官田坝向斜煤层气资源及赋存影响因素分析

2016-07-25杨剑波

天然气技术与经济 2016年3期

关键词：气量煤层气甲烷

杨剑波

（贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州　贵阳　550023）

官田坝向斜煤层气资源及赋存影响因素分析

杨剑波

（贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州贵阳550023）

摘要根据大量煤田地质勘查资料，采用体积法估算官田坝向斜勘查区煤层气资源量，并对区内煤层气赋存影响因素进行分析。结果表明：该区煤层气资源量丰富，预测资源量1 200 m以浅为107.91×108m3，具有较好的开采价值。影响研究区煤层气赋存的主要因素为地质构造、煤层埋深、煤层厚度、围岩圈闭能力及水文地质条件。其中煤层埋深起主导作用，煤层埋深与煤层气含量呈正相关关系；其次是地质构造，表现为向斜与断裂控气的特征，向斜两翼煤层气含量低，轴部高，北部较南部高。

关键词煤层气赋存影响因素官田坝

0　引言

煤层气是一种储存于煤层及其邻近岩层之中，以自生自储为主的非常规天然气［1-3］。根据贵州省煤层气资源潜力预测与评价资料，金沙矿区（西北部金沙向斜、西南部黔西向斜）、西山矿区（东部养龙场向斜、东南部西山向斜和青山向斜）、官田坝向斜的煤层气资源量分别为1 059.30×108m3、712.60×108m3、197.01×108m3［4］，表明研究区的煤层气资源相对较小，而其外围矿区资源潜力较大。

官田坝向斜位于黔北煤田东部，属于贵州省金沙县官田坝向斜煤炭整装勘查区。该区面积为393 km2。区内地形以中山为主，地貌类型以侵蚀及溶蚀地貌为主，地表水系较发育。矿区内煤炭保有储量为16.59×108t，属高瓦斯区域［5］。煤层气的开发利用能提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应［6］，对赋存影响因素的分析将为该区煤层气勘探开发利用及煤矿安全生产提供基础资料。

1　勘查区概况

1.1地层

区内出露地层由老到新为二叠系中统茅口组（P2m）至侏罗系中下统自流井群（J1-2zl）、第四系（Q）。龙潭组（P3l）为区内主要含煤地层，厚87.66～ 140.72 m，平均厚115.90 m。总体上地层厚度自北东向南西，在走向上呈现由薄变厚的趋势。

1.2构造

勘查区大地构造属上扬子陆块南部被动边缘褶冲带（Ⅲ级）织金宽缓褶皱区北部（Ⅳ级），地处官田坝向斜两翼（Ⅴ级），在其南东部发育有次一级铜鼓山背斜、马场向斜。本区位于区域构造轴向近北东—南西向展布的官田坝向斜两翼。区内地层倾角变化较大，大致以官田坝向斜轴部为界，向斜北西翼地层相对较缓，地层倾角为10～25°，一般为12°左右；南东翼地层相对较陡，倾角为12～85°，一般为45°左右，局部地层出现倒转。从北西至南东地层倾角逐步变大趋势明显。区内共发现断层33条，其中正断层23条，逆断层10条；落差等于和大于30 m的共23条，落差小于30 m的共10条；地面出露断层23条，隐伏断层10条。该区构造复杂程度属中等类型。

2　煤层及含气量

2.1煤层特征

龙潭组含煤层6～15层，含煤总厚3.43～14.01 m，平均为6.88 m，含煤系数为5.91%。含可采煤层5层，可采煤层总厚2.70～11.72 m，平均为5.35 m，可采含煤系数为4.60%。

区内煤层发育较稳定，为薄—中厚煤层，结构较简单。主采煤层9号煤层平均厚度为1.62 m，中厚煤层为主，含0～2层夹矸，全区可采；15号煤层平均厚度为1.38 m，薄—中厚煤层，含0～1层夹矸，大部分可采；4、7、13号煤层平均厚度分别为0.86 m、0.73 m、0.77 m，均为薄煤层，含0～2层夹矸，局部可采。

2.2含气性

勘查区煤层气主要成分为甲烷（CH4）和重烃（C2H6），各可采煤层CH4含量为1.54～19.21 m3/t，均值为8.75 m3/t；CH4+C2H6含量为1.59～19.46 m3/t，平均为9.00 m3/t；换算成空气干燥基含气量（Cad）均值为8.03～9.05 m3/t。各煤层含气量较高，均以富甲烷煤层为主（表1）。各煤层CH4、CO2浓度分布变化较大，N2浓度分布变化较小，基本上处于沼气带、氮气—沼气带。

表1　各可采煤层及含气量特征表

3　煤层气资源量

根据《煤层气资源/储量规范》（DZ/T0216-2010）［7］，煤层气资源量计算空气干燥基含气量下限为8 m3/t，煤层净厚度下限为0.70 m。计算范围以目的煤层最低可采厚度0.70 m、煤层气含量8 m3/t为界，其余以整装勘查区范围为准。总的含气面积为670.74 km2，主采煤层（9号）含气面积最大，为288.05 km2。采用体积法计算本区煤层气预测资源量1 200 m以浅为107.91×108m3，其中主采煤层（9号）最高，为59.05×108m3（表2）。该区煤层气资源量较大，属中型气藏规模，具有较好的开发利用前景。

表2　煤层气地质储量估算表

4　煤层气赋存影响因素分析

4.1地质构造

地质构造因素对煤层气藏起着重要和综合性的影响作用，它不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化，而且控制着煤层气生成、聚集、产出过程的每个环节［8-9］。理论和实践研究表明，贵州省煤层气富集总体上具有向斜控气的构造特征，向斜中含煤地层大多得以保存，造就了煤层含气量在向斜轴部相对较高，两翼相对较低。此外，断层对煤层气的控制作用主要体现在开放性的正断层容易形成煤层气逸散的良好通道，不利于煤层气的保存；封闭性的逆断层常形成较好的构造封闭条件，使煤层气得以富集［10-13］。向斜两翼地层倾角越大，张性断裂越发育，煤层气就越容易扩散；反之，两翼倾角越缓，断裂不发育，就有利于煤层气的保存［14-15］。

研究区主体构造为不对称向斜，受正断层F3、F4破坏后向区外延伸，轴部走向近北东—南西向，南东翼地层较陡，北西翼地层较缓。其次一级构造单元铜鼓山背斜和马场向斜之间有F5逆断层分布。经统计，区内煤层气含量由两翼往向斜轴部增加，总体上呈现“轴部高、两翼低、北部较南部高”的特点，表现出向斜及断裂控气的特征（图1）。

图1　9号煤层煤层气含量分布图

由于向斜轴部为应力集中的高压区，此处煤层埋深大，只产生少量开放性裂隙，释放部分应力，形成相对低压区，是有利于煤层气封存和聚集的部位；区内F3、F4、F14为开放性正断层，断层面附近构造应力释放形成低压区，煤层中甲烷大量解析并从断层面逸散，导致煤层气含量低；F1、F5、F13、F15、F23为封闭性的逆断层，断面透气性差，割断了深部煤层与地表的联系，促使封闭段的煤层甲烷含量增大。

在不对称向斜中，由于拉张应力作用，在向斜两翼有正断层发育，地层经过早期发生挤压，晚期拉张的应力场转换交替过程，因此其陡翼断层可能具有反转的性质，断面透气性好，此时缓翼含气性好于陡翼。另外，由于挤压应力，在向斜陡翼的逆断层两盘滑动和陡翼局部压扭性应力联合作用下，形成岩石结构致密的剪切带，其孔半径小，渗透性差，煤层气不容易逸散，此时向斜内部含气量较高。

由此可见，研究区内煤层气含量总体表现为北部大于南部，其中1205孔煤层气含量大于1204孔和1404孔，1202孔煤层气含量大于1401孔、1402孔及1403孔，1002孔煤层气含量大于1201孔，2902孔煤层气含量大于2601孔和3001孔，且3001孔小于2601孔。

4.2煤层埋深

煤层上覆盖层有效厚度不仅通过控制煤层的压力而影响煤层气的吸附量，而且控制着游离气的散失［16］。大量资料研究表明，煤层埋深是控制煤层气赋存的重要地质因素，煤层含气量随埋深的增加而增大［17］。根据官田坝煤层埋深与含气量之间进行相关性分析，得出煤层气含量随底板埋深的增大而增加，呈正相关关系（图2），可见煤层埋深是控制煤层气赋存的主要影响因素。这主要是因为随着煤层埋深的增大，地应力不断增高，煤层和围岩的透气性、渗透性也随之下降，而封闭性则相应增强，且煤层气向地表运移的距离也随之增大，有利于煤层气的赋存。

图2　9号煤层含气量与埋深关系图

4.3煤层厚度

一般煤层越厚，煤层甲烷向上运移的距离就越大，越有利于甲烷的保存。勘查区-100～0 m标高1202钻孔9号煤层厚0.72 m，煤层气含量为12.12 m3/t，1802钻孔9号煤层厚1.74 m，煤层气含量为13.44 m3/t。0～+100 m标高1204钻孔9号煤层厚1.12 m，煤层气含量为3.13 m3/t，2902钻孔9号煤层厚6.19 m，煤层气含量为14.67 m3/t。从9号煤层厚度与煤层气含量关系图可知（图3），煤层气含量与煤层厚度呈正相关关系，随着煤层厚度的增大，煤层气含量也呈上升趋势。

4.4围岩圈闭能力

围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，瓦斯易于逸散［18］。区内可采煤层顶板岩性以泥岩为主，其次是泥质粉砂岩，少数粉砂质泥岩、粉砂岩，岩石完整、致密，裂隙不发育，封闭性较好；底板以泥岩为主，其次是粉砂质泥岩，少数细砂岩，结构致密，阻气性较好（表1）。研究区煤层顶底板孔隙率为2.61%～6.82%，平均为5.00%；自然抗拉强度为4.3～74.5 MPa，平均为45.1 MPa；自然抗压强度为0.3～12.1 MPa，平均为7.0 MPa，煤层底板岩组稳定性中等—较好，有利于煤层气的封闭储存。

图3　9号煤层厚度与煤层气含量关系图

4.5水文地质条件

大量研究表明，水文地质条件对煤层气的保存、运移影响很大，对煤层气的开采至关重要［19］。滞流水条件下对煤层气的保存有利，较强的水动力条件对煤层气有较强的破坏作用。流动的地下水是通过对煤层甲烷的溶解作用把甲烷带出煤体，使煤层气含量降低［20］。

研究区4、7、9、13号煤层矿床以碎屑岩裂隙含水层充水为主，15号煤层矿床以碳酸盐岩岩溶含水层底板充水为主，水文地质条件中等—复杂。官田坝向斜位于向斜构造单元内，两翼均接受大气降水补给，地下水径流方向为两翼向轴部流动，地表水在煤层露头区进入煤层，溶解煤层甲烷向煤层深部即向斜轴部运移，煤层气向上扩散被阻碍，具封堵作用。

区内北东翼F3断层倾角为55～70°，落差为50～230 m，地表切割P2m-T2s地层，地下切割T2s-P2m地层；F4断层倾角为56～65°，落差为50～80 m，地表切割T1m1-T1m2地层，地下切割T1m2-P2m地层。南西翼F14断层倾角为69～79°，落差为100～150 m，地表切割T1y1+2-T1m1地层。其正断层倾角较大，切割较深，切割了各强弱含水层及含煤地层，使各强弱含水层与含煤地层发生水力联系，地表水由煤层露头向中部向斜轴流动，导致两断层区域煤层气含量较低，使煤层气由吸附状态转化为游离状态，通过溶解甲烷运移散失，煤层气含量降低。

5　结论

1）官田坝勘查区可采煤层5层，各可采煤层含气量为1.59～19.46 m3/t，平均为9.00 m3/t，含气量较高，均以富甲烷煤层为主，1 200 m以浅为107.91×108m3，煤层气资源量较大，具有较好的开采价值。

2）影响研究区煤层气赋存的主要因素为地质构造、煤层埋深、煤层厚度、围岩圈闭能力及水文地质条件。其中煤层埋深起主导作用，煤层气含量随煤层埋深的增大而增加，呈正相关关系；其次是地质构造，表现为向斜与断裂控气的特征，向斜两翼煤层气含量低，轴部高，北部较南部高。

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