华北地区石炭二叠系煤层气富集区水文地质特征

  华北古克拉通(或中朝地台)石炭- 二叠纪海陆过渡相为主的沉积环境形成了中国含煤量最为丰富的一套碳酸盐岩与碎屑岩交互层系,由于该地区属于中国经济发达区,能源需求量大;又因有较大面积的煤层埋藏浅于2000m,属煤层吸附气的勘探领域,所以该地台区的煤层气资源评估及开采倍受有关单位重视。原石油天然气总公司在大城地区、原地质矿产部在柳林地区、煤炭工业总公司在晋城地区,煤层气勘探及试采各获得了成果,同时也证实该3个地区为煤层气较富集的地区。西方国家的勘探实践证明煤系地层的水文地质条件是影响煤层气成藏、富集、保存及开采的重要地质因素之一。本文试图从上述3个地区的水文地质条件入手,通过与国外典型煤层气田的对比,评价上述地区的煤层气富集的水文地质因素,总结华北地区石炭- 二叠系煤层气富集的水文地质规律。

 

  1 地质概况

 

  大城地区位于渤海湾盆地沧县隆起西北翼和冀中坳陷霸县凹陷东南侧,以沧县隆起的大城凸起为主体。其东南为大城- 静海断裂带、毗邻里坦凹陷;西北为杨村- 文安斜坡带。基本构造形态为东南高、西北低、走向北东、倾向北西的单斜构造,上倾方向沿石炭- 二叠系剥蚀带附近被断层切割成一些局部小高点。地层主要为上古生界石炭- 二叠系及下古生界和中上元古界,因该区属平原地区,全部为新生界所覆盖。煤层主要发育在太原组及山西组,埋深1000～ 1800m。中石炭世本溪期海水由东向西侵入本区,广泛沉积一套滨海沼泽相含煤建造,沉积厚度0～ 90m; 晚石炭世太原期大面积海进,沉积一套厚达100～ 190m灰黑色泥岩、浅灰色砂岩,富含煤层;早二叠世山西期海退,沉积一套三角洲前缘- 内陆沼泽相暗色泥岩、中粗砂岩, 富含煤层, 沉积厚度100m左右。纵向上,山西、太原组煤层分为6个煤层组,其中山西组下部3#煤组(一般2～ 8m)和太原组下部6 # 煤组(一般10～ 16m)单层厚度较大,全区稳定分布。

 

  晋城地区位于沁水盆地南缘斜坡带(属沁水单斜、固县单斜) ,东临太行山隆起、西为吕梁山隆起、南为秦岭纬向构造带北侧、北为沁水盆地腹部。该区地面出露的地层以二叠及三叠系为主,其次是石炭系、奥陶系及第四系。沉积层系自上而下有第四系、第三系、二叠系、石炭系、奥陶系,含煤地层主要为山西组及太原组(埋深400～ 1000m) ,其中太原组是一套三角洲前缘- 浅海陆棚相含煤沉积,含煤10～ 20层,主要稳定可采煤层为15#

 

  煤、较稳定可采煤层为9# 煤; 山西组是一套河流三角洲相含煤沉积,含煤4层,稳定可采煤层为3 # 煤。

 

  柳林地区指鄂尔多斯盆地东部河东地区中区,区域构造上属鄂尔多斯盆地东缘的晋西挠褶带,东以离石断裂为界,西以黄河为界,构造格局大体属东浅西深、南北走向的西倾单斜构造。该区地层以上古生界为主, 包括新生界、三叠系、石千峰组、石盒子组、山西组、太原组、本溪组、奥陶系等。地面露头以三叠系及上、下石盒子组为主,东侧为山西组、太原组出露区,局部有新生界地层覆盖。该区煤层分布在山西、太原、本溪组内(埋深350～ 800m) ,本溪、太原组为陆表海碳酸盐台地沉积体系及堡岛体系的复合体系沉积。本溪组厚15～ 35m,由下部紫红、灰白色铁铝岩段及上部灰黑色泥岩夹薄层砂岩、粉砂岩及不稳定碳酸盐岩组成,含煤1～ 3层,分布不稳定; 太原组厚46～ 120m,由砂岩、泥岩、石灰岩及煤层组成,含煤5～ 8层,大部分煤层为全区稳定分布可采;山西组为浅水三角洲沉积体系,一般以三角洲前缘河口砂坝、支流间湾相开始,过渡到三角洲平原相,主要由砂岩、粉砂岩及泥岩、煤层组成,含煤3～ 7层,主要可采煤层位于下部,分布较稳定。

 

  2 水文地质特征

 

  针对煤层气主要富集领域的水文地质特点及华北地区的水文地质条件,我们借鉴工程水文地质、油气田水文地质及国内外学者有关煤层气水文地质条件的研究成果,将华北地区煤层气主要勘探领域内的水文地质区带(或环境)划分成6种类型,即供水区带、强交替区带、弱交替区带、滞缓区带、停滞区带及泄水区带,其中弱交替区、滞缓区及停滞区又各分为开启性及封闭性两个亚类,合计为9种类型。相同类型水文地质区带的水化学及水动力特征在不同的区域水文地质系统中或者不同的沉积盆地中各有差异,其主要受原始沉积环境、埋藏深度、地层岩性、地面气候等差异的影响,所以较难制定出较确切的划分标准。本文重点依据鄂尔多斯盆地及渤海湾盆地实际水文地质资料及地质特点,建立不同类型水文地质区带的粗略划分标准。

 

  2. 1 大城地区

 

  大城及周围地区各类钻井的古生界地层测压数据换算成的水压头面(以地面为基准面)见图1。可以看出,东北部王草庄- 杨村地区水压头面略高,由葛渔城向西南到苏桥- 文安地区逐渐降低,大城凸起上的井的水压头面略高于文安- 苏桥潜山带,大8、大9井的水压头较高,是由于该两井打在子牙河河谷上,地势低。总体看,奥陶系潜山的水势面是由北北东向南南西方向降低,文安斜坡带属水弱交替带,最终的泄水区在该区南部的河间一带,天津附近东- 西向的水定河- 海河流域很可能是另一个泄水区,大城附近没有明显的供水区,估计为沧县隆起第四系下渗水补给的缓慢交替区。相对而言,石炭- 二叠系及下第三系的水压头面在不同的井差别很大,反映该两套层系与奥陶系的水力连通性较差。

 

  探井的产水量一定程度反映该地区的水动力条件,其明显有3个高产水带,即工区东北部的王4井- 津1井区、苏13- 文23井区及大4- 大8井区,其反映出沧县隆起上的潜山渗透性好; 苏23潜山带的显著水压头降低带和大城凸起南端的近泄水区等特点。

 

  纵向上看,石炭- 二叠系地层水矿化度高于奥陶系、低于上覆沙三、四段; 石炭- 二叠系水型为NaHCO3 及CaCl2 型兼有,奥陶系以NaHCO3 为主,沙三、四段以CaCl2 型为主, 总之,石炭- 二叠系地层水化学性质与奥陶系更接近一些。平面上看(图1) ,文安斜坡属高矿化度CaCl2- MgCl2 型水,反映了其封闭条件较好的静止水文地质特征; 大城凸起上几乎都为NaHCO3 型水,并有从东北向西南(胜1→大参1→西4)矿化度及氯根含量都增加的特点,反映了北部的供水区环境及南部的泄水区环境。

 

  以上分析可以看出,大城地区石炭- 二叠系属较平缓稳定区域水动力系统条件下的水弱交替- 滞缓区,承压条件不显著,属于邻近供水区、泄水区及水交替滞缓区的过渡地带,水文地质条件比较复杂。

 

  总体而言,大城地区中北段水文地质条件属距供水区较近,又有西南部停滞区及滞缓区的遮挡,水的承压环境相对较好,且水交替现象较弱,隔水层及储水层都较为显著,是煤层气富集的较有利水文地质条件地区。

 

  2. 2 晋城地区

 

  石炭- 二叠系的水动力布局见图2,高平东侧、沁水县城西南部为两个供水区,阳城南部(沁河)及浮山(本区西侧)附近(汾河)为泄水区,供水区与泄水区的距离,短者只有35km左右。石炭- 二叠系的水势面坡度达7m /km;奥陶系水势面坡度最大处达20m /km,水位势能比较大,晋城南部的延河泉、三姑泉涌出量达16000m3 /d是显著的证据。相对而言,高平西北部地区水压头势面比较平稳,又略有承压条件。

 

  晋城地区煤层内的水样分析数据(表2)表明晋

 

  城地区煤层内的地层水矿化度基本相近,略随深度的加大而增加,水型以重碳酸纳型为主,反映了该地区煤系地层水的低盐度、与地表连通且与深层水没有强烈交替的特点。

 

  总之,山西太原组较稳定的重碳酸纳水型, 2000～ 3000mg /l的总矿化度及主力煤层500～ 700m的水压头,有一定的煤层甲烷气吸附及成藏条件。但是,地层水Cl- 含量较低、晋城地区处于沁水盆地的径流交替区及局部供、泄水区发育等,煤层气的富集条件不是很好。尤其是该地区煤层Ro 值达到2. 5%～ 5. 0% ,推测古埋深曾达到4000～ 5000m,所以古水文地质环境与现今差距很大。

 

  2. 3 柳林地区

 

  鄂尔多斯盆地东缘古生界地层在黄河东吕梁山一带普遍出露地表,由于大气水的补给,地表水向盆地深部流动形成了良好的承压水势条件,计算表明二叠系折算静水位明显由东向西降低,最低处在神木- 绥德一带(榆林- 无定河) ,从峰峰组等水位面看,东部露头区到西部绥德地区的水位差为818m,说明奥陶系也存在承压环境,而此段的地形差只有400m左右,这反映东缘地区地下水额外承压现象更为显著。

 

  柳林地区地层水的总矿化度在2800× 10- 6～5000× 10- 6之间, 以NaHCO3 型为主, 局部地区有CaCl2 或MgCl2型,见图3,煤系地层的地层水矿化度变化规律很强,总矿化度及氯根含量都是东低西高,氯根含量在700× 10- 6～ 2500× 10- 6之间。纵向上,总矿化度由浅到深有逐渐增高的大趋势,但山西组地层水的Cl- 含量明显高于太原组,且略高于奥陶系,其反映了山西组的水封闭性略好于太原组。

 

  总之,柳林地区上古生界煤系地层水化学特征

 

  显示出该区的地层水与地表连通,但属较稳定承压水动力系统,相对较高矿化度的NaHCO3 水型显示其对烃类的较好保存条件,并且在400m左右的埋深, Cl- 含量能达到1000mg / l左右,为很有利于煤层气富集的水化学条件。

 

  3 与美国煤层气富集区的对比

 

  3. 1 圣胡安盆地

 

  圣胡安盆地煤层气主要产层为上白垩统水果地组,从盆地的水压力头等势线可以看出: 供水区位于盆地北及西北边缘圣胡安脚下,泄水区主要在盆地西部圣胡安河谷地,煤层气富集区为盆地中北部水压势头( 1710～ 2130m)较平缓过渡带。因气田区地势较低,煤系地层普遍存在异常高压,垂直压力梯度在1. 86M Pa /100m 左右, 明显高于静水压力梯度1. 01MPa /100m。

 

  水果地组地层水的总矿化度及氯根含量变化比

 

  较大,总体变化规律由北→中→南具低→高→低的变化特点,并且煤层地层水的矿化度平均比砂岩层的要高一些。地层水水性特征反映了地层水的由北向南的区域流动水文地质特征。

 

  总之,圣胡安盆地煤层气较为富集的水文地质区带为: 地层水在煤层中向盆地方向的非流动边界(如区域构造枢纽、断层带、相变、非补水区等)附近地区; 水中氯离子浓度大于700mg /l的地区; 静水压头大于1700m (海拔高程) , 煤层地层压力大于8M Pa的地区。

 

  3. 2 黑勇士盆地

 

  黑勇士盆地上石炭统上波茨维尔组为主要含煤层气层系,其供水区在盆地北部及东南部;泄水区在盆地西南部的黑勇士河河谷,煤层气富集区位于中南部水势面比较平缓的地层水弱交替滞缓区,奥克格罗夫气田及布罗克组德气田的低水压头区主要是几十年煤矿开采排水的结果。该盆地产气煤层的压力一般为4MPa 左右,埋深340～ 700m,多属欠压地层。

 

  波茨维尔组的煤层渗透率较低(时代较圣胡安盆地老)、埋深300m处只有10× 10- 3μm2 ,众多北北西向的断层又起遮挡作用(断层附近煤层产水量明显降低) ,所以地层水的水文地质条件较为复杂。尽管整体水势头不高,煤田附近矿化度低,但煤层气富集区仍然是封闭性较好,地面水冲刷、交替较弱的水文地质环境。

 

  3. 3 煤层气富集的有利水文地质条件

 

  通过圣胡安盆地及黑勇士盆地煤层气富集区水文地质条件的分析,笔者认为其共同的特点为:

 

  ① 煤层气富集区都位于向斜性盆地的陡坡整体水压势面较陡但局部平缓的地区。该地区的形成一般由于褶皱、断层或岩性相变的遮挡作用,且煤层及砂岩的渗透性好于其它地区。

 

  ② 煤层气富集区一般距供水区较近,而距泄水区较远,可以是多个供水区的汇合处,但不能是多个泄水区的分支处,属地层水缓慢交替区。

 

  ③ 地层水矿化度略高( 3000～ 10000mg /l ) ,但属NaHCO3 水型,硫酸根含量低,即与地面连通但与地下水交替不强烈的水化学性质,封闭性极强的CaCl2 水型不利于开采。

 

  ④ 微量元素中,富含Sr、B、Ba的地层水性质较为有利,并且常常富含有机酸等有机物。

 

  3. 4 与华北地区石炭- 二叠系煤层气富集区水文地质条件的对比分析

 

  大城、晋城及柳林地区的煤层气目的层都为石炭- 二叠系,并且岩性都为海陆交互相的砂、泥、灰、煤岩互层,时代上与黑勇士盆地可比性很强,岩性组合上与圣胡安盆地可比性很强,并且3个地区之间有很多方面可以进行对比。

 

  3. 4. 1 水动力条件

 

  大城凸起远距供水区及泄水区,因靠近沧县隆起,开启性断层又较发育,属弱交替- 滞缓区。因奥陶系风化带的良好渗透性、水势面坡度降很小,承压条件较差。石炭- 二叠系内部水封闭条件略好,但渗透性较差。

 

  晋城地区远距供水区、近距泄水区,为水弱交替区,局部的供水区与泄水区相距很近,局部组成强交替区带,整体为向斜盆地的缓坡带,水势面坡度较明显,有一定的承压条件。

 

  柳林地区近距供水区、远距泄水区,构造上属盆地的陡坡带,石炭- 二叠系为滞缓区带、地层水承压性较显著,其水动力条件与圣胡安盆地较为相似,不利因素是奥陶系渗透性很好、地层水承压条件不很好。

 

  明显地晋城及柳林地区的水势面坡度与美国的两个盆地最相近,大城地区相差很大(表3)。综合水动力环境条件及距供、泄水区的远近,柳林地区为煤层气富集水动力条件最好的地区,大城地区次之,晋城地区较差。

 

  3. 4. 2 水化学条件

 

  3个地区在500～ 1500m埋深的地层水矿化度基本都在2500～ 10000mg /l之间,都以NaHCO3 水型为主,但各种矿物离子的含量差别仍较大。笔者将3个地区最接近圣胡安盆地水果地组水样( 1～ 4号样品位于北部供水区; 6～ 8号样品位于承压滞缓区,为煤层气富集区; 9、10号样品位于泄水区)的斯蒂夫离子比率图① 进行对比(表4) ,仍存在着一些差别,主要是硫酸根含量高, Mg /Ca比值低。相对而言柳林地区、晋城地区的水性质与圣胡安盆地2～ 4号样品最相似,而大参1井石炭- 二叠系水性质变化较大。相对而言,柳林地区水化学性质最有利,其次是大城地区,晋城地区略差。

 

  3. 4. 3 古水文地质条件分析

 

  圣胡安盆地及黑勇士盆地的煤层Ro 都在0.6% ～ 1. 9%之间,处于无烟煤- 瘦煤的煤阶,埋藏后没有大的抬升剥蚀,即没有水动力强烈变化历史。晋城、大城地区都曾经埋深3000多米后又抬升,新生界又沉积了300～ 1000m厚的地层,所以古水文地质条件与现今水文地质条件有差别,估计早期形成的煤层甲烷气抬升时期大部分已被地面较强的水动力系统所破坏。柳林地区的相对较低煤阶,反映了古水文地质条件的平稳发展,较为有利。

 

  从煤岩的微量元素分析对比来看,柳林地区的5号煤、沁水盆地的8号煤、大城地区单3号煤具有高含Ba2+ 、Sr2+ 、Fe2+ 等微量元素的特点,是相对较稳定的水文地质演化历史的特征。平面对比,柳林地区优于晋城地区。

 

  总之,柳林地区古、今水文地质条件都较为有利,晋城地区现今的水文地质条件略差于大城地区,但古水文地质条件比大城地区略好。

 

  4 大城、晋城及柳林地区煤层气有利

 

  富集区块初步评价

 

  圣胡安盆地水果地组煤层,除了煤层热成因吸附气外,还含有一部分从下伏地层运移来的游离气及15% ～ 30%的生物成因气,这也是水果地组煤层具有较高含气量的重要因素之一; 另一方面,圣胡安盆地及黑勇士盆地都有砂岩大气田的发现。所以在评价煤层气富集区时,生物成因气及常规砂岩气的富集条件应同时考虑。再者,水溶解气也是煤层气开采中不可忽略的资源。我们主要根据水文地质条件的优劣,兼顾煤层气富集的其它条件,再考虑上述诸因素,选定了4个区块(表5)做为华北地区上述3个地区今后的有利勘探目标区,即: 柳林地区的吴堡河谷区块、石楼西侧区块; 晋城地区的固县东区块;大城地区的三呼庄北区块。

 

  以上目标,笔者认为从煤层气专探的角度分析,柳林的吴堡河谷区块最好; 从吸附气及游离气兼探的角度分析,大城地区的三呼庄北区块最有利。