何灵芳刘大锰姚艳斌李鹏张百忍

(中国地质大学北京能源学院北京100083)

摘要:从地质—地球物理角度看，煤层孔隙或裂缝发育带的存在势必引起地震波速度或(和)密度的变化，因此波阻抗数据体能很大程度上反映煤层气储层孔渗特征。文章利用约束稀疏脉冲反演对樊庄－郑庄区块3#煤层进行了孔渗特征的研究。研究区3#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%，主要受煤变质程度控制;郑庄区块的渗透率均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD，相对郑庄区块要高一些。研究区渗透率非均质性较强，受孔隙发育影响较大，同时也受埋深等其他因素的影响。

关键词:樊庄郑庄波阻抗反演煤储层孔隙度渗透率

基金项目: 国家科技重大专项课题 ( 2010ZX05034 －001) ，国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ，国家自然科学基金项目 ( 40972107) ，中石油创新基金资助 ( 2010D －5006 －0101) 。

第一作者: 何灵芳，硕士研究生，石油与天然气工程专业，主要从事煤层气勘探与开发研究。

Email: bqgcan@ 126. com; Tel: 010 － 82320892

Application of Wave Impedance Inversion on Porosity and Permeability Characteristics in Fanzhuang-Zhengzhuang Block

( HE Lingfang Liu Dameng YAO Yanbin LI Peng ZHANG Bairen)

( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，china)

Abstract: According to geological-geophysical theories，the existence of pore-fracture belt in coal seam can cause the changes in speed or ( and) density of sei**ic wave. Thus，the wave impedance data cube largely re- flects the characteristics of coal reservoir porosity and permeability. In the paper，the constrained sparse spike in- version ( CSSI) was used to study porosity and permeability characteristics of No. 3 coal seam in Fanzhuang- Zhengzhuang block. The No. 3 coal porosity in the study area is **all ( ranging from 1% to 7% ) and mainly con- trolled by the coal metamorphi** grade. The averaging permeability value of coals is 0. 12 mD in Zhengzhuang block and is relatively higher in Fanzhuang ( 0. 49 mD) . The coal permeability in the study area is intensely het- erogeneous，and is mainly influenced by the pore development and burial depth etc.

Keywords: Fanzhuang-Zhengzhaung; wave impedance inversion; coal reservoir; porosity; permeability

1 前言

煤储层既是生气层又是储气层，因而煤的储气性能在煤层气评价中起着至关重要的作用(胡宝林等，2003)。孔隙、裂隙性质直接受控于自身的物质组成和结构特征，是煤层气的储存和渗流空间，煤储层孔渗发育好坏直接影响煤层气开采效果，因此煤层气储层孔隙度、渗透率的研究有着重大意义。

沁水盆地是我国典型的高煤阶含煤盆地，在沁水盆地南部发现了沁水高煤阶煤层气田，虽然煤层气资源丰富，但储层非均质性强，储层物性差异大。赵贤正等(2011)研究发现沁水南部高煤级煤储层含气性、渗透率在水平空间展布及垂向尺度分布上均具有明显的差异。Yao等(2008;2009)将煤基质孔隙可分为吸附孔和渗流孔，认为吸附孔的非均质性对煤吸附甲烷具有显著影响，而渗流孔的非均质性能显著影响煤的渗透性。前人都是通过压汞实验和低温氮吸附等实验对煤样进行分析，从而研究煤储层的孔渗特征(唐书恒等，2008;赵兴龙等，2010)，但是由于煤储层的强非均质性，实验的研究结果对于全区的孔渗特征预测有一定的局限性。因此，笔者运用地震资料进行波阻抗反演对樊庄郑庄区块的孔渗性进行预测。

近年来，地震技术在储层研究中应用较多，但是由于带限地震子波的干涉效应以及地震剖面无法提供地层的岩性特征和物性特征，地震资料解释面临困难，为了克服上述困难，需要利用地震资料反演技术。崔若飞等(2008)指出波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，它能把具有高纵向分辨率的已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，实行优势互补，大大提高地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研究程度。张永升(2000)认为以波阻抗为基础进行的油藏参数估计(如孔隙度、渗透率等)比用地震振幅方法得到的更可靠、更准确。因此，基于波阻抗反演的煤储层孔渗特征研究是可行的。

2 波阻抗反演技术

2.1 波阻抗反演原理

裂隙的发育也会对煤层的体积密度和速度造成影响，含气裂隙使得体积密度和层速度降低，而充填裂隙使得体积密度和层速度增加。煤层波阻抗的变化程度(即波阻抗梯度)可以反映煤储层的裂隙发育程度，从而反映出煤储层的渗透性。因此，沿煤层提取的煤层波阻抗梯度数据可以反映煤层含气裂隙发育情况及渗透性。

稀疏脉冲反演建立在一个趋势约束的脉冲反演算法上，其基本出发点是地下的强反射系数界面不是连续分布的而是稀疏分布的。约束稀疏脉冲反演的主要目的是利用约束井资料及地震反射系数建立声波阻抗数据体(王权锋等，2008)。稀疏脉冲反演认为地震反射系数是由一系列大的反射系数叠加在高斯分布的小反射系数的背景上构成的，大的反射系数相当于不整合界面或主要的岩性界面。它的目的是寻找一个使目标函数最小的脉冲数目，然后得到波阻抗数据。

2.2 波阻抗反演步骤

2.2.1 初始波阻抗模型

初始波阻抗模型是测井约束反演的基础，为了减少其最终结果的多解性，提高研究成果的可靠性，建立尽可能接近实际地质条件的波阻抗模型是关键。测井资料在纵向上详细揭示了岩层的波阻抗细节，地震记录则连续记录了波阻抗的横向变化，二者的结合，为精确地建立空间波阻抗模型提供了必要的条件。建立波阻抗模型的过程实际上是将横向上连续变化的地震界面信息与高分辨率测井信息相结合的过程。地震层位是建模的基础，可以根据测井曲线标定的结果，在地震剖面上自动或手动拾取目的层位。首先通过井旁地震道与合成记录的相关性对测井曲线进行纵向的拉伸和压缩，当相关系数达到一定的标准时，就可以获得井的初始波阻抗。然后在地震层位和地质模式的约束下，选取适当的插值方法，对井的初始波阻抗进行内插和外推，建立初始波阻抗模型。

2.2.2 绝对波阻抗反演

经过前期大量的准备工作，处理获得合理的时深关系曲线，运用校正过的测井数据及精细的解释层位，建立地质框架模型，通过调整模型与相对波阻抗高低频分量，使模型数据体与相对波阻抗数据体进行叠加，得到最终的绝对阻抗体。

反演处理的过程是不断修正完善的过程，当反演出一次结果后，处理、解释人员就紧密结合在一起，根据掌握的地质、测井、生产等资料对反演效果进行仔细的对比分析，反复循环处理，直到获得符合本区地质储层变化规律的波阻抗剖面为止。

3 波阻抗反演技术应用实例

3.1 区域地质概况

本项目研究区域位于沁水盆地的南部(简称为沁南)，主要分布在屯留—安泽一线以南地区，西起寺头断层，东、南以煤层露头为界，包括樊庄和郑庄两个区域。构造上，研究区位于沁水盆地复向斜南部的翘起端。区内主要断裂为寺头断层，自南向北，走向由近NE向转为近SN向，倾向NWNWW，倾角70°，断距最大350m左右，性质为正断层，受区域构造应力的作用，该断层具有张扭性特征，断裂两侧伴有羽状张性小断裂。全区断层数量较少，规模小。只有寺头断裂横穿整个区域，其余均为小型的正断裂。与郑庄相比，樊庄小断层较发育(图1)。研究区内沁水盆地沉积地层有长城系下部、寒武系、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系、三叠系和新近系地层，含煤层系主要位于上石炭统的太原组和下二叠统的山西组，共含煤6～11层，其中太原组主要发育8#、9#和15#煤层，山西组主要为2#和3#煤层，本次研究的目标层位为3#煤层。

3.2 波阻抗反演结果

3.2.1 孔隙度

孔隙度是煤储层物性的重要参数，研究区探井显示3#煤储层孔隙度最低为3%，最高为6.49%，一般在5%以下。在波阻抗反演模型的基础上，将反演波阻抗数据体与探井上的孔隙度数据做交汇图进行相关性分析，可以得到波阻抗与孔隙度的对应关系(表1)。

通过以上方法得到的孔隙度与波阻抗的对应关系，结合其他没有探井资料的测线上的波阻抗数据，可以得到每个测线的孔隙度，最后通过插值法得到整个区域的孔隙度的平面图(图2)。

3.2.2 渗透率

试井显示沁南地区3#煤层的渗透率，大多分布在0.5～3.0mD之间，其次在0.1～0.5mD和3.0～10.0mD之间，表明沁水盆地南部煤层具有相对较好的渗透性。

图1 樊庄郑庄区域地质图

表1 波阻抗和孔隙度转换关系数据表

本次研究同样根据波阻抗数据，制作交汇图显示其与渗透率的相互关系，并得到波阻抗与渗透率的转换关系(表2)。最终通过插值法运用到全区，预测全区的渗透率分布情况。

表2 波阻抗和渗透率转换关系数据表

图2 3#煤层波阻抗预测孔隙度平面图

4 孔渗发育主控因素分析

4.1 孔隙度

依据波阻抗反演预测结果与实测结果相结合，做出沁南郑庄樊庄区块煤层孔隙度图(图4)。图中可以看出研究区沁南孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。刘大锰等(刘大锰等，2010)统计发现，华北晚古生代煤的孔隙发育主要与煤的变质程度有关。随着煤的镜质组平均随机反射率(Ro，r)的增高，煤的氦测孔隙度呈高—低—高的变化规律。分析全区的预测结果发现，孔隙度大于3.75%的区域约占全区面积的20%，孔隙度低于2.5%的区域约占全区面积的35%。

4.2 渗透率

郑庄3#煤层渗透率普遍较低(图3)，煤层渗透率平均约为0.12mD，樊庄区块的煤层渗透率稍高，平均为0.49mD，即使在同一地区，煤层渗透率差别也比较大，郑庄区块，最大渗透率为2.96mD，最小为0.01mD;樊庄区块最大为2.00mD，最小为0.02mD。

裂隙是煤层气运移的通道，是煤层渗透性的主要影响因素。据Palmer等(1998)的研究，煤储层渗透率是孔隙度的三次幂的函数，孔隙度的大小对煤储层的渗透性意义重大。对比图2和图3可以看出，孔隙度发育良好的区域对应的渗透率也比较大，因此，研究区渗透率受孔隙度影响很大。

煤体结构与煤层的渗透性密切相关，一般认为，原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发比较理想的煤体结构类型;而碎粒煤和糜棱煤由于煤体破碎，裂隙形态破坏，煤层渗透性差，而被视为非渗透性煤层。寺头断层周边地区由于断层使得煤层破裂，渗透率较其他地区更低(图3)。

图3 3#煤层波阻抗预测渗透率平面图

图4 郑庄樊庄区块煤层孔隙度

煤层埋藏深度对渗透率的制约机理是应力问题。随着煤层埋藏深度的增大，煤层所承受的地应力增大，地应力增大会导致煤层裂隙闭合，使得煤层渗透率降低。因此煤层渗透率具有随埋藏深度增大而逐渐减小的趋势。郑庄樊庄区块煤层埋深由东向西逐渐增加，郑庄区块3#煤层可达1200m以上(图5)。但从郑庄樊庄区块3#煤层的实际情况来看，郑庄的渗透率要普遍好于樊庄，可能的原因是郑庄区块后期的断裂活动。断层等构造的发育使得煤层的物性发生了较大改变。

图5 郑庄樊庄区块煤层埋深图

煤储层不仅受上覆岩层的压力作用，而且还受水平地应力的作用。垂向地应力对储层压力的影响主要是由煤层上覆岩层厚度的增加引起的。而在水平方向上，煤储层处在区域性的构造应力场中，受水平构造应力的作用，因此，水平主压应力越大，储层压力也就越高。同时，煤层渗透率是一种应力敏感性储层参数，注入/压降试井测试以及研究表明，煤层渗透率与地应力呈负相关关系。由于煤层是一种典型的双重介质、双孔隙度的储层，裂隙孔隙度是决定煤层渗透性的关键因素，地应力增大带来的直接后果就是煤层裂隙宽度变小甚至闭合，从而降低煤层的渗透性;另一方面，煤层本身塑性较强，地应力增大使煤体被压缩，导致基质压缩，基质渗透率降低。煤层地应力自研究区四周向内部增大，其变化趋势与煤层埋深等值线一致。在研究区东南部煤层埋藏较浅的地区，地应力也普遍较低，多在10MPa以下，在西部及北部，煤层埋藏深，地应力高，多超过10MPa。郑庄区块煤层地应力要大于樊庄区块(图6)，这也合理的解释了郑庄渗透率高于樊庄的原因。

5 结论

沁南郑庄樊庄区块3#煤层孔隙度相对较小，分布范围1%～7%。煤的孔隙度发育主要与变质程度有关，一般肥煤和焦煤的孔隙度最低，瘦煤以上有所增高。构造发育会影响煤的孔隙度发育。

沁南郑庄樊庄区块3#煤层渗透率较低，并且受到多种因素的影响。郑庄区块渗透率平均值为0.12mD，而樊庄区块渗透率均值则为0.49mD。渗透率具有较高非均质性，即使在同一地区，渗透率差异也很大。影响渗透率的主控因素以孔隙度发育程度最为显著，其他因素如埋深，地应力以及媒体结构对渗透率也有一定的影响。

波阻抗反演在研究区内的应用取得的较好的成果，说明在勘探程度比较低的地区，约束稀疏脉冲反演技术能较好的将测井、地震资料相结合，较准确的预测煤储层的孔渗特征。

图6 3#煤层地应力等值线图

参 考 文 献

崔若飞，孙学凯，崔大尉 . 2008. 地震反演—煤田地震勘探的新进展 . 中国煤炭地质，20 ( 6) ，49 ～52

胡宝林，车遥，杨起等 . 2003. 吐哈盆地煤储层物性特征研究及煤层气资源前景 . 煤炭科学技术，31 ( 4) ，50 ～ 53

刘大锰，姚艳斌，蔡益栋等. 2010. 华北石炭—二叠系煤的孔渗特征及主控因素. 现代地质，24 ( 6) ，1198 ～1203

唐书恒，蔡超，朱宝存等 . 2008. 煤变质程度对煤储层物性的控制作用 . 天然气工业，28 ( 12) ，30 ～33

王权锋，郭科 . 2008. 约束稀疏脉冲反演在储层预测中的应用 . 测井技术，32 ( 1) ，33 ～37

张永升 . 2000. 新疆塔里木盆地沙雅隆起兰尕地区三维地震 . 勘探成果报告

赵贤正，桑树勋，张建国等 . 2011. 沁南煤层气开发区块煤储层特征分析及意义 . 中国煤层气，8 ( 2) ，3 ～7

赵兴龙，汤达祯，许浩等 . 2010. 煤变质作用对煤储层孔隙系统发育的影响 . 煤炭学报，35 ( 9) ，1506 ～1511

Palmer I. ，Mansoori J. 1998. How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds: a new model. SPE Reser- voir Evaluation ＆ Engineering，539 ～ 544

Yao Y B，Liu D M，Tang D Z，et al. 2008. Fractal characterization of adsorption-pores of coals from North China: An in- vestigation on CH4adsorption capacity of coals. International Journal of CoalGeology，73，27 ～ 42

Yao Y B，Liu D M，Tang D Z，et al. 2009. Fractal characterization of seepage-pores of coals from China: an investigation on permeability of coals. Computer＆Geosciences，35，1159 ～ 1166

李俊乾 刘大锰 姚艳斌 蔡益栋 张百忍

( 中国地质大学北京能源学院 北京 100083)

摘 要: 寻找煤层气富集高产区是煤层气勘探开发过程中一项重要的工作，通过对煤层气富集成藏的规律及开发潜力进行分析，为煤层气有利开发区的优选提供依据。本文从沉积环境、水文地质条件及地质构造三个方面，对沁水盆地南部郑庄区块山西组 3#和太原组 15#煤层气富集规律进行了分析。结果表明: ( 1) 区块内 3#煤层顶板以厚层泥岩为主，15#煤层顶板为一大套碳酸盐岩沉积，两类顶板封盖性好，有利于煤层气保存; ( 2) 区块位于滞水洼地附近，水力封闭作用有利于煤层气富集; ( 3) 煤层气局部富集区主要受地质构造的控制，宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、活动性断层部位最不利聚气，总体上向斜部位要好于背斜部位。最后本文从煤储层参数角度，具体分析了该区块的开发前景。3#和 15#煤层煤级高，含气量、含气饱和度较高，煤层较厚，煤层埋藏适中，储层压力接近或稍高于静水压力，均表明有利于煤层气的开发; 而煤储层渗透率普遍较低，则是煤层气开发的主要瓶颈，统计表明，该区块渗透率大小主要受最小有效应力 ( 最小主应力与储层压力之差) 的影响。

关键词: 郑庄 富集规律 沉积环境 地质构造 水文地质 渗透率

基金项目: 国家科技重大专项课题 34 ( 2010ZX05034 － 001) ，国家重大基础研究计划课题 ( 2009CB219604) ，国家自然科学基金项目 ( 40972107) ，中石油创新基金资助 ( 2010D －5006 －0101) 。

作者简介: 李俊乾，博士研究生，矿产普查与勘探专业，主要从事煤层气勘探与开发研究。

Email: lijunqian1987@ 126. com; Tel: 010 － 82320892

Primary Geologic Factors Controlling Coalbed Methane ( CBM) Enrichment and CBM Development Potential in Zhengzhuang Block

LI Junqian LIU Dameng YAO Yanbin CAI Yidong ZHANG Bairen

( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083)

Abstract: It is significant to find out the CBM enrichment area during the CBM exploration and develop- ment. It can help select favorable CBM target areas through studying the CBM enrichment regularity and its devel- opment potential. In the paper，the CBM enrichment regularity of the Shanxi Formation No. 3 and the Taiyuan For- mation No. 15 coal seams of the Zhenzhuang Block in northern Qinshui Basin were studied by ****yzing sedimenta- ry environment，hydrogeology and geologic structure. Results show that: ( 1) in the study area，the thick mud- stone and carbonate rock are the major lithology of the roof plates of No. 3 and 15 seams respectively. Both roof plates have a good sealing-capping property which are beneficial to preserve the CBM; ( 2) the study area locates near the center of stagnant water，where a CBM enrichment area is formed resulting from hydraulic sealing; ( 3) regional CBM enrichment is mainly controlled by geologic structure. The most favorable area for CBM enrichment locates at an anticline with steep wings; secondarily locates in the axial parts of the anticline and syncline with gentle wings; and the worst locates near the activities faults. On the whole，syncline is much more favorable than anticline in CBM enrichment. In the paper，the CBM development potential in the study area was also ****yzed based on coal reservoir parameters. Results show that it is promising to develop CBM within No. 3 and 15 coal seams because both seams are characterized by high metamorphic grade，high CBM content and gas saturation， thick seam，moderate coal burial depth and coal reservoir pressure is similar to ( or higher than ) hydrostatic pressure. However，the low coal reservoir permeability is a main unfavorable factor in CBM development. Statistical results show that the coal reservoir permeability is mainly affected by the difference between minimum principal stress and coal reservoir pressure.

Keywords: Zhengzhuang; enrichment regularity; sedimentary environment; geologic structure; hydrogeol- ogy; permeability

自20世纪80年代美国成功实现地面煤层气商业性开发以来，煤层气的勘探和开发越来越受到世界各主要产煤国的重视。煤层气的抽采利用不仅能缓解常规油气资源短缺带来的能源危机，而且对于煤矿安全生产以及保护环境都具有重要意义。我国煤层气资源丰富，据最新一轮全国煤层气资源评价结果(孙茂远等，2008)，埋深2000以浅的煤层气资源总量达36.8×1012m3，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位。截至2008年，在沁水盆地南部已建成1.5亿m3产能的煤层气生产基地，成功实现了高煤级、中低渗透煤的煤层气开发，打破了国外高煤级储层是煤层气开发禁区的理论(高远文等，2008)。

虽然我国高煤级煤炭资源丰富(占总煤炭量29%)，赋存煤层气资源量巨大(占总含气量15.42%)，但开采难度较大，单井产量也通常较低。这是由于我国的聚煤盆地形成演化历史复杂，后期构造破坏严重，以及盆地原型及构造样式多变(孙茂远，2001;饶孟余等，2005)，使得煤层气富集规律难以把握，而且我国的高煤级煤储层多阶段演化和多热源叠加变质作用明显(杨起，1999)，使得我国煤层气藏的储层物性具有极强的非均质性，增加了煤层气的开采难度。因此，研究煤层气富集成藏的地质控制因素以及分析煤层气藏的开发潜力，对于寻找煤层气富集、高产高渗区具有重要现实意义。本文以沁南郑庄区块煤层气藏为研究目标，对这一问题进行了初步探讨分析。

1 区域背景及地质概况

郑庄区块位于晋城市西北约80km处，行政区划属于沁水县郑庄镇。1999年，中国石油华北油田公司在郑庄区块取得982.76km2的探矿权，并于2006年探明含气面积74km2;在2008年取得了135.2km2的采矿权;截至2009年，在该区块累计探明煤层气地质储量达到843亿m3，和毗邻的樊庄区块一起构成我国首个整装千亿立方米的煤层气田(探明地质储量为1152亿m3)，具有广阔的商业开发前景。

郑庄区地块质构造上位于沁水盆地东南部的马蹄形斜坡构造背景之上，其东南及东部以寺头断裂带为界，区内以宽缓褶曲为主，局部发育小规模正断层(如图1)。区块内自下而上发育有奥陶系，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组以及第四系等地层，其中山西组和太原组为主要含煤层段，发育多套煤层。山西组3#煤层和太原组15#煤层在沁水盆地南部广泛分布，为两个主力煤层，厚度较大且稳定可采，是煤层气勘探开发的主要目标层位。

图1 郑庄区块地质构造及3#煤层埋深等值线图

2 煤层气富集成藏的地质控制因素

2.1 沉积环境

结合前人研究(任海英，2004;邵龙义等，2006)及钻井剖面分析，郑庄区块15#煤层形成于太原组早期第一次特大型海侵之前，聚煤作用发生在泻湖被逐渐淤浅的滨岸沼泽之上，在稳定的构造背景下，聚煤作用持续时间较长，形成较厚的15#煤层(2.4～7.9m)。长期的海侵之后，在15#煤层之上沉积了10m左右的大套石灰岩。在太原组末期，海水开始退去，海陆交互相沉积转换为三角洲沉积体系，在下三角洲平原分流涧湾内发育了厚度较大的3#煤层(5.3～6.2m)。3#煤层顶板发育厚层分流涧湾泥岩，局部夹有分流河道砂体。

沉积环境控制着煤层气的储盖组合、煤层气储层的几何形态以及煤层厚度(王红岩等，2004)，从而影响煤层气的赋存及三维空间分布特征。在不同沉积环境，煤储层围岩条件好坏各异，这直接影响着煤层气的保存。围岩条件的好坏主要取决于煤层顶底板岩性、厚度及其透气性。顶底板岩性越致密、厚度越大、透气性越弱，越有利于煤层气保存富集;反之则利于煤层气体向其他岩层扩散，使气体含量降低。如图2所示，在郑庄区块，3#煤层直接顶、底板均为厚达10多米的泥岩，由于泥岩具有气体排驱压力高、透气性弱的特点，因此对煤层气的封闭能力较好;15#煤层直接顶板为大套的石灰岩，虽然灰岩易受地下水溶蚀作用而使其透气性能增加，但溶蚀性灰岩常分布于构造变动强烈地段，而研究区内构造变形简单，石灰岩遭受溶蚀可能较弱。再加上该灰岩层厚度较大，因此对煤层的保存亦较为有利，但总体较3#煤层围岩封闭性差。

图2 郑庄区块3#和5#煤层顶底板岩性图

总之，在郑庄区块，稳定的沉积环境下发育厚度大、稳定性好(其中3#>15#)的两主力煤层，为煤层气大量储集提供了物质基础;同时，煤层顶、底板具有良好的封闭性能，保证了煤层气的有效保存富集。

2.2 水文地质条件

水文地质条件对煤层气的富集及运移起重要作用，影响煤层气的赋存和分布。通常，水文地质条件控气具有双重性，既可导致煤层气逸散，又能起到保存聚集煤层气的作用。叶建平等(2001)将水文地质控气作用概况为3种类型，即水力运移逸散作用、水力封闭作用和水力封堵作用，其中后两种类型有利于煤层气保存。傅雪海等(2007)在研究沁水盆地水文地质条件对煤层气富集的影响时，提出从盆缘到盆地中心依此出现水力封堵控气作用、水溶携带控气作用、径流逸散控气作用和水力封闭控气作用，最终导致盆缘煤层气含量低、斜坡带含量较高和盆地中心含量高的结果。

研究表明，沁水盆地南部地区山西组含水层主要由底部砂岩和3#煤层上部砂岩组成，两者之间没有水力联系，后者通过裂隙与3#煤层有一定的水力联系(傅雪海等，2007);15#煤层与顶板石灰岩没有水力联系。可见两煤层本身基本是独立的水动力系统，受其他含水岩层影响较弱，外部水动力对煤层气保存影响较小。

郑庄区块边界的寺头断裂，现今状态下属于一条封闭性断裂，导水、导气能力极差，是盆地内部的一个水文地质单元边界。山西组砂岩含水层和太原组灰岩含水层水位在寺头断层东侧附近达到最低值，是地层水的滞水洼地;位于寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区，水位也较低，地下水径流强度也可能较弱，较有利于煤层气保存(王红岩等，2001;2004;傅雪海等，2007)。通常，地下水滞水地带也是矿化度较高区域，郑庄区块煤层水矿化度非常高(如表1)，远高于弱径流区地层水矿化度(1823.61mg/L)，由此推测郑庄区块亦位于地下水滞流区，地下水以静水压力的形式将煤层中的煤层气封闭起来，导致煤层含气量较高。

表1 郑庄区块煤层水矿化度 单位:mg/L

2.3 地质构造条件

构造作用是影响煤层气成藏最为重要和直接的因素，不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化，而且控制着煤层气生成、聚集和产出过程的每一环节。在聚煤期，构造控制着煤系地层形成发育的特征，影响到煤层气的生成、储集和封盖能力;在聚煤期后，构造特征及其演化通过对构造变形和热历史的限定，不仅对煤层气的生、储、盖性能产生影响，而且直接控制了煤层气的运移、聚集和保存特征，从而决定着特定地区煤层气资源开发潜力的大小(秦勇，2003)。

在沁水盆地东南部(包括郑庄区块)，煤层气成藏经历了三个演化阶段(王红岩等，2008;林晓英等，2010):第一阶段，三叠纪末期，煤层达到最大埋深，煤岩镜质组反射率达1.2%，此阶段为深成变质作用生气阶段，累计生烃量达到81.45m3/t;第二阶段，晚侏罗世开始至白垩纪末，地层开始抬升，但由于燕山中期的构造热事件影响，煤层长期处于异常高古地温阶段，引起二次生烃，累计生烃量大，可达359.10m3/t;第三阶段，喜山期的煤层气藏调整与改造，最终形成了现今格局。在第二阶段，由于异常热事件的影响，地层的抬升并没有破坏煤层气藏，反而增加了煤储层储集气体的能力。两次生烃作用为煤储层大量聚气提供物质基础。

在盆地形成演化过程中，郑庄区块受构造作用影响较弱，构造形迹相对简单。对煤层气富集具有控制作用的主要为寺头断层及区内局部背、向斜，在不同的构造部位煤层含气量具有明显差异。从图3上可以看出，在宽缓背斜部位有利聚气(如Js8井)、两翼较陡的向斜和背斜轴部(如Js5和Zs31井)均不利聚气、断层部位最不利聚气(如Zs39井)，总体上向斜部位要好于背斜部位(如Js5>Zs31井)。

图3 区域地质构造与煤层含气量关系图

这主要包括以下几个方面的原因:(1)通常处于活动期的断层具有开放性，是气体运移的有利通道;而活动比较微弱或不活动的断层具有封闭性则有利于气体的保存。在煤层气成藏演化过程中，寺头断层在喜山晚期之前一直处于活动状态，具有强开放性，导致断层附近煤层气体沿断层大量逸散，煤层含气量极低。(2)两翼较陡的向、背斜，均为挤压应力下形成的地质构造。对于向斜，轴部煤层的底部及其底板岩层张性裂隙易于发育，部分煤层气扩散损失，而两翼部位则为煤层气富集区;对于背斜，轴部煤层含气量低则是由于煤层顶部及其顶板张性裂隙的发育，同时两翼部位有利于煤层气富集。总体而言，向斜要比背斜更有利于聚气。(3)宽缓背斜也是在挤压应力环境下形成的，属于局部小构造，亦为应力集中区，因此有利于煤层的吸附。

3 煤层气开发前景分析

煤层气有利开发区主要包括两层含义，它既是煤层气的富集区又是高产高渗区。在查明煤层气富集规律的基础上，寻找煤层气高产高渗区是实现煤层气大规模商业开发的关键。文章从煤储层参数角度，具体分析了郑庄区块3#和15#两主力煤层的开发潜力以及瓶颈问题。

煤层气在煤储层中的渗流特征与常规天然气差异很大，影响煤层气高产的因素复杂而多样，主要包括:煤层气含量、含气饱和度、煤层埋深、煤层厚度、煤级、煤储层渗透率、煤储层压力、临界解吸压力(娄剑青，2004;万玉金等，2005;陈振宏等，2009)以及煤体结构等。在研究区内，煤层气开发的有利储层参数主要包括以下几个方面:(1)煤储层含气性较好(表2)，3#煤层平均含气量19.11m3/t、甲烷含量18.35m3/t、含气饱和度69.58%;15#煤层平均含气量16.30m3/t、甲烷含量15.42m3/t、含气饱和度62.80%。较高的含气量和含气饱和度是煤层气高产稳产的物质基础。(2)煤层埋藏适中，降低开采难度及开采成本，3#煤层埋藏深度512～1215m;15#煤层605～1310m。(3)煤层厚度较大，3#煤层厚度5.3～6.2m;15#煤层厚度2.4～7.9m。(4)煤变质演化程度高，最大镜质组反射率Ro，max=3.55%～3.98%，高变质程度使煤的吸附能力强，含气量高。(5)3#煤储层压力梯度接近于静水压力梯度;15#煤储层压力梯度略高于静水压力梯度。煤层气储层为常压或接近常压均有利于煤层气的开发。

表2 郑庄区块煤层含气性特征

注:下标ad代表空气干燥基。

在郑庄区块，开发煤层气存在的主要瓶颈问题是煤储层渗透率较低，平均低于1mD，其中3#煤层试井渗透率为0.013～0.430mD;15#煤层试井渗透率为0.022～0.920mD。通过镜下观察显微裂隙，两煤层均以B型(宽度>5μm，1mm10mm)裂隙较少，裂隙密度较小，且连通性中等至差。裂隙不发育和连通性较差是导致煤储层渗透性差的主要原因。但两煤层的煤岩类型主要为光亮煤，煤体结构以原生结构和碎裂为主，这使得改善煤储层渗透能力成为可能。从煤层气开发的角度来讲，原生结构的煤体，裂隙虽然相对较少，但经过压裂后，煤层气容易抽放，属较好类型的煤体;碎裂结构的煤体，裂隙相对发育，抽放条件优越，属于极好的煤体类型。

表3 郑庄区块煤储层宏观和微观裂隙发育特征

另外从图4上可以看出，在郑庄区块煤储层渗透率主要受最小有效应力(最小主应力与储层压力之差)的影响，随着该应力的增加，渗透率值明显降低;但埋深和最小主应力对渗透率的影响不明显。因此，可以通过研究最小有效应力分布规律，在研究区低渗透率背景上寻找渗透率高值区，为选取煤层气高产高渗区提供科学依据。

图4 3#(a)及15#(b)煤层渗透率与应力、埋深关系图

4 结论

文章从沉积环境、水文地质条件和地质构造三个方面，分析了郑庄区块3#和15#煤层煤层气富集成藏的地质控制因素。结果表明:稳定的聚煤沉积环境和封闭的水动力系统是煤层气的保存的有利条件，而局部煤层气富集则受控于地质构造条件:在宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、断层部位最不利聚气，总体上向斜部位要好于背斜部位。另外，文章从储层参数角度分析了该区块煤层气的开发潜力。3#和15#煤层煤级高，含气量、含气饱和度较高，煤层较厚，煤层埋藏适中，储层压力接近或稍高于静水压力，均表明有利于煤层气的开发。然而该区块煤储层渗透率极低，使煤层气的商业开发增加了难度，但可以通过压裂等增产措施适当的改善煤储层，提高气产量。

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