滇東雨汪區(qū)塊多煤層含氣量特征及其主控因素

曾麗君，陳慧麗，吳財(cái)芳

(中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤儲層含氣量是后續(xù)煤層氣開發(fā)的重要參考因素，也是決定該地區(qū)煤層氣是否能夠商業(yè)化開采的重要條件[1]。煤儲層含氣性與煤層氣成藏密切相關(guān)，煤儲層經(jīng)過漫長的地質(zhì)演化，經(jīng)歷生氣、吸附、解吸、逸散和保存，最終達(dá)到吸附-解吸平衡狀態(tài)[2]。滇東地區(qū)是我國長江以南著名的煤層氣產(chǎn)區(qū)，其內(nèi)雨汪區(qū)塊二疊系煤層氣資源豐富，具有可觀的開發(fā)前景[3]。該區(qū)塊為多煤層礦床，煤炭和煤層氣資源豐富，區(qū)內(nèi)構(gòu)造和地層水文地質(zhì)條件較為簡單，具有煤層氣開發(fā)的先決條件。以往研究指出影響黔西-滇東典型向斜/凹陷/盆地煤層含氣性的地質(zhì)因素主要包括埋深、煤厚、變質(zhì)程度、沉積、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等[4]。

前人針對煤層氣含氣量及其控制因素開展了許多研究，不同地區(qū)，甚至同一地區(qū)不同地質(zhì)條件下，不同煤層間的含氣量往往差異較大，含氣性不僅具有“區(qū)控”特征，而且具有“層控”性質(zhì)[5]。以往的研究往往只注重到單一或某幾個控氣要素的影響，在一定程度上存在片面性和單一性等問題，未能從耦合層次上綜合分析[6]。文中在分析雨汪區(qū)塊多煤層含氣量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)即前人研究思路，對區(qū)塊含氣量特征及其主控因素進(jìn)行了綜合探討，揭示了煤層含氣量主控因素，為該區(qū)煤層氣選區(qū)及勘探開發(fā)提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

雨汪區(qū)塊位于滇東老廠礦區(qū)東南側(cè)，主體為一傾向南東的單斜構(gòu)造，邊緣為弧形斷裂圍繞，內(nèi)部有次一級的寬緩褶曲，斷層稀少，地層傾角為6°～15°，靠斷層附近局部可達(dá)30°～43°。區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育部分背斜、向斜，以及2條斷層等構(gòu)造，斷層呈弧形伸展，構(gòu)成了西部和東南部的邊界，兩斷層沿?cái)鄬友由旆较驍嗑嘀饾u變小，并在區(qū)塊東部和東北部尖滅，雨汪區(qū)塊構(gòu)造綱要圖如圖1所示。

圖1 雨汪區(qū)塊構(gòu)造綱要圖

區(qū)內(nèi)出露地層從老到新有二疊系茅口組、龍?zhí)督M及長興組，三疊系和第四系，地層總厚超過1 500 m，主要含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，區(qū)內(nèi)含煤27～42層，煤層總厚23.81 m，含煤系數(shù)為14.61%，含可采煤層為9～18層，可采總厚為18.08 m，可采含煤系數(shù)為11.09%。煤層間距小，以薄-中厚煤層為主，主力煤層為(7 + 8)號、9號、13號和19號，雨汪區(qū)塊主要含煤地層柱狀圖如圖2所示。煤炭資源勘探程度較高，為煤層氣地質(zhì)評價奠定了基礎(chǔ)；區(qū)內(nèi)煤層煤體結(jié)構(gòu)總體完整，具備采用常規(guī)儲層改造措施增產(chǎn)的儲層條件。

圖2 雨汪區(qū)塊主要含煤地層柱狀圖

2 煤層含氣量特征

礦區(qū)煤樣數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)煤層氣體組成以甲烷為主，其濃度介于75%～98%；氮?dú)獯沃?，平均濃?3.74%，CO2平均4.55%，重?zé)N含量低。區(qū)內(nèi)各主力煤層含氣量介于3.11～16.71 m3/t，平均含氣量11.58 m3/t，區(qū)塊西部靠近老廠背斜核部的區(qū)域含氣量較高，煤層含氣量等值線與地層等高線走向大體一致。雨汪區(qū)塊在區(qū)域上總含氣量呈“中部高，東部、北部和南部低”的變化趨勢。

研究區(qū)各主采煤層含氣量區(qū)域展布存在一定規(guī)律性。7+8號煤層含氣量大致表現(xiàn)出沿背斜軸部向兩翼或傾伏端方向逐漸增大的趨勢，雨汪區(qū)塊7+8號煤層含氣量等值線圖如圖3所示，與區(qū)塊總含氣量等值線圖分布類似，區(qū)塊西南端煤層含氣量較低，區(qū)塊中部含氣量逐漸增加，含氣量最高的部位在區(qū)塊西部靠近老廠背斜核部FCY-LC01鉆孔附近。9號煤層含氣量在背斜和向斜兩翼及傾伏端方向較高，雨汪區(qū)塊9號煤層含氣量等值線圖如圖4所示，西北和西南端含量較低，含氣量在向斜傾伏端附件達(dá)最大值。13號煤層含氣量在向斜兩翼和傾伏端含量較高，雨汪區(qū)塊13號煤層含氣量等值線圖如圖5所示，展布規(guī)律與9號煤層相似，但不及9號煤層明顯。區(qū)塊東北部和西南端含氣量低，煤層含氣量自東北和西南端向中間部位逐漸增加，在西北部老廠背斜核部附近達(dá)最大值。19號煤層含氣量大致沿軸部向兩翼或傾伏端方向逐漸升高，雨汪區(qū)塊19號煤層含氣量等值線圖如圖6所示，但不如7+8號、9號和13號煤層規(guī)律明顯。區(qū)塊內(nèi)東部含氣量低，向西北端含氣量逐漸增大。

圖3 雨汪區(qū)塊7+8號煤層含氣量等值線圖

圖4 雨汪區(qū)塊9號煤層含氣量等值線圖

圖5 雨汪區(qū)塊13號煤層含氣量等值線圖

圖6 雨汪區(qū)塊19號煤層含氣量等值線圖

雨汪區(qū)塊各煤層含氣量測試數(shù)據(jù)見表1，從表1可以發(fā)現(xiàn)，雨汪區(qū)塊各煤層間含氣量存在明顯差異，在垂向上的分布規(guī)律較為復(fù)雜，即各相鄰煤層含氣量并不服從“隨煤層層位的降低、埋深的增加而增高”的一般規(guī)律，而是呈波動式變化。從含氣量垂向分布來看，2～7+8號煤層含氣量隨層位降低緩慢增加，而后緩慢下降，在13號煤層含氣量轉(zhuǎn)為緩慢增加，繼而在16號煤層急劇下降，17號煤層含氣量最低，18號煤層含氣量急劇增大，19號煤層進(jìn)一步增大。

表1 雨汪區(qū)塊各煤層含氣量測試數(shù)據(jù)

3 煤層含氣量控制因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

不同形態(tài)、不同性質(zhì)的地質(zhì)構(gòu)造控制煤層的形態(tài)、連續(xù)性、滲透性以及煤層氣的運(yùn)移與聚集[6-7]，封閉性地質(zhì)構(gòu)造有利于煤層氣賦存，開放性地質(zhì)構(gòu)造有利于煤層氣逸散排放[8]。雨汪區(qū)塊發(fā)育了一系列東西向、北東-南西向展布的褶皺和斷層，表現(xiàn)出典型的聚氣構(gòu)造類型—背斜軸部的含氣量較差，而向兩翼和傾伏端方向含氣量高。

從單一煤層看，褶曲構(gòu)造對煤層氣含氣量影響較大，背斜軸部地層剝蝕強(qiáng)烈，煤層氣封存能力變?nèi)鹾瑲饬拷档?，同時在斷層附近的煤層含氣量也較低；而在兩翼部位地層破壞不嚴(yán)重，煤層氣保存條件較好含氣量大。顯然，構(gòu)造是含氣量區(qū)域分布的主要控制因素之一。

3.2 煤層埋藏深度

雨汪區(qū)塊氣煤層埋深適中，整體自北西-南東向埋深逐漸增大，大部分區(qū)域煤層埋深在1 000 m以下，正常情況下，煤層氣賦存與煤層埋藏深度密切相關(guān)，含氣量隨著埋深增大呈單調(diào)函數(shù)式增加。7+8號煤層埋深等值線圖如圖7所示，13號煤層埋深等值線圖如圖8所示，對比圖7和圖8，圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，含氣量等值線在部分區(qū)域與埋深等值線具有較好的一致性，而部分區(qū)域存在異常關(guān)系。雨汪區(qū)塊多煤層含氣量分布規(guī)律與單一煤層相比具有明顯的特殊性，特別是垂向上表現(xiàn)為隨埋深波動式變化，與常規(guī)認(rèn)識不同。

圖7 7+8號煤層埋深等值線圖

圖8 13號煤層埋深等值線圖

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，雨汪區(qū)塊及其周邊區(qū)域9號煤層含氣量盡管總體上隨埋深增大呈增高趨勢，但在埋深 580～750 m 之間卻隨埋深增大反而降低[9]。分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)，一般情況下煤層埋深增大，含氣量隨之單調(diào)增高，在達(dá)到一定埋深后有減小趨勢，受到構(gòu)造、埋深、煤厚、煤體結(jié)構(gòu)、頂板巖性、地下水和沉積格架等諸多因素影響[10]。具體而言，煤層含氣量的高低，從微觀來說與煤物質(zhì)組成、孔隙結(jié)構(gòu)、煤級甚至煤層厚度等有關(guān)，從宏觀來看受地層壓力、地層溫度及頂?shù)装宸忾]性的控制，這些因素又與煤層埋藏深度、地溫場特征以及構(gòu)造樣式和構(gòu)造部位、煤層與其頂?shù)装逯g的沉積組合、水文地質(zhì)條件甚至煤層厚度等因素密切相關(guān)[11-12]。綜合分析認(rèn)為，埋深耦合多煤層疊置關(guān)系是該區(qū)垂向上含氣量波動變化的主控因素。

3.3 煤層厚度

雨汪區(qū)塊含煤層數(shù)多，煤層厚度差異較大，其中7+8號、9號、13號和19號煤平均煤厚超過2 m。煤儲層本身就是一種高度致密的低滲透性巖層，上、下部煤層對中部煤層起著強(qiáng)烈的封蓋作用，煤儲層厚度越大，中部層位中煤層氣向頂?shù)装鍞U(kuò)散的路徑就越長，擴(kuò)散阻力就越大，對煤層氣的保存就越為有利[13-14]。9號煤層煤厚等值線圖如圖9所示，13號煤層煤厚等值線圖如圖10所示，對比分析圖9和圖10，圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在厚煤層區(qū)域，煤層含氣量顯著較高，向北西-南東向煤層厚度逐漸變薄，含氣量隨之降低，即煤層中部厚四周薄，煤層含氣量同樣也表現(xiàn)出中部高四周低，煤厚與含氣量間呈正相關(guān)關(guān)系。因此，煤厚變化也是影響含氣量區(qū)域分布特征的主要因素之一。

圖9 9號煤層煤厚等值線圖

圖10 13號煤層煤厚等值線圖

3.4 水文地質(zhì)條件

地下水的活動性對煤層氣的運(yùn)移富集存在極大的影響，徑流活躍的流動水對煤層氣具有沖刷運(yùn)移作用，水流排泄，煤層氣則逸散，流動滯緩或停滯，則攜帶的煤層氣在某些部位富集起來[15-16]。雨汪區(qū)塊內(nèi)含煤地層的水文地質(zhì)條件較為簡單，含水層主要由富水性較強(qiáng)的石灰?guī)r及砂巖組成，弱透水性的黏土層夾在含水層中間把含水層分隔開。雨汪區(qū)塊地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水，巖溶發(fā)育的地層可通過大氣降水補(bǔ)給形成地下徑流，補(bǔ)給構(gòu)造裂隙水。區(qū)塊內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單，對煤層含氣量影響較小。

4 結(jié)語

本文結(jié)合雨汪區(qū)塊地質(zhì)背景，分析了多煤層含氣量區(qū)域和層域分布特征，揭示了其主控地質(zhì)因素。主要取得了如下認(rèn)識：

(1)雨汪區(qū)塊構(gòu)造簡單，多煤層發(fā)育。區(qū)域上，主采煤層含氣量呈“中部高，東部、北部和南部低”的變化趨勢；層域上，含氣量展布具有特殊性，表現(xiàn)為不同煤層平均含氣量隨層位降低、埋深增加呈波動性變化，形成了典型的疊置含氣系統(tǒng)。分析認(rèn)為，埋深耦合多煤層疊置關(guān)系是垂向上含氣量波動變化的主控因素。

(2)雨汪區(qū)塊表現(xiàn)為典型的背斜聚氣特征，主采煤層含氣量區(qū)域分布與煤層厚度具有較好一致性，基本呈正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，構(gòu)造條件與煤層厚度的耦合是區(qū)塊內(nèi)多煤層含氣量區(qū)域分布的主控因素。