屯兰煤矿煤层气成藏地质影响因素分析

2019-07-25李帅

煤矿现代化 2019年5期

李帅

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西古交 030206）

近年来，煤层气的开发取得了较大的进步，以山西太原西山煤田为例，该煤田中煤以中-高变质程度的焦煤为主，煤层气的储量高达820亿m3，是我国煤层气开发的重要地区之一。

煤层气的储量及储存特征受各种地质因素的影响。煤层的赋存环境、地层层序以及煤层的构造作用等均对煤层气的封堵性及储气特征具有一定的影响。本文以屯兰煤矿2#、8#和9#煤层的煤层气为研究对象，利用现有的煤层气参数及钻井资料，从煤层埋深、煤质特征、地层层序、构造热事件等多个方面入手，研究分析了影响煤层气成藏的主要因素，为进一步预测煤层气储量及揭示煤层气的成藏特征提供一定的理论基础，

1 地质概况

西山煤田位于我国华北断块吕梁—太行断块、五台山块隆的古交掀斜地块，煤田西部边缘为狐堰山山字型褶皱带。、西山中部及清徐、交城北部的地层以石炭二叠系为主，地层产状均较平缓；煤田北部及汾河

河谷广泛出露奥陶系、寒武系，地层产状平缓。局部地段显示一些规模不大的断裂及褶皱，构造线方向大多呈NE向或NEE向（如古交、王封一带），少数呈近东西向或近南北向小型宽缓褶皱。东部受新华夏系控制，西部以经向构造为主。主要褶皱：西部有马兰向斜和东社向斜，中部有石千峰向斜，受NW向的土堂断层、西铭断层和NNE向的晋祠断层及NE向的清交大断裂控制，煤田内部以NE或NEE向地层为主，且多呈地垒形式出现。

井田内含煤地层主要为石炭系上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组（P1s）。太原组沉积于本溪组之上为海陆交互相。岩性以灰～灰黑色的泥质岩及砂岩为主，含灰岩和煤层。全区可采煤层为8号、9号两层煤。本组厚度89.90m～131.20m，平均122.43m。山西组沉积于太原组之上，由灰～灰黑色砂岩及泥质岩组成，含01-03号、1-4号、4下号煤层，共8层煤。本组厚度29.40m～53.89m，平均厚44.90m。屯兰煤矿2#、8#和9#煤层气储量及相关工业性参数见表1所示。

表1 屯兰煤矿2#、8#和9#煤层气储量及相关参数值表

2 试验介绍

本论文用于研究的基础数据均取自于屯兰煤矿煤层气参数井以及部分钻孔井等井田范围内的10口井，数据都为平均值。根据GB212-2008中煤的工业性分析指标分别测定了灰分（Ad）、水分（Mad）和挥发分（Vdaf）等指标；依据GBT19559-2008中煤层气储量的测定方法在现场解吸测试了该矿2#、8#和9#各煤层的瓦斯含量，在参考钻孔资料的基础上，在煤层顶、底板钻取长度不小于2m的岩芯，分别在煤层上、中、下部位各取瓦斯样做解吸实验。运用数学中的统计分析法对收集到的钻孔资料及瓦斯样品的解吸实验数据按各煤层分组进行煤层气含量单因素相关性分析。

3 生烃发展

3.1 煤层的变质程度

储气煤层的煤岩组成和煤的变质程度对煤层的吸附能力具有重要的影响。煤岩层的组成种类与煤层的吸附效果具有一定的关系，通常情况下，吸附能力与惰质组含量呈负相关，与镜质组含量呈正相关。煤层的变质程度在影响煤层生烃量和生烃范围的同时，也严重影响着煤体内的结构特征和吸附能力。

屯兰煤矿煤层类型为焦煤和瘦煤，2#、8#和9#煤层的镜质组反射率分别为1.80%、1.82%和2.17%，显微情况下，煤岩主要成分为镜质组，惰质组次之，壳质组含量仅仅占很小部分甚至没有。煤样的等温吸附试验结果为：2#、8#和9#煤层的兰氏体积含量分别为22.18ml/g、23.69ml/g和25.16ml/g，实验数据结果说明屯兰煤矿各煤层的吸附能力都较强，同时兰氏体积含量随着煤层镜质组反射率的增大而逐渐增大。

3.2 构造热事件

煤层的生成量受煤层的变质程度的影响较大，而煤的变质程度一般是由含煤盆地的沉降埋藏史和热史决定的。大量的实验室实验和现场观测数据表明，煤层的变质程度在影响煤层气含量的同时，随着煤的变质程度的不断增大，煤层内在的物理和化学结构的变化以及煤层孔隙结构的改变进一步造成煤层吸附能力的强大。屯兰煤矿2#、8#和9#煤层均具有较强的吸附能力，兰氏体积含量均大于22ml/g，表明其与煤层较大程度的变质和非埋深作用造成的高地温有很大的关系。

4 影响煤层气成藏的单因素分析

4.1 煤层及顶底板厚度与煤层气储气含量关系

煤层顶底板岩层的岩性及厚度是影响煤层封闭性的主要因素。由钻孔资料可知，屯兰煤矿2#煤层底板主要为泥岩和砂质泥岩，局部区域含有细砂岩，其厚度变化范围为1～5m，变化范围较大；煤层顶板主要为砂质泥岩和泥岩，厚度范围为0.5～3m，变化不大，煤层顶板和底板的渗透能力都比较低。8#煤层底板主要为砂质泥岩，泥岩稍有，其厚度变化范围为1～4m，变化范围较大；煤层顶板主要为泥灰岩，厚度范围为0～2.5m，范围较大，煤层顶板和底板的渗透能力都比较低。9#煤层底板主要为泥岩和砂质泥岩，局部区域含有细砂岩，其厚度变化范围为0.7～4m；煤层顶板主要为砂质泥岩和泥岩，厚度范围为0.5～3m，极个别钻孔显示有细砂岩，煤层顶板和底板的渗透能力都比较低。上述钻孔数据说明屯兰煤矿各主采煤层的顶底板岩性多为砂质泥岩和泥岩，煤层具有很好的封闭性。

图12#、8#和9#煤层气含量与煤厚关系散点图

图1 显示为2#、8#和9#煤层煤层气的含量与煤层顶、底板厚度的关系，结构表明其相关系数分别为-0.072和0.1，相关性不明显。表明煤层顶底板的厚度对煤层气的含量的影响不是很大。2#、8#和9#煤层的厚度分别介于 1.28～4.77m、0.72～5.81m 和0.43～2.28m，其平均厚度分别为 2.98m、3.33m和1.64m。煤层气储量与煤层厚度之间的相关系数只有0.259，相关性很小，说明随着煤层厚度的增加，煤层气的储气量虽有增加但是增加的趋势不大。

4.2 煤岩层的煤质特性与煤层气含量关系

大量的研究表明，煤层的吸附能力与煤层中水分含量有关，水含量越高，煤层的吸附能力越低；同时，煤层的吸附能力随着煤层灰分、挥发分含量的增加而降低。

由表1可知，屯兰煤矿2#煤层灰分（Ad）生产率范围为21.13%～25.97%，均值为21.15%；煤中水分（Mad）含量为0.61%～0.81%，均值为0.63%；挥发分（Vdaf）含量为19.14%～22.65%，均值为20.51%。8#煤层灰分（Ad）含量为15.68%～24.95%，均值为15.68%；水分含量为0.59%～0.81%，均值为0.69%；Vdaf含量为17.56%～19.85%，均值为17.83%。2#煤层灰分（Ad）产率均值为21.6%，水分（Mad）含量均值为0.62%，挥发分（Vdaf）含量均值为18.17%。

图2所示为屯兰煤矿煤层气含量与煤层水分、灰分和挥发分之间的关系。由图可知，煤层气的含量与煤层水分、灰分和挥发分呈负相关。