畢節(jié)市楊家灣井田煤層氣分布特征及資源潛力

鄭祿林，楊瑞東，陳 軍，孔祥貴，陶振鵬

（1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省地礦局 地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 貴陽550018； 3.山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000）

0 引言

煤層氣作為一種新的潔凈能源，具有低碳、低污染、潔凈和綠色的特性，是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實(shí)的接替資源之一[1－2].煤層氣的利用一方面可以解決能源短缺問題；另一方面降低煤礦安全風(fēng)險(xiǎn).貴州煤炭資源豐富，具有煤炭資源分布廣且相對(duì)集中、資源豐富、煤種齊全、煤質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)[3]，埋深2 000m以淺煤炭資源量達(dá)2 463億t[4]，超過南方各省之和，居全國(guó)第5位[5－7]；同時(shí)，埋深2 000m 以淺煤層氣（含氣量4m3／t）資源量超過3 100億m3，占全國(guó)總量的22%，僅次于山西的[7－9].其中，織納、六盤水和黔北煤田煤層氣資源量占據(jù)全省總量的92.79%[10]，為貴州省煤層氣重點(diǎn)勘探區(qū)域.

人們對(duì)貴州煤層氣勘探和研究主要集中在六盤水煤田和織納煤田.如王國(guó)司等[11]評(píng)述六盤水地區(qū)煤層氣賦存地質(zhì)條件，劃分出亦資孔盆地、巖腳盆地和格木盆地有利勘探優(yōu)選區(qū)塊；易同生等[12]評(píng)價(jià)六盤水煤田盤關(guān)向斜開發(fā)地質(zhì)條件，認(rèn)為盤關(guān)向斜為水壓向斜煤層甲烷氣氣藏，具備煤層氣開發(fā)的基本條件；陳本金等[13]根據(jù)六盤水煤田開發(fā)利用現(xiàn)狀，分析六盤水地區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)的原因；黃文等[14]研究織納煤田儲(chǔ)層含氣特征及煤層滲透性，認(rèn)為比德向斜化樂勘探區(qū)可作為有利勘探靶區(qū)；楊瑞東等[15]研究織金牛場(chǎng)向斜，認(rèn)為向斜軸部比翼部更有利于煤層氣富集.這些研究涵蓋煤層氣富集規(guī)律、分布特征、控氣因素、資源前景及開發(fā)利用價(jià)值等方面，然而對(duì)黔北煤田的煤層氣研究相對(duì)薄弱.因此，筆者以畢節(jié)市楊家灣井田作為研究對(duì)象，探討研究區(qū)主要可采煤層特征、煤層含氣性特征、煤層氣分布規(guī)律、煤層氣資源潛力及控氣因素，為研究黔北煤田煤層氣提供一定的參考和借鑒.

1 地質(zhì)概況

楊家灣井田位于畢節(jié)市西部約34km處，是黔北煤田的重要組成部分.大地構(gòu)造位置處于楊子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)域發(fā)育一系列北東或北北東向?qū)捑徑鯇?duì)稱的背斜、向斜及近東西向展布的斷裂構(gòu)造，現(xiàn)今構(gòu)造形跡主要定形于燕山期.楊家灣井田位于長(zhǎng)春鋪向斜北西翼，基本上呈一向南東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角為8°～17°，北東部為21°，向斜核部出露地層為T1yn3～T1f1.井田內(nèi)共組合斷層33條，斷層落差＜50m，其中落差≥30m的斷層為5條.井田及周邊出露的地層由老到新有二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3β）、龍?zhí)督M（P3l）和長(zhǎng)興組（P3c）；三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）、永寧鎮(zhèn)組（T1yn）、中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）和第四系（Q），區(qū)域巖漿巖主要為煤系地層龍?zhí)督M（P3l）底部的峨眉山玄武巖組（見表1）.研究區(qū)煤層氣賦存于龍?zhí)督M含煤巖系，上覆地層較厚，巖性具有一定的封閉作用，具有良好的儲(chǔ)存條件.

井田東西長(zhǎng)約為16.00km，南北寬為1.85～9.23km，面積約為69.40km2.為探明研究區(qū)煤層分布及煤層氣資源，共施工鉆孔82個(gè)，采集煤層瓦斯樣品156件，全井田共探明主采煤層（6－1、6－2、6－3煤層）煤炭資源量為34.059×107t.楊家灣井田甲烷含量≥8m3／t的煤層多達(dá)12層，甲烷含量高達(dá)29.045 m3／t，一般在6.231～10.494m3／t之間，且保存條件良好，含氣面積大，具有較好的勘探遠(yuǎn)景及資源潛力.

表1 楊家灣井田沉積地層簡(jiǎn)表Table 1 The abridged table of stratum in Yangjiawan minefield

2 煤層特征

楊家灣井田含煤巖系為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），巖性為黃灰、灰黃、紫灰、褐色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖，中厚層狀細(xì)砂巖，上部含1～5層薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖性較穩(wěn)定，厚度為201.40～267.40m，平均為227.59m.含煤21～35層，含煤平均總厚度為8.15m，含煤因數(shù)為3.58%.其中，甲烷含量≥8m3／t的煤層為12層，從上到下依次編號(hào)為4、4下、5、6－1、6－1中、6－1下、6－2、6－2下、6－3、6－3下、7和8煤層；可采煤層（6－1煤層）及大部可采煤層（4、6－2、6－3煤層）分布于龍?zhí)督M上段P3l2（見圖1），平均總厚度為6.36m，可采煤層含煤因數(shù)為2.80%.

4煤層：位于P3l2上部，上距P3c底界15.02～31.54m，平均為21.13m；煤層厚度為0～2.05m，平均為0.94m.煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偶含1層夾石.頂板一般為泥灰?guī)r、泥巖及粉砂巖；底板為泥巖、粉砂巖，偶有炭質(zhì)泥巖.煤層在井田的西北部、西部、南部和中南部有沉缺現(xiàn)象，可采指數(shù)為0.58，變異因數(shù)為35.1%，煤層不穩(wěn)定，為大部可采煤層.

6－1煤層：位于P3l2中上部，上距P3c底界21.60～53.08m，平均為32.74m；煤層厚度為0.50～13.04m，平均為3.28m.煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含1～4層夾石，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖.頂板一般為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖；底板為泥巖、粉砂巖.煤層僅在井田中東部有2個(gè)不可采點(diǎn)，沉積厚度較大，可采指數(shù)為0.99，變異因數(shù)為57.1%，煤層較穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層.

6－2煤層：位于P3l2中部，上距6－1煤層底板1.55～15.11m，平均為5.74m；煤層厚度為0～3.70 m，平均為1.06m.煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含0～2層夾石，最多含4層夾石，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖.頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖；底板為泥巖、粉砂巖，偶有炭質(zhì)泥巖.煤層可采指數(shù)為0.66，變異因數(shù)為60.4%，煤層較穩(wěn)定，為大部可采煤層.

圖1 可采煤層含煤巖性柱狀圖Fig.1 Coal bearing lithology histogram of minable seam

6－3煤層：位于P3l2中部，上距6－2煤層底板0～16.97m，平均為4.54m；煤層厚度為0～2.27m，平均為0.71m.煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～3層夾石，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖.頂板一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖；底板為泥巖、粉砂巖，偶有炭質(zhì)泥巖.煤層可采指數(shù)為0.23，變異因數(shù)為60.3%，煤層不穩(wěn)定，為局部可采煤層.

可采煤層4、6－1、6－2和6－3呈黑色，為條帶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造；呈玻璃光澤，以亮煤為主，屬光亮型煤，節(jié)理發(fā)育，易碎，斷口參差狀，破壞類型屬Ⅰ～Ⅱ類.各煤層鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，次為均質(zhì)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體.顯微礦化類型以微硫化物質(zhì)煤、微硅質(zhì)煤為主，少數(shù)為微泥質(zhì)煤；顯微礦質(zhì)類型以微硫化物質(zhì)型為主，次為微硅質(zhì)型、微復(fù)礦質(zhì)型.鏡質(zhì)組最大反射率變化范圍為2.73%～3.19%，屬Ⅶ階段變質(zhì)程度無煙煤.4、6－1、6－2、6－3煤層原煤平均灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.44%、22.48%、26.38%、27.33%，均屬于中灰分煤；煤層原煤平均硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.76%、1.41%、0.60%、0.35%，依次分屬于高硫煤、中低硫煤、低硫煤和特低硫煤.

3 煤層氣測(cè)試

煤層氣（瓦斯）樣品采集及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試根據(jù)MT／T 77－1994《煤層氣測(cè)定方法（解析法）》進(jìn)行，將采集的巖心剔除夾石、泥皮和研磨燒焦部分后，保持自然狀態(tài)裝入密封罐，進(jìn)行煤層氣野外解吸記錄，并在取樣后24h內(nèi)送到具測(cè)試資質(zhì)的單位進(jìn)行解吸測(cè)定.

對(duì)研究區(qū)可采煤層及不可采煤層共采集115件瓦斯樣品、41件矸石瓦斯樣品，連同普查階段11件煤層瓦斯樣品，共計(jì)167件.其中，4煤層28件，6－1煤層49件，6－2煤層23件，6－3煤層19件，其他煤層48件.瓦斯樣品采樣深度在113.33～914.35m之間，以了解各煤層在不同深度、不同地段的瓦斯成分、含量.測(cè)試結(jié)果顯示，煤層氣中甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.46%～99.83%，煤層中甲烷含量為0.007～29.045m3／t.

3.1 煤層氣組成

各可采煤層的測(cè)試結(jié)果（見表2）表明，研究區(qū)煤層氣組成以甲烷為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.43%～92.45%；次為氮?dú)?，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.91%～24.64%；含重?zé)N及二氧化碳極少，一般不到1.00%.4、6－1、6－1下、6－2、6－2下、6－3、8煤層及其他煤層煤層氣中甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80.76%、77.37%、84.58%、74.43%、92.45%、82.40%、82.27%、85.90%，大多數(shù)煤層煤層氣中甲烷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上.總體上研究區(qū)煤層氣（瓦斯）組成屬于甲烷（沼氣）帶，次為甲烷—氮?dú)鈳?

3.2 甲烷含量

楊家灣井田甲烷含量最高達(dá)29.450m3／t（1306孔6－1煤層），4、6－1、6－1下、6－2、6－2下、6－3、8煤層及其他煤層甲烷平均含量分別為6.231、8.654、10.494、8.240、6.355、7.133、6.572、9.561m3／t（見表3）.分析勘探階段115件瓦斯樣結(jié)果，甲烷含量小于4m3／t的樣品為31件；在4～8m3／t之間的樣品為36件；在8～16m3／t之間的樣品為36件；大于16m3／t的樣品為12件.總體上各煤層甲烷平均含量大于8m3／t，多數(shù)在4～16m3／t之間.研究區(qū)甲烷含量普遍較高，屬甲烷富氣區(qū).

表2 楊家灣井田各煤層煤層氣組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 The component of CBM about main coal measures in Yangjiawan minefield %

表3 楊家灣井田各煤層煤層氣不同組分含量Table 3 The content of CBM about main coal measures in Yangjiawan minefield m3／t

4 煤層氣特征

4.1 煤層氣分布

楊家灣井田平面上各煤層甲烷含量分布情況基本一致，即靠近煤層露頭部位甲烷含量低.其中，井田東北部露頭部位甲烷含量最低，小于4m3／t的面積稍大一些；其余露頭部位為一不規(guī)則窄條帶，從露頭往井田深部總體上甲烷含量逐漸增加，井田中深部甲烷含量最高.另外，1101鉆孔周圍及長(zhǎng)春堡向斜部位甲烷含量也較高（見圖2和圖3）.

在縱向上，甲烷含量一般隨煤層埋藏深度增加而升高.根據(jù)煤層深度不同，劃分為3個(gè)區(qū)域，依次為煤層露頭附近甲烷含量小于4m3／t的貧甲烷區(qū)、甲烷含量在4～8m3／t之間的含甲烷區(qū)和甲烷含量大于8 m3／t的富甲烷區(qū).

圖2 楊家灣井田6－1煤層甲烷含量分布Fig.2 The isograms map of methane content about coal measure 6－1in Yangjiawan minefield

圖3 楊家灣井田6－2煤層甲烷含量分布Fig.3 The isograms map of methane content about coal measure 6－2in Yangjiawan minefield

4.2 煤層氣賦存規(guī)律

影響煤層氣賦存、聚集的因素復(fù)雜，一般與地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、頂板巖性、煤層傾角和露頭、煤層埋藏深度及變質(zhì)程度等關(guān)系較大.同時(shí)，煤層結(jié)構(gòu)及灰分、煤巖組分、水文地質(zhì)等因素對(duì)甲烷含量有一定影響.因此，煤層甲烷含量是多種地質(zhì)條件共同作用的結(jié)果.

4.2.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層氣儲(chǔ)存影響復(fù)雜，且作用顯著.在地質(zhì)歷史過程中，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使煤層產(chǎn)生較多的裂隙，尤其是在張應(yīng)力地區(qū)，產(chǎn)生的裂隙不但增加煤層的滲透性，而且增加儲(chǔ)氣空間，在煤層受到擠壓處煤層物性變差[16].楊家灣井田位于長(zhǎng)春鋪向斜北西翼，基本上呈一向南東傾斜的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀淺部較平緩，深部地層傾角逐漸變大，總體上整個(gè)井田構(gòu)造形態(tài)有利于甲烷保存.在長(zhǎng)春鋪向斜軸部轉(zhuǎn)折部位，由于軸部受到擠壓應(yīng)力強(qiáng)，透氣性差，有利于甲烷儲(chǔ)存，造成軸部的甲烷含量高于翼部的.在某些小構(gòu)造發(fā)育地段或部位，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)集中，甲烷容易發(fā)生運(yùn)移，造成甲烷局部貧化或富集.如6－1煤層在F4、F13斷層附近甲烷含量相對(duì)偏低，而6－2煤層在F4斷層附近的2305孔甲烷含量偏高.由圖2可知，6－1煤層的2105鉆孔的埋藏深度比2106鉆孔的淺，其甲烷含量比2106鉆孔的高5倍多.原因是該煤層受正斷層F22影響，不利于甲烷保存，但6－1煤層樣品正好取于F38小逆斷層下盤，該部位有利于甲烷保存；表明一般正斷層對(duì)煤層氣起破壞作用，逆斷層起促進(jìn)煤層氣富集作用.由圖2和圖3可以看出，井田西南向斜軸部及煤層埋藏較深地段是富甲烷區(qū).

4.2.2 煤層厚度

煤層厚度是決定煤層生氣量和吸附量的內(nèi)在因素，也是衡量煤層是否具有工業(yè)開采價(jià)值的主要指標(biāo).若煤層本身不利于生氣且煤層厚度較小，則必然導(dǎo)致煤層吸附氣含量較低.煤層吸附瓦斯等溫線測(cè)試結(jié)果表明，各煤層對(duì)瓦斯具有良好的吸附能力，煤層厚度大，吸附瓦斯量多，煤層既是重要的氣源巖，又是重要的儲(chǔ)集層.如6－1煤層平均厚度為3.28m，6－2煤層平均厚度為1.06m，對(duì)應(yīng)甲烷含量分別為8.654 m3／t、8.240m3／t，一般煤層甲烷含量與煤層厚度呈正相關(guān)關(guān)系.

4.2.3 頂板巖性

井田煤層頂板巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖，其次為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，少數(shù)煤層為細(xì)砂巖，頂板巖石多為致密型巖性，對(duì)煤層氣保存起到良好的封閉作用.

4.2.4 煤層露頭及埋藏深度

楊家灣井田西南、西北部、北部各煤層均有露頭出現(xiàn)，露頭存在時(shí)間越長(zhǎng)，煤層氣排放越多，因此，各煤層露頭附近大面積處于貧甲烷區(qū)（＜4m3／t）；部分甲烷被逸散，沿煤層傾向延伸，隨著煤層埋藏深度的增加，煤層甲烷含量逐漸增高.煤層埋藏深度的增加不僅加大地應(yīng)力，使煤層與巖層的透氣性變差，而且加大煤層氣向地表運(yùn)移的距離，有利于甲烷的儲(chǔ)存.

5 煤層氣資源量估算

楊家灣井田含煤21～35層，其中，厚度≥0.50m、甲烷含量≥8m3／t的煤層共12層，從上往下依次為4、4下、5、6－1、6－1中、6－1下、6－2、6－2下、6－3、6－3下、7和8煤層，均賦存于龍?zhí)督M上段（P3l2）中部，4～8煤層總厚度為3.07～12.26m，平均為6.72m.主要可采煤層灰分為低灰—高灰煤，為煤層氣的生成、儲(chǔ)集及富集提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ).根據(jù)DT／T 0216－2002《煤層氣資源／儲(chǔ)量規(guī)范》中對(duì)無煙煤煤層氣估算下限工業(yè)指標(biāo)（煤層厚度≥0.50m、甲烷含量≥8m3／t），進(jìn)行井田煤層氣資源量估算.

煤層氣資源量估算方法采用體積法，煤層氣資源量估算不分煤層，按4～8煤層凈厚≥0.50m各煤層之和為單工程煤層總厚度；根據(jù)甲烷平均含量等值線劃分為8～18m3／t和＞18m3／t區(qū)域（見圖4），按鉆孔網(wǎng)度（500～1 000m）×500m、（1 000～2 000m）×1 000m劃分成塊段Ⅰ和塊段Ⅱ，再將兩個(gè)塊段劃分成估算小塊段，用小塊段煤層凈總厚度算術(shù)平均值代表該塊段煤層厚度參與體積估算.同時(shí)，按劃分的小塊段，采用該塊段鉆孔平均甲烷含量，對(duì)應(yīng)增加甲烷含量等值線計(jì)算邊界值（8、18m3／t）進(jìn)行算術(shù)平均，求得該塊段的平均甲烷含量并參與煤層氣資源量估算.

楊家灣井田參與煤層氣資源量計(jì)算煤層為12層，估算面積為37.74km2（見圖4），參與計(jì)算塊段為17個(gè)，其中，Ⅰ塊段為7個(gè)，估算煤層氣資源量13.90×108m3；Ⅱ塊段為9個(gè)，估算煤層氣資源量38.87×108m3.全井田共探明煤層氣資源量52.77×108m3，具有很好的資源利用前景.

圖4 楊家灣井田甲烷平均含量等值線分布及煤層氣資源量估算結(jié)果Fig.4 The average content isograms of methane and resource estimation range diagram of CBM in Yangjiawan minefield

6 結(jié)論

（1）根據(jù)煤層埋藏深度，將楊家灣井田甲烷含量劃分為3個(gè)區(qū)域，即甲烷含量＜4m3／t的貧甲烷區(qū)、在4～8m3／t之間的含甲烷區(qū)和甲烷含量＞8m3／t的富甲烷區(qū)，井田西南向斜軸部及煤層埋藏較深地段是富甲烷區(qū)，甲烷含量一般隨煤層埋藏深度增加而升高.

（2）采用體積法對(duì)4、4下、5、6－1、6－1中、6－1下、6－2、6－2下、6－3、6－3下、7和8煤層進(jìn)行煤層氣資源量估算，共探明煤層氣資源量52.77×108m3，井田煤層氣資源具有很好的開發(fā)利用價(jià)值.

（3）楊家灣井田長(zhǎng)春鋪向斜有利于煤層氣富集，且具有向斜軸部的甲烷含量高于翼部的特點(diǎn)，保存條件好.該向斜煤層氣資源潛力大，有進(jìn)一步勘探開發(fā)的前景；區(qū)域內(nèi)呈北東或北北東向展布的寬緩向斜是煤層氣勘查的有利靶區(qū).

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