煤層氣富集規(guī)律及影響因素

高建國 王林棟

(河南省煤田地質(zhì)局三隊，河南省鄭州市，450000)

我國煤層氣資源豐富，主要分布于晉陜蒙、新疆、冀豫皖和云貴川渝4個含氣區(qū)，資源量居世界第3位，但煤層氣開發(fā)利用率偏低。煤層氣產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)，技術(shù)要求較高，特別是深部煤層氣由于儲層地應力大，儲層滲透率低，煤體易碎，煤層氣的開發(fā)利用極具挑戰(zhàn)性。因此，開展深部煤層氣富集規(guī)律及影響因素的研究工作，對煤層氣的勘查、開發(fā)具有指導性作用，進而實現(xiàn)深部煤層氣利用新突破。

1 概況

本次僅對焦作煤田二1煤層深部煤層氣進行研究，研究區(qū)北起南張門斷層，南至董村斷層，西起修武縣周莊鎮(zhèn)，東至獲嘉縣，位于焦作煤田東南方向，屬太行山山前沖積平原，研究區(qū)以鳳凰嶺斷層為界，分為北部區(qū)塊1和南部區(qū)塊2，見圖1。區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及村莊間均有瀝青公路相連，交通條件便利，區(qū)位優(yōu)勢明顯。

2 地質(zhì)及礦體特征

2.1 地層

研究區(qū)內(nèi)均為新生界全掩蓋區(qū)，地層發(fā)育有(自老至新)：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系上統(tǒng)本溪組、太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、新近系和第四系。其中，本溪組、太原組、山西組、下石盒子組及上石盒子組為其含煤地層，厚度800 m左右，含煤20層，分為9個煤組，零煤組屬本溪組，1煤組屬太原組，2煤組屬山西組，3～6煤組屬下石盒子組，7煤組和8煤組屬上石盒子組。

2.2 構(gòu)造

研究區(qū)總體構(gòu)造為一走向北東，傾向南東，傾角3°～12°的單斜，以斷裂為主，并伴有小型寬緩褶曲。主要斷裂為走向近東西的南張門斷層、鳳凰嶺斷層和董村斷層。

2.3 礦體特征

二1煤層賦存于二疊系山西組的下部，與上部大占砂巖Sd(層面富含炭質(zhì)及白云母為其主要特征)距離4 m左右，與下部太原組L8石灰?guī)r(位于太原組上段，富含蜓類及海百合化石，含黃鐵礦結(jié)核及燧石團塊)距離20 m左右。二1煤層平均厚度6 m左右，厚度變化不大，層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，為高變質(zhì)無煙煤。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造圖

3 煤層氣富集規(guī)律

煤層氣成分以甲烷為主，占95%以上，其次為氮氣和二氧化碳，屬煤層沼氣帶范圍，甲烷平均含量約為40 m3/t，含量較高，總體趨勢是南部區(qū)塊煤層氣含量高于北部。

4 煤層氣富集影響因素

4.1 與煤層厚度的關(guān)系

在相同外部條件下，煤化過程中產(chǎn)生煤層氣的多少與煤層厚度有著很大關(guān)系。區(qū)內(nèi)二1煤層平均厚度約6 m，煤層氣平均含量約40 m3/t，煤層氣含量具有隨煤層厚度的增加而增大的趨勢，煤層氣含量與煤層厚度呈正相關(guān)關(guān)系，見圖2。

圖2 煤層氣含量與煤層厚度關(guān)系圖

4.2 與煤質(zhì)的關(guān)系

煤化過程中煤層氣含量及主要成分與煤層變質(zhì)程度有著很大關(guān)系。

4.3 與頂?shù)装鍘r性的關(guān)系

煤化作用過程中產(chǎn)生的煤層氣能否得到良好的保存與煤層頂?shù)装鍘r性有很大關(guān)系，當煤層頂?shù)装宸忾]性好時，煤層氣易集聚；當封閉性差時，煤層氣易逸散。

區(qū)內(nèi)二1煤層偽(直接)頂板巖性中，炭質(zhì)泥巖或泥巖占87%，砂質(zhì)泥巖頂板占12%，砂巖頂板占1%，頂板以泥巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖，因泥巖及砂質(zhì)泥巖孔徑較小，孔隙比表面積較大，故頂板封閉性較好；二1煤層直接底板巖性中，泥巖占85%，砂質(zhì)泥巖占15%，底板以泥巖為主，次為砂質(zhì)泥巖，因泥巖及砂質(zhì)泥巖孔徑較小，孔隙比表面積較大，故底板封閉性較好。因二1煤層頂板及底板巖性均以泥巖為主，封閉性均較好，有效防止了煤層氣的逸散，形成煤層氣的富集。

4.4 與煤層埋藏深度及上覆基巖厚度的關(guān)系

煤化作用過程中產(chǎn)生的煤層氣能否得到較好地保存與煤層埋藏深度及上覆基巖厚度關(guān)系密切。

煤層氣含量具有隨煤層埋藏深度的增加先逐漸增加而后緩慢降低的趨勢，見圖3。當煤層埋藏深度小于1150 m時，煤層氣含量隨煤層埋藏深度的增加而增加，煤層氣含量與煤層埋藏深度呈正相關(guān)關(guān)系；當煤層埋藏深度等于1150 m時，煤層氣含量達到最大值，此時煤層氣含量達到飽和狀態(tài)；當煤層埋藏深度大于1150 m時，煤層氣含量隨煤層埋藏深度的增加反而降低，煤層氣含量與煤層埋藏深度變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系。

煤層氣含量具有隨上覆基巖厚度的增加先逐漸增大而后緩慢降低的趨勢，見圖4。當上覆基巖厚度小于550 m時，煤層氣含量隨上覆基巖厚度的增加而增大，煤層氣含量與上覆基巖厚度呈正相關(guān)關(guān)系；當上覆基巖厚度等于550 m時，煤層氣含量達到最大值，此時煤層氣含量達到飽和狀態(tài)；當上覆基巖厚度大于550 m時，煤層氣含量隨上覆基巖厚度的增加反而降低，煤層氣含量與上覆基巖厚度變?yōu)樨撓嚓P(guān)關(guān)系。

圖3 煤層氣含量與煤層埋藏深度關(guān)系圖

圖4 煤層氣含量與上覆基巖厚度關(guān)系圖

4.5 與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

煤層煤化過程中產(chǎn)生的煤層氣能否富集與地質(zhì)構(gòu)造運動有很大關(guān)系。垂直方向上構(gòu)造運動導致煤層上下錯斷，使煤層原有埋藏深度及上覆基巖厚度發(fā)生變化，同時使煤層錯斷處原有封閉條件發(fā)生變化。水平方向上構(gòu)造運動造成煤層擠壓或拉伸，使煤層原有封閉條件發(fā)生變化。

地塹構(gòu)造的煤層氣含量明顯高于地壘構(gòu)造，見表1。區(qū)塊2為地塹構(gòu)造，煤層下降過程中構(gòu)造活動相對較強，構(gòu)造揉搓造成煤體結(jié)構(gòu)破碎，使煤體的連通性變差，形成了聚氣和阻氣構(gòu)造，另由于溫度的升高，使煤層生烴量加大，造成煤層氣相對富集；區(qū)塊1為地壘構(gòu)造，煤層上升使煤層埋深變淺，造成煤層氣逸散，不利于煤層氣的集聚。

表1 地塹、地壘構(gòu)造煤層氣含量對比

斷裂構(gòu)造附近煤層氣含量對比見表2。距斷層斷面越近，煤層氣含量越小。區(qū)內(nèi)斷層屬張性導水正斷層，由于斷層地下水的徑流，使斷層附近溶解于煤層水中及游離于煤孔隙中的煤層氣被帶走，形成了導氣通道，造成煤層氣逸散，從而降低了煤層氣含量。

表2 斷裂構(gòu)造附近煤層氣含量對比

向斜軸部煤層氣含量大于兩翼，背斜軸部煤層氣含量小于兩翼。向斜軸部煤體受到擠壓變形，在揉搓下煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞，使煤體連通性變差，形成了聚氣和阻氣構(gòu)造，同時由于揉搓期間溫度升高，煤層的生烴量加大，進而造成煤層氣的富集。背斜軸部由于巖石拉伸而形成張性裂隙，形成了煤層氣逸散通道，從而造成了煤層氣的含量降低。

4.6 與水文地質(zhì)條件的關(guān)系

煤化作用過程中產(chǎn)生的煤層氣能否富集與頂?shù)装逅牡刭|(zhì)條件有關(guān)系密切。當煤層頂?shù)装搴畬痈凰詮娗覐搅鲝姸却髸r，在斷層溝通的情況下，地下水徑流造成煤層氣的運移、逸散，煤層氣含量低；當煤層頂?shù)装搴畬痈凰匀鯐r，有利于煤層氣的保存、集聚，煤層氣含量高。

區(qū)內(nèi)二1煤層頂板砂巖裂隙含水層單位涌水量為0.000014～0.00167 L/(s·m)，滲透系數(shù)較低，該含水層含、富水性一般較弱，有利于二1煤層煤層氣的富集。二1煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性不均一，富水程度簡單-中等，局部單位涌水量可達0.45 L/(s·m)，徑流強度大。但煤層底板至灰?guī)r頂板之間均發(fā)育有一層砂、泥巖隔水層，厚度為13 m左右，且區(qū)內(nèi)構(gòu)造復雜程度中等。只有在斷層附近，由于斷層溝通煤層與含水層之間的水力聯(lián)系，在地下水徑流作用下，造成煤層氣的運移、逸散；當無斷層溝通煤層與含水層之間的水力聯(lián)系時，地下水徑流對煤層氣影響較小，造成區(qū)內(nèi)煤層氣的富集。

5 結(jié)語

研究區(qū)總體為一走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)煤層氣含量較高，總體趨勢為區(qū)塊2煤層氣含量高于區(qū)塊1，煤層氣的富集主要受控于煤層厚度、煤變質(zhì)程度、頂?shù)装鍘r性特征、煤層埋藏深度、上覆基巖厚度、構(gòu)造特征及水文地質(zhì)條件。