永隴礦區丈八井田煤層氣賦存特征及其控氣因素

陳 波 張小萌 宋一民

(陜西煤田地質勘查研究院有限公司，陜西 710021)

永隴礦區屬于黃隴侏羅紀煤田的西部礦區，開發利用程度相對較低，主要在產的招賢煤礦、郭家河煤礦、崔木煤礦均為高瓦斯礦井。丈八井田位于永隴礦區北部，先后通過煤田地質勘探及煤層氣勘查，表明區內煤炭資源豐富，主要煤層賦存穩定，屬氮氣～沼氣帶，開采技術條件較好，現處于礦井建設階段，依據《陜西省黃隴侏羅紀煤田永隴礦區總體規劃》建成后產量將達1.5Mt/a，本次主要利用在區內施工的31個瓦斯鉆孔和2口煤層氣參數井數據，結合化驗測試資料及地質分析，研究探討煤層氣賦存特征及其控氣地質因素，為煤炭資源開發利用提供依據。

1 地質概況

1.1 地層

丈八井田地層屬于華北地層區鄂爾多斯地層分區，地表基本被新近系和第四系覆蓋，溝谷零星出露有白堊系地層，地層由老至新依次為：三疊系上統銅川組、侏羅系下統富縣組、侏羅系中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統宜君組、洛河組、華池組、羅漢洞組，新近系及第四系。

研究區含煤地層為中侏羅統延安組，以河流沼澤環境沉積為主，厚度一般30～50m，自上而下劃分為兩個含煤段，即：延安組第二段和第一段，巖性主要為灰～深灰色細粒砂巖、粉砂巖、及泥巖與灰白色中粗粒砂巖互層狀，夾炭質泥巖及煤層。主要可采煤層共兩層，均為大部可采的較穩定煤層，其中：2號煤層位于延安組第二段中部，厚度 0.30～4.95m，平均厚度1.88m，3號煤層位于延安組第一段中下部，厚度0.55～21.61m，平均厚度8.50m。煤類均屬低～中灰、特低硫、高熱值的不粘煤。

1.2 構造

永隴礦區構造位于鄂爾多斯盆地西南邊緣渭北撓褶帶北部，研究區位于其二級構造單元廟彬凹陷西部的麟游折帶主體部位(圖1)，地表大面積被黃土層覆蓋，溝谷中出露的白堊系地層產狀較為平緩，其深部侏羅系隱伏構造總體為走向NE，傾向NW-NNW的單斜構造，其上發育一些寬緩不連續的褶曲，北部發育一條北西向的丈八-天堂正斷層，斷層傾向NNE，傾角50°，落差100～200m，構造總體簡單，未發現巖漿巖活動跡象。

2 煤層氣賦存特征

2.1 含氣性特征

據區內以往瓦斯鉆孔和煤層氣參數井測試成果(表1)：2號煤層含氣量為0.40～0.77m3/t，平均含氣量為0.60m3/t，煤層氣主要富集在南部賦煤帶內(圖2)，含氣量較穩定；3號煤層含氣量為0.20～0.94m3/t，平均含氣量為0.63m3/t，主要富集南部和中部賦煤帶，其中南部賦煤帶煤層氣含量相對較高，受斷層影響，北部賦煤帶煤層氣含量很低(圖3)。

表1 煤層氣含量分析結果

圖2 2號煤層含氣量等值線圖

圖3 3號煤層含氣量等值線圖

2.2 吸附性特征

煤層的吸附性決定著煤層氣儲集和解析難易程度的關鍵因素，通過對煤層氣參數井測試樣品進行等溫吸附實驗，用VL(Langmuir體積)、PL(Langmuir壓力)和等溫吸附曲線來表征。測試結果(表2)表明： 2煤空氣干燥基VL=7.60～7.63mL/g， 平均值7.61mL/g，PL=2.81～2.96MPa，平均2.88MPa；3煤空氣干燥基VL=8.09～8.99mL/g，平均值8.73mL/g，PL=2.89～3.29MPa，平均3.13MPa；反映區內煤層具有較好的吸附性，壓力相對較低，且干燥無灰基條件下的吸附能力高于空氣干燥基條件下。

煤儲層的吸附量隨著壓力的變化呈現出明顯的階段性。2號煤等溫吸附曲線(圖4)可以看出：在壓力1.7MPa之前，隨著壓力的增達吸附量變化較明顯；3號煤等溫吸附曲線(圖5)可以看出：在壓力1.8MPa之前，隨著壓力的增高吸附量變化較明顯。表明煤儲層在低壓區吸附量相對較大，隨著壓力增大煤的吸附量逐漸減少，煤層具有一定的吸附能力，但煤層氣的解吸難度相對較大。

圖4 2號煤層等溫吸附曲線

圖5 3號煤層等溫吸附曲線

2.3 煤巖特征

宏觀煤巖特征：2號煤層以暗煤為主，次為亮煤，夾鏡煤條帶，以半暗型煤為主；3號煤層以亮煤、暗煤為主，夾鏡煤條帶，以半亮型煤為主。

顯微煤巖特征：2號煤層有機組分平均值96.3%，以惰質組為主，平均78.2%，鏡質組次之，平均17.0%；3號煤層有機組分平均值95.53%，其中以鏡質組為主，平均52.50%，惰質組次之，平均42.36%。表明：煤層中有機組分含量較高，無機組分較低。

2號煤層鏡質組最大反射率為0.52%，3號煤層鏡質組最大反射率介于0.52%～0.713%之間，均屬Ⅰ變質階段煙煤。

2.4 孔隙特征

煤的孔隙和裂隙是煤層氣解吸后擴散和滲流的通道，因此煤的孔隙特征是影響煤層氣吸附～解吸、擴散和滲流特性的重要因素。國內外學者對煤的孔徑結構做過研究，其中應用最為廣泛的是霍多特的十進制分類系統將煤孔隙分成大孔(孔徑>1000nm)、中孔(孔徑100～1000nm)、小孔(孔徑10～100nm)和微孔(孔徑<10nm)，微孔和小孔構成煤的吸附容積，中孔和大孔構成煤的滲透系統，其中的甲烷幾乎全部處于游離狀態。

采用液氮吸附試驗對主采煤層煤樣孔隙結構進行分析測試，孔隙表面積采用BET模型解釋，孔隙體積采用BJH模型解釋，孔徑采用BET模型解釋，測試結果見表3，表明區內煤層孔隙特征是以微孔發育為主要特征，孔隙比表面積與孔隙直徑具有負相關關系特征，說明煤層具有較好的吸附能力。

表3 煤樣孔隙結構液氮吸附試驗結果

2.5 滲透率

滲透率是煤儲層的一個主要物性指標，是煤層氣運移產出的控制因素，基于我國煤儲層具有低壓、低滲特點，國內學者將我國煤儲層分為高滲透率煤儲層(k>1mD)，中滲透率煤儲層(1mD>k>0.1mD)，低滲透率煤儲層(k﹤0.1mD)。通過對煤層氣參數井采用注入/壓降法進行試井，2號煤層試井一層次，3號煤層試井兩層次，結果表明：2號煤層儲層壓力為1.27MPa，3號煤層儲層壓力為3.24MPa，均屬于低壓煤儲層；2號煤層滲透率為0.06mD， 3號煤層滲透率為0.01～0.11mD，均屬低滲透率煤儲層。表明區內煤層屬于低壓力低滲透率煤儲層，不利于煤層氣解吸后的滲流。

3 控氣因素

3.1 地質構造

不同形態的地質構造，構造的不同部位，不同力學性質和封閉情況形成了有利于煤層氣賦存或逸散的不同條件，封閉性地質構造有利于煤層氣賦存，開放性地質構造有利于煤層氣逸散排放。

三疊紀末期的印支運動形成了研究區煤系地層的基底構造，并且對侏羅系各組沉積控制明顯，一般凹陷區沉積厚，隆起區沉積薄，燕山運動早期也繼承了印支期構造特點，中侏羅世延安組沉積后受燕山運動的影響，地殼下沉幅度不均衡使導致延安組和直羅組沉積間斷，造成延安組第五段至第三段普遍遭到剝蝕，一般僅沉積延安組第一段和第二段。由于不同時期的構造運動形成了研究區以寬緩的起伏為近東西向為主的兩背三向的構造格局，煤系地層發育于向形坳陷構造中，而在背形軸部缺失沉積，煤層氣資源分布受煤層分布范圍的控制明顯。

由于延安組沉積后地層整體抬升不均勻，煤層上覆地層遭受剝蝕后，造成煤層含氣飽和度降低，上覆地層壓力減小，煤層氣也發生解吸逸散，由圖6可以看出在向形軸部賦煤條件較好的地方煤層氣含量相對較高，同時在斷層附近的煤層沉積厚度較小煤層含量也很低。主要是地質構造對煤層的分布控制明顯，直接關系到煤層的含氣飽和度，同時影響煤層氣的保存條件。

圖6 構造部位與煤層氣含量關系

3.2 煤的變質作用

3.3 水文地質

地下水系統通過地層壓力對煤層氣吸附聚集起控制作用，水文地質條件對煤層氣賦存、運移影響很大。水和游離態煤層氣同屬于流體，其賦存受圍巖孔隙與裂隙等影響，地下水的流動不僅驅動了孔隙和裂隙中自由態煤層氣的運移，同時也帶動了溶解于水中的煤層氣一起運移，水動力越強則越不利于煤層氣的富集。

構成研究區地下水系統為層狀裂隙承壓含水層，主要為：白堊系下統洛河組中粗砂巖裂隙含水層，侏羅系中統直羅組砂巖裂隙承壓含水層，侏羅系中統延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層。含水層之間廣泛存在白堊系下統宜君組礫巖相對隔水層、侏羅系中統安定組泥巖隔水層，隔水層將區內兩大主要含水層隔離為兩個相對獨立的含水層。

研究區白堊系下統洛河組全區分布，含水巖性以中～粗粒砂巖及細粒砂巖為主，含水層平均厚度40m，含水層厚度與水量呈正向相關；侏羅系中統直羅組含水層以灰綠色中、粗砂巖為主，全區分布，含水層厚度一般25m，受地構造控制明顯，在向形坳陷沉較全，而在背形軸部遭受剝蝕變薄；侏羅系中統延安組含水巖性主要為細砂巖、粉砂巖，局部地段為中粒砂巖，一般厚度40m，沉積受到構造控制明顯，與煤層沉積具明顯的正向相關。通過水文孔抽水試驗(表4)，洛河組中粗砂巖裂隙含水層屬富水性弱含水層，水化學類型為HCO3·Cl-Na·Mg型；直羅組砂巖裂隙承壓含水層屬富水性弱含水層，水化學類型為Cl-Na型；延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層屬富水性弱含水層，水化學類型為SO4·HCO3-Na型。表明：區內主要含水層均屬富水性弱含水層，在水質類型上各自明顯不同，因此含水層之間不具明顯的水力關系。

表4 主要含水層抽水試驗成果表

煤層直接充水含水層為延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層，受埋藏條件和地質構造控制，延安組裂隙承壓水的補給以側向補給為主，主要是通過區外的深層斷裂構造導水帶補給，但補給量很小，導水性差，因此含水量也很微弱、流速也很緩慢，水化學類型為SO4·HCO3-Na型，礦化度較低，有利于次生生物成因氣的生成，尤其在向形坳陷賦煤地帶，地下水運移更加緩慢，形成相對滯留區，有利于煤層氣的保存，說明水文地質條件是研究區煤層氣成藏的重要因素。

3.4 煤層埋深

通常情況下，在一定的埋深范圍內，隨著煤層埋深增加煤層的含氣量增大，煤儲層溫度、壓力逐漸增大，煤儲層吸附能力增強，同時煤層氣由游離態轉化為吸附態，有利于煤層氣的吸附保存，當埋深增大到一定深度(臨界深度)時，壓力正效應減弱，溫度負效應增強，吸附量呈現降低的趨勢，煤層埋深和煤層氣含量的關系有時受到構造部位的影響。

圖7 煤層埋深與含氣量關系

研究區2號煤層埋深260～590m，3號煤層埋深190～1000m，煤層整體埋深表現為南淺北深，但局部地帶受到構造控制略有差異。由圖7可見煤層埋深與含氣量關系，2號煤層含氣量與煤層埋深沒有明顯的相關性，3號煤層在400～600m埋深煤層氣含量出現相對高值，在北部受到天堂～丈八正斷層的影響煤層埋深較深，但煤層含氣量較低。由此表明：煤層的埋深相對較淺，對煤層含氣量影響較小，主要由于煤層受構造控制較為明顯。

3.5 頂底板巖性

煤層氣的賦存與圍巖巖性組合有較大關系，煤層氣縱向逸散受控于煤儲層頂底板巖層的封蓋性能，頂底板巖性越致密，透氣性差，有利于煤層氣的儲集。

圖8 煤層頂板巖性與含氣量關系圖

研究區2號煤層頂板多為砂質泥巖及泥巖，個別地段為砂巖，一般厚度1.0～2.0m，底板為砂質泥巖及泥巖；3號煤層直接頂板為砂質泥巖普遍發育，偽頂主為泥巖和炭質泥巖，厚度一般小于1.0m，底板一般為灰褐色鋁土質泥巖，一般厚度5.0m，分布廣泛。整體上煤層頂板巖性以泥巖、砂質泥巖為主，含水性弱，滲透率差，且具有一定的韌性，在構造作用中形成的裂隙少，為煤層氣保存形成了蓋層，為賦煤區的煤層富集創造了有利條件。

通過煤層頂板巖性與含氣量關系圖(圖8)，可以看出煤儲層頂板巖性與煤層含氣量沒有明顯的相關性，主要是由于研究區煤層變質程度低、煤儲層壓力低、滲透率低，含氣飽和度較低，不能明顯體現出煤層頂板的封閉性對煤層含氣量的影響。