郑庄井田3号煤层煤层气成藏条件研究

陈旭江 ，曹运兴

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000； 2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000； 3.河南理工大学煤层气/瓦斯地质工程研究中心，河南 焦作 454000； 4.中原经济区煤层/页岩气协同创新中心，河南 焦作 454000)

煤层气是自生自储于煤层的一种非常规天然气，其成藏条件历来是煤层气勘探开发领域的研究重点和热点内容之一。在煤层气勘探开发过程中，国内外学者对煤层气成藏条件进行了大量研究工作，得出煤层气成藏条件主要受控于地质构造、地下水活动、煤层展布特征、煤变质程度、煤层气含量和煤层渗透率等六大因素[1-5]。换言之，上述煤层气成藏条件控制因素影响着煤层的“生(即生烃)”、“储(即储气)”、“盖(即封盖)”条件。我国煤矿区具有多地质历史期成煤、成煤环境多样化、构造背景各异、煤变质程度多样等特征，使得各煤矿区煤层气成藏条件受控因素亦有所不同。笔者在借鉴煤层气成藏理论研究成果基础上，基于郑庄井田矿井地质、煤层气地质与煤层气勘探开发资料，从煤层的生烃条件(生烃物质、生烃动力)、煤层气储集条件(储集空间、储集能力、储集动能)及煤层气保存条件(围岩性质及组合特征、构造特征、地下水活动)对井田煤层气成藏条件进行了探究，研究成果以期为研究区煤层气勘探开发提供有益资料。

1 研究区地质概况

郑庄井田隶属晋煤集团基建矿井，位于沁水盆地东南部，地处沁水县王必镇、郑庄镇一带，地理坐标为东经112°17′45″～112°24′00″，北纬35°41′15″～35°47′00″，井田面积约49.1 km2。上石炭统太原组(C3t)与下二叠统山西组(P1s)为井田主要含煤地层，含煤地层平均总厚度148.10 m，含煤多达16层，煤层平均总厚度为10.47 m，含煤系数为7.07%。其中山西组的3号、太原组的15号煤层为全井田稳定可采煤层，其余煤层均为不稳定不可采煤层。3号煤层位于山西组下部，厚度3.43～7.16 m，平均5.43 m，为厚煤层；煤层含气性好，原煤含气量为5.5～38.79 m3/t，平均16.72 m3/t。井田构造及水文地质条件属简单型。

2 煤层气成藏条件

2.1 煤层生烃条件

2.1.1 生烃物质

生烃物质是生成煤层气的“原材料”，影响着煤层气含量、资源储量和资源丰度。在煤地质、瓦斯地质及煤层气地质研究方面，国内外学者对煤中生烃物质已进行了许多研究。研究得出，成烃作用的最基本的物质单元是烃源岩显微组分，有机质成烃规律在很大程度上受控于其有机显微组分的组成[6-9]。有机显微组分中，壳质组的生烃潜力最好，其是镜质组生烃潜力的4倍，是惰质组的2.5倍，是煤中的主要生烃组分[10]。

郑庄井田3号煤中显微组分以有机显微组分为主，无机显微组分少量(表1)。其中，有机显微组分中镜质组占绝大部分(77.40%～82.90%，平均80.60%)，惰质组次之(17.10%～22.60%，19.40%)，因煤的变质程度较高(R0,max=3.10%～3.56%，平均3.23%)，煤中有机显微组分壳质组已无法辨识。可见，3号煤层具备腐殖煤的共性，在一定程度上说明其具有较强的生气能力，煤中的有机显微组分对煤层气的生成具有重大贡献[10]。

表1 郑庄井田3号煤显微组分测定结果

2.1.2 生烃动力

大量研究和实测表明，煤的变质程度对煤中生烃物质的产气率、累计生烃量、吸附性能和储气空间等具有重要控制作用，是煤层生烃的动力源[11-13]。在煤化过程中，由于成岩作用和变质作用，逐渐由泥炭从低煤阶向高煤阶演化，并不断生产煤层瓦斯，煤化程度越高(或煤的变质程度越高)，煤层中生产的瓦斯越多。

受三叠世深成热变质作用、晚侏罗世(J3)-早白垩世岩浆侵入区域热变质作用控制，使得整个沁水盆地3号煤层煤的变质程度较高，煤的最大镜质组反射率(R0,max)为2.0%～4.5%[14-15]。而郑庄井田3号煤的最大镜质组反射率(R0,max)为3.10%～3.56%，平均为3.23%。可见，井田内3号煤层的变质程度较高，加速了煤的生烃，提高了煤层的生烃效率和累计生烃量[11]。

2.2 煤层气储集条件

2.2.1 煤层气储集空间

煤层是一种典型的双孔裂隙介质[16]。煤层中孔隙是煤层气储集、扩散、渗流的空间或场所，煤层的大孔中煤层气主要以剧烈层流、紊流渗透为主，中孔表现为缓慢紊流渗透为主，过渡孔中气体则主要表现为以毛细管凝聚、吸附和扩散，而微孔则是气体吸附的主要空间和场所[17]。

本文通过压汞法对煤孔隙进行了观测，通过实验可知：煤的BET比表面积为208～230 m2/g，平均214 m2/g；孔隙度为4.32%～5.81%，平均4.87%；煤中微孔最为发育，其次为过渡孔和大孔，中孔不甚发育(孔径划分按照霍多特的孔隙划分方法，即孔径大于1 000 nm为大孔，100～1 000 nm为中孔，10～100 nm为过渡孔，小于10 nm为微孔)。其中，大孔所占比例为18.82%～25.53%，平均22.47%。中孔所占比例为2.47%～4.28%，平均3.16%。过渡孔所占比例为22.45%～24.18%，平均22.82%。微孔所占比例为52.51%～58.26%，平均54.34%。可见，煤的高变质，使得煤中发育有大量的微孔，为煤层气的大量吸附提供了充裕空间，亦有利于煤层气的大量储集[18]。

2.2.2 煤层气储集能力

煤对甲烷分子具有较强的吸附特性，是甲烷的天然吸附载体[19]，煤层中的煤层气要富集成藏，煤层必须要具有很强储集能力[20]。煤对甲烷的吸附主要为单层吸附，吸附过程可用Langmuir方程来描述[21]。煤对甲烷分子的吸附特性在煤层气勘探开发过程中应用较广，其是煤层气富集成藏的一项重要指标。

为了定量评价郑庄井田3号煤层的储集煤层气能力，通过取样进行煤的等温吸附试验。由试验结果可知(表2)：在兰氏压力(PL)为1.59～2.64 MPa条件下，原煤吸附甲烷兰氏体积(VL)为24.82～34.14 m3/t，干燥无灰基(可燃质)兰氏体积(VL)为33.04～43.73 m3/t。可知，郑庄井田3号煤对甲烷具有很强的吸附能力，吸附量大，为煤层气富集成藏提供了良好条件。

表2 郑庄井田3号煤的等温吸附试验成果

2.2.3 煤层气储集动能

煤层气能否在煤层中富集成藏，除了具有良好的储集空间，还需要良好的储集煤层气的动能[20]。煤层气主要以吸附态储集在煤基质微孔隙表面，依据等温吸附理论，煤层对甲烷的吸附性能主要与吸附常数(a，b)和煤储层压力(P)有关，前者是煤体的固有物理性质，不同煤阶煤的吸附常数各异。而储层压力(P)则是一个变量值，与所处环境(如埋深、构造部位等)有关，其值越大，越有利于煤层气的吸附，反之亦然。因此，储层压力被视为煤层气吸附的“动能源”，煤储层没有足够的吸附动能，煤层气难以富集成藏[21]。当前，主要采用煤储层压力梯度来表征煤储层压力的大小和评价煤储层能量大小[22]。

郑庄井田在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气注入/压降试井方法获得了一批煤储层压力参数，为煤层气储集动能定量评价提供了技术参数和依据。由试验结果可知(表3)：在试井深度519.33～1 272.80 m范围内，煤储层压力为3.49～11.32 MPa，平均为7.14 MPa。煤储层压力梯度为0.50～1.07 MPa/hm，平均为0.82 MPa/hm。可见，煤储层压力分布具有一定分异现象，煤储层为稍欠压-高压状态，大部分处于正常压力状态[22]。这亦表明研究区3号煤储层具有良好的动能，有利于煤层气的吸附储集和富集成藏[21]。

表3 郑庄井田3号煤储压力测定结果

2.3 煤层气保存条件

2.3.1 围岩岩性及组合特征

煤层围岩系指煤层顶板(含伪顶、直接顶、老顶)、底板(伪底、直接底和老底)在内的一定厚度范围内的有效岩层[23]，煤层顶底板的岩性及厚度对煤层气具有保存和逸散双重控制作用[24]。一般情况下，泥质含量高且完整致密的泥页岩、炭质泥岩和粉砂质泥岩等对煤层气具有极强的封盖能力，有利于煤层气封闭保存和富集成藏[25]。而砂岩和灰岩层大多因其性脆、多孔和致密、完整性稍差等，对煤层气的封存能力不及前者，但若成岩作用强、胶结程度好、孔隙较小且多被铁质和硅质物填充、节理不发育，排驱压力较高等情况下，亦能对煤层气起到一定的保存作用。

为了摸清郑庄井田3号煤层围岩岩性及其组合特征，对井田内煤层气钻井地层岩性柱状图进行了围岩岩性及其厚度统计。由统计结果可知，围岩岩性主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩、细砂岩和中粒砂岩组成，但泥质岩类(泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩)相对发育。其中，泥质岩类厚度21.39 m，非泥质岩类厚度14.75 m(表4)。同时，为了定量评价3号煤层围岩的封闭性能，对不同岩性围岩进行了渗透率测定(表5)，并引入了“泥岩比”参数。由围岩渗透率测定结果可以看出，其值为0.000 28～0.038 8 mD，属于透气性差围岩类型[26]。围岩中透气性差的泥质岩类(泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩)发育，泥岩比高达59.19%(表4)。因此，郑庄井田3号煤层围岩具有良好的封闭煤层气性能，为煤层气富集成藏提供了良好保存条件。

表4 郑庄井田3号煤层围岩类型及厚度统计

注：泥岩比系指泥质岩类(泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩、粉砂质泥岩)与围岩总厚度之比值，其值越大，围岩封闭性能越好。

表5 郑庄井田3号煤层围岩渗透率测试成果

2.3.2 构造特征

研究和实践表明，构造对煤层气赋存具有重要控制作用，不同构造类型、规模大小及所受应力状态等影响着构造的封闭煤层气性能，进而控制着煤层气赋存的不均衡[27-29]。郑庄井田总体上呈一倾向N～NNE的单斜构造，井田构造以宽缓、小波幅的一系列波状起伏次级背向斜为主，多呈NE、近SN向，少部分在井田南部近呈EW向展布。褶皱具有良好的封闭煤层气性能，特别是在褶皱轴的弯曲、起伏所形成的相对构造挤压带(构造应力集中带)，多为煤层气富集带。井田内断层不甚发育，仅在井田南部及东南部见零星分布的呈近EW向、NW向和NE向的小型正断层和层间断层发育，断距均小于5 m。因断层断距小，对上覆、下伏地层破坏范围有限，且未沟通邻近含水层。因而，断层及其影响带不易造成煤层气逸散散失。据地震资料和煤层气勘探开发资料显示，井田内未见陷落柱构造和岩浆侵入地质现象。可见，井田内构造属简单类型，构造多属于封闭型，有利于煤层气的保存和富集成藏。

2.3.3 地下水活动

地下水动力条件对煤层气具有保存和逸散双重控制作用，一般而言，水动力条件活跃的煤矿区，因地下水源源不断地把溶于地下水中的煤层气携带而出逸散掉，该条件下煤层气含量往往较低。而在水动力条件不强或滞留带区域，地下水对煤层气起到水力封堵或封闭作用，该区域不但地下水水质较差、矿化度高，而且煤层气含量普遍较高[30-32]。

郑庄井田位于延河泉域北部，沁水盆地地下水等势面的“低洼”地带。使得地下水在井田内径流整体较弱，地下水总矿化度整体较高(均在2 000 mg/L以上)。特别是在井下北部及北东部地下水径流已非常之弱，基本处于滞缓状态，地下水的弱径流导致该带地下水总矿化度极高(高于3 000 mg/L)，为煤层气起到一定封闭保存作用，使得煤层气在该带显示高富集特征，煤层气含量均在20 m3/t以上，而其他区域煤层气含量亦基本在10 m3/t。同时，井田内各含水层富水性整体较差，加之各含水层间具有一定厚度沉积稳定的相对隔水层和透气性能差的围岩存在，含水层间地下水基本不会对3号煤层造成影响。可见，研究区地下水径流差，且在局部存在滞缓带和水力封闭，有利于煤层气保存富集。

3 结 语

1) 郑庄井田3号煤层具有良好的生烃条件。煤中生烃物质(有机显微组分)丰富，可为煤层气生成提供充裕的物源；热变质促使了煤的变质升高的同时，亦提高了生烃效率和累计生烃量。

2) 郑庄井田3号煤层气具有良好的储集条件。煤的高变质，使得煤中孔隙系统发育，特别是煤层气吸附储集的基质微孔隙发育更甚，可为煤层气提供大量的储集空间；煤吸附煤层气能力强，吸附量大，显示煤具有良好的储集煤层气性能；稍欠压-高压煤储层压力状态，有利于煤层气吸附储集。

3) 郑庄井田3号煤层气具有良好的保存条件。煤层顶底板由一定厚度、沉积稳定、低渗、泥岩比高的岩性组成，有极强的瓦斯封闭性能；井田构造简单，封闭型构造相对发育，有利于煤层气保存和局部聚集；滞缓地下水径流状态，在一定程度上对煤层气起到封堵效应，有利于煤层气封闭保存和富集成藏。