煤層氣生成及含氣量控制因素

沈麗惠,齊俊啟,趙志義,徐 飛,喬 軍

(1.河北工程大學 資源學院,河北 邯鄲056038;2.河北省煤田地質局水文隊,河北 邯鄲 056201)

煤層氣以吸附態(tài)為主要賦存形式儲存在煤中,是一種非常規(guī)天然氣,CH4含量大于90%,發(fā)熱量大于3.494×107J/m2,是優(yōu)質的能源和化工原料。我國煤層氣的儲量相當豐富,是目前良好的天然氣后備資源。同時,煤層氣又是造成煤礦安全隱患的重大因素,而且大量的煤層氣流失又是溫室氣體的主要來源之一[1,2]。所以,開發(fā)利用煤層氣,對于優(yōu)化我國的能源結構、減少環(huán)境污染、解決煤礦安全隱患等都具有重要意義。本文探討了峰峰東部礦區(qū)2號煤煤層氣的生成和演化特點,分析了研究區(qū)含氣性及含氣性的主要控制因素,為評價研究區(qū)煤層氣資源的賦存特征和今后進行工業(yè)化開發(fā)作好技術準備。

1 概況

峰峰東部礦區(qū)位于河北省南部,太行山東麓鼓山背斜以東。研究區(qū)總體為一單斜構造,地層走向NNE,傾向 SE,傾角平緩,一般為 8°～ 15°,因燕山運動影響,區(qū)內斷裂構造發(fā)育,以高角度正斷層為主。含煤地層為華北型石炭、二疊紀含煤建造,主要含煤地層為太原組、山西組,共含煤10～26層,其中2號煤位于山西組,其厚度大,橫向相對穩(wěn)定。

2 煤層氣的生成與演化

研究區(qū)經歷海西至印支期的快速埋藏,地殼持續(xù)下降,煤層埋深較大,以區(qū)域深成變質作用為主。古地溫梯度在3℃/hm左右,煤級進展是正常古地熱場的產物,煤中有機質在深成變質作用下發(fā)生一次生氣,一次生氣期間,該區(qū)煤層普遍經歷了生物氣階段。燕山期,受華北板塊與太平洋板塊之間的相互作用及郯廬斷裂大規(guī)模左行走滑的影響,地質構造發(fā)育,并伴隨大規(guī)模的巖漿活動。大規(guī)模的巖漿侵入促使該區(qū)的煤層進一步變質及煤層氣第二次生成,此時,古地溫梯度達8℃/hm左右,生烴的強度最大,歷經濕氣生氣高峰和干氣生成高峰階段,至階段末期基本上完成了煤化作用歷史上的整個生烴過程。

區(qū)內煤層一次生氣作用顯著弱于二次生氣。二次生氣作用特征是影響煤層氣現(xiàn)今含氣量的最重要因素之一。然而二次生氣強度在空間上的分布也具有較大的非均一性。表現(xiàn)為現(xiàn)今煤級越高,二次煤化作用越強,二次生氣作用的強度越大。二次生氣作用的這一特征與本區(qū)的煤層含氣量的現(xiàn)代分布格局基本一致。

根據構造演化特征及殘余地層厚度得出2號煤層平均埋藏深度。在查明埋藏史的基礎上,用EASY%Ro數(shù)值模擬法對煤層熱演化史進行了模擬及恢復(表1)。從埋藏史和熱演化史分析,峰峰東部礦區(qū)2號煤層有效生氣階段為早侏羅世至白堊世末,其有效生氣階段的起始煤級為氣煤。早侏羅世至白堊世時期的燕山運動在該區(qū)表現(xiàn)最為強烈,加之巖漿巖侵入,造成區(qū)內煤層煤級的區(qū)域變化。在白堊末,煤化作用就已經終止,而有效生氣階段的終止煤級為現(xiàn)今煤級。

3 煤儲層的含氣性分析

本區(qū)2號煤煤層氣成分以CH4為主,其次為CO2及 N2,少量孔含有重烴。其中 CH4濃度5.39%～98.87%,平均 71.13%;CO2濃度 0.36%～86.72%,平均20.23%(見表2)。煤層氣成分總的變化趨勢為,隨煤層埋深的加大,CH4濃度逐漸增高。但平面上存在顯著的不均一性。

4 煤層氣含量的控制影響因素

煤層氣含量的大小受多種因素的綜合控制。本研究區(qū)斷裂構造較發(fā)育,含煤地層受多層厚度不等的巖漿巖侵入破壞,煤的變質程度高,因此引起本區(qū)煤層甲烷含量在平面及剖面上分布的不均一性。

4.1 煤層厚度

從生氣源的角度分析,煤層越厚生氣量越大。煤形成以后至今,經過漫長的歷史時期,在其它地質條件相同條件下,一般煤層氣儲層厚度越大,煤層氣儲層含氣量越高,反之則越低。本區(qū)羊渠河礦一坑開采的實際資料也表明,二號煤層分層為頂大煤和底大煤兩層的瓦斯涌出量要比不分層時小三分之一到二分之一。

表1 研究區(qū)煤層埋藏史和熱演化史恢復結果Tab.1 Restoration results of the burial history and thermal history about study area coal bed

表2 峰峰東部礦區(qū)2號煤鉆孔實測煤層氣統(tǒng)計表Tab.2 Drilling measurement tables of the No.2 coal in eastern Fengfeng

4.2 巖漿活動與煤的變質程度

煤的變質程度對煤層甲烷的生成、煤的孔隙性、吸附能力等都起到了較大的控制作用。在同等條件下,一般隨煤變質程度的增高,甲烷生成量逐漸增加;煤吸附甲烷的能力也不斷加大;煤層甲烷含量也逐漸增高。但煤變質程度達到超無煙煤階段時,煤層氣的含量反而會減少[3,4]。本區(qū)由于受燕山運動巖漿侵入的影響,導致煤層的變質程度在區(qū)域深成變質作用的基礎上又疊加了巖漿熱變質作用?？傮w來看,在平面上區(qū)內呈現(xiàn)煤級明顯分帶,由南向北煤級逐漸增高,依次出現(xiàn)肥煤—焦煤—瘦煤—貧煤—無煙煤,呈NW～SE向條帶狀展布,在靠近巖體附近煤變質程度顯著增高,可達無煙煤,局部變成天然焦。2號煤由南向北鏡質組最大反射率(Romax)的范圍為0.9%～10.302%;揮發(fā)分為 29.695%～6.93%;固定碳含量為56.28%～77.28%。形成煤層氣賦存的明顯分區(qū)性(圖1、圖2)。

4.3 地質構造作用

研究區(qū)其構造演化與華北板塊構造演化相關聯(lián),亦經歷了多期的構造變動,形成不同構造組合特征的構造格架,在斷層發(fā)育的地區(qū),斷層破壞了地層原有的平衡條件,一般來講,壓性構造對煤層氣有聚集作用,而張性構造對煤層氣的保存不利,地塹型構造比地壘型構造煤層氣保存條件好[5]。研究區(qū)煤層埋深大,構造以斷裂和斷塊組合為主,斷塊四周被斷層所圍限,周邊斷層大都表現(xiàn)為正斷層性質,斷塊內部構造相對簡單。一般在周邊斷層附近,煤層氣沿斷層逸散,含氣量較低;在斷塊中部,煤層氣保存條件較好,含氣量相對較高,隨埋深的加大含氣量穩(wěn)步增高。例如,羊東井田位于F1與F10斷層所圍限的斷塊中,山西組2號煤層的甲烷含量在中部1303孔為12.3m3/t,而在斷層附近(上盤)的1204孔和斷層分叉處1109孔均低于4m3/t。

4.4 埋深與蓋層條件

通過對本區(qū)地質發(fā)展史及煤層含氣量與構造、煤層埋深等的關系分析,在同一斷塊內含氣量隨埋藏深度增加而增高,但這種增高趨勢并非線性變化,基本符合朗格繆爾吸附定律[6]。在淺部,隨煤層埋深的增加煤層含氣量增高很快,達到一定深度后,隨埋深的增加煤層含氣量增高變小,而當?shù)竭_1 200m深度后,煤層含氣量隨深度的增加就變得非常緩慢(圖3)。隨著開采深度的加大,瓦斯遞增率呈減小趨勢。

封蓋層對于煤層氣的保存與富集具有十分重要的作用,特別是煤層的直接頂?shù)装?它們對煤層氣的封存起決定性的作用[7]。峰峰東部礦區(qū)2號煤層的直接頂?shù)装逡陨百|泥巖、粉砂巖為主。泥巖、砂質泥巖及粉砂巖致密,封蓋性能強,有利于煤層氣的保存。因此,研究區(qū)山西組煤層氣的保存條件比較好,煤層氣含量較高。

4.5 水文地質作用

水文地質控氣作用主要有:①水力運移逸散作用;②水力封閉作用;③水力封堵作用。其中,第1種作用導致煤層氣運移、散失,后兩種作用則有利于煤層氣保存、富集[8]。

峰峰礦區(qū)為一伸展斷塊構造,張性斷層發(fā)育。對煤層氣的作用主要是散逸作用。地下水流動方向與斷裂平行或近似平行,形成了地下水的強徑流帶。煤系地層與下伏中奧陶系灰?guī)r含水層之間存在水力聯(lián)系。隨著儲層壓力降低,導致煤層吸附氣解吸,并隨強烈的地下水徑流發(fā)生運移地下水徑流或含水層遇巨大隔水斷裂阻隔時,地下水上升流出地面,攜帶煤層氣逸散,造成地下水補給區(qū)至隔水斷裂之間地帶煤層的含氣量降低。如峰峰東部礦區(qū)黑龍洞一帶煤層氣含氣量較低。

5 結論

1)研究區(qū)受構造運動及巖漿活動的影響,經歷二次生氣階段,海西至印支期的地殼持續(xù)下降,煤層埋深較大,以區(qū)域深成變質作用為主,煤中有機質在深成變質作用下發(fā)生一次生氣。燕山期的巖漿活動,促使該區(qū)的煤層進一步變質及煤層氣第二次生成,然而二次生氣強度在空間上的分布也具有較大的非均一性,表現(xiàn)為現(xiàn)今煤級越高,二次煤化作用越強,二次生氣作用的強度越大,二次生氣作用的這一特征與本區(qū)的煤層含氣量的現(xiàn)代分布格局基本一致。

2)研究區(qū)煤層氣含量受多種因素的綜合控制。煤儲層頂?shù)装鍘r性、分布特征、地質構造、巖漿侵入及水文地質條件等都影響到煤層氣含量;特別是斷裂構造的發(fā)育,含煤地層受多層厚度不等的巖漿巖侵入破壞,煤的變質程度增高,引起本區(qū)煤層甲烷含量在平面及剖面上分布的不均一性。

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