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沁水盆地地温场特征及其与煤层气分布关系

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沁水 盆地 地温 特征 及其 煤层气 分布 关系
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论 文 第 增刊 科 考五叙沁水盆地地温场特征及其与煤层气分布关系孙占学 张 文 胡宝群 李文娟 潘天有抚州 据井的温度数据得到沁水盆地平均地温梯度为 试了岩石样品的热导率数据, 计算了大地热流值水盆地现今热流变化于 一平均为巧用 件对沁水盆地的古地温史进行了模拟, 并得到了沁水盆地晚侏罗一早白玺世最大埋深时的平均古热流, 北部为 巧中部为 南部为 复了地层的埋藏史, 揭示了地层沉积结束和剥蚀开始的年龄为一 地层的剥蚀厚度北部为 中部为 南部为古地温场的分布格局为“南北高, 中部低” , 这在时间和空间上和煤层气的含气量分布相一致, 初步显示古地温场对沁水盆地煤层气的形成具有控制作用水盆地 大地热流 镜质体反射率 热史恢复 煤层气沁水盆地位于山西省东南部, 面积约为 盆地蕴藏着丰富的煤炭资源, 是中国重要的煤炭生产基地, 也是中国煤层气资源开发潜力最大的地区之一 本区含煤地层主要由上石炭统太原组和下二叠统山西组构成, 平均总厚度为 含煤层原组和山西组的主采煤层分别被称为上主煤层和下主煤层, 在全区均有分布, 是本区煤层气勘探开发的主要目的煤层煤层气运移和储存的重要参数, 同时也是盆地构造变化过程的客观反映年来, 不同学者对沁水盆地进行了大地热流、构造一热事件及古地温恢复等方面的研究, 取得了一些新的进展随着新资料的不断积累, 很有必要对本区古今地温特征及其与煤层气的关系进行更加深人的探讨文在对沁水盆地现代地温场研究的基础上,根据镜质体反射率利用 件对盆地热史和主要含煤地层的埋藏史进行了恢复, 并对古地温特征与煤层气分布的关系进行了讨论今地温场特征本文在前人工作〕的基础上对沁水盆地现今地温场特征进行了系统研究项研究收集和选取的部分井温数据来自静井时间为 而且地温与深度关系均表现为传导型井温曲线特点,温度和深度之间呈很好的线性关系地温梯度的计算采用最小二乘法求得, 还有部分井的地温梯度引自有关文献表 知, 沁水盆地地温梯度介于间, 平均地温梯度为 了研究的方便, 并考虑地域地质特征, 将盆地划分为南、 中和北 部分来予以分析部为北纬 南地区, 中部为 , 北部为 、 据表 一中的数据, 可得本区地温梯度分布图 其中, 南部平均地温梯度为 中部为 北部为瓜区的地温梯度总体上呈现南北高中间低的趋势并假定地温在各深度上呈线性变化, 任意深度上的温度可由 算得出地温梯度, 为恒温带深度,为恒温带温度 温带的温度和深度是沉积层地温梯度和深部温度计算的起点般来说, 恒温带的温度大致相当于当地的年平均气温据沁水盆地由南到北各县平均气温的统计分析, 并参考有关文献本区恒温带的温度定为 , 恒温带深度定为下主煤层现代埋藏深度的变化情况, 根据分别计算了 个深度的温度值算结果表明, 全盆 度的温度介于, 度的地温介于 第 增刊 论 文表 水盆地实测大地热流数据表编号 坐标 分区 井号 地温梯度 纬 ,,‘,‘,,,‘‘ ,‘,,‘南部中部北部山西沁源阳泉西上庄钻孔阳泉寿阳 ∀#%& ##∋∋ %∃ # & )∃(∋% # )%∋ (#( ) ∋ ∋## ∋&( %,3 0厂,3 7“1 8,6,‘3 7 0 5 0 ‘3 6 ,‘3 705 1‘5 6“3 7“5 2, 36‘,3 705 3’4 7,,1 3一4s 25一51 1一36一51 1一61 3一,32 2一0 2 1 5 5 2 784612013‘1 1 3 ”4 ‘3 6 ,‘1 1 301 4‘4 9,厂1 1 3 0 1 1 ‘4 6 ,‘1 1 3“5‘41户,1 1 3 0 1 7 ’5 4 ,,1 】3013研3 5 ”l ] 3“1 6‘4 1 ’r] 1 301 3 ’3 1 ‘,1 1 301 1 ‘2 2 ,,1 1 30 1 4 ‘3 0 ,‘2345615]洲酬910234巧67890 20阳414。。。。黑地温梯度等值线(。C 瓜m )并点号左权41000004060000沁源4020000安3980000沁水长治市2 岩石热导率与大地热流岩石热导率是计算大地热流的基本数据, 大地热流的计算公式为:Q 二K ·么T /△Z , (2 )式中, K 为岩石的热导率(w/ m · K), △T/ △z 为地温梯度(℃/我们共收集和测定了 39 个岩石样品的热导率数据, 在对各井进行热流计算时, 为确保热导率样品数据的代表性, 计算岩石热导率时, 根据钻孔揭露地层的岩性与厚度, ) )孔深为 972 m , 其岩性统计如下: 砂岩、 泥岩、 煤层、 1 . 9 , 0 . m · K . 该孔平均热导率值可用下式计算:3940000 阳城 晋城市19580000 19620000 19660000 19700000 (3)图 1 山西沁水盆地地温梯度(℃/k m )分布图艺凡人K =上旦—艺94 第50卷 增刊 1 2005年10 月 科 专流叙式中, k ,为第h , 为第m), n 为岩石类型的数目. 经计算得 K = m ·K‘. 将该孔的地温梯度(26 k m )和热导率值代人(1)式, 计算得其大地热流值为52 91 1)表明, m w 八平均( ) 1 士 巧.5 mw/7], 明显高于太行山隆起区热流(mw 6]5 8]和渤海盆地热流(65 .8 明显低于山西地堑系的平均热流(5]如 的大地热流值达 10 m 2; 中部的大地热流值较低 , 如沁参 l 井为48 m 2;西南部大地热流值较高, 最高者可达93 2) 地温场特征煤层气的形成与煤层所受的温度及受热时间密切相关, 在没有特殊热源(如岩浆活动)的情况下, 埋藏史与受热史也可以反映煤层气在地层中的生成、煤层气的形成是深成变质作用所致 , 地温模拟参数本次模拟的主要参数取自相关资料与实测分析结果, 有岩性参数(表 2) 、 地层地质参数和镜质体反射率(表 3)等 岩性参数据盆地南、 中、 北三部分的实测数据, 取各相应部分的平均值得到, 地层地质参数是以南、 中、 北部分别选取的孔、 沁参层埋藏史本项研究采用了9620000 19660000 19700000图2 ac 上移植, wi nd 统上运行, 又有机联系的功能模块(模拟器):地史模拟器、 地温史模拟器、 o )、磷灰石裂变径迹(和祸合反演及豁矿物(l/ S) 、 氢水盆地岩性参数统计表岩性5一5 号孔 沁参 1孔 g · c m 一3 热导率/w · (m·K ) 密度29· 。导率/w ·(m·K 犷, 密度/g· 导率(m · K)一 ,421八、0八乙气曰9乙曰了,‘ 八、今一目勺内、Q202伪一八二2, 厂2”工†1q”0凡、 W , S C 立 叙 第50卷 005 年10 月 论 文表3 沁水盆地镜质体反射率数据表5一5 号孔 沁参 T 10 0 3 号孔采样深度/ 17 5 560, 1.21‘540曰90…目l,1, 1.]鸟”7 6 87 7 27 9 88 3 o/ % 62 3 4 220 42一611采样深度/m 采样深度/m 478520 a) 镜质体反射率数据由西北大学任战利教授提供氢年龄谱地热学( R a m 谱等 采用Th 演模拟器反演地层剥蚀深度, 、图 5 所示, 北部(5 一5 号孔)的上、 0 m, 中部(沁参 1)为 06 3.5 m,南部(4m , 总体趋势是南 下主煤层在盆地 据已有的研究, 沁水盆地北部和南部有燕山期岩浆活动, 年代瓜{00 150 200 250 300 350生煤层埋藏史一e ~ 下主煤层埋藏史0n”fŽ八曰、”00 100 150 200 250 300 350 图4 沁参1号孔主煤层埋藏史曲线-. 一 上王煤层埋藏史一令一 下主煤层埋藏史张3000每 一 一 一 衫图3 5一5 号孔主煤层埋藏史曲线世[z]; 发生在燕山运动中期(晚侏罗世一早白垄世)的高热流有利于煤层煤化作用的发展「’]; 秦岭造山带在造山期后又有明显活动, 其中100 s]; 沁水盆地周缘也已发现多个中生代岩体[2]西南部塔儿山、 二蜂山一带岩浆岩的K 一射性同位素年龄在距今91一138 间, 主要分布在距今130右, 即燕山运动中期的早白翌世[1’〕. 岩体时代主要在晚侏罗世到早白垄世, 即 10 8一巧6 M a, 可见本区晚侏罗世阳早白里世, 南北有附加岩浆热源, 且上、W W i c h i n a.C o 第50卷 005 年10月 科 考流叙年代瓜」朋三碰张15002000250030003500图5 03号孔主煤层埋藏史曲线年代瓜叹参1主煤层温度曲线尸火恻瞬下主煤层埋藏深度较大, 地温场演化地层的古地温史可以从地层的埋藏史上反映出来, 地层的埋深越大, 在中生代晚期异常地温场背景的基础上, 中、 南的上 、 下主煤层的温度史曲线, 曲线表明, 在最后一次热事件(晚年代爪门1 003孔主煤层温度曲线八曰工、一门气”,,勺‘伪二1卯、恻明50献, , + 娇一心一 下主煤层温度史一 令 一 上主煤层温度史0占 50 100 150 200 250 300 350年代爪丁一5 孔主煤层温度曲线侏罗世一早白翌世)时地层的温度北部为 252 4℃、 中部为 , 南部为 . 03 ℃; 平均地温梯度北部为 73 m , 中部为58 9℃/k m , 南部为 80 k m 部 中部 南部 k m 湘比, 本区上、 下主煤层最大埋深时古热流北部为 158 南部为 5 “和 38“带附近, iC h in a.e 五 叙 第50卷 增刊 1 2。。5 年10 月 论 文一二叠纪煤层在现今的浅埋区出现了高变质煤带无烟煤, 这些浅埋区虽然在沉积后期受到剥蚀作用, 但用深成变质作用是不能解释其成因的〔‘2〕. 因此, 这只能归因于晚侏罗世一早白奎世发生了热事件, 由于岩浆的侵人是在盆地两端, 从而也造成了盆地古热流“南北高, 中间低”区南北部由隐伏岩体侵人形成的深部热异常可能至今尚未完全消失, 从而在一定程度上使现今盆地热流继承了古热流“南北高, 中间低”地温场与煤层气分布关系如前所述, 沁水盆地从北到南的主煤层温度、 埋藏深度、 地温梯度及古热流变化的总趋势为:在盆地的南、 北部有着较高的古地温和古热流, 有利于煤层气的生成, 同时主煤层的古埋深也较大, 埋藏深度也较小 , l“」的研究所揭示的在沁水盆地北部和南部煤层气含气量较高, 5 “和 38 “带附近, 晚侏罗世一早白奎世的岩浆热液活动使煤层的变质作用加剧, 古地温场的演化从一个侧面验证了煤层气的分布, 沁水盆地煤层气的展布受古地温场的控制, 古地温异常发生的范围, 也就是岩浆侵人所影响的范围, 论(i) 沁水盆地现今地温梯度平均为(28 3 )℃/k m , 其中南部为 35 3℃/中部为 2 北部为27 k 价(11) 沁水盆地现今大地热流值为 0 m w 八112, 平均为62 明显高于太行山隆起区, 但略低于相邻的鄂尔多斯盆地和渤海湾盆地, 明显低于山西地堑系.(i ) 盆地地温史的模拟结果表明, 沁水盆地的南、 北、 中3个区的受热史不同, 在其煤层形成到最后一次热事件之间的时间为煤层气生成的主要时期(110一巧6 M a) , 这时期本区古热流值也达到了的最大值, 部为 地层的埋藏史研究显示, 形成现代热流场“南北高, 中部低”的格局, 部为 2603 m; 中部为 229l m; v)通过主煤层地温史的研究, 使该盆地石炭一二叠系煤层热演化程度较高, 古地温梯度与古热流都远高于现在, 胡圣标博士提供了他最新改进的地热模拟软件、任战利博士提供了沁参1 井的镜质体反射率资料, 号: 文 献1 秦勇, 宋党育 质出版社, 1 9 9 8 . 6 一82 任战利, 赵重远, 陈刚沁水盆地中生代晚期构造热事件, 石油与天然气地质, 2 9 9 9 , 2 0 ( 1 ) : 4 6 一183 张国伟, 孟庆任, 于在乎, 等, 1 9 9 6 , 2 6 ( 3 ) : 1 9 3 砚004 9 9 8,3 3 ( 2 ): 25 1~ 2 545 吴乾蕃, 廉雨方, 祖金华, 科学通报,1 9 9 0,3 6 ( 7 ):5 2 3 巧346 学出版社, 1 9 ~8 47 H u s h e n g B i a o, H e u a n,Wa ng j a e o n e n t a a h in a : a n e w s e t.E a r th a n n e t a n e t t e r s,2 0 0 0,1 7 9(2): 40 7 码198 孙少华, 刘顺生, 1 9 9 6 , 2 0 ( 1 ): 29、3 79 王良书, 刘绍文, 肖卫勇, 2 0 0 2 , 4 7 ( 2 ):1 5 1一1 5 510 任战利 , 赵重远. 2 0 01 , 2 8 ( 6):1~41] 宋党育, 1 9 9 8 , 1 0 ( 4 ):3 2一3412 任战利, 1 9 9 7 , 1 5 ( 2 ) : 1 3 4 一1 3713 刘焕杰, 秦勇, 桑树勋. 国矿业大学出版社, 1 9 9 6 一10 9(20 0 5一0 3一1 5 收稿,2 0 0 5一0 7一2 3 收修稿)ww Om
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