屯蘭煤礦煤層氣成藏地質(zhì)影響因素分析

李 帥

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

近年來(lái)，煤層氣的開(kāi)發(fā)取得了較大的進(jìn)步，以山西太原西山煤田為例，該煤田中煤以中-高變質(zhì)程度的焦煤為主，煤層氣的儲(chǔ)量高達(dá)820億m3，是我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)的重要地區(qū)之一。

煤層氣的儲(chǔ)量及儲(chǔ)存特征受各種地質(zhì)因素的影響。煤層的賦存環(huán)境、地層層序以及煤層的構(gòu)造作用等均對(duì)煤層氣的封堵性及儲(chǔ)氣特征具有一定的影響。本文以屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層的煤層氣為研究對(duì)象，利用現(xiàn)有的煤層氣參數(shù)及鉆井資料，從煤層埋深、煤質(zhì)特征、地層層序、構(gòu)造熱事件等多個(gè)方面入手，研究分析了影響煤層氣成藏的主要因素，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)煤層氣儲(chǔ)量及揭示煤層氣的成藏特征提供一定的理論基礎(chǔ)，

1 地質(zhì)概況

西山煤田位于我國(guó)華北斷塊呂梁—太行斷塊、五臺(tái)山塊隆的古交掀斜地塊，煤田西部邊緣為狐堰山山字型褶皺帶。、西山中部及清徐、交城北部的地層以石炭二疊系為主，地層產(chǎn)狀均較平緩；煤田北部及汾河

河谷廣泛出露奧陶系、寒武系，地層產(chǎn)狀平緩。局部地段顯示一些規(guī)模不大的斷裂及褶皺，構(gòu)造線(xiàn)方向大多呈NE向或NEE向（如古交、王封一帶），少數(shù)呈近東西向或近南北向小型寬緩褶皺。東部受新華夏系控制，西部以經(jīng)向構(gòu)造為主。主要褶皺：西部有馬蘭向斜和東社向斜，中部有石千峰向斜，受NW向的土堂斷層、西銘斷層和NNE向的晉祠斷層及NE向的清交大斷裂控制，煤田內(nèi)部以NE或NEE向地層為主，且多呈地壘形式出現(xiàn)。

井田內(nèi)含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）。太原組沉積于本溪組之上為海陸交互相。巖性以灰～灰黑色的泥質(zhì)巖及砂巖為主，含灰?guī)r和煤層。全區(qū)可采煤層為8號(hào)、9號(hào)兩層煤。本組厚度89.90m～131.20m，平均122.43m。山西組沉積于太原組之上，由灰～灰黑色砂巖及泥質(zhì)巖組成，含01-03號(hào)、1-4號(hào)、4下號(hào)煤層，共8層煤。本組厚度29.40m～53.89m，平均厚44.90m。屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層氣儲(chǔ)量及相關(guān)工業(yè)性參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層氣儲(chǔ)量及相關(guān)參數(shù)值表

2 試驗(yàn)介紹

本論文用于研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均取自于屯蘭煤礦煤層氣參數(shù)井以及部分鉆孔井等井田范圍內(nèi)的10口井，數(shù)據(jù)都為平均值。根據(jù)GB212-2008中煤的工業(yè)性分析指標(biāo)分別測(cè)定了灰分（Ad）、水分（Mad）和揮發(fā)分（Vdaf）等指標(biāo)；依據(jù)GBT19559-2008中煤層氣儲(chǔ)量的測(cè)定方法在現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試了該礦2#、8#和9#各煤層的瓦斯含量，在參考鉆孔資料的基礎(chǔ)上，在煤層頂、底板鉆取長(zhǎng)度不小于2m的巖芯，分別在煤層上、中、下部位各取瓦斯樣做解吸實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)收集到的鉆孔資料及瓦斯樣品的解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按各煤層分組進(jìn)行煤層氣含量單因素相關(guān)性分析。

3 生烴發(fā)展

3.1 煤層的變質(zhì)程度

儲(chǔ)氣煤層的煤巖組成和煤的變質(zhì)程度對(duì)煤層的吸附能力具有重要的影響。煤巖層的組成種類(lèi)與煤層的吸附效果具有一定的關(guān)系，通常情況下，吸附能力與惰質(zhì)組含量呈負(fù)相關(guān)，與鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)。煤層的變質(zhì)程度在影響煤層生烴量和生烴范圍的同時(shí)，也嚴(yán)重影響著煤體內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征和吸附能力。

屯蘭煤礦煤層類(lèi)型為焦煤和瘦煤，2#、8#和9#煤層的鏡質(zhì)組反射率分別為1.80%、1.82%和2.17%，顯微情況下，煤巖主要成分為鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量?jī)H僅占很小部分甚至沒(méi)有。煤樣的等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果為：2#、8#和9#煤層的蘭氏體積含量分別為22.18ml/g、23.69ml/g和25.16ml/g，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果說(shuō)明屯蘭煤礦各煤層的吸附能力都較強(qiáng)，同時(shí)蘭氏體積含量隨著煤層鏡質(zhì)組反射率的增大而逐漸增大。

3.2 構(gòu)造熱事件

煤層的生成量受煤層的變質(zhì)程度的影響較大，而煤的變質(zhì)程度一般是由含煤盆地的沉降埋藏史和熱史決定的。大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，煤層的變質(zhì)程度在影響煤層氣含量的同時(shí)，隨著煤的變質(zhì)程度的不斷增大，煤層內(nèi)在的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化以及煤層孔隙結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)一步造成煤層吸附能力的強(qiáng)大。屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層均具有較強(qiáng)的吸附能力，蘭氏體積含量均大于22ml/g，表明其與煤層較大程度的變質(zhì)和非埋深作用造成的高地溫有很大的關(guān)系。

4 影響煤層氣成藏的單因素分析

4.1 煤層及頂?shù)装搴穸扰c煤層氣儲(chǔ)氣含量關(guān)系

煤層頂?shù)装鍘r層的巖性及厚度是影響煤層封閉性的主要因素。由鉆孔資料可知，屯蘭煤礦2#煤層底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，局部區(qū)域含有細(xì)砂巖，其厚度變化范圍為1～5m，變化范圍較大；煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度范圍為0.5～3m，變化不大，煤層頂板和底板的滲透能力都比較低。8#煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖，泥巖稍有，其厚度變化范圍為1～4m，變化范圍較大；煤層頂板主要為泥灰?guī)r，厚度范圍為0～2.5m，范圍較大，煤層頂板和底板的滲透能力都比較低。9#煤層底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，局部區(qū)域含有細(xì)砂巖，其厚度變化范圍為0.7～4m；煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度范圍為0.5～3m，極個(gè)別鉆孔顯示有細(xì)砂巖，煤層頂板和底板的滲透能力都比較低。上述鉆孔數(shù)據(jù)說(shuō)明屯蘭煤礦各主采煤層的頂?shù)装鍘r性多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，煤層具有很好的封閉性。

圖12#、8#和9#煤層氣含量與煤厚關(guān)系散點(diǎn)圖

圖1 顯示為2#、8#和9#煤層煤層氣的含量與煤層頂、底板厚度的關(guān)系，結(jié)構(gòu)表明其相關(guān)系數(shù)分別為-0.072和0.1，相關(guān)性不明顯。表明煤層頂?shù)装宓暮穸葘?duì)煤層氣的含量的影響不是很大。2#、8#和9#煤層 的 厚 度 分 別 介 于 1.28～4.77m、0.72～5.81m 和0.43～2.28m，其平均厚度分別為 2.98m、3.33m和1.64m。煤層氣儲(chǔ)量與煤層厚度之間的相關(guān)系數(shù)只有0.259，相關(guān)性很小，說(shuō)明隨著煤層厚度的增加，煤層氣的儲(chǔ)氣量雖有增加但是增加的趨勢(shì)不大。

4.2 煤巖層的煤質(zhì)特性與煤層氣含量關(guān)系

大量的研究表明，煤層的吸附能力與煤層中水分含量有關(guān)，水含量越高，煤層的吸附能力越低；同時(shí)，煤層的吸附能力隨著煤層灰分、揮發(fā)分含量的增加而降低。

由表1可知，屯蘭煤礦2#煤層灰分（Ad）生產(chǎn)率范圍為21.13%～25.97%，均值為21.15%；煤中水分（Mad）含量為0.61%～0.81%，均值為0.63%；揮發(fā)分（Vdaf）含量為19.14%～22.65%，均值為20.51%。8#煤層灰分（Ad）含量為15.68%～24.95%，均值為15.68%；水分含量為0.59%～0.81%，均值為0.69%；Vdaf含量為17.56%～19.85%，均值為17.83%。2#煤層灰分（Ad）產(chǎn)率均值為21.6%，水分（Mad）含量均值為0.62%，揮發(fā)分（Vdaf）含量均值為18.17%。

圖2所示為屯蘭煤礦煤層氣含量與煤層水分、灰分和揮發(fā)分之間的關(guān)系。由圖可知，煤層氣的含量與煤層水分、灰分和揮發(fā)分呈負(fù)相關(guān)。

圖22 #、8#和9#煤層氣含量與水分、灰分和揮發(fā)分關(guān)系散點(diǎn)圖

4.3 埋深與煤層氣含量關(guān)系

以往的研究表明，煤層的壓力隨著煤層埋深的增加而增大。屯蘭煤礦煤層的埋深以馬蘭向斜核部埋深最大，井田范圍內(nèi)埋深由北向南增加。圖3所示為煤層氣含量與埋深之間的關(guān)系圖，圖中變化趨勢(shì)說(shuō)明隨著埋深的增加，其氣含量也具有明顯的增加，與先前研究結(jié)果相符。

圖32 #、8#和9#煤層氣含量與埋深關(guān)系散點(diǎn)圖

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)屯蘭煤礦2#、8#好9#煤層煤層氣成藏地質(zhì)影響因素分析，得到的結(jié)論如下：

1）煤變質(zhì)程度和以構(gòu)造巖漿熱作用為主的煤變質(zhì)演化過(guò)程是各煤層具備較高生烴發(fā)展?jié)摿Φ闹饕蛩亍?/p>

2）各煤層的頂?shù)装宸忾]性相對(duì)較好，煤層頂?shù)装搴穸扰c煤層氣含量不具有明顯的相關(guān)性；含氣量與煤層厚度呈正相關(guān)；含氣量與灰分、水分和揮發(fā)均呈明顯的負(fù)相關(guān)。

3）煤層埋藏深度是影響煤層氣含量的主要地質(zhì)因素。

由上可知，屯蘭煤礦煤層氣含量可能受多種地質(zhì)因素影響，是多種因素共同作用、共同影響的結(jié)果。