苏南煤层气的赋存规律及勘探靶区优选

2019-08-16廖家隆

中国煤炭地质 2019年6期

廖家隆

(中国煤炭地质总局广西煤炭地质局，广西柳州 545005)

煤层气是一种清洁能源，它的合理开发与利用可以缓解当前能源供需矛盾，优化能源结构，改善大气环境等。苏南地区位于我国东部沿海长江三角洲，是我国经济发展程度最高、发展速度最快的地区之一。然而，该地区的能源矿产资源十分贪乏，油气勘探至今未能取得突破，煤炭自上世纪90年代以来亦已全部停采，能源与经济的矛盾十分突出。但前人研究表明，苏南地区二叠纪煤系广泛分布，煤层气具有一定的潜力[1-3]。因此，在该地区开展煤层气资源的开发与研究不仅可以缓解能源短缺、繁荣地区经济，而且对保持当地的可持续发展具有十分重要的意义。

本文在充分收集以往地质、石油、煤炭系统有关资料的基础上，通过对苏南地区含煤区地质背景、煤层分布、生气条件及含气量等进行综合研究，总结了煤层气的聚集规律及影响因素，在此基础上采用模糊综合分析方法，系统评价了苏南各含煤区块的煤层气勘探开发前景，优选出勘探有利靶区。

1 含煤区地质概况

苏南煤田地处扬子地层区的东北部位，地层发育齐全。中元古界海州群、张八岭群组成扬子板块基底，震旦系和三叠系为主要盖层，从老至新各时代地层均有出露。主要含煤地层是二叠系堰桥组和龙潭组。其中，堰桥组从下往上分为含炭泥岩段、砂泥岩段、砂岩段、上含煤段四个段，煤层主要发育于上含煤段中。龙潭组从下往上可分为三个段，分别为B含煤段、海相泥岩段和A含煤段，煤层主要赋存在A、B两含煤段中。

区内自震旦纪开始形成盖层沉积以来，在漫长的地质时期中，经历了多次构造变动和海陆变迁。总的分为构造特点明显不同的两大时期，第一是雪峰、加里东、海西、印支期，第二是燕山、喜山期[4]。前期为构造运动相对平静期，构造基本形态表现为宽缓的北东向褶皱。后期为构造运动强烈活动的时期。侏罗纪以来，特别是晚侏罗世开始，燕山运动造成地壳强烈活动，发育了以东西向、北东向、北北东向为主的构造格架，以及以北西向张性、张扭性断裂为主的上述体系配套成份(图1)。大量资料研究表明，北东向构造是影响苏南煤田煤层、煤带形成与分布的主要因素，北东与北西向断裂则是制约煤系保存，分解煤系、煤层分布的重要条件[3,5]。

图1 苏南煤田构造简图Figure 1 Structural outline map of southern Jiangsu coalfields

2 煤层分布特征

苏南地区断层和褶皱发育，不少地区有火成岩浸入，客观地质条件决定了煤层的分布小而零星，在3.6×104km2面积内，二叠纪含煤地层分布不足 0.27×104km2，呈狭长条带或小型断块状。全区的煤矿地质条件一般属较复杂至极复杂类型，煤层薄、稳定性差，二叠纪含煤地层的厚度、煤层数和煤层厚度在不同的煤矿和勘探区相差十分显著。煤系总厚10～580m，一般大于300m。含煤1-2层至10余层不等，煤层总厚由2～5m至10余米，多为不稳定至极不稳定的透镜状、藕节状、鸡窝状等形态，局部相对较为稳定，出现层状至似层状。大多数为不可采煤层，常见可采或局部可采煤层1～3层，个别地段可达5层。可采总厚度14m，常见为1～2m(表1)。

3 煤层生气条件分析

研究表明，苏南二叠纪煤层主要生气层为堰桥组煤层。煤层的生气条件主要表现在煤化阶段、煤岩组份、煤的有机质类型等方面。

3.1 煤化阶段

煤田地质研究中，一般以煤种表示煤化程度。苏南浅部煤种赋存特点是：煤种较多、变化较大。煤层煤种包括低变质的气煤，中变质的肥焦煤，高变质的瘦煤、贫煤及天然焦等7种。上部以瘦煤、贫煤为主，下部以气、肥煤为主。不少勘探区、矿井出现多煤种，然而仍有一定规律可寻，总的是：隆起带高、坳陷带低；构造带高、稳定区低；近岩体高、远岩体低。岩体对煤变质作用十分明显，是由于岩浆的接触、热变质作用，导致煤质的剧烈变化[6-9]，如镇江、下蜀岩体导致龙潭区煤的高变质，无锡岩体导致荡口区煤的高变质，苏州岩体导致阳山区煤的高变质等等。且随着煤质局部的急剧变化，必然产生小范围内煤种混杂的复杂现象。此外，在构造相对稳定区，岩浆活动消减部位，主要是在隆起带外围或深部，煤层变质程度明显降低。总之，导致苏南浅部煤层变质主要作用是以岩浆活动产生的接触、热力变质作用为主，构造变动产生的动力变质较次，而由于上覆岩系的静压力和地热作用产生的深成变质作用，仅在相对稳定区有所显示。总的看来，苏南二叠纪煤层煤种多、变化大。但总的处于有利于形成煤层气的中高变质阶段。

表1 苏南区二叠纪各主要煤区的煤层特征一览表

3.2 煤岩显微组份

苏南二叠纪煤层有机显微组份由于在不同环境下受植物种属、水介质的覆盖、活动程度等因素的制约，不同地区煤层显微组份有明显变化(表2)。镜质组含量为10.2%～75.5%，一般56%，在孤山、妙桥、川埠、伏牛山等地区较高，均大于60%。丝质组含量5.43%～26%，一般15%，在团山、土山、渡村地区较高，一般大于24%。稳定组含量3.9%～75.8%，一般10%，稳定组高含量出现在苏浙皖交界的长兴-广德和宜兴地区，最高达75.8%，一般含量达50%。就煤岩组份的生气能力而言，总的是稳定组>镜质组>丝质组[10-12]。在煤化过程中，稳定组是油气兼生的组分，是形成烃气的主要组份，镜质组从气-肥煤阶段开始产生烃气，丝质组则从半无烟煤阶段产生烃气[12]，由此可知，煤岩组份对生气有一定影响。本区煤层镜质组含量较高，稳定组局部含量偏高，有利于产气和可以生油，是决定本区生油气条件的次要因素。

3.3 煤的有机质类型

按照Tissot等人划分有机质类型标准，干酪根H/C原子比大于1.5为腐泥型，小于1.0为腐殖型，介于两者之间属混合型[13]。本区含煤岩系干酪根H/C原子比0.53～0.85，一般为0.7，大多小于0.8。可以看出苏南二叠纪煤层基本属腐殖型有机质，少量为混合型有机质。据戴金星研究发现，煤炭中腐殖型有机质对生气非常有利[14-15]。

从上述煤化阶段、煤岩组份、有机质类型等可以看出，苏南地区总的煤层生气条件是好的，而由于煤层总的偏薄且变化较大，在具体分析生气条件时，是一个重要的考虑因素。

4 煤层含气量及影响因素

苏南地区二叠纪煤层瓦斯含量为0.4%～16.14%，其中CH4含量0.06%～15.81%。瓦斯含量大于10%的有花山、妙桥、渡村、川埠深部四区，其中前三者CH4含量亦大于10%。由于各区的煤层埋深、煤种、煤厚、煤层赋存区的圈闭条件、水文地质条件等存在差异，因此瓦斯含量差别较大(表3)。

一般瓦斯含量、涌出量与埋藏深度呈正比关系，煤层埋藏越深，瓦斯含量越高，直到一定的极限值。以东山渡村为例，上1煤层在标高-400m，CH4含量为2.99cm3/g·r；-500 m CH4为3.07cm3/g·r；-600 m CH4为3.55cm3/g·r。又如古洞矿，在-300m水平，回采面相对瓦斯涌出量为15m3/t·d；-400m为20m3/t·d；在-565m水平发生了煤与瓦斯突出。

表2 苏南二叠纪煤层煤岩显微组分含量表

表3 苏南二叠纪煤层瓦斯含量、成分表

煤层含气量与煤的变质程度的关系：煤的变质程度越高，瓦斯含量亦越高。如东山渡村上1煤层由北东向南西为低至中变质的气煤、肥煤、焦煤以及弱天然焦，瓦斯含量分别为:气煤CH43.24cm3/g·r，肥煤CH43.5cm3/g·r，焦煤CH46.5cm3/g·r。但煤的变质程度达到超无烟煤阶段时，煤层气的含量会减小[16]。

一般随着煤层厚度的增加，瓦斯涌出量也随之增加，如园田矿2304工作面，在掘进时发现厚度为2～3m的厚煤层与小于1m的薄煤层相比较，瓦斯涌出量是4∶1。

煤层气圈闭条件包括煤层所处的构造环境及煤层顶底板岩性特征等，圈闭条件的好坏往往是矿井瓦斯涌出量大小的决定因素之一。研究表明，在压性断裂、褶皱轴部裂隙发育部位比构造简单或张裂部位的瓦斯涌出量多，如本区20世纪七、八十年代三大矿井(园田、古洞、花山)的瓦斯突出都与逆断层、背斜翼部的复合圈闭有关；此外，煤层顶底板为低渗气性的泥岩、粉砂岩时，有利于瓦斯的保存，如园田矿煤层上覆几十米厚的海相泥岩，下伏有几十米厚的黏土岩、泥岩透气性低，封闭条件好，有利于瓦斯的聚集。

煤储层和与围岩含水层的补给、径流、排泄的关系，是煤层气保存的又一重要的影响因素。园田矿资料表明，浅部施工钻孔的漏水段及导水条件良好的张扭性断裂发育区，煤层含气量较小，可能与水文地质条件导致煤层气运移、散失等有关，而与水力联系较弱的深部，或水力起封闭封堵作用的部位，煤层含气量明显较大。

5 苏南地区煤层气勘探选区评价

根据苏南地区煤系分布及控煤构造特点，将含煤区划分为22个煤层气勘探预选区块(图2)，并采用科学的评价方法对这些区块的煤层气勘探前景进行综合评价。

图2 苏南地区煤层气勘探预选区块图Figure 2 Southern Jiangsu CBM exploration pre-selected blocks

5.1 评价标准

参数评价标准的制定是评价的基础。本次评价标准的建立是在查阅国内外相关文献的基础上，借鉴前人对煤层气的参数评价标准[17-22]，结合苏南地区控气地质条件来进行的，评价考虑的主要参数包括煤层埋深、煤种、煤厚、圈闭条件、水文地质条件、瓦斯含量等(表4)。各区块评价参数汇总见表5。

5.2 评价方法

由于模糊数学将普通集合论上的“属于”和“不属于”这种非此即彼的概念推广到模糊集合上的隶属函数，非常适合于解决地质学的有关问题，而且具有综合多因素的优势[17-18]，因此本次煤层气选区评价主要采用模糊综合评价方法。其具体步骤如下：

(1)确定评价因素集及权重集。评价因素主要包括煤层埋深、煤种、煤厚、圈闭条件、水文地质条件、瓦斯含量等6项参数，评价因素集用U表示。各项参数的权重，主要根据每项评价因素在评价过程中的地位及重要性确定。根据本次研究及前人成果，以上6项参数对应的权重集为A=(0.15, 0.1, 0.2, 0.15, 0.5, 0.3)。

表4 苏南地区煤层气参数评分标准

表5 苏南地区煤层气资源评价参数汇总表

(2)确定评价等级矩阵。将参数评价结果划分成差、较差、中等、较好、好五个级别，构成评价集合V=(V1,V2,V3,V4,V5)，对应的评价分数分别为1、2、3、4、5。评价因素集合U与评价集合V之间的关系，是通过建立模糊综合评价矩阵Rk来实现的：

矩阵中rkij代表第i个评价因素下，K目标区块分属评价集合Vj的隶属度，该隶属度表该区块属于评价集合中五个级别的频度。它由每个区块上随机取一定数量的点，再统计分属评判集合Vj的频数，该频数除以总点数即可得到rkij。由于研究的目标区块都是经过一定的评价之后筛选出来的，面积较小，每个评价因素可视为定值。因此，可将隶属度简化为评价因素评价分值与最高分值5的商，无评价分值的隶属度为0。如当K目标区块的第i个评价因素的评分等级为“好”时，可表示为Rki=(0,0,0,0,1)。

表6 苏南地区煤层气资源评价参数等级及评价结果 /cm3·g-1·r-1

(3)通过模糊变换计算评价系数。首先，将权重集合A与模糊综合评价矩阵相乘即得到K目标区综合评价矩阵Bk：

Bk=A·Rk

对一个目标区块的最终评价Dk可按下式计算：

Dk=Bk·CT

式中CT表示隶属度矩阵(0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1)的转置矩阵。计算结果Dk就是第K个目标区块的模糊综合评价系数，该系数大小表示该区块煤层气勘探前景的好坏。

5.3 评价结果

利用上述模糊综合评价方法，对苏南地区22个煤层气预选区块的勘探前景进行了综合评价，各区块评价参数等级及评价结果见表6。评价结果表明，评价系数超过0.7的区块有三个，分别位于港口、句容、花山，这三个区块可为苏南地区煤层气勘探开发的首选区；评价系数0.6～0.7的区块有5个，分别位于沙洲、东山、卜弋桥、湖塘、古洞等区，可作为次选区块；评价系数0.6以下的区块近期不作勘探考虑。