六盘水松沙地区煤层气地质特征及勘探潜力分析

刘亚然，毕彩芹，单衍胜，刘瑞国，王福国，李 惠，代凤红，吕立娜

(1.中煤地质集团有限公司，北京 100040； 2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083)

0 引言

贵州省是我国煤层气资源富集区，尤其是六盘水地区属于煤层气富集高产预测区，煤层气资源储量高达1.39×1012m3，占全省煤层气资源总量的45.47%[1-3]。盘关向斜是六盘水煤田主要含煤及煤层气构造单元之一，前人对该向斜的沉积特征、地质构造特征、煤层气资源及其开发地质条件等方面有一定的研究[4-9]，而盘关向斜煤层气储层特征尚未进行系统研究。2015年，中国地质调查局油气资源调查中心在盘关向斜松沙地区实施1口调查井，本文以该井获得的数据为依据，对松沙地区煤储层特征及其煤层气勘探潜力进行了分析，以期对该地区煤层气的勘探开发工作有一定的指导意义。

1 区域地质背景

松沙地区位于贵州省盘县矿区西部，处于盘关向斜西翼中段，总体上为向东倾斜的单斜构造，地层呈近南-北走向，倾向近东，倾角24°～65°，矿山内沿走向和倾向产状变化不大，煤层产状与地层产状一致；井田内未发现褶曲，断层发育(图1)。区域上出露的最老地层为志留系中统马龙群，最新地层为第四系，其中缺失上志留统、下泥盆统、上侏罗统及白垩系，大面积出露地层有石炭系、二叠系及三叠系，其它地层只在局部地区零星出露，上二叠统峨眉山玄武岩组在区内普遍分布。井田内出露地层为二叠系上统峨眉山玄武岩组、龙潭组，三叠系下统飞仙关组、永宁镇组，三叠系中统关岭组、第四系。区域上含煤地层有：中二叠统梁山组、上二叠统峨眉山玄武岩组含煤段，龙潭组和长兴组及上三叠统火把冲组，其中二叠统龙潭组、长兴组的含煤最好。盘关向斜晚二叠世为海陆交互相潮坪-澙湖-三角洲沉积环境(图2)，该沉积体系有利于陆生植物生长、沉积与保存[3，5，10]，从而使得晚二叠世龙潭组含煤地层较为发育，区内形成累计厚度较大、连续性较好的煤层。

2 煤储层特征

2.1 煤层特征

松沙地区含煤地层主要为龙潭组，其厚220～260m，含煤28～49层，含煤总厚24.72～42.04m，平均含煤总厚33.63m，含煤系数12.8%～17.2%，平均含煤系数15%，主要表现为薄-中厚的煤层群发育特征。其中含可采煤层20层，总厚24.78m，可采含煤系数11%。整体垂向上，上部含煤性较好，煤层厚度变化小，煤层间距、岩性均变化不大；下部煤层厚度、间距都有较大变化，且深度越大，变化越明显。

图1 松沙地区构造地质图Figure 1 Structural map of Songsha region

图2 松沙地区上二叠统沉积相及层序地层柱状图Figure 2 Songsha region upper Permian sedimentary facies and sequence stratigraphic column

2.2 煤岩煤质

研究区宏观煤岩类型以半亮型煤为主，且随埋深增加，暗煤含量比重增加。主要可采煤层主要块状原生结构煤和碎裂煤为主，线理状、条带状结构，似层状、层状构造，阶梯状、参差状断口。沥青光泽、树脂光泽和玻璃光泽。煤层显微煤岩组分：有机组分以镜质组为主，达60.72%～75.05%，平均66.10%；次为惰质组，17.87%～32.56%，平均24.46%；壳质组较少，4.68%～13.4%，平均9.44%。无机总量5.42%～20.75%，平均12.18%，以黏土矿物为主，次为硫化物和碳酸盐，少量氧化物类。

2.3 煤变质程度

松沙勘查区各煤层镜煤反射率(Ro,max%)介于0.85%～1.06%，平均0.98%，为中等变质程度，整体属于气-肥煤，且随埋深增加，煤层变质程度增加的变化趋势，变化趋势较缓(图3)。与六盘水其他地区煤层相较，研究区煤储层变质程度相对较低[11]，其与该区煤层较其他地区埋深浅相关。研究区主要受燕山运动影响，发生构造-热事件，煤层变质作用主要为深成变质作用。

图3 松沙地区煤层镜质组反射率Figure 3 Songsha region coal vitrinite reflectance

2.4 煤储层孔渗特征

通常煤储层系由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成，孔隙是煤层气的主要储集场所，宏观裂隙是煤层气运移的通道，而显微裂隙则是沟通孔隙与裂隙的桥梁[12-14]。松沙井田煤层面割理较发育，端割理局部发育，裂隙呈树枝状，网状分布，其中3#发育夹角为60°两组面割理；面割理裂隙间距多为0.1～1.6cm，端割理为0.2～3.5cm，平均密度8～25条/(5cm)，割理长度2～60mm为多数，宏观裂隙发育，连通性好，以垂直和斜交层理面方向，局部煤层充填度较高，达50%～70%，充填矿物主要以方解石为主，其次为黄铁矿(图4)。根据扫描电镜下对大量裂隙的观测结果显示松沙及水城矿区宏观裂隙发育，充填较少，连通性较好(图5)。

图4 松沙地区煤储层宏观裂隙发育特征Figure 4 Songsha region coal reservoir macroscopic fissure development features

图5 松沙地区煤储层显微裂隙Figure 5 Songsha region coal reservoir microfissures

采用压汞法，对松沙地区5个煤层样品进行测试，结果显示：该区煤层以小孔和微孔为主，总孔面积为4.833～7.336m2/g，平均5.52m2/g；平均孔径为17.1～27nm，平均21.46nm(表1、图6)。不论是孔容还是孔比表面积，小孔和微孔都占了较大的比例，该类孔隙透气性较好，对煤层气的吸附，解吸以及扩散有利，为煤层中的吸附气提供有利储存空间。

表1 松沙地区主采煤层孔隙特征Table 1 Songsha region main mineable coal seam pore features

煤样压汞曲线显示(图7)，不同孔径的孔隙连续发育，孔喉之间连通性好，有利于煤层气解吸、运移和产出；曲线呈现为具一定进汞、退汞体积差(压力差)的滞后环，孔隙多以开放孔为主；其中3#煤、无编号煤层呈现退汞曲线均呈下凹状，表明其中包括相当数量的半封闭孔隙。

松沙地区主采煤层孔隙率介于2.87%～3.4%，平均3.16%，随埋深变化不大；渗透率介于0.075 9～0.493mD，平均0.214mD，整体表现随埋深增加，渗透率逐渐降低变化趋势，且上部煤储层渗透性高于下部煤组。整体上，研究区煤储层渗透率相对较低，不利于煤层气的勘探开发，但可通过后期储层改造来对其进行改善。

图6 松沙地区煤层孔径分布Figure 6 Songsha region coal seam pore size distribution

图7 松沙地区煤层进汞退汞曲线Figure 7 Songsha region coal seam mercury injection and withdrawal curves

2.5 等温吸附特征

Langmuir 体积是反映了煤的吸附能力的重要指标，Langmuir 压力是反映煤层气解吸难易程度的指标。通常Langmuir 压力值越高，煤层中吸附态气体解吸越容易，越有利于开发[15-16]。通过等温吸附实验测试结果发现：松沙井田主要煤层兰氏体积介于4.35～14.71m3/t，平均8.1m3/t，表明对煤层气的吸附能力相对较强；兰氏压力介于0.43～1.90MPa，平均0.76MPa，煤层放散初速度3.9～16mmHg，平均7.02mmHg，且随埋深变化规律不明显。

2.6 煤岩力学性质

煤岩力学性质对煤层气井井壁稳定及井深结构设计具有重要意义，而煤岩力学性质主要受到煤岩微观孔隙结构、饱和介质及加载方式影响[17]。通过松沙地区煤层及顶底板岩石力学测试结果发现：煤岩块体密度为1.46～1.51g/cm3，抗压强度为7.1MPa；煤层抗拉强度为0.33～0.97MPa，平均0.63MPa。煤层顶底板岩石块体密度介于2.42～3.16g/cm3，平均2.82g/cm3；岩石抗压强度介于8.2～48.5MPa，平均21.9MPa；弹性模量为21.1×103～29.8×103MPa；平均24.45×103MPa；泊松比为0.21～0.28，平均0.25；岩石抗拉强度为0.99～8.94 MPa，平均3.75MPa。结果表明：煤层顶底板岩性抗压强度、抗拉强度比煤层大。

3 煤层气勘探潜力

3.1 煤层含气性条件

通过现场解吸实验发现：主要可采煤层含气量为3.30 ～17.32m3/t，平均8.43m3/t；空气干燥基含气量为8.08 ～ 26.78m3/t，平均17.51m3/t；干燥无灰基含气量为14.89～42.92m3/t，平均25.04m3/t，整体上，煤层含气量呈随埋深增加而增大的趋势，下煤组含气量较上煤组高。

煤层气成分以CH4为主，所占比例为71.51%～99.75%，平均93.77%；CO2为0～24.43%，平均1.16%。重烃组分含有0.64%～6.68%。

3.2 煤层生气条件

煤层气藏是煤储层中自生自储的烃类气藏，煤层厚度越大，则烃源岩越丰富，烃类气体储集空间增大，松沙地区晚二叠世为海陆交互相潮坪-澙湖-三角洲沉积环境，龙潭组含煤地层较为发育，煤层、泥页岩层层数多，可采煤层累计厚度较大、连续性较好总厚度达的特点，为煤层气的形成奠定了物质基础和储藏空间。

相关研究表明，不同类型显微煤岩组分的生烃潜力不同，其中壳质组产气能力最强，其次为镜质组，而惰质组最差[16,18]。松沙地区煤岩显微组分中镜质组含量最高，其次为惰质组和壳质组，加之研究区煤层累计厚度大，为煤层气的生成提供了丰富了烃源岩。

与此同时，煤层的生气量和储气量能力与煤变质程度有着密切的关系，研究区煤层镜煤反射率(Ro,max%)介于0.85%～1.06%，为中等变质气-肥煤，该类煤具有生烃潜力大、生气量的特点(图8)，与此同时， 其吸附量较大， 解吸率高， 为研究区形成煤层气藏奠定了良好的基础。

图8 煤化作用阶段及气体生成[19]Figure 8 Coalification stages and gas generation[19]

3.3 煤层气保存条件

松沙地区上二叠系峨眉山玄武岩组为煤系基底，为厚度大的相对隔水层；上覆三叠系飞仙关组底部为一套弱含水层。与此同时，研究区内断裂不发育，且富水性和导水性均较弱，难以在煤层与强含水层或地表水之间形成水力联系。整体上，研究区水动力条件弱，水文地质条件简单，因此，研究区煤系地层中煤层与煤层气藏保存条件较好。

与此同时，煤层围岩特别是顶底板岩性及封闭性能是煤层气能否富集成藏的重要因素之一。不同岩性的封闭性差别较大，泥岩封闭能力最强，其次为灰岩，砂岩最差[11]。松沙地区区域封盖层条件较为优越，整体上，上二叠统煤系中各煤层顶板和底板一般为较厚的泥岩和粉砂质泥岩，具有较好的封闭性，有利于煤层气的保存与富集成藏。

4 结论

松沙地区含煤地层主要为龙潭组，含煤性较好，煤层层数多、累计厚度大。显微煤岩组分以镜质组为主，高达60.72%～75.05%。煤层变质程度为中等，整体属于气煤-肥煤。煤层宏观裂隙发育，连通性好，孔隙结构以小孔和微孔为主，透气性较好。。煤层顶底板岩性抗压强度、抗拉强度比煤层大。主要煤层兰氏体积介于4.35～14.71m3/t，煤层含气量较高，为3.30 ～17.32m3/t。通过对煤层含气性、生气条件、保存条件等方面分析，认为松沙勘查区具有较好的煤层气勘探前景。