華北古克拉通(或中朝地臺)石炭- 二疊紀(jì)海陸過渡相為主的沉積環(huán)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(qū)屬于中國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),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(lǐng)域,所以該地臺區(qū)的煤層氣資源評估及開采倍受有關(guān)單位重視。原石油天然氣總公司在大城地區(qū)、原地質(zhì)礦產(chǎn)部在柳林地區(qū)、煤炭工業(yè)總公司在晉城地區(qū),煤層氣勘探及試采各獲得了成果,同時也證實該3個地區(qū)為煤層氣較富集的地區(qū)。西方國家的勘探實踐證明煤系地層的水文地質(zhì)條件是影響煤層氣成藏、富集、保存及開采的重要地質(zhì)因素之一。本文試圖從上述3個地區(qū)的水文地質(zhì)條件入手,通過與國外典型煤層氣田的對比,評價上述地區(qū)的煤層氣富集的水文地質(zhì)因素,總結(jié)華北地區(qū)石炭- 二疊系煤層氣富集的水文地質(zhì)規(guī)律。

 

  1 地質(zhì)概況

 

  大城地區(qū)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(cè),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?；緲?gòu)造形態(tài)為東南高、西北低、走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)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(qū)屬平原地區(qū),全部為新生界所覆蓋。煤層主要發(fā)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(qū),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(jìn),沉積一套厚達(dá)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(nèi)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(qū)穩(wěn)定分布。

 

  晉城地區(qū)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(gòu)造帶北側(cè)、北為沁水盆地腹部。該區(qū)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(wěn)定可采煤層為15#

 

  煤、較穩(wěn)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(wěn)定可采煤層為3 # 煤。

 

  柳林地區(qū)指鄂爾多斯盆地東部河?xùn)|地區(qū)中區(qū),區(qū)域構(gòu)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(gòu)造格局大體屬東淺西深、南北走向的西傾單斜構(gòu)造。該區(qū)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(cè)為山西組、太原組出露區(qū),局部有新生界地層覆蓋。該區(qū)煤層分布在山西、太原、本溪組內(nèi)(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(fù)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(wěn)定碳酸鹽巖組成,含煤1～ 3層,分布不穩(wěn)定; 太原組厚46～ 120m,由砂巖、泥巖、石灰?guī)r及煤層組成,含煤5～ 8層,大部分煤層為全區(qū)穩(wěn)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(wěn)定。

 

  2 水文地質(zhì)特征

 

  針對煤層氣主要富集領(lǐng)域的水文地質(zhì)特點及華北地區(qū)的水文地質(zhì)條件,我們借鑒工程水文地質(zhì)、油氣田水文地質(zhì)及國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)煤層氣水文地質(zhì)條件的研究成果,將華北地區(qū)煤層氣主要勘探領(lǐng)域內(nèi)的水文地質(zhì)區(qū)帶(或環(huán)境)劃分成6種類型,即供水區(qū)帶、強(qiáng)交替區(qū)帶、弱交替區(qū)帶、滯緩區(qū)帶、停滯區(qū)帶及泄水區(qū)帶,其中弱交替區(qū)、滯緩區(qū)及停滯區(qū)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(zhì)區(qū)帶的水化學(xué)及水動力特征在不同的區(qū)域水文地質(zhì)系統(tǒng)中或者不同的沉積盆地中各有差異,其主要受原始沉積環(huán)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(biāo)準(zhǔn)。本文重點依據(jù)鄂爾多斯盆地及渤海灣盆地實際水文地質(zhì)資料及地質(zhì)特點,建立不同類型水文地質(zhì)區(qū)帶的粗略劃分標(biāo)準(zhǔn)。

 

  2. 1 大城地區(qū)

 

  大城及周圍地區(qū)各類鉆井的古生界地層測壓數(shù)據(jù)換算成的水壓頭面(以地面為基準(zhǔn)面)見圖1?？梢钥闯?東北部王草莊- 楊村地區(qū)水壓頭面略高,由葛漁城向西南到蘇橋- 文安地區(qū)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?？傮w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(qū)在該區(qū)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(qū),大城附近沒有明顯的供水區(qū),估計為滄縣隆起第四系下滲水補給的緩慢交替區(qū)。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(chǎn)水量一定程度反映該地區(qū)的水動力條件,其明顯有3個高產(chǎn)水帶,即工區(qū)東北部的王4井- 津1井區(qū)、蘇13- 文23井區(qū)及大4- 大8井區(qū),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(qū)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(xué)性質(zhì)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(zhì)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(qū)環(huán)境及南部的泄水區(qū)環(huán)境。

 

  以上分析可以看出,大城地區(qū)石炭- 二疊系屬較平緩穩(wěn)定區(qū)域水動力系統(tǒng)條件下的水弱交替- 滯緩區(qū),承壓條件不顯著,屬于鄰近供水區(qū)、泄水區(qū)及水交替滯緩區(qū)的過渡地帶,水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。

 

  總體而言,大城地區(qū)中北段水文地質(zhì)條件屬距供水區(qū)較近,又有西南部停滯區(qū)及滯緩區(qū)的遮擋,水的承壓環(huán)境相對較好,且水交替現(xiàn)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(zhì)條件地區(qū)。

 

  2. 2 晉城地區(qū)

 

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

 

  晉城地區(qū)煤層內(nèi)的水樣分析數(shù)據(jù)(表2)表明晉

 

  城地區(qū)煤層內(nèi)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(qū)煤系地層水的低鹽度、與地表連通且與深層水沒有強(qiáng)烈交替的特點。

 

  總之,山西太原組較穩(wěn)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(qū)處于沁水盆地的徑流交替區(qū)及局部供、泄水區(qū)發(fā)育等,煤層氣的富集條件不是很好。尤其是該地區(qū)煤層Ro 值達(dá)到2. 5%～ 5. 0% ,推測古埋深曾達(dá)到4000～ 5000m,所以古水文地質(zhì)環(huán)境與現(xiàn)今差距很大。

 

  2. 3 柳林地區(qū)

 

  鄂爾多斯盆地東緣古生界地層在黃河?xùn)|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(qū)到西部綏德地區(qū)的水位差為818m,說明奧陶系也存在承壓環(huán)境,而此段的地形差只有400m左右,這反映東緣地區(qū)地下水額外承壓現(xiàn)象更為顯著。

 

  柳林地區(qū)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(qū)有CaCl2 或MgCl2型,見圖3,煤系地層的地層水礦化度變化規(guī)律很強(qiáng),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?？v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(qū)上古生界煤系地層水化學(xué)特征

 

  顯示出該區(qū)的地層水與地表連通,但屬較穩(wěn)定承壓水動力系統(tǒng),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(dá)到1000mg / l左右,為很有利于煤層氣富集的水化學(xué)條件。

 

  3 與美國煤層氣富集區(qū)的對比

 

  3. 1 圣胡安盆地

 

  圣胡安盆地煤層氣主要產(chǎn)層為上白堊統(tǒng)水果地組,從盆地的水壓力頭等勢線可以看出: 供水區(qū)位于盆地北及西北邊緣圣胡安腳下,泄水區(qū)主要在盆地西部圣胡安河谷地,煤層氣富集區(qū)為盆地中北部水壓勢頭( 1710～ 2130m)較平緩過渡帶。因氣田區(qū)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(guī)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(qū)域流動水文地質(zhì)特征。

 

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

 

  3. 2 黑勇士盆地

 

  黑勇士盆地上石炭統(tǒng)上波茨維爾組為主要含煤層氣層系,其供水區(qū)在盆地北部及東南部;泄水區(qū)在盆地西南部的黑勇士河河谷,煤層氣富集區(qū)位于中南部水勢面比較平緩的地層水弱交替滯緩區(qū),奧克格羅夫氣田及布羅克組德氣田的低水壓頭區(qū)主要是幾十年煤礦開采排水的結(jié)果。該盆地產(chǎn)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(chǎn)水量明顯降低) ,所以地層水的水文地質(zhì)條件較為復(fù)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(qū)仍然是封閉性較好,地面水沖刷、交替較弱的水文地質(zhì)環(huán)境。

 

  3. 3 煤層氣富集的有利水文地質(zhì)條件

 

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

 

  ① 煤層氣富集區(qū)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(qū)。該地區(qū)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(qū)。

 

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

 

  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(qiáng)烈的水化學(xué)性質(zhì),封閉性極強(qiáng)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(zhì)較為有利,并且常常富含有機(jī)酸等有機(jī)物。

 

  3. 4 與華北地區(qū)石炭- 二疊系煤層氣富集區(qū)水文地質(zhì)條件的對比分析

 

  大城、晉城及柳林地區(qū)的煤層氣目的層都為石炭- 二疊系,并且?guī)r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(qiáng),巖性組合上與圣胡安盆地可比性很強(qiáng),并且3個地區(qū)之間有很多方面可以進(jìn)行對比。

 

  3. 4. 1 水動力條件

 

  大城凸起遠(yuǎn)距供水區(qū)及泄水區(qū),因靠近滄縣隆起,開啟性斷層又較發(fā)育,屬弱交替- 滯緩區(qū)。因奧陶系風(fēng)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(nèi)部水封閉條件略好,但滲透性較差。

 

  晉城地區(qū)遠(yuǎn)距供水區(qū)、近距泄水區(qū),為水弱交替區(qū),局部的供水區(qū)與泄水區(qū)相距很近,局部組成強(qiáng)交替區(qū)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(qū)近距供水區(qū)、遠(yuǎn)距泄水區(qū),構(gòu)造上屬盆地的陡坡帶,石炭- 二疊系為滯緩區(qū)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(qū)的水勢面坡度與美國的兩個盆地最相近,大城地區(qū)相差很大(表3)。綜合水動力環(huán)境條件及距供、泄水區(qū)的遠(yuǎn)近,柳林地區(qū)為煤層氣富集水動力條件最好的地區(qū),大城地區(qū)次之,晉城地區(qū)較差。

 

  3. 4. 2 水化學(xué)條件

 

  3個地區(qū)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(qū)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(qū); 6～ 8號樣品位于承壓滯緩區(qū),為煤層氣富集區(qū); 9、10號樣品位于泄水區(qū))的斯蒂夫離子比率圖① 進(jìn)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(qū)、晉城地區(qū)的水性質(zhì)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(zhì)變化較大。相對而言,柳林地區(qū)水化學(xué)性質(zhì)最有利,其次是大城地區(qū),晉城地區(qū)略差。

 

  3. 4. 3 古水文地質(zhì)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(qiáng)烈變化歷史。晉城、大城地區(qū)都曾經(jīng)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(zhì)條件與現(xiàn)今水文地質(zhì)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(qiáng)的水動力系統(tǒng)所破壞。柳林地區(qū)的相對較低煤階,反映了古水文地質(zhì)條件的平穩(wěn)發(fā)展,較為有利。

 

  從煤巖的微量元素分析對比來看,柳林地區(qū)的5號煤、沁水盆地的8號煤、大城地區(qū)單3號煤具有高含Ba2+ 、Sr2+ 、Fe2+ 等微量元素的特點,是相對較穩(wěn)定的水文地質(zhì)演化歷史的特征。平面對比,柳林地區(qū)優(yōu)于晉城地區(qū)。

 

  總之,柳林地區(qū)古、今水文地質(zhì)條件都較為有利,晉城地區(qū)現(xiàn)今的水文地質(zhì)條件略差于大城地區(qū),但古水文地質(zhì)條件比大城地區(qū)略好。

 

  4 大城、晉城及柳林地區(qū)煤層氣有利

 

  富集區(qū)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(fā)現(xiàn)。所以在評價煤層氣富集區(qū)時,生物成因氣及常規(guī)砂巖氣的富集條件應(yīng)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(jù)水文地質(zhì)條件的優(yōu)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(qū)塊(表5)做為華北地區(qū)上述3個地區(qū)今后的有利勘探目標(biāo)區(qū),即: 柳林地區(qū)的吳堡河谷區(qū)塊、石樓西側(cè)區(qū)塊; 晉城地區(qū)的固縣東區(qū)塊;大城地區(qū)的三呼莊北區(qū)塊。

 

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