太行山东麓石炭～二叠纪沉积环境与煤层气开发的关系.pdf

太行山东麓石炭～二叠纪沉积环境与 煤层气开发的关系 陈 莉 傅雪海 彭 伦 顾宏星 中国矿业大学资源学院,江苏 221008 摘 要本文分析了太行山东麓石炭～二叠纪含煤岩系沉积及其组合特征,指出该区含煤岩系是 在活动 较稳定的地台构造背景上发育的一套海陆交互相～滨海三角洲充填沉积。通过不同沉积 环境条件下形成的煤储层的岩性物理特征,结合含煤岩系遭受的后期地质作用,得出三角洲沉积 形成的煤储层为煤层气的生、储、盖、运移提供较好的条件。 关键词沉积环境 含煤岩系 煤层气 石炭～二叠纪 太行山东麓 Relationship between Sedimentary Environment in Permo - Carboniferous Period at the Eastern Foot of Haihang M ountain and Development of CBM Chen Li , Fu Xuehai , Peng Lun , Gu Hongxing Resources College of China University of Mining coal2bearing rock series; CBM; Permo2Carboniferous period; eastern foot of Taihangshan Mountain 1 引言 太行山东麓自南向北包括峰峰、邯郸、邢台、 临城、隆尧、井陉、灵山、坟庄、垒子等煤田矿 区或煤产地,是河北省煤层气开发的主要目标区 之一。前期进行的煤层气资源评价结果表明,该区 的煤层气地质具有以下特点 1 山西组煤的煤层 厚度大,结构较复杂,自南向北有明显的变薄与尖 灭现象;2太原组煤层厚度北部厚、南部薄; 3控制煤层气成藏、富集和保存的因素复杂多 样,煤层气藏类型较多;4水文地质条件复杂。 由此可见,沉积环境对煤储层物性和煤层气成藏有 重要影响,开展沉积环境与煤储层特征的研究,可 为本区煤层气的勘探开发提供有益的指导意见。 作者简介 陈莉,中国矿业大学,在读硕士,专业方向为矿产普查与勘探。 第6卷 第5期 中国煤层气 Vol16 No15 2009年10月 CHINA COALBED METHANE October12009 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2 含煤岩系沉积环境分析 研究区位于华北板块上的太行山隆起地块,区 内构造条件较复杂,总体构造展布方向以呈NNE 为主。含煤地层自下而上划分为石炭系本溪组、太 原组、二叠系山西组。 211 本溪组沉积环境 研究区本溪组是在夷平的中奥陶峰峰组石灰岩 侵蚀面之上,两者呈平行不整合接触。由于受基底 的影响,其沉积为“填平补齐式”,导致厚度上有 较大的差异。自奥陶纪晚期开始研究区为上升隆起 区,处于遭受缓慢剥蚀状态。早石炭世本区主体部 分已变成一个准平原化的低地,本溪组由下而上出 现古风化壳陆相残积物沉积,经滨海铁铝质沉积、 滨海沼泽相含煤沉积、浅海沉积。由深灰色粉砂 岩、泥岩、铝土质泥岩、石灰岩及薄煤层组成。底 部普遍发育一层紫红色褐铁矿山西式铁矿 , 其 上为浅灰色、夹紫红色鲕状泥岩 G 层铝土 , 中 部为粉砂岩、泥岩及透镜状砂岩,夹0～4层薄层 石灰岩,上部含薄煤层1～3层,一般不可采。含 丰富的动物化石,如蜓、小有孔虫等。沉积厚度变 化大,由南向北有增厚的趋势,变化于8～40m之 间,灰岩层数逐渐增多。 212 太原组沉积环境 晚石炭世太原组比本溪组海侵范围进一步扩 大,成煤环境为陆表海所控制,形成典型的海陆交 互相沉积,以浅海相、过渡相为主。太原组为主要 含煤地层,分布广泛,厚度、岩性及岩相变化基本 稳定,与下伏本溪组呈连续沉积,分为上、下两 段。 下段底部以一层中粒砂岩相当晋祠砂岩 之底与本溪组分界,由于砂岩不稳定,多相变为粉 图1 主采煤层9煤成煤前相带分布图图2 主采煤层9煤成煤后相带分布图 4中 国 煤 层 气 第5期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 砂岩,故以本溪组最上一层灰岩之顶作为分界线。 上界以山青灰岩之顶为界限,岩性为深灰色、灰黑 色粉砂岩、泥岩和中细砂岩为主,夹2～6层灰岩, 自下而上为下架灰岩、大青灰岩、中青灰岩、小青 灰岩、伏青灰岩、山青灰岩,其层数由南向北逐渐 减少。灰岩中动物化石丰富,如蜓、小有孔虫、牙 形刺,腕足类。在泥岩和粉砂岩中有植物化石存 在。下段地层厚度自南向北略有增厚趋势,而煤层 总厚度变薄。主采煤层9煤成煤前相带分布如图1 所示,潮坪～泻湖相分布广泛,其中邯郸、隆饶为 短期的台地相,元氏为局部的障壁岛相,向北转化 为。图2为9煤成煤后相带分布图,沉积相多为泻 湖～潮坪相,障壁岛和台地相零星分布。总体来 说,沉积环境为9煤的形成提供了较好的顶、底板 环境。 上段与下段连续沉积,下界以山青灰岩之顶 为界;上界以灰岩或海相泥岩顶为界,岩性以 深灰、灰黑色粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹1～2 层石灰岩野青灰岩、一座灰岩 , 地层厚度由南 向北有增厚趋势,而煤层层数、厚度有减少趋势。 灰岩中动物化石丰富,如蜓、小有孔虫、牙形 刺。 213 山西组沉积环境 研究区山西组属于在滨海三角洲上持续发育的 泥炭沼泽沉积,局部夹海相沉积,为完整的过渡相 ～陆相旋回见图 3 。山西组研究区为主要含煤 地层,与太原组连续沉积,底部以一层中～粗粒砂 岩之底作为与太原组的分界,但该层不稳定,多相 变为粉砂岩,多以一座灰岩之顶作为分界线。图4 为主采煤层2煤成煤前相带分布图,沉积相多为河 口砂坝、分流间湾相,泥炭坪相较少,为2煤煤层 底板多为泥岩、砂质泥岩。 图3 主采煤层2煤成煤古地理图图4 主采煤层2煤成煤前相带分布图 5第5期 太行山东麓石炭～二叠纪沉积环境与煤层气开发的关系 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 山西组岩性主要为灰、灰黑色粉砂岩、泥岩和 1～3层煤组成,其中最下一层煤为2号煤层俗 称大煤是主要可采煤层, 2号煤基本上在邢台煤 田的东庞矿以南至峰峰矿区,煤层稳定、厚度大, 而向北分叉、变薄,至灵山煤田山西组含煤系数在 2 以下。该组产丰富的植物化石。 3 沉积环境对煤层气勘探开发的控制 研究区含煤岩系沉积环境对煤层气富集成藏与 勘探开发的控制主要表现在如下几个方面 1不 同的沉积环境下煤层的厚度不同,含煤层数不一; 2不同的沉积环境下形成的煤质变化较大,全硫 含量自南向北有增高的趋势 ; 3 不同的沉积环境 使煤层的顶、底板岩性和厚度不同,影响煤层气藏 的封闭保存条件,从而影响到煤储层的含气性。 311 沉积环境对煤层厚度的控制 研究区山西组2号煤层在太行山东麓广泛分 布,煤层厚度稳定。煤层的厚度变化有一定规律 性,以井陉煤田一带煤层厚度最薄,向南北煤层厚 度逐渐增加,呈现波状起伏,元氏煤田1171m左 右;临城煤田1112m;邢台煤田一般3140m左右; 峰峰邯郸煤田3166m左右见图 5 。峰峰、邯郸 煤田煤层夹矸层数较多,一般0～3层,夹矸岩性 一般为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩等,部分区段夹矸 较厚致使煤层分叉,其间岩性多为分流河道沉积砂 岩。 图5 2煤煤厚等值线图图6 9煤煤厚等值线图 研究区太原组9号煤层在本区南部发育好,可 采性好。自井陉煤田向北煤层发育不稳定、复杂, 夹矸变多,厚度变薄甚至尖灭见图 6 。9号煤层 受成煤环境影响,是太行山东麓各煤田夹矸层数最 多,且局部分叉的复杂结构煤层。8号煤为太行山 东麓大部分可采煤层,自南向北先变厚再变薄,为 6中 国 煤 层 气 第5期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 海陆交互相沉积,受浅海相、过渡相控制。 各煤田的煤厚变化幅度差异很大。煤层厚度变 化和发育特点与其沉积环境是密不可分的,在成煤 期时地壳运动相对较稳定,在滨海三角洲上的泥炭 沼泽 2 煤发育持续、泥炭堆积较厚,为煤层形 成提供了物质保证。此外,在成煤过程之中,由于 构造条件不同,邢台、邯郸等地区沉降速度与植物 遗体的堆积速率保持平衡,则形成比较厚的泥炭 层;另一方面,由于地壳的沉降过快或停止,表现 为抬升、使泥炭堆积停止,造成大面积薄煤带或无 煤带,如灵山、坟庄垒子煤田一带。 太行山东麓煤田的煤层厚度由南向北大体上呈 带状展布,富煤带以邢台煤田的邢北勘探区煤层最 厚,总厚达12～16m。至临城煤田很快变薄,再向 北到元氏、井陉煤田又有加厚的趋势。 312 沉积环境对煤岩煤质的控制 太行山东麓山西组2号煤层的宏观煤岩类型以 半亮和半暗为主,含量比较稳定,其次为光亮煤, 其规律从南到北光亮煤煤含量逐渐减少,暗淡煤逐 渐增多。煤的宏观结构以细、中宽条带状结构为 主,在半亮煤和半暗煤中最多。线理结构、透镜状 结构、均一结构在光亮煤和暗淡煤中常见。 石炭、二叠纪主要可采煤层的灰分,一般情况 是复杂结构煤层灰分高,单一煤层结构灰分较低。 太行山东麓的峰峰、邢台、元氏煤田在纵向上太原 组灰分有逐渐降低的趋势,而山西组煤层略有提 高,往北到灵山煤田灰分又有增加趋势。太原组煤 在邢台～临城～元氏一带含量低,含量为018 ～ 214 之间。灵山煤田、邯郸、邢台煤田 6 号、9 号煤含硫份较高,与相对较长时间的海相沉积环 境有关。 313 沉积环境对煤层气含量的控制 太行山东麓2号煤、成煤沼泽发育在三角洲平 原之上,其底板多为泥岩、砂质泥岩,通常煤层底 有一层富含植物根化石的泥岩伪底,表现出泥炭沼 泽的逐渐演化过程。2号煤层泥炭形成以后,沼泽 为三角洲沉积物、湖泊沉积物或海湾泻湖相沉积 物,将泥炭层掩盖,故煤层顶多为粉砂岩、砂质页 岩或泥岩,泥岩封盖能力最好。9号煤层形成于障 壁岛～泻湖环境中泻湖逐渐淤浅,发育而成泥炭沼 泽,其煤层底板多为含铝土质泥岩、粉砂岩、炭质 泥岩;而顶板为快速海侵将泥炭层掩盖沉积的石灰 岩,与煤层呈明显的接触关系。 峰邯矿区的2煤顶、底板岩性为粉砂岩或泥 岩,封闭条件比较好,渗透率差,有利于煤层气的 保留;在邯郸、邢台和隆饶地区, 9号煤层顶、底 板岩性为石灰岩,因裂隙、溶洞发育,封闭条件比 较差,不利于煤层气的保存。临城煤田的9号煤层 的顶底板为砂质泥岩～泥岩,保存条件较好,平均 含气量为4160m3/ t ,其中埋深1000m以浅甲烷含气 量约为2175m3/ t ;埋深介于1000～1500m时,含气 量约为6150m3/ t。灵山煤田的北部,煤层中甲烷含 量的低于1180m3/ t ,在西南普查区的煤层中甲烷的 含量一般在3m3/ t以上,整体含气量平均为515m3/ t。峰峰、邯郸矿区平均含气量为1013m3/ t ,其中 在埋深1000m煤层甲烷含气量平均为715m3/ t ;煤 层埋深在1000～1500m时,含气量约为1215m 3/ t , 向北邢台矿区的甲烷含气量为7125m3/ t。 4 结论 1研究区本溪组自下向上由滨海沉积过渡为 浅海沉积,以泻湖、潮坪相为主,部分地区为台地 相;太原时期海侵范围进一步扩大,为一浅海相～ 过渡相沉积,台地相沉积范围自南向北扩大;山西 期为滨海三角洲上持续发育的泥炭沼泽沉积,以泻 湖～三角洲混合相为主。 2研究区煤层厚度、结构及煤储层物性受沉 积环境控制, 9号煤的沉积厚度变化受泻湖障壁岛 相沉积控制,夹矸层数多; 2号煤的煤层厚度夹矸 层数受障壁岛-台地-三角洲混合相控制。受煤层 结构影响,研究区2号煤储层的裂隙发育程度较9 号煤好。 3研究区煤储层顶、底板岩性和厚度因沉积 环境的不同而异。主采2号煤层的顶、底板为粉砂 岩或泥岩,煤层气保存条件好; 9号煤层底板的封 闭条件较好,但是顶板为裂隙、溶洞发育的灰岩, 不利于煤层气的保存。 参 考 文 献 [1] 刘鹤峰,葛之艺,马友谊 1 河北省地质 矿产 环境 [M]1 地质出版社, 2006 , 61～671 [2] 河北省煤田地质勘探公司课题组 1 华北晚古生代聚 煤规律与找煤河北省部分 [R]119901 责任编辑 刘 馨 7第5期 太行山东麓石炭～二叠纪沉积环境与煤层气开发的关系 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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