层厚度总体上表现为北厚南薄，上主煤层厚度总体变化趋势与上主煤层趋势相反，由北向南逐渐变厚。二叠纪晚期至三叠纪的大幅度沉降作用，使得煤系得以普遍埋藏、保存。燕山运动在区域上形成NNE向的隆起和凹陷，在凹陷部位的沁水盆地，煤系得以保存。新生代喜山运动继续影响本区，形成了断陷盆地，霍山隆起处煤系遭受不同程度的破坏。另外，区域内的一些断层、褶皱对于煤层的分布也有一定的影响。

构造区划

这里根据沁水盆地古生界煤层发育特征、构造特征以及沉降沉积特征，并结合前人针对该区域构造单元划分的基础上，为研究的方便和需要，将沁水盆地总体划分为三个构造区带。

（1）盆内平缓褶皱带——以沁水盆地复式向斜轴部为中心的盆地主体部分，煤层埋藏较深，鉴于盆地的刚性基底特征，构造形态比较舒缓；它主要包含了四个基本构造单元：普洞-来远褶断带、榆社-武乡褶皱带、沁水-马壁褶皱带和郭道-安泽褶皱带。

（2）盆缘陡褶带——分布于盆内平缓褶皱带的边缘，直到煤层露头线，煤层埋藏相对较浅，地层倾角相对较大；该区带主要包含了寿阳-阳泉箕状带、和顺-左权斜坡带、阳城-高平箕状带和霍东斜坡带。

（3）新裂陷区——包括晋中新裂陷和长治新裂陷带，属新生代断陷盆地，构造较复杂。该区带主要包括晋中新裂陷带和长治新裂陷带。

上述构造区带的构造特征从宏观上控制了沁水盆地煤层气赋存分布的基本地质面貌。

盆地水文地质特征

（1）地表水

沁水盆地内部地势北高南低、西部和中部高而东部较低。区内汾河和沁河为常年性河流，由北向南穿过本区西部和中南部，流入黄河；潇河、清漳河、浊漳河、丹河等发源于盆地内部，自西向东穿越太行山，流出盆地。地表河流既是排泄地下水的通道，又是岩溶地下水的补给来源。岩溶地下水在盆地四周以岩溶大泉的方式出露地表，转化为地表水。

（2）煤系基底地下水

主要水文地质特征表现为：沁水盆地作为一个独立的水文地质单元，地下水径流方向与地表水方向基本一致，属地下水外流型盆地；盆地内有六个相对独立的泉域；不同时代含水层有不同的补、径、排系统；同一泉域内基底寒武-奥陶系岩溶含水层是控制该泉域内各个时代不同含水层系统的主导因素。

（3）煤系地下水

石炭-二叠煤系地层在盆地周边出露，向盆地中心倾斜，总体呈向斜构造。下主煤层底板标高以北部较高，南部相对较低，在沁源-古县南部存在一小规模的东西向隆起将南部与北部煤系地下水系统分开。

北部煤系地下水在盆地北部、东部和西部煤层露头处接受补给，向盆地内部和深部径流，到深部地下水滞流，但在边浅部，局部形成小区域的地下水流动单元是存在的。

与北部不同，南部煤系地下水流动方向则比较复杂。南部石炭-二叠系地下水系统可以分为四个子系统：潞安单向流子系统，自东向西径流，深部形成滞流；潘庄-大宁汇流子系统，地下水由北、东、南、西界向中部汇流，深部径流减弱；霍东单向流子系统，地下水向盆地外部流动；沁源单向流子系统，地下水由西向东流动。

岩浆活动及古地热场特征

岩浆活动

沁水盆地岩浆活动不甚发育，但对本区煤变质及煤层气的生成也产生了一定的潜在影响，其中海西期、燕山期和喜山期岩浆岩对本区煤系地层造成影响。海西期岩浆岩主要分布于两处：一处位于太原西山煤田，另一处分布于阳泉市荫营及锁簧等地；燕山期岩浆侵入体以岩脉形式主要分布于盂县下王西，燕山期火山岩为云岗喷发期玄武岩，见于古县哲才-茹去一带；喜山期火山活动主要表现为玄武岩喷出，零星见于昔阳-平定县之间及左权县东部。

除暴露于地表或侵入煤系及其以上层位的岩体以外，区内存在隐伏岩浆岩体的可能性很大。根据已有资料和区内岩浆活动规律分析，安泽、阳城、晋城范围内可能存在较大规模的燕山期隐伏岩浆岩侵入体，侵位较深。盆地南部和北部正处于北纬35°和38°的燕山期岩浆活动带，而且区外均有岩浆岩体存在，因此盆地北部也很可能有较大的隐伏岩体存在。

这些成煤期后的区域岩浆活动，使活动区地温升高，加快、提高了煤变质演化程度，在原有煤层区域深成热变质作用的背景上叠加了局部异常热变质作用，其综合作用造成了现今煤变质程度平面展布的基本面貌。

古地热场特征

煤变质演化生烃是古地热场热力作用的结果，古地热场直接控制着煤层在地质历史中的受热温度和受热强度，从而达到对煤化作用进程和有机质热演化生烃历程的控制。

沁水盆地煤化作用进程具有分阶段和不连续的特点，与盆地构造演化阶段类似，自煤系沉积以来也主要经历了三个阶段：

（1）石炭-三叠纪的正常地热场发展阶段，煤层具有深成变质作用演化特征。地层连续接受沉积，未见印支期岩浆活动，煤热演化活动主要受控于上覆地层厚度。南部阳城地区埋深最大，煤级演化至瘦、贫煤，中部及北部如安泽、沁源-沁县埋深较浅，基本处于焦煤阶段。

（2）晚古生代异常地热场演化阶段，煤化作用特征为区域热变质作用。燕山运动中期的构造岩浆热事件将强大的附加热流叠加于正常大地热流背景之上，导致异常高古地热场的形成和局部热变质作用，古地温迅速升高，煤级急剧升高，至早白垩世末完成了主要煤化作用历程。由于异常古地热场不均一性和构造分异导致的埋深差异，使煤化程度发生区域性分异。阳城-晋城一带及北部阳泉一带煤化程度相对较高，最高煤级达到超无烟煤。

（3）新生代正常地热场阶段，煤化作用基本停止。进入新生代喜山期，深部异常热源影响显著减弱，正常古地热场得以恢复，煤层受热温度快速降低，煤化作用终止。

盆地煤层气聚集区划

对煤层气赋存的聚集区带进行划分，是煤层气地质研究走向深入的基础性工作。基于前面针对沁水盆地煤层气赋存的基本地质背景的分析，并借鉴前人研究成果，在对盆地煤层气地质控制因素有一定的研究和认识的基础上，进行了该盆地的煤层气聚集区划分。

煤层气聚集区划方案

通过上述地质背景的分析，可以看出造成沁水盆地煤层气不同地域聚集特征不同的主要因素在于燕山期异常古地热场的的出现、不同构造型式以及水动力环境的影响。这三种地质因素在不同级次上发挥作用：构造因素是最基本的控制因素，它控制形成了沁水盆地煤层气不同的地质聚集模式；水动力和热力场因素则在构造区划的基本框架内发挥作用，促成不同特征聚集区的形成。因此，基于沁水盆地构造区划特征，提出沁水盆地三大聚集区带。

（1）盆内平缓带聚集区

沁水盆地向斜轴部由于埋藏较深，其含气量明显要高于向斜两翼，随着向斜轴部煤层埋深增大，上覆盖层厚度增大，利于维持一定的地层压力，且向斜核部裂隙发育程度变差，煤层气的扩散极为困难；地下水处于弱径流状态或滞流状态，因地下水流动而引起的煤层气损失量小，同时地下水在流向向斜轴部的方向上还可形成水力封闭，阻止了煤层气的散失。因此，沁水盆地煤层相对平缓的轴部地带煤层气的聚集条件较好。

（2）盆缘斜坡带聚集区

盆缘斜坡是盆地受构造挤压或地壳不均匀抬升作用的结果，因其构造应力相对集中，构造变形相对明显而区别于盆地向斜轴部区域，煤层气聚集特点具有特定的构造地质背景与水文地质背景。盆缘斜坡带由于地壳的抬升，在正常地热场条件下煤层热演化终止时间一般较早，热变质程度及含气量相对较低。煤层气生成作用终止以后的吸附、储集以及运移、逸散成为决定煤层气聚集的主要控制因素。因此，次级褶皱发育特征、水动力封闭及异常热力场条件的良好匹配将成为斜坡带有利的聚集区域。

（3）裂陷带聚集区

研究区不同断块差异升降运动以及第三、四纪局部快速沉降，对煤储层压力和煤层气含气量、饱和度也产生了显著影响。裂陷区断裂构造较发育，在煤层中形成很多外生裂隙，形成煤层气储集或运移的通道，使得煤层气向某一地段富集或散失，对煤层气的局部赋存分布产生再分配。同时，裂陷地区的快速沉降，使煤层的埋深再度加大，则有利于煤层气的继续保存和煤化作用的进一步向前发展。特别是在水动力封闭地区，比较有利于煤层气的聚集。

煤层气富集类型划分

依据上述聚集区划分类，在具体分析沁水盆地富集控制特征的基础上划分出该盆地基本的富集类型（图5-1）。针对盆内平缓带聚集区，根据构造升降规模和幅度的差异划分为两种富集类型：北段深埋富集类型(Ⅰ-1)和南段浅埋富集类型(Ⅰ-2)。两种富集类型的形成主要受控于燕山期区域构造应力场由挤压体制转变为断块构造差异运动，喜马拉雅期以来，这种差异进一步加剧，从而造成两种区带煤

层气不同程度的保存和逸散。

北段与南段相比煤层埋藏较

深，煤层气保存条件较好，地层压力也相对较高，因此，北段富集程度好于南段。此外，两种类型区块具有基本相似的水动力条件和热力场特征，煤层及顶底板裂隙发育程度也较差；鉴于南段处于新第三纪以来的构造应力场高主应 力差值区，也相对改善了煤层气的保存和富集成藏，部分地区具有相对较高的渗透率条件

下，开采价值高于北段。对于第二类盆缘斜坡带聚集区，由于其特殊的构造位置与型式，含水层富水性与水动力较强，处于地下水的补给、径流与排泄部位，在地下水的补给、排泄区，地下水的流动使得煤层气含量降低，不利于富集，而在深部径流区，煤层气随着地下水运移并在水压作用下重新聚集。这里则依据水动力特征差异划分为两类：地下水箕状缓流富集类型(Ⅱ-1)和地下水封闭富集类型(Ⅱ-2)。前一种类型主要出现在沁水盆地东西两翼斜坡带，由于深部地下水的滞流，三面水势较高，一面水势较低且有地下水的补给，水位等势面呈簸箕状，地下水补给方向与煤层气运移方向相反，且水流主要沿地层走向方向缓慢流出地表，对煤层气的保存较为有利；后一种类型则主要发育在沁水盆地斜坡带的南北两端，尤其是南部的晋城地区由于水动力的圈闭和断层封堵，甚至沿断层附近出现地下水滞流区，改善了煤层气保存条件，加之东北、东南两端异常高热古地热场的出现，对煤变质作用和煤层气的生成产生了显著的影响，使得煤层含气量增大，富集程度提高。

而对于裂陷带聚集区，依据裂陷作用程度，划分为两种富集类型：新裂陷带富集类型(-1)和裂陷波及带富集类型(Ⅲ-2)。裂陷带由于张性断层发育较多，且断距一般较大，造成煤层气散失严重，含气量一般较低，特别是在长治新裂陷带内，煤层埋深不够大，较难形成煤层气的聚集，但是在断层间局部地区由于水动力封堵或高构造应力场的作用仍有富集的可能。而对于裂陷周缘影响带，则是另外一种情况：首先其周缘区带具有一定含气量；其次由于构造应力作用的影响，煤层及其围岩裂隙发育较好，渗透率相对提高，且具有一定的埋深条件，利于煤层气聚集，可能成为煤层气勘探开发有利区。此类地区主要包括晋中新裂陷周缘带和沁水盆地中段长治新裂陷影响区，后者更处于现代构造应力场的高主应力差值区，煤层裂隙发育，前景较好。

讨论

鉴于以前的研究者们已经就该研究区煤层气勘探与开发做了大量的工作，并积累了丰富的原始资料、数据和有关结论，同时结合作者在所积累的第一手研究资料及数据，基于上述资料、数据、观点及结论的深入探讨和分析，本对盆地煤层气地质控制因素有一定的研究和认识的基础上，进行了该盆地的煤层气聚集区划分，并提出沁水盆地三大聚集区带。依据沁水盆地聚集区划分类，在具体分析沁水盆地富集控制特征的基础上划分出该盆地基本的富集类型。

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