基于宏观动力能的煤层气成藏控制作用煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程以山西沁水盆地为例

基于宏观动力能的煤层气成藏控制作用煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程以山西沁水盆地为例

煤炭系统的平衡压力和系统的自我吸附能力在煤层中的分配，因此，煤层天然气的外部干扰响应比传统天然气的外部干扰反应更敏感、更脆弱。中国多阶段地质作用的过程使系统极其复杂。这一系统外因上受控于“四场互动”过程,内因上与“三相耦合”机理密切相关。它们与储层物性(煤储层弹性能的表现形式)一起,共同制约着煤层气的逸失和聚集,控制着煤层气成藏的可能性和可采性。因此,科学描述有效压力系统中能量的聚散机制,揭示能量平衡系统的动态演化过程,是研究复杂地质条件下煤层气藏形成机理、成藏类型和分布规律的前提和基础。1“史”:“动力场、流体化学场”互动过程能量聚散的宏观地质演化过程,是指煤储层在不同的地质历史时期的“四场”(构造应力场、热应力场、地下水动力场、流体化学场)互动过程。“五史”(沉积埋藏史、构造演化史、煤化作用史、有机质生烃史、地下水活动史)之间的不同配置形成不同的“四场”耦合关系,即不同的能量平衡系统,主要能量形式包括构造动力能、热动力能以及地下水动力能。下面以沁水盆地为例,对煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程进行深入研究。1.1工程的能源条件和发展构造动力能条件主要表现为:构造演化史及其古今构造应力场;储层的埋藏历史及其埋深等。1.1.1盆地内部构造差异古构造应力场控制了现今构造形变、构造样式分布特点,决定着煤储层内裂隙的发育程度及分布规律。现代构造应力场对先期形成的构造又起着后期改造作用,并控制着煤储层的受力状态以及裂隙的开合程度。它们共同控制着储层内流体的赋存及运移,与储层渗透率、煤层气的开采密切相关。对研究区晚古生代以来的构造应力场特征及其演化(图1)的研究结果表明:印支期构造应力场具有SN向挤压特征,燕山期表现为NEE—SEE向挤压应力场,喜马拉雅期至现代构造应力场的最大主应力为NEE—SSW向挤压。由于沁水盆地在稳定沉积阶段并不是作为一个独立的沉积坳陷存在,故中生代晚期的构造形成阶段(燕山中晚期)对盆地的现今形态影响巨大,是认识盆地的关键。在印支运动期,沁水盆地主体遭受近南北向的构造挤压。盆地北部阳曲—盂县和南部阳城两个断隆带上形成近东西向的褶皱及两组早期共轭剪裂隙。总体上看,印支期近SN向水平挤压应力场对沁水盆地的影响不大,盆地仍保持了稳定状态,并未在盆地内部形成明显的地质构造,仅使盆地南北两缘产生了一定程度的隆起抬升,形成沁水盆地雏形。在燕山运动期,沁水盆地的构造活动以挤压抬升和褶皱作用最为显著,在盆地内部形成宽缓褶皱。其中,NE—NNE向褶皱最为发育,遍布全区,规模较大,一般长约10~30km。褶皱走向自北向南呈规律性变化,北部阳泉—昔阳一带呈NE向,中部近SN—NNE向,南部阳城以南呈NNE—NE向。在大型褶皱的两翼,往往发育一系列的次级褶皱,在盆地两缘特别是盆地东缘靠近太行山造山带形成了NE向展布的冲断层。同时,盆地局部有强烈地岩浆侵入,形成不均衡高热地热场,使煤化程度快速提升。又由于煤层在抬升过程中上覆压力逐渐减小,从而有利于煤储层中天然裂隙的生成,形成本区特有的煤级虽高但裂隙较为发育的特征,对煤层气生成以及勘探开发十分有利。进入喜山晚期,由于构造应力场的反转,盆地西部、北部的断裂广泛发育,形成晋中、临汾地堑系,促成了长治、榆社、武乡等地形成一些小型山间盆地。沁水盆地燕山期之后构造应力场主应力方向发生反转,最大挤压应力方向为NNE-SSW向,最小主应力为NWW-SEE向,并沿此方向发生应力松弛,表现为拉张应力,导致前期形成的挤压构造发生负反转,形成了规模较小的近SN向背、向斜相间分布,并叠加在燕山期NE—NNE向次级褶皱之上的次级宽缓褶皱。现代构造应力场最大挤压应力呈NNE-SSW向近水平展布,与燕山期NNE-SSW向正断层走向近于平行。在此构造应力场作用下,燕山期形成的具有压剪性质的断层再次活动,致使盆地内部及边缘断裂构造进一步复杂化,盆地中部文王山地垒、二岗山地垒的发育与此有关。现今构造应力场总体上继承了第三纪至第四纪以来的构造应力场特征。沁水盆地东部和顺—长治一带表现为NEE-SWW向水平挤压应力场,西部地区为NNW-SSE向水平挤压应力场;北部、中部和南部地区则均表现为近水平伸展应力场,主应力总体呈NW-SE向展布,仰角较小且较稳定,一般小于20°;主压应力轴总体呈NE-SW向展布,仰角变化较大,一般为40~60°。由此,形成了沁水盆地现代构造格局,其总体趋势是南北分区、东西分带,主要表现为南部和北部的构造端区、榆社—沁源和屯留—安泽构造区。1.1.2段煤层气藏相结合煤层埋藏历史受控于构造发展阶段,每一阶段构造运动的性质决定了该阶段煤层的埋藏特征。因此,埋藏史的演化发展在构造控制下对煤层气的赋存逸散影响很大。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等前人研究成果,可知晚古生代煤层经历了5个埋藏阶段(图2)。1.2晚古生代煤生烃作用演化过程热动力能条件主要包括煤化作用史及煤级(镜质组反射率)、有机质生烃史及生气量和生气强度、地热场演化历史及地温梯度等。(1)研究区主煤层煤级展布:本区煤级具有“东高西低、南高北低、东南最高,中部偏低,跨度极大”的总体展布规律(图3),这是因为研究区晚中生代古地热场具有高地温梯度、高大地热流值、非均一性和瞬时性等异常古地热场的典型特征,它与深埋作用下的正常古地热场背景叠加在一起,共同作用于晚古生代煤层,造成现今煤级分布格局。(2)古地热场发展史与储层受热史:秦勇等于1998年研究表明,本区古地热场演化经历了4个阶段,与此对应的煤层受热历史以及储层热演化历史也经历了4个主要阶段(图3、4)。本区煤层热演化史研究成果表明,晚古生代煤的生烃作用主要发生在两个阶段:第一阶段为快速埋藏、缓慢增温阶段,主要集中于三叠纪期间,表现为深成变质作用过程中的生烃演化;第二阶段为抬升、快速增温阶段,主要发生在晚侏罗世—早白垩世,导致二次生烃作用出现,表现为区域热变质条件下的生烃演化。其中,第二阶段是主要生烃时期,且不同地区煤的生烃强度分异加剧。阳城—翼城地区的生烃作用进展最大,经历了湿气高峰和干气高峰阶段,至阶段末期基本完成了埋藏历史中的整个生烃历程。沁源—沁县和安泽地区通过了湿气阶段,在阶段末开始进入干气高峰时期。临汾—洪洞地区经历了湿气阶段,开始生成干气。霍州地区生烃作用进展最小,阶段末仅达到湿气生成的中期阶段。这种生烃作用地区之间的差异性,是燕山中期构造分异和异常古地热场空间分布非均一性的必然结果。1.3地下水的动态能力和开发条件地下水动力能条件包括地下水动力场及流体势、地下水化学场及矿化度、流体压力以及水对煤基块的“蚀损”作用等。1.3.1径流区地质条件研究区内各泉域地层,构成南部向北、北部向南、东西两侧向中间的复式向斜储水构造。多套含水系统所属种类复杂(直接、间接),而且垂向分层,水平分带,受控于构造运动产生的分水岭。区内发育4个地表水文地质单元:延河泉岩溶水系统(延河、马山泉域)、辛安泉岩溶水系统(辛安泉域)、广胜寺岩溶水系统(洪山泉域、晋祠泉域)、娘子关泉岩溶水系统(娘子关泉域)。盆地大部分地区为地下水径流区,径流的强弱主要取决于构造条件以及地层变化状况。倾角相对较陡的西部单斜地层径流条件强于盆地向斜轴部倾角平缓区,岩溶泉区浅部地层径流条件强于深部,如寿阳—阳泉地区岩溶水水力坡度平均为0.0101,其中补给区为0.06~0.08,排泄区泉口附近为0.06~0.012,而径流区仅为0.004~0.001。沁水盆地古生界存在三套水动力系统,但是奥陶系水层与上古生界为相互独立的含水系统,3煤和5煤的水动力系统也是彼此分割的。区内有4条重要的水文地质边界,近EW向和NNE-NE向各2条。其中,3条边界是由次级隆起形成的地下分水岭,1条为南部的寺头断裂。沿近EW向展布的2条边界分别位于沁水盆地中、南部的北部和中部。北部边界为武乡—沁县近EW向次级隆起,为基本阻水边界,构成辛安泉域与延河泉域的南部分界。该地下分水岭有往NW方向延伸的趋势,构成了沁水盆地中、南部南、北水文地质条件差异的重要分界线。沿近SN向产出的2条边界分别在沁水盆地中、南部的东北部和南部。东北部边界沿沾尚—武乡北北东向褶皱带展布,为一地下分水岭,构成了辛安泉域的西部边界。南部边界为寺头正断层,是延河泉域与广胜寺泉域的北部分界。1.3.2盆地内地下水流变及其影响要研究煤储层气、水形成与运移及其相互之间的关系,必须进行古水文地质研究,恢复水文地质历史和正确划分古水文地质期。前人对古水文地质期的划分方法相对简单,存在明显的缺陷:(1)没有考虑所要研究的主要目的层,缺乏应有的针对性;(2)未充分明确具体的研究时期。一个水文地质期必须与煤储层气、水的运聚和煤层气藏的保存紧密结合起来。因此,古水文地质期划分应与研究区的沉积-埋藏史、构造演化史和成烃史紧密结合,以所研究的目的层为核心开展工作。地下水动力场的形成、演化是盆地构造演化在孔隙流体中的综合反映,直接受控于构造性质及其演化史、沉积环境、盆地地貌、水文网等,而现今地下水动力场与气、水分布规律则是古地下水动力场演化的结果。从前述已知,研究区共经历了4次构造运动,煤层气的大量生成及主要运移期在晚侏罗世—早白垩世(燕山中期)。因此,沁水盆地煤储层的水动力条件可以由两个古水文地质期(A阶段、B阶段)和现今水文地质条件来确定。前者以燕山运动中期为界,包括燕山运动早期古水文地质期(A阶段——盆地沉积埋藏压实排水形成的压榨水离心流阶段)和燕山运动中晚期古水文地质期(B阶段——盆地抬升剥蚀导致的大气水下渗向心流阶段)。在A阶段时,盆地处于沉积埋藏压实排水阶段,石炭纪—二叠纪煤系在盆地形成之前已经被充分压实,盆地形成后,北部太原一带隆起形成北部高地,东部为太行山造山带,西部自霍山隆起东北翼至梁坪寨、走马坪到昔阳的老庙山形成北东—北北东走向低山带,因此,整个研究区总体上呈东西高南北低、中部较高的地势趋势,但是盆地内构造分异作用并不显著。地下水在重力和地层压力驱动下从高地势区向低地势区顺层径流,此时煤储层处于深成变质作用。在盆地西部环斜坡带高势能区,地下水在势能差或水头差作用下,向盆地复向斜轴部区流动,形成向心流。但是,轴部区埋深较大,静岩压力高,宽缓褶皱发育,地层裂缝并未闭合,地下水并未停滞,在高地层压力作用下形成压榨水离心流,于是在向心流与离心流交汇处(盆地斜坡带)形成异常高压,有利于煤层气富集成藏。在盆地东南部单斜区,地下水主径流方向与地层倾向相反,流体运动不仅要克服水岩作用力,还要克服自身重力,地层越陡,阻力就越大,需要的传动能量就越多,于是能量聚集形成高压,同样有利于煤层气成藏,如南部的晋城—阳城—端氏一带。盆地东北部也与南部一样具有异常的地层压力。在B阶段时,盆地轮廓已经形成,地壳运动以抬升剥蚀为主,但内部构造分异作用十分强烈。燕山运动中晚期岩浆侵入使地温剧增,晚古生代煤进入二次生烃阶段,该期既是石炭纪—二叠纪煤层的主要生气期,也是含煤地层强烈抬升,上覆岩层压力降低,气体大量散失时期。盆地的不断抬升,带来了充足的大气水和地表水补给条件以及较好的径流条件,煤层及其围岩中地下水交替活跃,不断溶解和运移煤层气体,不利于煤层气成藏,这可能是造成盆地内煤层气欠饱和的主要地质因素。在盆地东部、西北部地区,燕山中晚期及喜山期断裂作用产生众多张性裂隙,形成地下压降漏斗,使煤层气大量解吸和扩散。此外,地下水的注入溶蚀作用和奥陶系灰岩中岩溶陷落柱的发育,也不利于煤层气成藏,如介休、左权地区等。盆地东北部也具有同样的情况,断裂和岩溶陷落柱的发育,引起地下水排泄,降低了地层压力,对煤层气成藏有一定影响,如长治—潞安、阳泉地区等。盆地中南部地区,由于构造分异,张性断裂和岩溶陷落柱不发育,煤储层只能在供水区接受大气降水的渗入,水位西高东低、北高南低,形成向心流,但是该区水力梯度缓,水交替缓慢甚至停滞,能量大量聚集形成高压,利于煤层气成藏,如晋城—阳城、沁源、沁水等地。1.3.3当前地下水动力分析(1)盆地内径流、富水情况强径流区位于盆缘向内3~5km范围内,石炭系顶界标高700~1000m。区内的断裂和次级褶皱相对发育,富水程度相对较高,钻孔单位涌水量大于4.34L/(s·m),矿化度一般为356.84~542.2mg/L,水质类型以HCO-3、SO2-4-Ca2+、Mg2+型为主,岩溶水处于无压转承压状态,水力坡度变化较缓,径流条件强,煤层含气量普遍较低。中等径流区位于盆地环斜坡地带,平面宽度约3~8km,石炭系顶界标高400~700m,受断层和次级褶皱的影响,径流条件不强,岩溶水处于承压状态,岩溶、裂隙比较发育,富水程度极不均一,钻孔单位涌水量为0.472~10.265L/(s·m),矿化度一般为465.72~1399.18mg/L,水质类型以SO2-4、HCO-3-Ca2+、Mg2+为主,水力坡度中等,煤层含气量及渗透率变化幅度大,局部地段排水降压困难。弱径流区位于盆地深部和东南部,为地下水的滞流边界,富水程度高,钻孔单位涌水量为0.877L/(s·m),水质明显变差,矿化度高达1823.61mg/L,水质类型为SO2-4-Ca2+、Mg2+型。在次级背斜轴部裂隙、岩溶发育地带,径流相对增强。本区地下水等势面具有北高南低的总体态势,但内部水文地质界线使区内地下水动力条件并非如此简单,发育了若干个相对“低洼”的汇水中心。(2)地下水的补给区域分布中奥陶统地下水化学场:在盆地东部和南部分别发育了3个高矿化度的中心:ue5b0南部的大宁—潘庄一带,中奥陶统地下水矿化度高达3000mg/L以上。寺头断层落差较大,使煤系地层与奥陶系地层相接触,加之上部石炭、二叠系地层覆盖较厚,地表降雨入渗微弱,其北部缺少岩溶水补给来源,形成一个滞流区。ue5b1晋获断裂中段西侧的长子附近,水化学类型为SO2-4、HCO-3-Ca2+、Mg2+型,矿化度近2000mg/L。在其附近的二岗山地垒,岩溶水处于承压状态,裂隙较为发育,富水性强,矿化度46~1400mg/L,SO2-4为147~849mg/L,水质以SO2-4、HCO-3-Ca2+、Mg2+型为主。ue5b2晋获断裂北段西侧的屯留地区,水化学类型同样为SO2-4、HCO-3-Ca2+、Mg2+型,矿化度可达2000mg/L。这些高矿化度中心地带是地下水高度滞流的反映。在盆地轴部,中奥陶统含水层埋藏深度大,与上覆其他含水层之间的水力联系极弱,是一个相对滞流的承压封闭系统,矿化度沿径流方向逐渐增大。太原组含水层地下水化学场:矿化度展现出由NW向SE增高的总趋势,区域补给主要来自于西北部地区,局部地区地下水具有明显的滞流或缓流特征,对上主煤层中煤层气的保存极为有利(图5)。但与中奥陶统相比,仍发生了明显变化。首先,太原组矿化度在西北部与东北部的差异减小,并且矿化度等值线走向在东北部有明显向北偏转的趋势,表明西北部补给的重要性开始加强。第二,北部存在一片矿化度相对较高的地带,覆盖了沁源―安泽之间的大片地区,与太原组等势面“平台”或相对汇水“洼地”出现的位置一致,进一步揭示出这一地域太原组地下水径流相对较缓的事实。第三,奥陶系含水层南部高矿化度中心的展布范围在太原组含水层中显著扩大,在大宁―潘庄一带的中心地带矿化度达2000mg/L,最高可达2600mg/L,矿化度高于1800mg/L的地带可扩展至樊庄以北地区。山西组含水层地下水化学场:区域展布格局在一定程度上继承了下伏太原组含水层的总体面貌,但是也发生了重要改变。山西组地下水化学场最重要的转变特征,是矿化度区域展布态势所反映出的主要补给区相对重要性的变化。在北部,矿化度等值线展布方向由太原组的NNE—SE方向转变为本组含水层的NNW方向,等值线呈顶部朝北凸出弧形产出,弧顶连线偏向盆地轴部以西,同时东北部的矿化度明显高于西北部地区。换言之,本组地下水主要补给区域可能由太原组和马家沟组的西北部地区转变为东北部地区。这一转换,也导致了屯留一带太原组较高矿化度中心在山西组的消失。此外,研究区南部的高矿化度地带依然存在,而且其范围进一步向周边地区扩展,矿化度大于1000mg/L的地域覆盖了包括郑庄、大宁、潘庄、樊庄、赵庄南在内的广大地区,反映出地下水高度滞流的特征,对煤层气的保存极有利(图6)。(3)大气水源补径排东、南、西、北晋城地区位于沁水盆地复式向斜南缘,呈单斜向盆地内延伸。上主煤层3号煤直接顶板为大套泥岩、砂泥岩,透气、透水性差,地下水呈汇流状态。东部和南部为大气降水补给,北部和西部有分水岭的水源补给。东、南、西、北4面水体向水位低等势面部位汇流。其结果阻止了煤层气向浅部扩散,水流趋于停滞,煤层气不易散失,储层压力高,含气量和含气饱和度高,具有煤层气成藏的前提条件。地下水自分水岭流经樊庄区块,流向潘庄区块,樊庄区块水流相对活跃,潘庄区块处于相对汇水区,水流滞缓,所以同是15煤,尽管樊庄区块埋深大于潘庄区块,但潘庄区块含气量仍明显高于樊庄区块。2煤储层渗透性和煤质元素含量的关系煤层气成藏能量平衡系统受控于构造应力能、地下水动力能和热动力能。构造应力能表现为现代构造应力场和古构造应力场构造演化导致的储层埋藏深度分异,前者通过与天然裂隙之间的耦合关系控制煤储层的渗透性;后者则通过上覆岩柱压力来决定煤储层渗透性高低。地下水动力能通过地下水径流状态变化对煤层气富集起着关键性影响,热动力能则通过煤化作用和煤级高低控制煤吸附性和力学性质,从而影响到煤层气富集格局。宏观动力能之间相互耦合,在时间上的地质选择过程和空间上的有效配置,对煤层气成藏起着巨大的制约作用。2.1结构动力可分为异质气藏和分层开采(1)构造应力场裂隙发育程度区寿阳—阳泉南部地区:包括沾尚—北横岭鼻状挠曲构造带和阳泉—昔阳鼻状挠曲构造带高曲率发育区,主曲率一般为(0.1~0.5)×10-4/m。煤层裂隙发育,是两期应力场作用下节理发育的复合部位。左权地区:包括秋树岭—狼卧沟背斜构造带高曲率(大于0.5×10-4/m)发育区,也是东部断层作用区,北东向和北西向裂隙沿和顺—左权—襄垣一带,NNE向展布。屯留—襄垣地区:为中部近东西向断层和东部NE—NNE向断层作用复合区,裂隙十分发育,常村、五阳3煤微观裂隙发育密度一般在200条/m以上,高者可达870条/m,王庄矿外生裂隙可达72条/m,充填不明显或基本无充填。沁源地区:包括沁水盆地西部近南北向构造带、沁源背斜构造带、柳湾背斜构造带和王家庄背斜构造带及夹在其间一些向斜,主曲率值在(-0.3~0.5)×10-4/m内变化。同时,也是中部近东西向断层西段的作用区,裂隙发育程度高。阳城北地区:固县鼻状挠曲构造带和岳家庄背斜构造带南端、云台山—郑庄鼻状挠曲构造带和端氏断裂构造带东端复合作用区,主曲率大于0.1×10-4/m,高值呈北北东向展布,多期构造应力场裂隙交叉发育,是有利裂隙带发育区。晋城东地区:邻近沁水盆地东部北北东向断裂,受断裂影响大,两期构造应力场产生的裂隙发育,且互相切割。主曲率值介于(0.1~0.3)×10-4/m之间。综合分析认为,上述6个地区为有利裂隙发育区,同时也是煤层气相对富集、渗透率相对较高的区带(图7)。(2)高煤级中、浅埋类型煤层含气性的特征本区内晚古生代煤层上覆二叠系—三叠系残留厚度与煤层含气量之间没有明显的正相关关系。研究发现,区内较高煤级中、浅埋类型煤层的含气性最好,中等、较高煤级类型具有较好的含气性,而较低煤级煤层,无论是浅埋、中埋还是深埋,含气性都极差。因此,对煤层含气量起决定作用的并不是上覆基岩的残留厚度,而更重要的取决于煤级、煤的孔隙特征、构造条件以及控制煤级分布的古地热场条件,而煤层含气性好坏则显然取决于煤级的高低。(3)煤气事件对煤层含气性的影响煤层埋藏史对煤层气的保存具有很大影响,它通过煤层埋藏深度、煤层与煤层气逸散带之间的接近程度以及煤层处于(古)逸散带中时间的长短的制约而发挥控气作用。研究区晚古生代煤层埋藏模式表现为三种基本类型,控气特征分别为:①阳城—翼城、霍州、汾西等地区的“V”型模式。煤层进入逸散带的地质时代和时限变化较大,导致不同地区煤层气的保存条件存在较大差异。煤层进入煤层气逸散带晚以及停留时间短的地区,煤层气被大量保存,煤层含气性高;反之,则煤层气基本放散殆尽,煤层含气性极低。②沁源—沁县和安泽地区的“W”型模式。煤层从未进入煤层气逸散带或者进入晚、停留时间短,除了盆地边缘的狭长地带外,剥蚀作用始终未能穿透三叠系,煤层气的保存条件较好。但是,部分地区(如安泽)自新近纪以来煤层最大埋深一直处于煤层气逸散的临界深度线附近,可能对煤层气的保存造成一定的不利影响。③临汾盆地的反“N”模式。三叠系残留厚度大,晚古生代煤系埋深大,始终未与煤层气逸散带接触,对煤层气的保存最有利。2.2热动力的异质结和对煤层形成的控制作用(1)煤层分布和煤层含气量煤级对煤层的含气性具有明显的控制作用,区内主煤层含气量呈现“南高北低、东高西低、东南最高”的展布格局,与煤级的展布格局基本一致。(2)煤层含气量与二次透气性的关系本区晚古生代煤层在燕山中期异常古地热场作用下发生二次生烃,并具有作用时间短、煤中有机质热降解效率高、生烃强度大等特点。而二次生气量与煤层含气量之间的关系,其增长趋势是相同的,并在区域展布格局上高度一致。二次生气量增大,煤层含气量随之增高,但两者并非呈线性关系。一般情况下,在二次生气量小于150m3/t的地区,随着二次生气量的增大,煤层含气量增长较快;当二次生气量大于150m3/t之后,煤层含气量的增长速度变缓。从区域分布来看,除局部地区以外,二次生气量展布规律与煤层含气量分布趋势一致,二者都显示出“南高北低、东高西低、东南最高”的区域总体展布格局。(3)是否有利、不利区域热动力能分异控制着煤储层的受热历史、煤化历史及生烃历史,一方面,在古地热场的控制下煤储层达到煤化作用程度,并经历二次生烃作用;另一方面,煤层的埋藏历史与受热历史相互作用,共同制约着煤层气的生成、富集和逸散。从研究区的角度来分析,是否利于煤层气成藏主要表现在以下几个区域:①极有利区域,包括阳城—翼城、临汾—洪洞和沁源—沁县三个地区。无烟煤,二次生烃时间长,经历了至少一个生气高峰,煤化作用停止时已达到干气阶段,储层进入逸散带的地质时代较晚且停留时间短,或从未暴露于逸散带中,含气性最好。②有利区域,包括安泽、潞安、寿阳、阳泉南等地区。高煤化烟煤和低级无烟煤,二次生烃时间长,经历第一个生气高峰,煤化作用停止时已进入干气阶段,但储层在逸散带的临界深度附近停留时间较长,煤层气有一定程度的逸散,含气性中等。③不利区域,包括霍州、左权—和顺等地区。低中煤化烟煤,二次生烃时间短,未经历生气高峰阶段或仅进入第一个生气高峰,煤化作用停止时处于湿气早中期阶段,储层进入逸散带的地质时代早,停留时间长,大量煤层气逸散,含气量很低。2.3煤质细孔隙运移—地下水动力能分异对煤层气成藏的控制作用地下水总是由高水位向低水位流动,引起煤层裂隙系统中水头场与压力场的变化,压力的降低,导致煤层甲烷在煤基质微孔隙表面解吸,并通过浓度扩散由煤基质的微孔隙扩散至裂隙割理系统,然后随地下水的流动,产生运移—逸散(或再吸附)这样一个循环过程。地下水流向、地质构造、煤层围岩与覆盖层岩性特征差异,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很大的影响。(1)煤储层和煤系围岩含水层地下水流场变化影响煤储层和煤系围岩含水层中的地下水流动主要是重力驱动,在无构造影响的情况下,一般从埋藏较浅的补给区顺层沿水力坡降从高势能区向低势能区流动,而煤层气则由高压向低压方向运移,那么在倾斜的含煤盆地中,地下水的流向一般与煤层气运移方向呈相逆、相同两种组合形式,它们对煤层气富集的不同影响主要表现在三个方面:当煤储层和煤系围岩含水层地下水流向与煤层气运移方向相反时,有利于煤层气富集;当煤储层和煤系围岩含水层地下水流方向和煤层气运移方向一致时,不利于煤层气富集;煤储层和煤系围岩含水层地下水汇流区有利于煤层气富集。例如,潞安矿区位于沁水复式向斜中部,为复式向斜呈单斜向的盆内延伸,在丰宜—石哲乡一带,西部沁县—中村的NNE向地下分水岭及南部高村—南庄近东西向的地下分水岭使得这一带的地下水呈四周高中间低的汇流状态。地下水在汇流过程中一方面对逆水流方向运移的煤层气产生阻力,另一方面地下水携流动过程溶解的部分煤层气向汇水中心聚集,使煤层气在此地富集(如图8)。(2)地下水水势面地质特征本区地下水与煤层有效压力系统之间的关系主要表现为水力运移逸散和水力封闭两种作用类型。前者分布广泛,后者仅局限于南部、东部和西北部的局部地带。就本区水力封闭性而言,根据水文地质条件和构造部位又可进一步分成“滞流”和“缓流”两大类型。①等势面“洼地”滞流型:出现在寺头断层以东、晋获断层带以西、高平近东西向分水岭以南、南部近北西向分水岭以北的地区,即大宁—潘庄—樊庄一带。等势面明显呈“洼地”形态,矿化度极高,地下水几乎呈封闭状态。根据西部YS-15、中部YS-6、中东部YS-5孔等抽水实验资料,山西组、太原组和马家沟组的水量均很小,水温较高。经水质分析,全固形物和硬度均很大,氚同位素值较低,表明地下水流不畅,地表水入渗微弱,煤层气因水力封闭而富集。②等势面箕状缓流型:发育在屯留、沁源—安泽、潘庄北等。三面水势较高,一面水势较低,水势低的一面有水源补给,径流受到封阻。地层产状呈簸箕状,地下水静水压力高,在重力驱动下流动十分缓慢,对煤层气的保存较有利。③等势面扇状缓流型:为南部沁水地区,并以郑庄一带较为典型。北面和西面水势较高,东西和南面水势相对较低。水势低的部位或被寺头断裂阻隔,或在露头地带受到地表水补给,径流有被封阻的趋势,煤层气随地下水运移的逸散作用可能相对减弱。2.4宏观动力能耦合关系结合煤层气成藏的宏观动力能条件及其地质演化过程,以构造应力能为主线,将其他能量场贯穿起来,可知研究区煤层气成藏的宏观动力能耦合关系如下:(1)煤储区煤层赋存特征位于阳泉—寿阳之间及其以南,面积约为576.25km2,埋深300~600m,煤厚超过6m,无烟煤。盖层为砂质泥岩,试井渗透率最高达13.6×10-3μm2,资源量749×108m3,资源丰度为1.3×108m3/km2。该区处于沾尚—北横岭和阳泉—昔阳鼻状挠曲构造带高曲率发育区,煤层裂隙是两期应力场作用下节理发育的复合部位。煤储层具有较好的地下水补给条件,局部地带渗透率、含气饱和程度较高,是煤层气成藏有利区之一。但是该区渗透率分布的非均一性极强,而且张性断裂和岩溶陷落柱十分发育,引起地下水排泄降压,不利于煤层气高产。(2)地层地质条件位于晋城—阳城之间及其以北,包括沁水北部地区,面积约为1190.65km2,埋深300~1500m,南浅北深。煤厚超过8m,无烟煤。盖层为一套50m厚的泥岩,保存条件好。资源量为2189×108m3,资源丰度为2.03×108m3/km2。该区处于固县鼻状挠曲构造带和岳家庄背斜构造带南端、云台山—郑庄鼻状挠曲构造带和端氏断裂构造带东端复合作用区,NNE向断裂发育,多期应力场裂隙交叉发育,是有利裂隙带发育区。地下水不活跃,以弱径流和滞流为主,煤层处于正常压力和微超压状态,渗透率、含气饱和程度较高,不仅有利于煤层气富集,而且利于煤层气高产。(3)有利油气区区位于屯留北部、襄垣南部地区及沁源地区,面积约为900km2,埋深300~1000m,煤厚超过6m,以贫煤为主。资源量为872×108m3,资源丰度为1.17×108m3/km2。该区处于沁源背斜构造带、柳湾背斜构造带和王家庄背斜构造带复合作用区,近东西向断层和NE-NNE向断裂发育,是有利裂隙带发育区。该区在沁源地区属于无烟煤,含气性好。紧邻西部供水区,但距离泄水区远,并且靠近盆地向斜部位,煤层气保存条件好,并具有正常的地层压力,是煤层气成藏和高产的有利区域。东部的屯留—襄垣区域靠近盆地边缘,紧邻泄水区,水力坡降大,水径流能力强,虽然具有一定的渗透率和较高的含气饱和程度,但是地层普遍欠压,不利于对煤层气开采高产。3脱硫废水产煤(1)研究区构造动力能及其演化总体经历了4个阶段,包括印支期构造应力场、燕山期构造应力场、喜山期构造应力场以及现代构造应力场;研究区热动力能条件及其演化和由其控制的煤化作用同样经历了4个阶段,其中,燕山中期的剧烈岩浆活动是热动力能条件演化的关