華北地區石炭二疊系煤層氣富集區水文地質特征

  華北古克拉通(或中朝地臺)石炭- 二疊紀海陸過渡相為主的沉積環境形成了中國含煤量最為豐富的一套碳酸鹽巖與碎屑巖交互層系,由于該地區屬于中國經濟發達區,能源需求量大;又因有較大面積的煤層埋藏淺于2000m,屬煤層吸附氣的勘探領域,所以該地臺區的煤層氣資源評估及開采倍受有關單位重視。原石油天然氣總公司在大城地區、原地質礦產部在柳林地區、煤炭工業總公司在晉城地區,煤層氣勘探及試采各獲得了成果,同時也證實該3個地區為煤層氣較富集的地區。西方國家的勘探實踐證明煤系地層的水文地質條件是影響煤層氣成藏、富集、保存及開采的重要地質因素之一。本文試圖從上述3個地區的水文地質條件入手,通過與國外典型煤層氣田的對比,評價上述地區的煤層氣富集的水文地質因素,總結華北地區石炭- 二疊系煤層氣富集的水文地質規律。

 

  1 地質概況

 

  大城地區位于渤海灣盆地滄縣隆起西北翼和冀中坳陷霸縣凹陷東南側,以滄縣隆起的大城凸起為主體。其東南為大城- 靜海斷裂帶、毗鄰里坦凹陷;西北為楊村- 文安斜坡帶。基本構造形態為東南高、西北低、走向北東、傾向北西的單斜構造,上傾方向沿石炭- 二疊系剝蝕帶附近被斷層切割成一些局部小高點。地層主要為上古生界石炭- 二疊系及下古生界和中上元古界,因該區屬平原地區,全部為新生界所覆蓋。煤層主要發育在太原組及山西組,埋深1000～ 1800m。中石炭世本溪期海水由東向西侵入本區,廣泛沉積一套濱海沼澤相含煤建造,沉積厚度0～ 90m; 晚石炭世太原期大面積海進,沉積一套厚達100～ 190m灰黑色泥巖、淺灰色砂巖,富含煤層;早二疊世山西期海退,沉積一套三角洲前緣- 內陸沼澤相暗色泥巖、中粗砂巖, 富含煤層, 沉積厚度100m左右。縱向上,山西、太原組煤層分為6個煤層組,其中山西組下部3#煤組(一般2～ 8m)和太原組下部6 # 煤組(一般10～ 16m)單層厚度較大,全區穩定分布。

 

  晉城地區位于沁水盆地南緣斜坡帶(屬沁水單斜、固縣單斜) ,東臨太行山隆起、西為呂梁山隆起、南為秦嶺緯向構造帶北側、北為沁水盆地腹部。該區地面出露的地層以二疊及三疊系為主,其次是石炭系、奧陶系及第四系。沉積層系自上而下有第四系、第三系、二疊系、石炭系、奧陶系,含煤地層主要為山西組及太原組(埋深400～ 1000m) ,其中太原組是一套三角洲前緣- 淺海陸棚相含煤沉積,含煤10～ 20層,主要穩定可采煤層為15#

 

  煤、較穩定可采煤層為9# 煤; 山西組是一套河流三角洲相含煤沉積,含煤4層,穩定可采煤層為3 # 煤。

 

  柳林地區指鄂爾多斯盆地東部河東地區中區,區域構造上屬鄂爾多斯盆地東緣的晉西撓褶帶,東以離石斷裂為界,西以黃河為界,構造格局大體屬東淺西深、南北走向的西傾單斜構造。該區地層以上古生界為主, 包括新生界、三疊系、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組、奧陶系等。地面露頭以三疊系及上、下石盒子組為主,東側為山西組、太原組出露區,局部有新生界地層覆蓋。該區煤層分布在山西、太原、本溪組內(埋深350～ 800m) ,本溪、太原組為陸表海碳酸鹽臺地沉積體系及堡島體系的復合體系沉積。本溪組厚15～ 35m,由下部紫紅、灰白色鐵鋁巖段及上部灰黑色泥巖夾薄層砂巖、粉砂巖及不穩定碳酸鹽巖組成,含煤1～ 3層,分布不穩定; 太原組厚46～ 120m,由砂巖、泥巖、石灰巖及煤層組成,含煤5～ 8層,大部分煤層為全區穩定分布可采;山西組為淺水三角洲沉積體系,一般以三角洲前緣河口砂壩、支流間灣相開始,過渡到三角洲平原相,主要由砂巖、粉砂巖及泥巖、煤層組成,含煤3～ 7層,主要可采煤層位于下部,分布較穩定。

 

  2 水文地質特征

 

  針對煤層氣主要富集領域的水文地質特點及華北地區的水文地質條件,我們借鑒工程水文地質、油氣田水文地質及國內外學者有關煤層氣水文地質條件的研究成果,將華北地區煤層氣主要勘探領域內的水文地質區帶(或環境)劃分成6種類型,即供水區帶、強交替區帶、弱交替區帶、滯緩區帶、停滯區帶及泄水區帶,其中弱交替區、滯緩區及停滯區又各分為開啟性及封閉性兩個亞類,合計為9種類型。相同類型水文地質區帶的水化學及水動力特征在不同的區域水文地質系統中或者不同的沉積盆地中各有差異,其主要受原始沉積環境、埋藏深度、地層巖性、地面氣候等差異的影響,所以較難制定出較確切的劃分標準。本文重點依據鄂爾多斯盆地及渤海灣盆地實際水文地質資料及地質特點,建立不同類型水文地質區帶的粗略劃分標準。

 

  2. 1 大城地區

 

  大城及周圍地區各類鉆井的古生界地層測壓數據換算成的水壓頭面(以地面為基準面)見圖1。可以看出,東北部王草莊- 楊村地區水壓頭面略高,由葛漁城向西南到蘇橋- 文安地區逐漸降低,大城凸起上的井的水壓頭面略高于文安- 蘇橋潛山帶,大8、大9井的水壓頭較高,是由于該兩井打在子牙河河谷上,地勢低。總體看,奧陶系潛山的水勢面是由北北東向南南西方向降低,文安斜坡帶屬水弱交替帶,最終的泄水區在該區南部的河間一帶,天津附近東- 西向的水定河- 海河流域很可能是另一個泄水區,大城附近沒有明顯的供水區,估計為滄縣隆起第四系下滲水補給的緩慢交替區。相對而言,石炭- 二疊系及下第三系的水壓頭面在不同的井差別很大,反映該兩套層系與奧陶系的水力連通性較差。

 

  探井的產水量一定程度反映該地區的水動力條件,其明顯有3個高產水帶,即工區東北部的王4井- 津1井區、蘇13- 文23井區及大4- 大8井區,其反映出滄縣隆起上的潛山滲透性好; 蘇23潛山帶的顯著水壓頭降低帶和大城凸起南端的近泄水區等特點。

 

  縱向上看,石炭- 二疊系地層水礦化度高于奧陶系、低于上覆沙三、四段; 石炭- 二疊系水型為NaHCO3 及CaCl2 型兼有,奧陶系以NaHCO3 為主,沙三、四段以CaCl2 型為主, 總之,石炭- 二疊系地層水化學性質與奧陶系更接近一些。平面上看(圖1) ,文安斜坡屬高礦化度CaCl2- MgCl2 型水,反映了其封閉條件較好的靜止水文地質特征; 大城凸起上幾乎都為NaHCO3 型水,并有從東北向西南(勝1→大參1→西4)礦化度及氯根含量都增加的特點,反映了北部的供水區環境及南部的泄水區環境。

 

  以上分析可以看出,大城地區石炭- 二疊系屬較平緩穩定區域水動力系統條件下的水弱交替- 滯緩區,承壓條件不顯著,屬于鄰近供水區、泄水區及水交替滯緩區的過渡地帶,水文地質條件比較復雜。

 

  總體而言,大城地區中北段水文地質條件屬距供水區較近,又有西南部停滯區及滯緩區的遮擋,水的承壓環境相對較好,且水交替現象較弱,隔水層及儲水層都較為顯著,是煤層氣富集的較有利水文地質條件地區。

 

  2. 2 晉城地區

 

  石炭- 二疊系的水動力布局見圖2,高平東側、沁水縣城西南部為兩個供水區,陽城南部(沁河)及浮山(本區西側)附近(汾河)為泄水區,供水區與泄水區的距離,短者只有35km左右。石炭- 二疊系的水勢面坡度達7m /km;奧陶系水勢面坡度最大處達20m /km,水位勢能比較大,晉城南部的延河泉、三姑泉涌出量達16000m3 /d是顯著的證據。相對而言,高平西北部地區水壓頭勢面比較平穩,又略有承壓條件。

 

  晉城地區煤層內的水樣分析數據(表2)表明晉

 

  城地區煤層內的地層水礦化度基本相近,略隨深度的加大而增加,水型以重碳酸納型為主,反映了該地區煤系地層水的低鹽度、與地表連通且與深層水沒有強烈交替的特點。

 

  總之,山西太原組較穩定的重碳酸納水型, 2000～ 3000mg /l的總礦化度及主力煤層500～ 700m的水壓頭,有一定的煤層甲烷氣吸附及成藏條件。但是,地層水Cl- 含量較低、晉城地區處于沁水盆地的徑流交替區及局部供、泄水區發育等,煤層氣的富集條件不是很好。尤其是該地區煤層Ro 值達到2. 5%～ 5. 0% ,推測古埋深曾達到4000～ 5000m,所以古水文地質環境與現今差距很大。

 

  2. 3 柳林地區

 

  鄂爾多斯盆地東緣古生界地層在黃河東呂梁山一帶普遍出露地表,由于大氣水的補給,地表水向盆地深部流動形成了良好的承壓水勢條件,計算表明二疊系折算靜水位明顯由東向西降低,最低處在神木- 綏德一帶(榆林- 無定河) ,從峰峰組等水位面看,東部露頭區到西部綏德地區的水位差為818m,說明奧陶系也存在承壓環境,而此段的地形差只有400m左右,這反映東緣地區地下水額外承壓現象更為顯著。

 

  柳林地區地層水的總礦化度在2800× 10- 6～5000× 10- 6之間, 以NaHCO3 型為主, 局部地區有CaCl2 或MgCl2型,見圖3,煤系地層的地層水礦化度變化規律很強,總礦化度及氯根含量都是東低西高,氯根含量在700× 10- 6～ 2500× 10- 6之間。縱向上,總礦化度由淺到深有逐漸增高的大趨勢,但山西組地層水的Cl- 含量明顯高于太原組,且略高于奧陶系,其反映了山西組的水封閉性略好于太原組。

 

  總之,柳林地區上古生界煤系地層水化學特征

 

  顯示出該區的地層水與地表連通,但屬較穩定承壓水動力系統,相對較高礦化度的NaHCO3 水型顯示其對烴類的較好保存條件,并且在400m左右的埋深, Cl- 含量能達到1000mg / l左右,為很有利于煤層氣富集的水化學條件。

 

  3 與美國煤層氣富集區的對比

 

  3. 1 圣胡安盆地

 

  圣胡安盆地煤層氣主要產層為上白堊統水果地組,從盆地的水壓力頭等勢線可以看出: 供水區位于盆地北及西北邊緣圣胡安腳下,泄水區主要在盆地西部圣胡安河谷地,煤層氣富集區為盆地中北部水壓勢頭( 1710～ 2130m)較平緩過渡帶。因氣田區地勢較低,煤系地層普遍存在異常高壓,垂直壓力梯度在1. 86M Pa /100m 左右, 明顯高于靜水壓力梯度1. 01MPa /100m。

 

  水果地組地層水的總礦化度及氯根含量變化比

 

  較大,總體變化規律由北→中→南具低→高→低的變化特點,并且煤層地層水的礦化度平均比砂巖層的要高一些。地層水水性特征反映了地層水的由北向南的區域流動水文地質特征。

 

  總之,圣胡安盆地煤層氣較為富集的水文地質區帶為: 地層水在煤層中向盆地方向的非流動邊界(如區域構造樞紐、斷層帶、相變、非補水區等)附近地區; 水中氯離子濃度大于700mg /l的地區; 靜水壓頭大于1700m (海拔高程) , 煤層地層壓力大于8M Pa的地區。

 

  3. 2 黑勇士盆地

 

  黑勇士盆地上石炭統上波茨維爾組為主要含煤層氣層系,其供水區在盆地北部及東南部;泄水區在盆地西南部的黑勇士河河谷,煤層氣富集區位于中南部水勢面比較平緩的地層水弱交替滯緩區,奧克格羅夫氣田及布羅克組德氣田的低水壓頭區主要是幾十年煤礦開采排水的結果。該盆地產氣煤層的壓力一般為4MPa 左右,埋深340～ 700m,多屬欠壓地層。

 

  波茨維爾組的煤層滲透率較低(時代較圣胡安盆地老)、埋深300m處只有10× 10- 3μm2 ,眾多北北西向的斷層又起遮擋作用(斷層附近煤層產水量明顯降低) ,所以地層水的水文地質條件較為復雜。盡管整體水勢頭不高,煤田附近礦化度低,但煤層氣富集區仍然是封閉性較好,地面水沖刷、交替較弱的水文地質環境。

 

  3. 3 煤層氣富集的有利水文地質條件

 

  通過圣胡安盆地及黑勇士盆地煤層氣富集區水文地質條件的分析,筆者認為其共同的特點為:

 

  ① 煤層氣富集區都位于向斜性盆地的陡坡整體水壓勢面較陡但局部平緩的地區。該地區的形成一般由于褶皺、斷層或巖性相變的遮擋作用,且煤層及砂巖的滲透性好于其它地區。

 

  ② 煤層氣富集區一般距供水區較近,而距泄水區較遠,可以是多個供水區的匯合處,但不能是多個泄水區的分支處,屬地層水緩慢交替區。

 

  ③ 地層水礦化度略高( 3000～ 10000mg /l ) ,但屬NaHCO3 水型,硫酸根含量低,即與地面連通但與地下水交替不強烈的水化學性質,封閉性極強的CaCl2 水型不利于開采。

 

  ④ 微量元素中,富含Sr、B、Ba的地層水性質較為有利,并且常常富含有機酸等有機物。

 

  3. 4 與華北地區石炭- 二疊系煤層氣富集區水文地質條件的對比分析

 

  大城、晉城及柳林地區的煤層氣目的層都為石炭- 二疊系,并且巖性都為海陸交互相的砂、泥、灰、煤巖互層,時代上與黑勇士盆地可比性很強,巖性組合上與圣胡安盆地可比性很強,并且3個地區之間有很多方面可以進行對比。

 

  3. 4. 1 水動力條件

 

  大城凸起遠距供水區及泄水區,因靠近滄縣隆起,開啟性斷層又較發育,屬弱交替- 滯緩區。因奧陶系風化帶的良好滲透性、水勢面坡度降很小,承壓條件較差。石炭- 二疊系內部水封閉條件略好,但滲透性較差。

 

  晉城地區遠距供水區、近距泄水區,為水弱交替區,局部的供水區與泄水區相距很近,局部組成強交替區帶,整體為向斜盆地的緩坡帶,水勢面坡度較明顯,有一定的承壓條件。

 

  柳林地區近距供水區、遠距泄水區,構造上屬盆地的陡坡帶,石炭- 二疊系為滯緩區帶、地層水承壓性較顯著,其水動力條件與圣胡安盆地較為相似,不利因素是奧陶系滲透性很好、地層水承壓條件不很好。

 

  明顯地晉城及柳林地區的水勢面坡度與美國的兩個盆地最相近,大城地區相差很大(表3)。綜合水動力環境條件及距供、泄水區的遠近,柳林地區為煤層氣富集水動力條件最好的地區,大城地區次之,晉城地區較差。

 

  3. 4. 2 水化學條件

 

  3個地區在500～ 1500m埋深的地層水礦化度基本都在2500～ 10000mg /l之間,都以NaHCO3 水型為主,但各種礦物離子的含量差別仍較大。筆者將3個地區最接近圣胡安盆地水果地組水樣( 1～ 4號樣品位于北部供水區; 6～ 8號樣品位于承壓滯緩區,為煤層氣富集區; 9、10號樣品位于泄水區)的斯蒂夫離子比率圖① 進行對比(表4) ,仍存在著一些差別,主要是硫酸根含量高, Mg /Ca比值低。相對而言柳林地區、晉城地區的水性質與圣胡安盆地2～ 4號樣品最相似,而大參1井石炭- 二疊系水性質變化較大。相對而言,柳林地區水化學性質最有利,其次是大城地區,晉城地區略差。

 

  3. 4. 3 古水文地質條件分析

 

  圣胡安盆地及黑勇士盆地的煤層Ro 都在0.6% ～ 1. 9%之間,處于無煙煤- 瘦煤的煤階,埋藏后沒有大的抬升剝蝕,即沒有水動力強烈變化歷史。晉城、大城地區都曾經埋深3000多米后又抬升,新生界又沉積了300～ 1000m厚的地層,所以古水文地質條件與現今水文地質條件有差別,估計早期形成的煤層甲烷氣抬升時期大部分已被地面較強的水動力系統所破壞。柳林地區的相對較低煤階,反映了古水文地質條件的平穩發展,較為有利。

 

  從煤巖的微量元素分析對比來看,柳林地區的5號煤、沁水盆地的8號煤、大城地區單3號煤具有高含Ba2+ 、Sr2+ 、Fe2+ 等微量元素的特點,是相對較穩定的水文地質演化歷史的特征。平面對比,柳林地區優于晉城地區。

 

  總之,柳林地區古、今水文地質條件都較為有利,晉城地區現今的水文地質條件略差于大城地區,但古水文地質條件比大城地區略好。

 

  4 大城、晉城及柳林地區煤層氣有利

 

  富集區塊初步評價

 

  圣胡安盆地水果地組煤層,除了煤層熱成因吸附氣外,還含有一部分從下伏地層運移來的游離氣及15% ～ 30%的生物成因氣,這也是水果地組煤層具有較高含氣量的重要因素之一; 另一方面,圣胡安盆地及黑勇士盆地都有砂巖大氣田的發現。所以在評價煤層氣富集區時,生物成因氣及常規砂巖氣的富集條件應同時考慮。再者,水溶解氣也是煤層氣開采中不可忽略的資源。我們主要根據水文地質條件的優劣,兼顧煤層氣富集的其它條件,再考慮上述諸因素,選定了4個區塊(表5)做為華北地區上述3個地區今后的有利勘探目標區,即: 柳林地區的吳堡河谷區塊、石樓西側區塊; 晉城地區的固縣東區塊;大城地區的三呼莊北區塊。

 

  以上目標,筆者認為從煤層氣專探的角度分析,柳林的吳堡河谷區塊最好; 從吸附氣及游離氣兼探的角度分析,大城地區的三呼莊北區塊最有利。