屯蘭煤礦煤層氣成藏地質影響因素分析

李 帥

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

近年來，煤層氣的開發取得了較大的進步，以山西太原西山煤田為例，該煤田中煤以中-高變質程度的焦煤為主，煤層氣的儲量高達820億m3，是我國煤層氣開發的重要地區之一。

煤層氣的儲量及儲存特征受各種地質因素的影響。煤層的賦存環境、地層層序以及煤層的構造作用等均對煤層氣的封堵性及儲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象，利用現有的煤層氣參數及鉆井資料，從煤層埋深、煤質特征、地層層序、構造熱事件等多個方面入手，研究分析了影響煤層氣成藏的主要因素，為進一步預測煤層氣儲量及揭示煤層氣的成藏特征提供一定的理論基礎，

1 地質概況

西山煤田位于我國華北斷塊呂梁—太行斷塊、五臺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，地層產狀平緩。局部地段顯示一些規模不大的斷裂及褶皺，構造線方向大多呈NE向或NEE向（如古交、王封一帶），少數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，西部以經向構造為主。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，煤田內部以NE或NEE向地層為主，且多呈地壘形式出現。

井田內含煤地層主要為石炭系上統太原組（C3t）和二疊系下統山西組（P1s）。太原組沉積于本溪組之上為海陸交互相。巖性以灰～灰黑色的泥質巖及砂巖為主，含灰巖和煤層。全區可采煤層為8號、9號兩層煤。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～灰黑色砂巖及泥質巖組成，含01-03號、1-4號、4下號煤層，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#煤層氣儲量及相關工業性參數見表1所示。

表1 屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層氣儲量及相關參數值表

2 試驗介紹

本論文用于研究的基礎數據均取自于屯蘭煤礦煤層氣參數井以及部分鉆孔井等井田范圍內的10口井，數據都為平均值。根據GB212-2008中煤的工業性分析指標分別測定了灰分（Ad）、水分（Mad）和揮發分（Vdaf）等指標；依據GBT19559-2008中煤層氣儲量的測定方法在現場解吸測試了該礦2#、8#和9#各煤層的瓦斯含量，在參考鉆孔資料的基礎上，在煤層頂、底板鉆取長度不小于2m的巖芯，分別在煤層上、中、下部位各取瓦斯樣做解吸實驗。運用數學中的統計分析法對收集到的鉆孔資料及瓦斯樣品的解吸實驗數據按各煤層分組進行煤層氣含量單因素相關性分析。

3 生烴發展

3.1 煤層的變質程度

儲氣煤層的煤巖組成和煤的變質程度對煤層的吸附能力具有重要的影響。煤巖層的組成種類與煤層的吸附效果具有一定的關系，通常情況下，吸附能力與惰質組含量呈負相關，與鏡質組含量呈正相關。煤層的變質程度在影響煤層生烴量和生烴范圍的同時，也嚴重影響著煤體內的結構特征和吸附能力。

屯蘭煤礦煤層類型為焦煤和瘦煤，2#、8#和9#煤層的鏡質組反射率分別為1.80%、1.82%和2.17%，顯微情況下，煤巖主要成分為鏡質組，惰質組次之，殼質組含量僅僅占很小部分甚至沒有。煤樣的等溫吸附試驗結果為：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，實驗數據結果說明屯蘭煤礦各煤層的吸附能力都較強，同時蘭氏體積含量隨著煤層鏡質組反射率的增大而逐漸增大。

3.2 構造熱事件

煤層的生成量受煤層的變質程度的影響較大，而煤的變質程度一般是由含煤盆地的沉降埋藏史和熱史決定的。大量的實驗室實驗和現場觀測數據表明，煤層的變質程度在影響煤層氣含量的同時，隨著煤的變質程度的不斷增大，煤層內在的物理和化學結構的變化以及煤層孔隙結構的改變進一步造成煤層吸附能力的強大。屯蘭煤礦2#、8#和9#煤層均具有較強的吸附能力，蘭氏體積含量均大于22ml/g，表明其與煤層較大程度的變質和非埋深作用造成的高地溫有很大的關系。

4 影響煤層氣成藏的單因素分析

4.1 煤層及頂底板厚度與煤層氣儲氣含量關系

煤層頂底板巖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泥巖，局部區域含有細砂巖，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巖，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泥巖，局部區域含有細砂巖，其厚度變化范圍為0.7～4m；煤層頂板主要為砂質泥巖和泥巖，厚度范圍為0.5～3m，極個別鉆孔顯示有細砂巖，煤層頂板和底板的滲透能力都比較低。上述鉆孔數據說明屯蘭煤礦各主采煤層的頂底板巖性多為砂質泥巖和泥巖，煤層具有很好的封閉性。

圖12#、8#和9#煤層氣含量與煤厚關系散點圖

圖1 顯示為2#、8#和9#煤層煤層氣的含量與煤層頂、底板厚度的關系，結構表明其相關系數分別為-0.072和0.1，相關性不明顯。表明煤層頂底板的厚度對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。煤層氣儲量與煤層厚度之間的相關系數只有0.259，相關性很小，說明隨著煤層厚度的增加，煤層氣的儲氣量雖有增加但是增加的趨勢不大。

4.2 煤巖層的煤質特性與煤層氣含量關系

大量的研究表明，煤層的吸附能力與煤層中水分含量有關，水含量越高，煤層的吸附能力越低；同時，煤層的吸附能力隨著煤層灰分、揮發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）產率均值為21.6%，水分（Mad）含量均值為0.62%，揮發分（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、灰分和揮發分之間的關系。由圖可知，煤層氣的含量與煤層水分、灰分和揮發分呈負相關。

圖22 #、8#和9#煤層氣含量與水分、灰分和揮發分關系散點圖

4.3 埋深與煤層氣含量關系

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系圖，圖中變化趨勢說明隨著埋深的增加，其氣含量也具有明顯的增加，與先前研究結果相符。

圖32 #、8#和9#煤層氣含量與埋深關系散點圖

5 結 論

本文通過對屯蘭煤礦2#、8#好9#煤層煤層氣成藏地質影響因素分析，得到的結論如下：

1）煤變質程度和以構造巖漿熱作用為主的煤變質演化過程是各煤層具備較高生烴發展潛力的主要因素。

2）各煤層的頂底板封閉性相對較好，煤層頂底板厚度與煤層氣含量不具有明顯的相關性；含氣量與煤層厚度呈正相關；含氣量與灰分、水分和揮發均呈明顯的負相關。

3）煤層埋藏深度是影響煤層氣含量的主要地質因素。

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