煤层气、煤系页岩气和砂岩气的共生成藏与富集规律研究，是煤系三气共探合采的基础工作和前提条件[1-2]，中国煤(煤系气)盆地的显著特点是经历了多期构造-热事件，后期改造显著[3-4]，构造运动破坏了煤系原有的完整性和连续性、形成各类构造样式，控制煤系非常规气藏的展布;构造热、岩浆热等叠加热场促使煤系地层中丰富的有机质进入成熟至过成熟演化阶段，有利于形成产气高峰;构造变形导致构造裂隙发育、改善了煤系储层物性，有利于烃类气体的富集赋存;构造作用对地下水等流体运移也有重要控制，影响煤系气的保存条件。因此，构造-热作用是影响煤系气富集成藏的关键因素之一，不同的温度与压力条件配置于不同的构造单元，决定了煤系气的差异性生成、储集与保存，在研究煤系气的富集条件时，应注重从不同构造单元的温度与压力差异性入手，揭示煤系气富集的影响因素。
鄂尔多斯盆地东缘的临兴地区是我国煤系气共探合采的重点地区之一，有利的沉积条件和盆地演化历程为煤系三气共生成藏提供了良好的物质基础[5-8]，而出露于临县西北部的紫金山岩体对煤系气的影响也日益受到重视[9-10]。岩体侵入改造了区域上的单斜构造格局，形成不同的次级构造单元，这些次级构造单元对煤系气富集的影响程度必然不同。前人研究表明，以紫金山岩体为中心，煤层呈现“中心薄，四周厚”的分布特征，由于岩浆的热烘烤作用，靠近岩体部分煤的变质程度快速增加，也使得煤系泥/页岩中有机质进一步成熟，进入大量生气阶段[6];煤系砂岩含气量环绕紫金山岩体呈带状分布，近紫金山处含气量低，向四周逐渐增加[7]。因此，在研究临兴地区煤系气共生成藏时，不能简单地将煤系气富集条件作为一个整体研究，而应该以构造-热作用为主线，在合理划分次级构造单元的基础上，详细研究各次级构造单元内煤系气富集主控因素的差异性，总结煤系气共生成藏特征、揭示煤系气富集规律。
1 研究区地质背景
临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘，地跨伊陕斜坡和晋西挠褶带，整体构造格局为走向近南北、向西缓倾的单斜构造[9]，东南部为燕山期紫金山岩体，环紫金山岩体带断层较为发育[6](图1)。
图1 研究区构造简图及次级构造单元划分
Fig.1 Structure diagram and secondary structural units division of the study area
区内主要含煤岩系为石炭—二叠系本溪组、太原组和山西组，发育于海陆过渡相沉积环境，本溪组和太原组为一套障壁海岸沉积，而后发生海退，至山西组发育三角洲平原相，煤系上覆地层下石盒子组、上石盒子组和石千峰组则广泛发育河流沉积[10]。煤系烃源岩分布广泛，有机质演化程度高，满足广覆式生烃和持续充注的气源条件，煤层、泥/页岩、砂岩互层构成有效的生储盖配置，具有良好的煤系三气资源前景。
2 构造格局与次级构造单元
临兴地区构造形态格局受紫金山岩体影响明显，导致局部构造复杂化。岩浆活动具有多期次特征，主要包括中三叠世的表浅层火山喷发-热液活动、晚侏罗—早白垩世的中浅层岩浆侵入活动、晚白垩世的浅层火山喷发热力活动等3期[11-12]。前人已认识到紫金山岩体侵入对临兴地区构造格局的影响，认为岩体附近因侵入而隆升，周边则逐步过渡为稳定的单斜构造，据此划分出底辟构造隆起带、环形沟槽带、低幅背斜带或岩浆破坏区、岩浆热影响主导区、弱岩浆影响复合成藏区、构造-埋深主导区等次级区带[6,13-14]。
笔者综合考虑岩浆侵入叠加热场和侧向压力影响范围以及主要构造样式展布等要素特征，将研究区划分为3个次级构造单元:中央隆起带、环形褶皱带、单斜构造带(图1，表1)。中央隆起带为直接受紫金山岩体侵入影响区域，以岩浆热以及岩浆侵入造成的复杂构造为主要特点，断层褶皱发育，褶皱控制了煤系展布形态，断层主要是由岩浆侵入垂向上拱及侧向挤压形成的，其中，逆断层在平面上主要呈弧形和放射状，而正断层主要分布在隆起核部，隆起边缘则较少发育。环形褶皱带是指受紫金山岩体侧向挤压导致区域性单斜构造形态复杂化的区域，整体为环绕岩体的弧形向斜，次级小褶皱与小断层并存，断层主要为与区域构造线一致的逆断层，平面上呈北北东—南南西向展布，断距与延伸长度均不大，但对煤系气富集有重要作用。单斜构造带则是未受紫金山岩体影响或影响很少的区域，位于研究区东北部，岩层倾角平缓，构造形态较稳定，褶皱和断层不甚发育。
表1 各次级构造单元的主要构造特征简表
Table 1 Main structure characters of each secondary structural units
3 不同构造单元内煤系气富集条件
3.1 含气性与煤系气共生关系
含气量是煤系气勘探开发影响最大的参数之一，研究区3个次级构造单元的煤系气含量存在明显差异(图2)。中北部和西部煤层气含量(以主力煤层8+9煤层为例)相对较高，由中央隆起带→环形褶皱带→单斜构造带，整体呈环带状递减分布，含气量依次为13～17,7～17,5～13 m3/t(图2(a))。泥/页岩含气量值较低，主要分布在0.1～1.5 m3/t，分布规律同煤层含气量相似，3个次级构造单元的数值依次为>1.0,0.3～1.0，<0.3 m3/t(图2(b))。致密砂岩气大多分布在0.2～6.5 m3/t，且分布规律与煤层气和泥/页岩气相反，东北部含气量较高，由中央隆起带→环形褶皱带→单斜构造带呈现出递增的趋势，含气量依次为0.2～3.5,1.5～4.5,2.5～6.5 m3/t(图2(c))。
含气量图件在一定程度上反映了不同次级构造单元内煤系气的共生关系:中央隆起带内煤层气和泥/页岩气含量高，主要为煤层气与泥/页岩气共生组合，且以煤层气为主;在环形褶皱带内，煤层气、泥/页岩气、致密砂岩气“三气”共生，含气量均较为可观;而在单斜构造带中，则主要为致密砂岩气与煤层气共生组合，2者含量较高。
3.2 地温梯度与储层压力
研究区煤系温度受紫金山岩体影响较为严重，自中央隆起带至单斜构造带，地温呈围绕紫金山岩体的环形分布(图3)，地温梯度从2.8～5.8 ℃/hm不等[10]。中央隆起带的地温梯度最高，在4.3～5.8 ℃/hm，而褶皱带内的地温梯度较次，单斜构造带内地温梯度最低，一般在3.3 ℃/hm以下。Ro等值线展布特征(图3)显示煤系有机质热演化程度与地温梯度具有良好的对应关系，由此决定了煤和煤系泥/页岩生产气能力的差异。
研究区3个构造单元内实测储层压力如图4所示，斜率反映出压力梯度。由于紫金山岩体的侵入产生的侧向挤压影响向外逐渐减弱，使得由中央隆起带→环形褶皱带→单斜构造带的储层压力梯度逐步降低，分别为1.22,1.00,0.86 MPa/hm。此外，杨光(2016)对临兴区块煤系各层位压力系数进行了计算[14]，煤系不同层位的压力系数在纵向上无明显变化规律，在平面上同样呈现出由以中央隆起带→环形褶皱带→单斜构造带依次降低的趋势。
图2 临兴地区煤系气含量等值线(部分图件据文献[7,15]修改)
Fig.2 Coal measure gas content contours in Linxing area(Some data were collected from References[7,15])
图3 研究区地温梯度分布与煤层Ro等值线(据文献[6,13]补充修改)
Fig.3 Geothermal gradient and Rocontour of coal in the study area(Some data were collected from References[6,13])
图4 各次级构造单元内煤系实测压力值
Fig.4 Measured pressures of coal measures in each secondary structural unit
3.3 储层物性特征
不同次级构造单元煤系储层特征归纳见表2，可知，总体而言，区内煤系储层渗透率普遍较低，但环形褶皱带的3类储层渗透率略大于中央隆起带和单斜构造带，这应与环形褶皱带内煤系弯曲形变以及小型断层发育有关。
研究区煤系储层孔隙度均较小，不同构造单元内孔隙度分布范围及均值仍具有一定的差异。环形褶皱带煤储层孔隙度略高于中央隆起带和单斜构造带，前者孔隙度均值为6.30%，后两者分别为5.66%和5.65%;而对于泥/页岩和致密砂岩储层均表现为环形褶皱带孔隙度略低，均值分别为6.53%和7.04%，单斜构造带孔隙度略高，均值分别为7.18%和8.39%。在对各构造单元中孔隙度数据进行方差计算后发现，环形褶皱带的方差相对较大，表明煤系储层孔隙度差异性较大，这与该带小型褶皱发育导致储层变形差异有关。
煤系储层孔隙结构统计表明，煤储层孔隙均以小孔为主，占总孔体积的80%～90%，且最大汞饱和度主要分布在70%～90%，反映出良好的孔隙连通性能。中央隆起带泥/页岩以小孔为主，占总孔体积的61.5%～87.1%，环形褶皱带中以小孔和中孔为主，占总孔63.3%～93.4%，单斜构造带则以中孔为主，而中央隆起带和单斜构造带泥/页岩最大汞饱和度较大，主要为67%～95%，孔隙连通性较好。煤系致密砂岩均以中小孔为主，占总孔体积的60%～95%，在中央隆起带和单斜构造带孔隙连通性较好，环形褶皱带不同样品孔隙连通性差别较大。
表2 不同次级构造单元储层物性特征对比
Table 2 Comparison of reservoirs characteristics in different secondary structural units
注:
煤储层兰氏体积以中央隆起带最大，平均21.3 m3/t，这是由于中央隆起带受岩浆热影响显著，煤变质程度增加，从而提高了煤储层的兰氏体积。
3.4 水文地质条件
临兴地区主要含水层包括灰岩岩溶裂隙含水层、砂岩含水层、碎屑岩类含水层和松散岩类孔隙含水层[13]。煤层顶板为主要含水层，如本溪组8号煤层顶板、山西组5号煤层顶底板;而隔水层主要为泥岩[13-14]，在山西组下部、太原组中部以及本溪组均发育良好。煤系岩性组合表现为煤、泥岩、砂岩频繁互层，因此，泥岩起着将隔断煤系水力联系的作用，水体流向主要与地层倾向一致，即整体上由东向西，局部为北东往西南方向，如紫金山北部贺家会一带，煤系水向深部西南方向流动。
图5 研究区煤系地下水矿化度等值线
Fig.5 Salinity contour of groundwater in coal measures of the study area
区内地下水补给主要来源于大气降水和东缘奥陶系灰岩的侧向补给，从平面上看，煤系地下水来源主要是中央隆起区紫金山东侧和鄂尔多斯盆地东缘[15]。煤系水的高矿化度往往代表着滞留水环境，有利于煤系气的保存，研究区矿化度总体较高，环形褶皱带内煤系水地下水矿化度最高，而中央隆起带与单斜构造带的地下水矿化度相对较低(图5)。环形褶皱带的总体向斜构造形态阻碍了地下水动力交替，构成相对滞留水环境，为煤系气的富集提供了有利动力条件。
4 不同构造单元的煤系气富集模式
由于紫金山岩体的侵入，使临兴地区在区域性单斜构造背景上，形成3个次级构造单元，构造-热作用的差异，导致各次级单元煤系气共生组合和富集特征呈现不同的特征。
(1)中央隆起带
中央隆起带对煤系气富集的影响主要是岩浆热入侵与构造隆升，表现为岩浆侵入型煤系气成藏模式(图6)。岩浆活动加速了煤系有机质热演化(图3)，增大了烃源岩产气能力，使得该构造单元中煤层气、泥/页岩气(吸附气)含量比其他两个区域高(图2)。另一方面，岩体侵入产生部分正断层并直接连通地表，形成游离气逸散的通道，因此中央隆起带中的致密砂岩气含量较少，该构造单元主要是煤层气与泥/页岩气共生成藏。此外，由于大气降水等原因，地下水由中央隆起带顺地层向外侧流动，靠近紫金山岩体处地下水动力条件相对略强，对煤系气的保存较为不利。
图6 研究区不同次级构造单元对煤系气富集的影响模式
Fig.6 Secondary structural units controlling effects on coal measure gases accumulation models
(2)环形褶皱带
环形褶皱带作为紫金山岩体与单斜构造之间的过渡带，以整体向斜构造形态为特征，地下水径流较弱，有利于煤系气保存，形成向斜与水力封堵型煤系气成藏模式(图6)。环形褶皱带内受到的岩浆热和侧向挤压作用减小，总体上烃源岩成熟度和储层压力梯度低于中央隆起带，煤层气和泥/页岩气含气量也略低于中央隆起带，但由于受构造扰动程度相对较低，致密砂岩气保存较好，表现为煤层气、泥/页岩气及致密砂岩气共生成藏，适于三气合采。较为发育的小断层主要以封堵性质的逆断层为主，断距不大、切割层位极为有限，基本上可等同于“割理”，因此渗透率相对于其他次级构造单元略高。
(3)单斜构造带
单斜构造带分布在研究区东北部，基本不受紫金山岩体的影响，构造形态为向西缓倾的单斜，形成缓倾单斜与岩性封堵成藏模式(图6)。此构造单元内烃源岩成熟度最低，生气量也最低。虽然其煤层气、页岩气含量不及其他两个构造单元，但由于后期构造破坏微弱，地层平缓，泥/页岩气作为盖层封堵游离气，致密砂岩气的含量比其他两个次级构造单元高，是煤系砂岩气有利成藏区。
5 结 论
(1)紫金山岩体侵入改造了临兴区块的区域性单斜构造格局，导致构造格局复杂化，可划分为中央隆起带、环形褶皱带、单斜构造带3个次级构造单元，次级构造单元构造变形特征差异，决定了煤系气共生组合类型和煤系气富集规律。
(2)煤系地温梯度和储层压力梯度呈环状由中央隆起带依次向外降低，造成中央隆起带的烃源岩成熟度和煤储层兰氏体积增大，故而煤层气、页岩气等吸附型煤系气含量由中央隆起带→环形褶皱带→单斜构造带依次降低，致密砂岩气则表现出相反的趋势。
(3)3个构造单元内煤系储层物性相差不大，但环形褶皱带内因煤系弯曲程度较大以及小断层较为发育，其渗透率相对略高。从水文地质条件来看，煤层顶底板易发育含水层，泥岩为主要隔水层，环形褶皱带内水动力条件相对最弱，有利于煤系气的保存。
(4)根据不同次级构造单元内煤系气富集主控因素特征，总结提出与中央隆起带、环形褶皱带、单斜构造带相对应的“岩浆侵入型→向斜与水力封堵型→缓倾单斜与岩性封堵型”煤系气富集成藏模式。
参考文献(References):
[1] 秦勇,申建,沈玉林.叠置含气系统共采兼容性——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题[J].煤炭学报,2016,41(1):14-23.
QIN Yong,SHEN Jian,SHEN Yulin.Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:Ageneral geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):14-23.
[2] 曹代勇,姚征,李靖.煤系非常规天然气评价研究现状与发展趋势[J].煤炭科学技术,2014,42(1):89-92,105.
CAO Daiyong,YAO Zheng,LI Jing.Evaluation status and development trend of unconventional gas in coal measure[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):89-92,105.
[3] 王桂梁,琚宜文,郑孟林,等.中国北部能源盆地构造[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.
[4] 曹代勇,宁树正,郭爱军,等.中国煤田构造格局和构造控煤作用[M].北京:科学出版社,2018.
[5] 杨华,刘新社.鄂尔多斯盆地古生界煤成气勘探进展[J].石油勘探与开发,2014,41(2):129-137.
YANG Hua,LIU Xinshe.Progress of paleozoic coal-derived gas exploration in Ordos Basin,West China[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(2):129-137.
[6] 顾娇杨,张兵,郭明强.临兴区块深部煤层气富集规律与勘探开发前景[J].煤炭学报,2016,41(1):72-79.
GU Jiaoyang,ZHANG Bing,GUO Mingqiang.Deep coalbed methane enrichment rules and its exploration and development prospect in Linxing block[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):72-79.
[7] 李夏,林玉祥,赵程锦,等.临兴地区砂岩含气特征及其主控因素[J].山东科技大学学报(自然科学版),2018,37(1):111-118.
LI Xia,LIN Yuxiang,ZHAO Chengjin,et al.Characteristics and its main controlling factors of sandstone gas content in Linxing area[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2018,37(1):111-118.
[8] 李辛子,王运海,姜昭琛,等.深部煤层气勘探开发进展与研究[J].煤炭学报,2016,41(1):24-31.
LI Xinzi,WANG Yunhai,JIANG Zhaochen,et al.Progress and study on exploration and production for deep coalbed methane[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):24-31.
[9] 张兵,徐文军,徐延勇,等.鄂尔多斯盆地东缘临兴区块深部关键煤储层参数识别[J].煤炭学报,2016,41(1):87-93.
ZHANG Bing,XU Wenjun,XU Yanyong,et al.Key parameters identification for deep coalbed methane reservoir in Linxing block of eastern Ordos Basin[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):87-93.
[10] 傅宁,杨树春,贺清,等.鄂尔多斯盆地东缘临兴—神府区块致密砂岩气高效成藏条件[J].石油学报,2016,37(S1):111-120.
FU Ning,YANG Shuchun,HE Qing,et al.High-efficiency reservoir formation conditions of tight sandstone gas in Linxing-Shenfu blocks on the east margin of Ordos Basin[J].Acta Petrolei Sinica,2016,37(S1):111-120.
[11] 杨永恒,杨兴科.紫金山岩体的热力构造类型、期次及其对鄂尔多斯盆地东缘多种能源矿产的影响作用[J].地球学报,2007,28(6):620-626.
YANG Yongheng,YANG Xingke.Thermal structure types and stages of Zijinshan rock body and their influence upon several energy resources and minerals in eastern Ordos Basin[J].Acta Geoscientica Snica,2007,28(6):620-626.
[12] 杨兴科,杨永恒,季丽丹,等.鄂尔多斯盆地东部热力作用的期次和特点[J].地质学报,2006,80(5):705-711.
YANG Xingke,YANG Yongheng,JI Lidan,et al.Stages and characteristics of thermal actions in eastern part of Ordos Basin[J].Acta Geoscientica Snica,2006,80(5):705-711.
[13] 祝武权.临兴地区岩浆侵入背景下的煤层气聚集成藏作用研究[D].北京:中国地质大学(北京),2017:36-62.
ZHU Wuquan.Characterization of coalbed methane accumulation and reservoir under the background of magma invasion in lin-xing district[D].Beijing:China University of Geosciences,2017:36-62.
[14] 杨光.临兴区块石炭二叠纪煤系流体压力系统及其沉积层序控制[D].徐州:中国矿业大学,2016:52-64.
YANG Guang.Fluid pressure system and sequence control of Permo-carboniferous coal series in Linxing block[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2016:52-64.
[15] 孙泽飞.临兴区块煤系非常规天然气共采可行性地质评价[D].徐州:中国矿业大学,2016:20-22.
SUN Zefei.Geological evaluation for co-mining feasibility of unconventional natural gases in coal series from Linxing block[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2016:20-22.