煤层气富集规律及影响因素

2019-09-10高建国王林栋

中国煤炭 2019年8期

高建国王林栋

(河南省煤田地质局三队，河南省郑州市，450000)

我国煤层气资源丰富，主要分布于晋陕蒙、新疆、冀豫皖和云贵川渝4个含气区，资源量居世界第3位，但煤层气开发利用率偏低。煤层气产业作为新兴产业，技术要求较高，特别是深部煤层气由于储层地应力大，储层渗透率低，煤体易碎，煤层气的开发利用极具挑战性。因此，开展深部煤层气富集规律及影响因素的研究工作，对煤层气的勘查、开发具有指导性作用，进而实现深部煤层气利用新突破。

1 概况

本次仅对焦作煤田二1煤层深部煤层气进行研究，研究区北起南张门断层，南至董村断层，西起修武县周庄镇，东至获嘉县，位于焦作煤田东南方向，属太行山山前冲积平原，研究区以凤凰岭断层为界，分为北部区块1和南部区块2，见图1。区内各乡镇及村庄间均有沥青公路相连，交通条件便利，区位优势明显。

2 地质及矿体特征

2.1 地层

研究区内均为新生界全掩盖区，地层发育有(自老至新)：奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组、太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、新近系和第四系。其中，本溪组、太原组、山西组、下石盒子组及上石盒子组为其含煤地层，厚度800 m左右，含煤20层，分为9个煤组，零煤组属本溪组，1煤组属太原组，2煤组属山西组，3～6煤组属下石盒子组，7煤组和8煤组属上石盒子组。

2.2 构造

研究区总体构造为一走向北东，倾向南东，倾角3°～12°的单斜，以断裂为主，并伴有小型宽缓褶曲。主要断裂为走向近东西的南张门断层、凤凰岭断层和董村断层。

2.3 矿体特征

二1煤层赋存于二叠系山西组的下部，与上部大占砂岩Sd(层面富含炭质及白云母为其主要特征)距离4 m左右，与下部太原组L8石灰岩(位于太原组上段，富含蜓类及海百合化石，含黄铁矿结核及燧石团块)距离20 m左右。二1煤层平均厚度6 m左右，厚度变化不大，层位稳定，结构较简单，为高变质无烟煤。

图1 研究区构造图

3 煤层气富集规律

煤层气成分以甲烷为主，占95%以上，其次为氮气和二氧化碳，属煤层沼气带范围，甲烷平均含量约为40 m3/t，含量较高，总体趋势是南部区块煤层气含量高于北部。

4 煤层气富集影响因素

4.1 与煤层厚度的关系

在相同外部条件下，煤化过程中产生煤层气的多少与煤层厚度有着很大关系。区内二1煤层平均厚度约6 m，煤层气平均含量约40 m3/t，煤层气含量具有随煤层厚度的增加而增大的趋势，煤层气含量与煤层厚度呈正相关关系，见图2。

图2 煤层气含量与煤层厚度关系图

4.2 与煤质的关系

煤化过程中煤层气含量及主要成分与煤层变质程度有着很大关系。

4.3 与顶底板岩性的关系

煤化作用过程中产生的煤层气能否得到良好的保存与煤层顶底板岩性有很大关系，当煤层顶底板封闭性好时，煤层气易集聚；当封闭性差时，煤层气易逸散。

区内二1煤层伪(直接)顶板岩性中，炭质泥岩或泥岩占87%，砂质泥岩顶板占12%，砂岩顶板占1%，顶板以泥岩为主，其次为砂质泥岩，因泥岩及砂质泥岩孔径较小，孔隙比表面积较大，故顶板封闭性较好；二1煤层直接底板岩性中，泥岩占85%，砂质泥岩占15%，底板以泥岩为主，次为砂质泥岩，因泥岩及砂质泥岩孔径较小，孔隙比表面积较大，故底板封闭性较好。因二1煤层顶板及底板岩性均以泥岩为主，封闭性均较好，有效防止了煤层气的逸散，形成煤层气的富集。

4.4 与煤层埋藏深度及上覆基岩厚度的关系

煤化作用过程中产生的煤层气能否得到较好地保存与煤层埋藏深度及上覆基岩厚度关系密切。

煤层气含量具有随煤层埋藏深度的增加先逐渐增加而后缓慢降低的趋势，见图3。当煤层埋藏深度小于1150 m时，煤层气含量随煤层埋藏深度的增加而增加，煤层气含量与煤层埋藏深度呈正相关关系；当煤层埋藏深度等于1150 m时，煤层气含量达到最大值，此时煤层气含量达到饱和状态；当煤层埋藏深度大于1150 m时，煤层气含量随煤层埋藏深度的增加反而降低，煤层气含量与煤层埋藏深度变为负相关关系。

煤层气含量具有随上覆基岩厚度的增加先逐渐增大而后缓慢降低的趋势，见图4。当上覆基岩厚度小于550 m时，煤层气含量随上覆基岩厚度的增加而增大，煤层气含量与上覆基岩厚度呈正相关关系；当上覆基岩厚度等于550 m时，煤层气含量达到最大值，此时煤层气含量达到饱和状态；当上覆基岩厚度大于550 m时，煤层气含量随上覆基岩厚度的增加反而降低，煤层气含量与上覆基岩厚度变为负相关关系。

图3 煤层气含量与煤层埋藏深度关系图

图4 煤层气含量与上覆基岩厚度关系图

4.5 与地质构造的关系

煤层煤化过程中产生的煤层气能否富集与地质构造运动有很大关系。垂直方向上构造运动导致煤层上下错断，使煤层原有埋藏深度及上覆基岩厚度发生变化，同时使煤层错断处原有封闭条件发生变化。水平方向上构造运动造成煤层挤压或拉伸，使煤层原有封闭条件发生变化。

地堑构造的煤层气含量明显高于地垒构造，见表1。区块2为地堑构造，煤层下降过程中构造活动相对较强，构造揉搓造成煤体结构破碎，使煤体的连通性变差，形成了聚气和阻气构造，另由于温度的升高，使煤层生烃量加大，造成煤层气相对富集；区块1为地垒构造，煤层上升使煤层埋深变浅，造成煤层气逸散，不利于煤层气的集聚。

表1 地堑、地垒构造煤层气含量对比

断裂构造附近煤层气含量对比见表2。距断层断面越近，煤层气含量越小。区内断层属张性导水正断层，由于断层地下水的径流，使断层附近溶解于煤层水中及游离于煤孔隙中的煤层气被带走，形成了导气通道，造成煤层气逸散，从而降低了煤层气含量。

表2 断裂构造附近煤层气含量对比

向斜轴部煤层气含量大于两翼，背斜轴部煤层气含量小于两翼。向斜轴部煤体受到挤压变形，在揉搓下煤体结构遭受破坏，使煤体连通性变差，形成了聚气和阻气构造，同时由于揉搓期间温度升高，煤层的生烃量加大，进而造成煤层气的富集。背斜轴部由于岩石拉伸而形成张性裂隙，形成了煤层气逸散通道，从而造成了煤层气的含量降低。

4.6 与水文地质条件的关系

煤化作用过程中产生的煤层气能否富集与顶底板水文地质条件有关系密切。当煤层顶底板含水层富水性强且径流强度大时，在断层沟通的情况下，地下水径流造成煤层气的运移、逸散，煤层气含量低；当煤层顶底板含水层富水性弱时，有利于煤层气的保存、集聚，煤层气含量高。

区内二1煤层顶板砂岩裂隙含水层单位涌水量为0.000014～0.00167 L/(s·m)，渗透系数较低，该含水层含、富水性一般较弱，有利于二1煤层煤层气的富集。二1煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层富水性不均一，富水程度简单-中等，局部单位涌水量可达0.45 L/(s·m)，径流强度大。但煤层底板至灰岩顶板之间均发育有一层砂、泥岩隔水层，厚度为13 m左右，且区内构造复杂程度中等。只有在断层附近，由于断层沟通煤层与含水层之间的水力联系，在地下水径流作用下，造成煤层气的运移、逸散；当无断层沟通煤层与含水层之间的水力联系时，地下水径流对煤层气影响较小，造成区内煤层气的富集。