江西萍乡煤层含气性主控因素分析

2019-05-09陈朝玉

资源信息与工程 2019年2期

陈朝玉

(1.遵义师范学院，贵州遵义 563006； 2.成都理工大学，四川成都 618000)

1 地质构造条件对含气量的影响

1.1 断裂构造对煤层含气量的影响

萍乡青山煤矿西部以密集的小型张性断裂和张扭性断层为主。这些断层切割煤系，并与基底茅口组石灰岩岩溶裂隙相通，断裂带就成为煤层气运移逸散的重要通道，导致煤层气含量降低，如109孔大槽煤层采样深度为810.82 m，煤层气含量仅7.33 m3/t。然而，该矿区东部的569孔大槽煤层的采样深部为588.93 m，甲烷含量达12.13 m3/t。井田东部多为大断层，主要分布于井田边缘，一般为封闭性逆断层，有利于煤层气的保存。但滴水岩断层和彭家源断层不同，为含水导水断层，断层水于岩溶水互补，煤层气随水的运移而逸散。硬子槽南翼煤层被滴水断层切割而与茅口组石灰岩相顶，其煤层气大量释放。

巨源煤矿发育一组高角度叠瓦式排列的走向逆断层，破坏向斜构造的完整性，改变了岩层的隔气性能，使岩层揉搓破碎，节理裂隙发育，为煤层气运移、集中构成了通道，对煤层气保存有利。

1.2 褶皱构造对煤层含气量的影响

青山煤矿东部以褶皱构造为主，发育一系列紧密褶皱，褶曲在走向上可延伸长400～600 m，倾向上一般延长80～120 m，在向斜、背斜轴部煤层急剧增厚，增厚部分相当于正常煤层厚度的4～5倍，形成多处转折端，甲烷含量增加，特别是在转折端，有利于甲烷富集和储存。经过强烈的褶皱构造，破坏了煤层的原始结构，形成构造煤。巨源煤矿中心地带，受“飞来峰”构造的影响，煤层受到强烈的挤压作用，广泛发育着次级褶皱，显示了褶皱频繁性和多样性，使甲烷较容易形成集中带。同时也破坏了煤层的原生结构，形成构造煤，是煤层本身受力的强度大大减弱，为煤层气的开发带来了困难。

1.3 煤层顶底板和盖层对含气量的影响

安源煤系是在印支运动不均衡抬升的基础上沉积的，古地理沉积环境比较复杂，是一个个孤立的小盆，因此在一个盆地内岩石的透气性对煤层气储集的控制规律反映得比较清楚。其中萍乡矿区的砂泥岩比值与矿井的瓦斯级别间的关系反映的十分清楚。高沼突出井的青山、巨源矿区分布在砂泥岩比值<0.4的区域内，低沼井的安源、高坑分布在砂泥岩比值>0.4的区域内。从砂泥岩比值反映青山、巨源矿的岩层透气性比较差，而安源、高坑矿透气性相对较好，所以，前者为高沼突出井，后者为低沼井。

煤层的顶底板岩性：从巨源矿西含煤1～12层紫家冲厚450 m，岩性以粉砂岩、泥岩为主，间夹砂岩、砾岩、煤和碳质泥岩。各煤组之间一般均有1～3层砂岩，厚度无规律，多为石英砂岩。砾岩多在7煤以下的印支运动的不整合面之上。紫家冲段在巨源东含煤8组(12煤～5煤)，煤层总厚16.56 m。含煤系数为5.73%，地层厚289 m，显示西厚东薄的沉积特征。含煤段有明显的旋回结构特征，划为12个小旋回，每个小旋回以砾岩、砂岩为起点，由砂岩-粉砂岩-泥岩-煤和碳质泥岩-泥岩或粉砂岩组成韵律结构，所含煤层的顶底板均为泥岩和粉砂岩，为河湖相沉积，透气性较差，封闭性能好。上覆三家冲段泥岩厚387 m，为良好的隔气层，所以巨源矿为高沼突出矿而巨源东矿区、黄塘及鲁板冲矿区为高甲烷煤层的矿区。

青山矿的地层主要有紫家冲段，含煤18层，上覆地层三家冲段海相泥岩厚210 m，该区含煤层数多，岩性变化大，并有岩浆岩分布等特点。主要可采煤层大槽煤是在浅水湖盆成煤环境下，在盆地底部砾岩填平补齐之后形成的，大槽之上又沉积了浅水湖泊相沉积的泥岩和粉砂岩互层；其次硬子槽的底板为峨眉山玄武岩，煤系地层内以粉砂岩和泥岩互层，局部夹有薄层砂岩(表1)。

从表1反映青山主采的五层煤层的顶底板岩性均为泥岩和粉砂岩等，硬子槽的顶底板，管子槽的底板均为峨眉山玄武岩。同时各煤组除顶底板岩性透气性差除外，在紫家冲段的上部三家冲段有10～150 m，平均90 m的灰黑色泥岩，间夹粉砂岩，泥岩致密，显水平层理，局部具微波状层理，同时局部泥岩含菱铁矿及黄铁矿结核，风化后呈同心圆珠状。

表1 萍乡青山主采煤层顶底板岩性特征

另外，在煤系地层上覆地层为“飞来峰”石灰岩，分布在6～7线以东，为小江边石灰岩。据钻孔揭露，均不含水，为良好的隔气层。在煤系的底部为底部砾岩，为灰绿色砾岩，常夹粉砂岩和砂岩，厚度不稳定为0～120 m，为弱含水层。局部地区煤系底部与茅口灰岩接触，有溶洞和裂隙被充填时成为良好的隔水层。

总之，萍乡评价区的巨源、青山矿区由于煤层顶底板岩性为泥岩和粉砂岩，互为隔气层，三家冲泥岩和煤系上覆的“飞来峰”石灰岩对煤层(煤组)起到三层阻隔作用，有利于煤层气的保存，煤层气含量较高。并且该区成煤盆地都受到海水频繁进退的影响，所以煤层层数多、厚度大；煤层顶底板大多为泥岩和粉砂岩，青山煤层底板为峨眉山玄武岩，煤层之间互为顶底板，透气性差，互为隔气层。同时，上覆地层又有三家冲泥岩作为区域性的隔气层，所以，煤层顶底板物性条件封闭好，为煤层气藏的储存创造了有利条件。

1.4 水文地质条件对含气量的影响

水动力对煤层气具有水力封闭和水力驱替、运移的双重作用。水力封闭作用有利于煤层气的保存，而水力驱替、运移作用则引起煤层气的逸散及在新条件下的聚集(常规圈闭)。一般讲，地下水压力大，煤层气含量高，反之则低；地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流区则含量高。因此应掌握煤层地下水的压力、渗透速度、水力梯度、补径排关系等水文地质参数和条件，以便从宏观上分析煤层气含量的变化趋势。

萍乡矿区水文地质条件一般比较复杂，一方面，由于安源煤系地层中砂砾岩比较发育，煤系地层本身富水性较强；另一方面，含水层比较复杂：a、基底水视其煤系地层基底时代和岩性而定，茅口组石灰岩和长兴组灰岩富水性强，作为煤系基底条件要复杂一些，大冶组泥质成分较高，富水性较差；b、煤系地层底砾岩、层间砾岩、被白垩系(红层)覆盖的安源系矿区，红层砂砾岩一般富水性较强；c、部分矿区发育“飞来峰”构造，茅口组石灰岩滑覆于煤系地层之上，造成水文地质条件复杂化。水文地质条件复杂、地下水活动比较强的矿区或矿井煤层气含量较低。在同一矿区或矿井各地段水文地质条件不同，东部发育小江边泥质灰岩“飞来峰”插入体，含水性差，透气性差，煤层气含量高；西部煤系基底为茅口组石灰岩，富水性强，煤层气含量较东部低。

东部青山煤矿，主要含水层为煤系基底茅口灰岩含水层。煤层与含水层间分布稳定的泥岩及致密坚硬、孔隙度小的砂岩等组成的隔水层，基底灰岩水与煤层水力联系差，有利于煤层气赋存。

1.5 煤层埋深对含气量的影响

萍乡矿区煤层气的化学组成与埋深关系复杂，从数据主体来看，盘江地区大部分井田煤层甲烷浓度极低，主要表现在高坑与安源井田，甲烷浓度均不到1%，但这一特点总体上与煤层氮气浓度的分布特点呈“镜像”关系，说明甲烷浓度的大小主要取决于氮气浓度，即大气混入的程度(图1)。而巨源、青山和黄塘井田甲烷浓度较高，甲烷浓度主频率在70%以上，但数据相对离散(图2)。在埋深100 m以下，无论深度如何变化，甲烷浓度分布的主频率均超过70%，表明萍乡矿区煤层气保存条件总体较差。

图1 萍乡矿区煤层气甲烷浓度与埋深之间关系图

图2 萍乡矿区煤层甲烷含气量与埋深之间关系图

萍乡矿区煤层含气量与埋深的对应关系都十分离散，但仍表现出一定的分布规律。高坑与安源井田的煤层含气量均低于5 m3/t，而在巨源、黄塘和青山井田随着煤层埋深的增加，煤层气含量呈现出先降低后增加的变化趋势，转折点在煤层埋深约400 m左右。但该矿区总体含气量不及盘江地区，出现此现象的原因可能是煤层受隐伏断层的影响，煤层气大量逸散，导致煤层埋深在400 m时煤层含气量达到最低。

1.6 煤岩煤质对含气量的影响

萍乡矿区煤层含气量与煤质参数之间具有明显的相关性(图3)。其中挥发分产率减小，煤层含气量具有增高的变化趋势，表明煤化作用程度有利于煤层气的富集，与传统认识一致。全硫含量增高，煤层含气量降低的趋势相对明显，指示海水影响程度越弱越有利于煤层气的吸附，原因可能在于受微生物强烈降解的沉积有机质(如基质镜质体)影响到煤中储气空间的发育。而与内在水分、灰分产率关系不明显。

从煤岩参数分析，萍乡矿区煤层含气量与镜质组最大反射率呈正相关关系，随镜质组最大反射率的增大而增大，但随镜质组含量增高而增大，随惰质组含量和无机组分含量的增高而降低(图4)。这一现象指示，煤岩显微组分组成和总含量成为了主要控制因素，镜质组和惰质组化学结构和孔隙性的相对关系尽管发生了变化，但镜质组仍然具有较强的吸附能力，是吸附态煤层气赋存需要载体。

图3 萍乡矿区煤层含气量与煤质参数之间关系

图4 萍乡矿区煤层含气量与煤岩组分之间关系

1.7 煤层厚度对含气量的影响

江西萍乡矿区煤储层厚度与其含气性之间的相关性如图5所示。可以看出，两者之间具有明显的正相关性。比如，青山煤矿煤层厚度分别为7.3 m、8.2 m、6.0 m、2.5 m和4.5 m，煤层含气量分别为11.3 m3/t、12.5 m3/t、12.7 m3/t、13.6 m3/t和4.1 m3/t，煤层含气量具有随煤层厚度增大而增高的明显趋势，因此，说明萍乡矿区煤层厚度是影响煤层含气量的主要控制因素。