離柳礦區(qū)沙曲井田煤層含氣性及主控因素分析

常會珍

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西　晉城　048000)

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離柳礦區(qū)沙曲井田煤層含氣性及主控因素分析

常會珍

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000)

摘要通過研究沙曲井田煤層含氣性特征，分析了影響含氣性分布的主控因素，結(jié)果表明，不同地質(zhì)構(gòu)造類型、水文地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性對煤層氣富集的影響均不同；煤層含氣量與煤層埋深、上覆基巖厚度、鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)關(guān)系?？傮w上看，水文地質(zhì)有利于煤層氣的富集。

關(guān)鍵詞沙曲井田；煤層氣；地質(zhì)背景；含氣性；主控因素

山西省柳林縣境內(nèi)的煤層氣試驗(yàn)區(qū),是我國第一個(gè)成功開發(fā)煤層氣的生產(chǎn)試驗(yàn)基地[1]。三交-柳林單斜地區(qū)構(gòu)造較簡單，含煤地層分布廣泛，是煤層氣勘探開發(fā)的較有利區(qū)，可分為青龍城、沙曲和三交3個(gè)評價(jià)單元[2]。

沙曲井田位于山西省西部河?xùn)|煤田中段的離柳礦區(qū)西南部，地處山西省呂梁市柳林縣境內(nèi)，行政區(qū)劃屬離柳礦區(qū)柳林縣管轄。井田大致呈北西-南東向弧形，長約22 km，寬4.5～8 km，面積138.35 km2.沙曲礦屬高瓦斯和具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井, 2005年，沙曲礦4#煤層鑒定為突出煤層，沙曲礦為突出礦井。煤層瓦斯嚴(yán)重威脅著煤礦安全，近年來，地面預(yù)抽煤層氣井保障了礦井生產(chǎn)安全，因此，對該井田的煤層進(jìn)行煤層氣開發(fā)地質(zhì)研究是必要的，可為地面煤層氣的開采提供理論基礎(chǔ)。

1地質(zhì)背景

1.1井田構(gòu)造特征

離柳礦區(qū)位于河?xùn)|煤田中段，在鄂爾多斯地塊東部邊緣，離石-柳林東西向構(gòu)造帶上。沙曲井田位于離柳礦區(qū)西部，三交-柳林單斜含煤區(qū)中南部，為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向自北向南由南北向漸變?yōu)楸蔽飨颍瑑A向由西漸變?yōu)槟衔?，地層傾角平緩，一般為3°～7°，局部地段受小褶曲及斷層影響可達(dá)18°～23°. 井田內(nèi)以寬緩的小型褶曲構(gòu)造為主，斷層稀少且斷距小，僅井田北界為一地塹式斷裂帶。地表未見陷落柱，僅三川河附近4個(gè)鉆孔見陷落構(gòu)造，井田構(gòu)造屬簡單型。

1.2含煤地層與煤層

井田內(nèi)含煤地層為山西組和太原組，共含煤17層，含煤地層總厚為157 m,煤層總厚19.42 m,可采煤層厚度為15.42 m. 煤階主要以焦煤為主，下部煤層含有較小的貧瘦煤，極少量的肥煤。煤層氣開采目的煤層主要為山西組2#、3#、4#、5#與太原組8#、9#煤層?？刹擅簩忧闆r見表1.

2煤層氣含氣量特征及其影響因素

2.1煤層氣含氣量分布特征

井田內(nèi)煤層氣平均含氣量9#煤最大，其次是8#煤，2#煤最小。井田走向方向上，以流經(jīng)井田的三川河為界，井田南翼煤層氣含量高于北翼，三川河流域煤層氣含量低于兩翼;垂向上從上向下呈增高趨勢。煤層氣含量數(shù)據(jù)見表2，含氣量的垂向變化見圖1.

2.2埋深、上覆基巖厚度與含氣量

一般情況下，煤層含氣量與煤層埋深呈正相關(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)殡S著煤層埋深增加，煤儲層溫壓逐漸增大，在一定深度范圍內(nèi)，儲層壓力正效應(yīng)強(qiáng)于溫度負(fù)效應(yīng)，使游離氣向吸附氣轉(zhuǎn)化，有利于煤層氣的吸附保存；同時(shí)煤層氣向上運(yùn)移的路徑增長，且由于壓實(shí)作用使煤層孔滲性下降，封閉性變好，對煤層氣的封存比較有利[3]。該井田內(nèi)煤層含氣量與煤層埋深呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.29，見圖2.

表1可采煤層情況表

表2　煤層氣含量數(shù)據(jù)表

煤層含氣量/m3/t煤層含氣量/m3/t27.9～13.19/10.6587.95～23.22/13.5237.72～24.86/12.55910.43～22.56/17.0147.32～17.82/10.89106.20～29.08/12.6354.45～17.88/12.06

圖1　含氣量垂向變化圖

煤層上覆基巖厚度指煤層埋藏深度減去第四紀(jì)地層厚度。第四紀(jì)地層主要為黃土層,一般分布在地表,膠結(jié)性不好,孔隙度大,連通性好,容易釋放瓦斯[4]。井田地表大部分為黃土覆蓋，且梁峁起伏，第四紀(jì)地層厚度變化不均勻，煤層含氣量與上覆基巖厚度關(guān)系圖見圖3.

圖2　煤層含氣量與埋深關(guān)系圖

圖3　煤層含氣量與上覆基巖厚度關(guān)系圖

由圖3可見，煤層含氣量隨上覆基巖厚度增大而增大，且相關(guān)性較與煤深的相關(guān)性大，表明用上覆基巖厚度分析煤層含氣量賦存規(guī)律更有意義。

2.3構(gòu)造與含氣量

背斜兩翼含氣性較好，背斜軸部含氣性取決于發(fā)育構(gòu)造性質(zhì)和蓋層斷層對煤層氣賦存的影響情況剝蝕程度; 向斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，阻止煤層氣向上逸散，有利于煤層氣的富集[5]。斷層對煤層氣含氣性的影響主要取決于斷層的性質(zhì)。 一般而言，正斷層多為開放性質(zhì)，有利于煤層氣的逸散；而逆斷層以壓性為主起封閉作用有利于煤層氣的積聚[6]。

井田煤層含氣量受構(gòu)造影響主要體現(xiàn)在：

1) 受褶曲構(gòu)造的影響，煤層瓦斯含量分布具有走向不均勻性。具體表現(xiàn)為：向斜構(gòu)造區(qū)煤層瓦斯含量較同標(biāo)高背斜構(gòu)造區(qū)高2～3 m3/t·daf.

2) 本井田北部僅有一聚財(cái)塔地塹式斷裂帶，具有張裂性質(zhì)，是瓦斯逸散的良好通道，其瓦斯含量明顯低于其它地區(qū)。因此，井田內(nèi)北部斷裂帶外，其它地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件對瓦斯的富集、逸散影響較小。

3) 陷落柱周邊一定范圍內(nèi)煤層瓦斯含量明顯降低。從井田內(nèi)揭露的3個(gè)陷落柱附近的煤層瓦斯含量測值分析結(jié)果看，陷落柱周圍100～500 m內(nèi)煤層瓦斯含量較同標(biāo)高未受陷落柱影響的煤層低30%～50%，影響范圍及程度與陷落柱尺寸密切相關(guān)。

2.4頂?shù)装鍘r性與含氣量

煤層頂?shù)装宓膸r性和厚度直接影響到煤層氣的保存能力和封閉層的有效性。一般情況下，砂巖的封存能力不及泥巖、粉砂巖，另外，有效封閉層必須具有一定的韌性，在構(gòu)造變形中不宜形成裂縫。泥質(zhì)巖類是煤層氣的最佳封閉層[7]。

井田4#煤層頂板以細(xì)-粗粒砂巖為主，煤層氣沿孔隙、裂隙逸出，甲烷含量較低，而4#煤頂板為砂巖，煤層氣含量較高。5#、10#煤頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，透氣性差，封閉性較好，利于煤層氣的保存。8#煤層頂板以灰?guī)r為主，東南角為砂質(zhì)泥巖，局部裂隙、巖溶發(fā)育，造成煤層氣含量分布不均勻。

2.5水文地質(zhì)與含氣量

水文地質(zhì)條件對煤層氣的富集高產(chǎn)起著重要的控制作用,對煤層氣賦存、滲流、運(yùn)移及煤層氣生產(chǎn)有重要的影響[8]。

水文地質(zhì)控氣特征主要形式有水力運(yùn)移逸散作用、水力封閉作用、水力封堵作用。前一種作用導(dǎo)致煤層氣散失,后兩種則有利于煤層氣保存[9]。

煤系中的含水層、隔水層與煤層上下交替存在，形成層間裂隙水，且含水層具有一定的承壓性，靜止水位一般高于煤層，有時(shí)形成自流井。含水層中的水很可能通過巖層裂隙、孔隙侵入或滲入煤層之中，造成煤層含水，由于水的驅(qū)動，瓦斯隨水做垂向和側(cè)向逸散，從而導(dǎo)致煤層瓦斯含量降低。

地下水從東部的露頭區(qū)補(bǔ)給，徑流進(jìn)入本區(qū)，本區(qū)位于地下水弱徑流帶和滯留區(qū)[10]，造成總體瓦斯含量較高。

2.6煤巖特征與含氣量

不同煤巖類型和組分的煤中，以殼質(zhì)組生氣量和吸附氣量為最大，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最小[11]。由于煤一般以鏡質(zhì)組為主,含量常為殼質(zhì)組的十多倍,因此煤系地層中的鏡質(zhì)組應(yīng)是煤層氣的主要貢獻(xiàn)者[12]。

井田內(nèi)煤層的宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤，夾少量絲炭條帶。煤層有機(jī)組分以鏡質(zhì)組最高，少數(shù)分層可達(dá)95.5%以上；其次是絲質(zhì)組，一般>20%，最高可達(dá)80.8%；再次為半鏡質(zhì)組，其含量一般<10%，因煤化程度高，煤中殼質(zhì)組已在煤化過程中消失。不同煤層顯微組分不同，鏡質(zhì)組含量一般太原組大于山西組，9#煤層最高，6#、10#煤層次之，5#煤層最低；半鏡質(zhì)組含量在各煤層中相差不大，比較穩(wěn)定，絲質(zhì)組含量5#煤層最高，4#、8#、3#煤次之，9#煤最低。煤層含氣量與煤中鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)關(guān)系，見圖4，煤層中各顯微組分含量圖見圖5.

圖4　煤層含氣量與鏡質(zhì)組含量關(guān)系圖

圖5　煤層中各顯微組分含量圖

3結(jié)論

1) 井田內(nèi)煤層氣平均含氣量9#煤最大，其次是8#煤，2#煤最小。井田南翼煤層氣含量高于北翼，三川河流域煤層氣含量低于兩翼。垂向上從上向下呈增高趨勢。

2) 煤層含氣性特征與煤層埋深、上覆基巖厚度、煤層鏡質(zhì)組含量均呈正相關(guān)關(guān)系。

3) 煤層頂?shù)装鍘r性影響著煤層氣的賦存，泥巖、粉砂巖塊段的煤層氣含氣量較高，而細(xì)-粗粒砂巖煤層含氣量較低；向斜軸部煤層含氣量較高，背斜軸部較低，北部聚財(cái)塔斷裂帶處含氣量較低；總體上看，水文地質(zhì)有利于煤層氣的富集。

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Gas-bearing Property and Main Geological Controls of Coal

Seam in Shaqu Minefield Liliu Mining Area

CHANG Huizhen

AbstractThrough the research of coal seam gas bearing characteristics in Shaqu coalfield,analysis of the main control factors of gas distribution, the results show that the different types of geologicalstructure, hydrogeological conditions, roof and floor lithology influence on coalbed gas enrichment are different; coal seam gas content and buried depth of coal seam, the bedrock thickness, vitrinite content have a positive correlation,Overall,hydrogeology is favorable to coalbed methane enrichment.

Key wordsShaqu Minefield; Coalbed Methane; Geological background;Gas bearing; Main Geological Controls

中圖分類號：[TD11]

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0048-04