多層疊置含煤系統(tǒng)可采煤層含氣特征及控制因素
——以貴州盤縣馬依東二井田為例

張孟江，吳財芳

(1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴陽 550008;2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116 )

貴州省煤炭資源十分豐富，也是我國南方煤層氣資源量最為豐富的省份，具有大力開發(fā)利用煤層氣資源的良好基礎(chǔ)[1-2]。黔西盤縣的馬依東二井田是貴州煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)塊之一[3]。但該井田的煤層氣地質(zhì)條件研究較為薄弱，煤層氣資源程度沒有真正查清，勘探開發(fā)試驗也相對滯后[4]。

馬依東二井田行政區(qū)域上屬貴州省六盤水市盤縣管轄，歸屬于老廠鎮(zhèn)、馬依鎮(zhèn)及忠義鄉(xiāng)(圖1)。井田走向長約9.4km，傾向?qū)捈s7.4km，面積69.76km2。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Mayidong minefield No.2

1 井田地質(zhì)背景

井田大地構(gòu)造位置地處揚子板塊(Ⅰ級構(gòu)造單元)黔北隆起(Ⅱ級構(gòu)造單元)六盤水斷陷(Ⅲ級構(gòu)造單元)六盤山復雜變形區(qū)(Ⅳ級構(gòu)造單元)。

1.1 井田構(gòu)造特征

馬依東二井田位于盤南背斜與下甘河斷裂之間、盤南背斜南東翼西端，青山向斜北西翼，其構(gòu)造形態(tài)上為一平緩單斜，略有起伏。發(fā)育NE向斷層，偶有NNW向和NW向的斷層。由西向東，以F13的連線為界，兩邊發(fā)育了不同方向的褶皺(波狀起伏)。

1.2 煤儲層特征

馬依東二井田主要含煤地層為龍?zhí)督M，厚度244.04～303.89m，平均厚275.52m，含煤19～32層，一般24層左右，煤層總厚度19.68～38.05m，平均29.42m。含可采煤層7層，可采煤層總厚度12.09～31.33m，平均15.74m。

井田內(nèi)可采煤層7層，其中全區(qū)可采4層(3、17-2、19、29號)，大部可采3層(12、17-1、28號)。其中4層全區(qū)可采煤層采用厚度總計11.14m。

井田內(nèi)以亮煤、暗煤為主，煤層宏觀煤巖類型主要為半暗型煤、半暗—半亮型煤和半亮型煤?？刹擅簩隅R質(zhì)組含量平均77.99%。井田內(nèi)煤層主要以中灰、中硫—中高硫、低揮發(fā)分貧煤、無煙煤為主?；曳制骄?3.56%，干燥無灰基氫含量平均4.13%，揮發(fā)分平均含量14.73%。

區(qū)內(nèi)煤層有鏡質(zhì)組含量高、變質(zhì)程度高的特點，具有較高的生烴能力。

1.3 水文地質(zhì)條件

煤層氣以吸附狀態(tài)賦存于煤的孔隙中，地層壓力通過煤中水分對煤層氣起封閉作用，因此，水文地質(zhì)條件對煤層氣保存、運移影響很大[5-7]。井田內(nèi)晚二疊世含煤巖系及上覆下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組，均為弱含水層，煤系底部均發(fā)育一層鋁土質(zhì)泥巖，基底峨眉山玄武巖組也為弱含水層，可視為下伏茅口組的相對隔水層，即煤系與上覆、下伏強含水層無明顯的水力聯(lián)系，區(qū)域水文地質(zhì)條件普遍簡單，有利于煤層氣的保存。

2 可采煤層含氣特征

2.1 含氣性總體特征及氣體組成

通過勘查資料的收集和匯總，井田內(nèi)可采煤層(甲烷+重烴)的平均濃度為89.10%～91.31%，平均為89.80%；氮氣濃度變化于6.71%～9.37%，平均為8.43%；二氧化碳濃度0.63%～1.53%，平均為1.02%；可檢測到的乙烷濃度0.64%～1.12%，平均為0.76%。單一煤層來看，各煤層(甲烷+重烴)平均濃度較高，均在80%以上；氮氣濃度較低均小于10%(表1)。

表1 可采煤層鉆孔煤心解吸實驗結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistics of mineable coal seam borehole coal core desorption tested results

區(qū)內(nèi)各可采煤層甲烷含量為5.17～26.37mL/g，各主要可采煤層甲烷平均含量為11.35～14.83mL/g，全區(qū)平均含量為13.73 mL/g。

2.2 含氣展布特征

在垂向上，同一煤層，受構(gòu)造張應力形成的張性裂隙和斷層影響區(qū)域，含氣量相對不穩(wěn)定，規(guī)律性不明顯。在 F67號斷層以北西南靠淺部，含氣量不隨煤層埋藏深度增大而增高，而是有高有低。高低點在斷層構(gòu)造部位及埋藏較淺部明顯，靠深部，J30勘探線以西，含氣量隨煤層埋藏深度增大而增高。各煤層含氣量在該部位相對穩(wěn)定。在F67號斷層以東南部，傾向上，煤層含氣量隨煤層埋藏深度增大而增高。走向上，從東向西，含氣量隨煤層埋藏深度增大而降低。降低明顯的是3、12、17-1、17-2、19號煤層，到深部28、29號煤層，含氣量在該部位分布較穩(wěn)定，且趨于13 m3/t左右。不同煤層，平均含氣量基本隨煤層埋藏深度增大而增加，從取揭露全煤系有代表性的鉆孔分析，含氣量隨煤層埋藏深度的增大有高有低，但總趨勢為增高。

平面上，一般來說，煤層越厚，含氣量越高。研究區(qū)煤層厚度從南向北變薄，但正北部煤層埋藏較淺，含氣量隨煤層厚度的增加而增加的規(guī)律性不明顯。地質(zhì)構(gòu)造中的斷層破壞了煤層的延續(xù)完整性，使煤層瓦斯條件發(fā)生了變化，區(qū)內(nèi)煤層以最大斷層F67切割為北西南部和北東南部，F(xiàn)13斷層貫通地表，處在該兩斷層區(qū)域的含氣量點出現(xiàn)異常高低點。

3 可采煤層控氣地質(zhì)因素

煤層氣能夠富集，是生成、儲集、封蓋、運移、聚集、保存六方面條件及其動態(tài)發(fā)展過程有利配置的結(jié)果，是構(gòu)造因素控制之下諸多地質(zhì)因素的綜合作用形成的。為了能夠?qū)γ簩託庥欣奂瘏^(qū)進行評價和優(yōu)選，同時為煤層氣資源勘探開發(fā)提供決策依據(jù)，必須對不同地質(zhì)因素的控氣特征，以及不同控氣因素配置下的煤層氣的聚集規(guī)律做出討論。

3.1 構(gòu)造控氣作用

馬依東二井田總體屬于向斜構(gòu)造控氣作用，各可采煤層煤層氣在向斜軸部位聚集，煤層含氣量較大。而淺部由于張性作用，靠近背斜軸部，煤層含氣量會有明顯的降低。另外，由于斷裂(張性斷裂及壓性斷裂)構(gòu)造的控制作用，在井田范圍內(nèi)，同一煤層含氣量變化并不穩(wěn)定：在中西部斷裂構(gòu)造發(fā)育的斷層附近，含氣量并沒有隨煤層埋藏深度增大而增高，而是表現(xiàn)為起伏不定的特點。因此，在構(gòu)造復雜的地區(qū)，含氣量的高低依具體構(gòu)造的性質(zhì)而定，在局部壓性斷層的控制下，可以為煤層氣的存儲提供了良好的保存條件，從而形成多個“富氣中心”。

3.2 埋深控氣作用

煤層的埋藏深度是僅次于構(gòu)造作用的第二大控制因素，埋藏深度的大小直接影響到煤儲層的壓力和保存條件。

馬依東二井田煤層含氣量與埋深的對應關(guān)系在勘探深度范圍內(nèi)有一定分布規(guī)律。煤層埋深增大，含氣量趨于增高；煤層埋深300～700m時，含氣量為25～30m3/t，但此后煤層埋深超過800m時，煤層埋深增大，含氣量不再相應增高。

3.3 水文地質(zhì)條件控氣作用

區(qū)內(nèi)河流為銅廠河、馬依河及其交匯的豬場河，其自西向東流經(jīng)研究區(qū)，含煤地層自北向南往深部傾斜，由于垂向上水力聯(lián)系較少，這種情況下會發(fā)生兩種控氣作用，在埋深較淺的地方，地表水與與煤層氣運移的“反向”關(guān)系，對煤層氣的運移起到封堵作用；而在埋深較大的深部，由于水力封閉控氣作用的存在，使得煤層氣在很大程度上能夠得到保存。

煤層直接充水層即是煤系中較弱的碎屑巖類含水層，含水性微弱，滲透系數(shù)低，地下水徑流緩慢甚至是停滯。含水層補給只限于淺部露頭的大氣降水，補給量小。在露頭附近，地下水徑流對煤層氣的逸散具有封堵作用，表現(xiàn)為水力封堵作用；在深部，地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動方式流動，對煤層氣有封隔作用，表現(xiàn)為水力封閉作用。

3.4 沉積控氣作用

如圖2所示，馬依東二井田煤層含氣量與煤質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系十分離散，但卻有相對的規(guī)律性：隨著揮發(fā)分產(chǎn)率、灰分產(chǎn)率降低，煤層含氣量上限有增高的微弱趨勢，表明煤化作用程度和有機質(zhì)含量增高有利于煤層氣的富集，與傳統(tǒng)認識一致。全硫含量增高，煤層含氣量降低的趨勢相對明顯，指示海水影響程度越弱越有利于煤層氣的吸附，原因可能在于受微生物強烈降解的沉積有機質(zhì)(如基質(zhì)鏡質(zhì)體)影響到煤中儲氣空間的發(fā)育[8-10]。

圖2 馬依東二井田煤層含氣量與煤質(zhì)參數(shù)之間關(guān)系Figure 2 Relationship between gas content and coal quality parameters in Mayidong minefield No.2

而煤層氣在生成、演化過程中能否得到良好的保存，還有賴于煤層上覆地層厚度。煤層埋深增加，煤層氣的保存能力不斷增強，含氣量也隨之增加。但如圖3所示，無論是研究區(qū)還是更大范圍的六盤水煤田，煤層的含氣量與煤層厚度之間均呈平躺“V”字形關(guān)系，轉(zhuǎn)折點所對應的含氣量在10～15m3/t。

圖3 馬依東二井田煤層厚度與含氣量之間關(guān)系Figure 3 Relationship between coal thickness and gas content in Mayidong minefield No.2

煤層厚度主要受控于聚煤期泥炭沼澤均衡沉降效應和聚煤期后構(gòu)造改造作用這兩個因素[11-12]。黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)的煤層多為薄—中厚煤層，在泥炭沼澤均衡沉降效應的控制之下，單煤層厚度一般不會超過3m。但是，由于煤層受后期構(gòu)造破壞嚴重，相當一部分鉆孔單層超過了區(qū)域規(guī)律所示的煤層厚度?？梢姡瑢е律鲜觥癡”字形關(guān)系的重要原因，在于聚煤期后構(gòu)造對煤層厚度的改造作用。改造的效應，是導致煤層含氣量降低而非增高，即形成了不利于煤層氣保存的條件。

4 構(gòu)造-沉積-水文耦合控氣作用

綜合以上分析，在本區(qū)建立了構(gòu)造-水文-儲層物性耦合作用控氣下的地質(zhì)模型(圖4)。其中，構(gòu)造對本區(qū)煤層含氣性具有最重要的控制作用。

圖4 馬依東二井田控氣地質(zhì)模型Figure 4 Mayidong minefield No.2 gas control geological model

根據(jù)煤層含氣量大小，把研究區(qū)分為低值區(qū)、中值區(qū)和高值區(qū)三個部分。

低值區(qū)位于補泥背斜軸部及F13斷層附近，該區(qū)煤層氣含量相對較低。受張性斷層影響，煤層氣沿斷層不斷逸散，雖然地下水對煤層的運移逸散起到一定的阻力，但由于埋深較淺，最終導致大量煤層氣逸散，使得該區(qū)煤層氣含量最低。

中值區(qū)位于F13斷層及F67斷層之間，該區(qū)總體含氣量呈北西低、南東高的總體趨勢。該區(qū)雖然張性斷層也同樣發(fā)育，但由于煤層埋藏深度較深，煤層上下隔水層的存在，使得地下水徑流緩慢甚至停滯，并且地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動方式流動，地下水處于封閉狀態(tài)，對煤層氣具有封隔作用，有利于煤層氣的富集。而局部擠壓性斷層的存在，也產(chǎn)生了局部的“富氣中心”。

高值區(qū)位于F67斷層東南部。本區(qū)煤層埋深最深，水力封堵條件更好，并且局部存在有小向斜，對煤層含氣性富集最為有利。

5 結(jié)論

1)本區(qū)內(nèi)煤層氣含量變化范圍較小，為11.20 ～14.72 m3/t，均值為13.23 m3/t。主要可采煤層甲烷濃度為89.10%～91.31%，平均為89.80%。甲烷濃度與煤層相關(guān)性較好，隨著煤層埋深增加甲烷濃度也增加。

2)本區(qū)背斜軸部正斷層較多致使煤層氣逸散，含氣量普遍較低；而深部靠近向斜軸部，煤層氣得以積聚，含氣量相對較高。

3)沉積體系對煤層含氣量影響不是很大，各沉積相形成的煤層中含氣量差別并不十分明顯。

4)區(qū)內(nèi)流動性微弱的含煤地層地下水對煤層氣具有水力封堵作用，這是區(qū)內(nèi)煤層含氣量高的一個重要地質(zhì)原因。

5)綜合構(gòu)造-沉積-水文耦合控氣地質(zhì)模型顯示，本區(qū)煤層含氣量劃分為低值區(qū)、中值區(qū)及高值區(qū)。