淮南潘集深部11-2煤層含氣量與地球化學特征及其地質(zhì)條件影響因素分析

魏 強，劉家樂，童家穎，石從秋，劉朝奇

宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000

煤層氣資源在全球范圍內(nèi)豐富，煤層氣地質(zhì)勘探和開發(fā)已在美國、俄羅斯、中國、加拿大、澳大利亞等[1-3]多個國家開展。在中國，2 000 m以淺的煤層氣資源總量約為36.8×1012m3，其中埋藏深度在1 000～2 000 m之間的資源占總資源的60%[3]?；茨厦禾镂挥谌A北聚煤區(qū)南部邊緣，含煤面積大，煤層層數(shù)多，煤層氣資源量較為豐富[4]。淮南煤田煤層氣資源總量達5.9×1011m3，含氣量總體上呈東高西低的特征。煤田內(nèi)高含量的區(qū)域有3個，潘集深部地區(qū)為其中之一[5]。潘集深部地區(qū)是一個高地應(yīng)力、多套煤層、開采條件復(fù)雜的礦區(qū)[6]。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，短時間內(nèi)在潘集深部地區(qū)實現(xiàn)煤層氣資源的規(guī)模化開采是不現(xiàn)實的。因此，關(guān)于煤儲層地質(zhì)條件對含氣量和地球化學特征的影響因素分析具有十分重要的作用。

影響煤層氣含量的地質(zhì)因素有很多，其中包括煤層厚度、埋藏深度、儲層壓力、溫度、孔隙度和滲透性等許多地質(zhì)因素[7-9]。煤層氣地球化學特征是反應(yīng)煤層氣成因及賦存條件的關(guān)鍵參數(shù)，利用甲烷碳同位素值(δ13C1)對煤層氣成因進行判別已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[10]。本文以淮南潘集深部11-2煤層為研究對象，通過煤層厚度、儲層壓力、儲層溫度等地質(zhì)條件對煤層氣含量和地球化學特征的影響分析，以期揭示地質(zhì)條件對煤層氣含量和地球化學特征的影響。研究結(jié)果有利于探討潘集礦區(qū)深部煤層氣賦存及其控制因素，同時為后續(xù)的煤層氣開采和研究提供基礎(chǔ)資料。

1 概況與方法

1.1 研究區(qū)域概況

潘集深部地區(qū)位于潘集礦區(qū)的東南部，地處安徽省淮南市潘集區(qū)，東北方向位于蚌埠市懷遠縣內(nèi)。從構(gòu)造上，潘集深部地區(qū)位于淮南煤田復(fù)向斜的東段，陳橋-潘集背斜的轉(zhuǎn)折端深部，北部以明龍山斷層相接，南部為謝橋-古溝向斜，兩翼地層的傾角變化不大，通常為6°～15°，構(gòu)造復(fù)雜程度相對簡單。東西走向長約6.1～26.6 km，南北寬約6～19 km，面積約為281 km2[11](見圖1)。

圖1 淮南煤田構(gòu)造綱要圖及潘集深部地區(qū)位置圖

研究區(qū)的碎屑巖系主要是晚古生代沉積的砂質(zhì)巖和泥質(zhì)巖。另外，主要含煤層系為石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組[12]。頂板和底板的巖性主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖，為煤儲層提供了良好的封閉條件。

1.2 樣品采集與方法

采用傳統(tǒng)的取芯法，從11-2煤層中采集了9個煤樣，取樣深度為1 195～1 470 m(平均為1 352 m)。為了使獲得的數(shù)據(jù)準確，運用煤層氣含量測試直接法，按照中國國家標準GB/T 23249-2009測定煤樣含氣量。采用中國煤炭工業(yè)標準MT/T 223-1990和中國國家標準GB/T 21650-2008分別測定煤樣滲透率和孔隙度。在進行滲透率測量之前，所有樣品都被制備成直徑為25 mm、高度為40～60 mm的圓柱體，然后在105～110 ℃的溫度下干燥24 h。在測量每個煤樣時，進口端的滲透氣體壓力被設(shè)定為0.06～0.09 MPa，密封壓力為0.4～0.5 MPa。此外，每個煤樣約10 g，直徑為1～2 mm，準備用于孔隙度測試。結(jié)果如表1所示。運用氣相色譜法(GC)，按照國家標準GB/T 13610-2014和中國石油天然氣工業(yè)標準SY/T 5238-2008分別測定煤層氣成分和甲烷碳同位素值(δ13C1)。煤層氣成分利用安捷倫氣相色譜儀(Agilent 6890N GC)獲得，在測量中，氣相色譜儀的溫度最初被設(shè)定為30 ℃，然后以10 ℃/min的速度升至180 ℃，保持這個最高爐溫20 min。之后，每種成分都要進行氧化銅活化處理，氧化爐的最高溫度被設(shè)定為850 ℃ ± 10 ℃。δ13C1數(shù)值利用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(Delta V Advantage IRMS)獲得，采用VPDB(Vienna Pee Dee Belemnite)標準，測試誤差為±0.1‰。

表1 潘集深部11-2煤層的基本參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 深部煤層氣儲層地質(zhì)條件

根據(jù)實測數(shù)據(jù)整理得到了深部11-2煤層地質(zhì)條件的基本數(shù)據(jù)(見表1)。由表1分析可得，深部11-2煤層采集的煤樣埋藏深度為1 195～1 470 m，平均值為1 352 m。采集的9個煤樣的煤層厚度為1.12～5.75 m，平均值為2.69 m。松散層厚度為120.5～218.6 m，平均值為187.31 m?；鶐r厚度為984～1 349.50 m，平均值為1 164.9 m。根據(jù)測量的溫度數(shù)據(jù)得到，所選煤層溫度為51～62 ℃，平均值為54.7 ℃。11-2煤層的氣體壓力為5.14～7.42 MPa，平均值為6.28 MPa。11-2煤層的滲透率為0.142～3.073 mD，平均值為1.293 mD。所采集煤樣的孔隙率為4.35%～17.85%，平均值為10.04%。綜上所述，潘集深部11-2煤層的特點是埋藏深、煤層厚，儲層壓力和儲層溫度高，周圍封閉的環(huán)境為煤層氣的富集提供了有利的條件。但是，滲透率偏低，不利于煤層氣的開采。

潘集深部11-2煤層地質(zhì)條件在縱向上具有明顯變化。如圖2(a)所示，隨著埋藏深度增加，儲層壓力逐漸升高，呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。圖2(b)表明，儲層溫度與埋藏深度也顯示出明顯的正相關(guān)關(guān)系，這表明儲層溫度和壓力受到埋藏深度的影響程度比較高。如圖2(c)所示，埋藏深度與淺部煤層煤樣的孔隙度相關(guān)性不明顯，而當埋藏深度處于1 200～1 500 m的區(qū)間時，埋藏深度與孔隙度呈現(xiàn)弱的負相關(guān)關(guān)系，這說明埋藏深度對淺部煤層孔隙度無影響，而深部煤層煤樣所受影響程度比較低。如圖2(d)所示，潘集深部11-2煤層的滲透率與埋藏深度無明顯相關(guān)性，但隨著滲透率逐漸減小，埋藏深度與滲透率呈現(xiàn)較弱的對數(shù)關(guān)系，這表明隨著埋藏深度的增加，地層有效應(yīng)力會逐漸增大，煤儲層裂隙會趨于閉合，孔隙度逐漸降低，滲透率會逐漸減小[13]。

圖2 潘集深部11-2煤層地質(zhì)條件之間的關(guān)系

如圖3所示，潘集深部11-2煤層的氣體壓力隨著孔隙度(圖3(a))和滲透率(圖3(b))的增加而降低，并與后兩者呈負相關(guān)，這說明潘集深部11-2煤層滲透率和煤樣孔隙度較低時，可以使煤儲層保留較高的氣體壓力。

圖3 潘集深部11-2煤層儲層壓力與地質(zhì)條件的關(guān)系

2.2 煤層氣成分和地球化學特征

根據(jù)實測的數(shù)據(jù)所得，如表2所示，潘集深部11-2煤層含氣量為9.66～13.68 m3/t，平均含量為11.58 m3/t。烷烴是潘集深部煤層氣中解吸氣體的主要成分，其含量為81.32%～96.73%，平均值為89.54%。煤層氣中CH4含量為75.67%～95.36%，平均值為84.18%。乙烷及以上烴類氣體(C2+)的范圍是1.37%～8.58%，平均值為4.94%。CO2的值為1.58%～6.45%，平均值為3.82%。N2的值為0.25%～15.17%，平均值為7.0%。潘集深部11-2煤層的δ13C1值分布范圍為-44.89‰～-38.42‰，平均值為-41.58‰。

表2 潘集深部11-2煤層氣含量、組分和δ13C1的結(jié)果

2.3 地質(zhì)條件對含氣量的影響

通過與淺部煤層煤樣的實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以得到含氣量與埋藏深度的關(guān)系圖。圖4(a)為埋藏深度與含氣量在深度300～1 500 m的關(guān)系圖。總體上來看，深部煤層氣含量和淺部煤層氣含量與埋藏深度呈正相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，埋藏深度為1 200～1 500 m時，煤層氣含量主要集中在10～15 m3/t。如上所述，煤層氣含量的變化隨著埋藏深度的增加呈現(xiàn)出兩個變化階段。當埋藏深度小于600 m時，含氣量的增長速度呈線性增長，增長速率很快。另外，結(jié)合深部煤層氣含量來看，煤層氣含量與埋藏深度呈對數(shù)關(guān)系增長。即隨著埋藏深度的不斷增加，含氣量的增長速度逐漸緩慢。如圖4(b)所示，煤層氣含量與基巖厚度的相關(guān)性略好于與埋藏深度的相關(guān)性。如圖4(c)所示，煤層氣含量在儲層壓力低于4 MPa時呈線性增長。但是，當壓力高于5 MPa時，煤層氣含量逐漸趨于緩慢增長。如圖4(d)所示，煤層氣含量的變化隨著儲層溫度的增加也會表現(xiàn)出兩個不同的階段。在儲層溫度處于25～35 ℃的范圍內(nèi)時，煤層氣含量與儲層溫度呈線性相關(guān)。當儲層溫度高于45 ℃時，煤層氣含量的增長速度隨著儲層溫度的升高而逐漸趨于平緩。

圖4 潘集深部11-2煤層氣含量與地質(zhì)條件的關(guān)系

2.4 地質(zhì)條件對地球化學特征的影響

如圖5(a)(b)所示，δ13C1與埋藏深度和基巖厚度呈正相關(guān)關(guān)系。這表明隨著埋藏深度的增加，δ13C1變化總體上表現(xiàn)偏重的特點。反之，δ13C1變得較輕。如圖5(c)(d)所示，δ13C1與儲層壓力和儲層溫度也呈正相關(guān)關(guān)系。這表明儲層壓力和溫度在逐漸升高的規(guī)程中，會使δ13C1變重。如圖6(a)(b)所示，δ13C1數(shù)值與煤樣孔隙度和煤儲層的滲透率之間無明顯線性關(guān)系。

圖5 潘集深部11-2煤層的δ13C1與地質(zhì)條件的關(guān)系

圖6 潘集深部11-2煤層的δ13C1與孔隙度和滲透率的關(guān)系

δ13C1值變輕的主要因素有：解吸-擴散-遷移效應(yīng)，CH4和CO2之間的碳同位素交換反應(yīng)，熱成因氣和生物成因氣的混合氣[10]。所選煤樣是來自潘集深部11-2煤層的氣煤和氣肥煤，這些煤樣主要處于生油階段，生成時會伴有一定量的氣體。因此，熱成因氣和生物成因氣的混合氣，可能會使δ13C1的值在一定程度上變輕[15]。由表2中CH4和CO2的含量分析，由于CO2的相對含量較低，CH4和CO2之間的碳同位素交換反應(yīng)對δ13C1值變輕沒有影響。同位素交換需要CH4和CO2的高含量和低儲層溫度[16]，研究地區(qū)不具備上述反應(yīng)的地質(zhì)條件。

如圖7所示，潘集深部11-2煤層含氣量與δ13C1呈線性正相關(guān)，這表明δ13C1是影響煤層氣含量的一個重要指標。通常在煤層氣含量高的環(huán)境下，有利于煤層氣的保存與利用。但這種環(huán)境需要許多因素支持，包括有利的孔隙結(jié)構(gòu)、良好的封閉性、更好的連通性，以及較高的儲層溫度和壓力，而這些因素都有利于δ13C1的存在[17-18]。綜上所述，δ13C1與煤層氣含量的控制因素有一定的相關(guān)性。

圖7 潘集深部11-2煤層的δ13C1與含氣量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)11-2煤層的埋藏深度為1 195～1 470 m，平均值為1 352 m；煤層厚度為1.12～5.75 m，平均值為2.69 m；煤層頂部和底部的巖性主要以泥巖為主；儲層溫度為51～62 ℃，平均值為54.7 ℃；儲層壓力為5.14～7.42 MPa，平均值為6.28 MPa；煤層滲透率為0.142～3.073 mD，平均值為1.293 mD；煤樣孔隙率為4.35%～17.85%，平均值為10.04%；深部11-2煤層的地質(zhì)條件在縱向上具有明顯的變化。

(2)11-2煤層氣含量為9.66～13.68 m3/t，平均含量為11.58 m3/t。當埋藏深度小于600 m時，煤層含氣量與埋藏深度呈正相關(guān)關(guān)系[14]；當埋藏深度大于900 m時，含氣量增加的速率逐漸變緩。另外，含氣量與埋藏深度、基巖厚度、儲層溫度、儲層壓力呈對數(shù)關(guān)系，所受影響程度都隨著數(shù)值的增加而逐漸變?nèi)酢?/p>

(3)11-2煤層的δ13C1值介于-44.89‰～-38.42‰，平均為-41.58‰。δ13C1與埋藏深度和基巖厚度呈正相關(guān)關(guān)系，這說明δ13C1隨著埋藏深度和基巖厚度的增加而變重。δ13C1與儲層壓力和儲層溫度也呈正相關(guān)關(guān)系。這表明儲層壓力和溫度在逐漸升高的過程中，也會使δ13C1變重。δ13C1與含氣量呈弱線性正相關(guān)關(guān)系，這說明δ13C1與含氣量的控制因素有關(guān)。