多层叠置含煤系统可采煤层含气特征及控制因素——以贵州盘县马依东二井田为例

张孟江，吴财芳

(1.贵州省煤田地质局地质勘察研究院，贵阳 550008;2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116 )

贵州省煤炭资源十分丰富，也是我国南方煤层气资源量最为丰富的省份，具有大力开发利用煤层气资源的良好基础[1-2]。黔西盘县的马依东二井田是贵州煤层气勘探开发的有利区块之一[3]。但该井田的煤层气地质条件研究较为薄弱，煤层气资源程度没有真正查清，勘探开发试验也相对滞后[4]。

马依东二井田行政区域上属贵州省六盘水市盘县管辖，归属于老厂镇、马依镇及忠义乡(图1)。井田走向长约9.4km，倾向宽约7.4km，面积69.76km2。

图1 井田构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Mayidong minefield No.2

1 井田地质背景

井田大地构造位置地处扬子板块(Ⅰ级构造单元)黔北隆起(Ⅱ级构造单元)六盘水断陷(Ⅲ级构造单元)六盘山复杂变形区(Ⅳ级构造单元)。

1.1 井田构造特征

马依东二井田位于盘南背斜与下甘河断裂之间、盘南背斜南东翼西端，青山向斜北西翼，其构造形态上为一平缓单斜，略有起伏。发育NE向断层，偶有NNW向和NW向的断层。由西向东，以F13的连线为界，两边发育了不同方向的褶皱(波状起伏)。

1.2 煤储层特征

马依东二井田主要含煤地层为龙潭组，厚度244.04～303.89m，平均厚275.52m，含煤19～32层，一般24层左右，煤层总厚度19.68～38.05m，平均29.42m。含可采煤层7层，可采煤层总厚度12.09～31.33m，平均15.74m。

井田内可采煤层7层，其中全区可采4层(3、17-2、19、29号)，大部可采3层(12、17-1、28号)。其中4层全区可采煤层采用厚度总计11.14m。

井田内以亮煤、暗煤为主，煤层宏观煤岩类型主要为半暗型煤、半暗—半亮型煤和半亮型煤。可采煤层镜质组含量平均77.99%。井田内煤层主要以中灰、中硫—中高硫、低挥发分贫煤、无烟煤为主。灰分平均23.56%，干燥无灰基氢含量平均4.13%，挥发分平均含量14.73%。

区内煤层有镜质组含量高、变质程度高的特点，具有较高的生烃能力。

1.3 水文地质条件

煤层气以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对煤层气起封闭作用，因此，水文地质条件对煤层气保存、运移影响很大[5-7]。井田内晚二叠世含煤岩系及上覆下三叠统飞仙关组，均为弱含水层，煤系底部均发育一层铝土质泥岩，基底峨眉山玄武岩组也为弱含水层，可视为下伏茅口组的相对隔水层，即煤系与上覆、下伏强含水层无明显的水力联系，区域水文地质条件普遍简单，有利于煤层气的保存。

2 可采煤层含气特征

2.1 含气性总体特征及气体组成

通过勘查资料的收集和汇总，井田内可采煤层(甲烷+重烃)的平均浓度为89.10%～91.31%，平均为89.80%；氮气浓度变化于6.71%～9.37%，平均为8.43%；二氧化碳浓度0.63%～1.53%，平均为1.02%；可检测到的乙烷浓度0.64%～1.12%，平均为0.76%。单一煤层来看，各煤层(甲烷+重烃)平均浓度较高，均在80%以上；氮气浓度较低均小于10%(表1)。

表1 可采煤层钻孔煤心解吸实验结果统计Table 1 Statistics of mineable coal seam borehole coal core desorption tested results

区内各可采煤层甲烷含量为5.17～26.37mL/g，各主要可采煤层甲烷平均含量为11.35～14.83mL/g，全区平均含量为13.73 mL/g。

2.2 含气展布特征

在垂向上，同一煤层，受构造张应力形成的张性裂隙和断层影响区域，含气量相对不稳定，规律性不明显。在 F67号断层以北西南靠浅部，含气量不随煤层埋藏深度增大而增高，而是有高有低。高低点在断层构造部位及埋藏较浅部明显，靠深部，J30勘探线以西，含气量随煤层埋藏深度增大而增高。各煤层含气量在该部位相对稳定。在F67号断层以东南部，倾向上，煤层含气量随煤层埋藏深度增大而增高。走向上，从东向西，含气量随煤层埋藏深度增大而降低。降低明显的是3、12、17-1、17-2、19号煤层，到深部28、29号煤层，含气量在该部位分布较稳定，且趋于13 m3/t左右。不同煤层，平均含气量基本随煤层埋藏深度增大而增加，从取揭露全煤系有代表性的钻孔分析，含气量随煤层埋藏深度的增大有高有低，但总趋势为增高。

平面上，一般来说，煤层越厚，含气量越高。研究区煤层厚度从南向北变薄，但正北部煤层埋藏较浅，含气量随煤层厚度的增加而增加的规律性不明显。地质构造中的断层破坏了煤层的延续完整性，使煤层瓦斯条件发生了变化，区内煤层以最大断层F67切割为北西南部和北东南部，F13断层贯通地表，处在该两断层区域的含气量点出现异常高低点。

3 可采煤层控气地质因素

煤层气能够富集，是生成、储集、封盖、运移、聚集、保存六方面条件及其动态发展过程有利配置的结果，是构造因素控制之下诸多地质因素的综合作用形成的。为了能够对煤层气有利聚集区进行评价和优选，同时为煤层气资源勘探开发提供决策依据，必须对不同地质因素的控气特征，以及不同控气因素配置下的煤层气的聚集规律做出讨论。

3.1 构造控气作用

马依东二井田总体属于向斜构造控气作用，各可采煤层煤层气在向斜轴部位聚集，煤层含气量较大。而浅部由于张性作用，靠近背斜轴部，煤层含气量会有明显的降低。另外，由于断裂(张性断裂及压性断裂)构造的控制作用，在井田范围内，同一煤层含气量变化并不稳定：在中西部断裂构造发育的断层附近，含气量并没有随煤层埋藏深度增大而增高，而是表现为起伏不定的特点。因此，在构造复杂的地区，含气量的高低依具体构造的性质而定，在局部压性断层的控制下，可以为煤层气的存储提供了良好的保存条件，从而形成多个“富气中心”。

3.2 埋深控气作用

煤层的埋藏深度是仅次于构造作用的第二大控制因素，埋藏深度的大小直接影响到煤储层的压力和保存条件。

马依东二井田煤层含气量与埋深的对应关系在勘探深度范围内有一定分布规律。煤层埋深增大，含气量趋于增高；煤层埋深300～700m时，含气量为25～30m3/t，但此后煤层埋深超过800m时，煤层埋深增大，含气量不再相应增高。

3.3 水文地质条件控气作用

区内河流为铜厂河、马依河及其交汇的猪场河，其自西向东流经研究区，含煤地层自北向南往深部倾斜，由于垂向上水力联系较少，这种情况下会发生两种控气作用，在埋深较浅的地方，地表水与与煤层气运移的“反向”关系，对煤层气的运移起到封堵作用；而在埋深较大的深部，由于水力封闭控气作用的存在，使得煤层气在很大程度上能够得到保存。

煤层直接充水层即是煤系中较弱的碎屑岩类含水层，含水性微弱，渗透系数低，地下水径流缓慢甚至是停滞。含水层补给只限于浅部露头的大气降水，补给量小。在露头附近，地下水径流对煤层气的逸散具有封堵作用，表现为水力封堵作用；在深部，地下水以静水压力、重力驱动方式流动，对煤层气有封隔作用，表现为水力封闭作用。

3.4 沉积控气作用

如图2所示，马依东二井田煤层含气量与煤质参数之间的关系十分离散，但却有相对的规律性：随着挥发分产率、灰分产率降低，煤层含气量上限有增高的微弱趋势，表明煤化作用程度和有机质含量增高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[8-10]。

图2 马依东二井田煤层含气量与煤质参数之间关系Figure 2 Relationship between gas content and coal quality parameters in Mayidong minefield No.2

而煤层气在生成、演化过程中能否得到良好的保存，还有赖于煤层上覆地层厚度。煤层埋深增加，煤层气的保存能力不断增强，含气量也随之增加。但如图3所示，无论是研究区还是更大范围的六盘水煤田，煤层的含气量与煤层厚度之间均呈平躺“V”字形关系，转折点所对应的含气量在10～15m3/t。

图3 马依东二井田煤层厚度与含气量之间关系Figure 3 Relationship between coal thickness and gas content in Mayidong minefield No.2

煤层厚度主要受控于聚煤期泥炭沼泽均衡沉降效应和聚煤期后构造改造作用这两个因素[11-12]。黔西地区上二叠统的煤层多为薄—中厚煤层，在泥炭沼泽均衡沉降效应的控制之下，单煤层厚度一般不会超过3m。但是，由于煤层受后期构造破坏严重，相当一部分钻孔单层超过了区域规律所示的煤层厚度。可见，导致上述“V”字形关系的重要原因，在于聚煤期后构造对煤层厚度的改造作用。改造的效应，是导致煤层含气量降低而非增高，即形成了不利于煤层气保存的条件。

4 构造-沉积-水文耦合控气作用

综合以上分析，在本区建立了构造-水文-储层物性耦合作用控气下的地质模型(图4)。其中，构造对本区煤层含气性具有最重要的控制作用。

图4 马依东二井田控气地质模型Figure 4 Mayidong minefield No.2 gas control geological model

根据煤层含气量大小，把研究区分为低值区、中值区和高值区三个部分。

低值区位于补泥背斜轴部及F13断层附近，该区煤层气含量相对较低。受张性断层影响，煤层气沿断层不断逸散，虽然地下水对煤层的运移逸散起到一定的阻力，但由于埋深较浅，最终导致大量煤层气逸散，使得该区煤层气含量最低。

中值区位于F13断层及F67断层之间，该区总体含气量呈北西低、南东高的总体趋势。该区虽然张性断层也同样发育，但由于煤层埋藏深度较深，煤层上下隔水层的存在，使得地下水径流缓慢甚至停滞，并且地下水以静水压力、重力驱动方式流动，地下水处于封闭状态，对煤层气具有封隔作用，有利于煤层气的富集。而局部挤压性断层的存在，也产生了局部的“富气中心”。

高值区位于F67断层东南部。本区煤层埋深最深，水力封堵条件更好，并且局部存在有小向斜，对煤层含气性富集最为有利。

5 结论

1)本区内煤层气含量变化范围较小，为11.20 ～14.72 m3/t，均值为13.23 m3/t。主要可采煤层甲烷浓度为89.10%～91.31%，平均为89.80%。甲烷浓度与煤层相关性较好，随着煤层埋深增加甲烷浓度也增加。

2)本区背斜轴部正断层较多致使煤层气逸散，含气量普遍较低；而深部靠近向斜轴部，煤层气得以积聚，含气量相对较高。

3)沉积体系对煤层含气量影响不是很大，各沉积相形成的煤层中含气量差别并不十分明显。

4)区内流动性微弱的含煤地层地下水对煤层气具有水力封堵作用，这是区内煤层含气量高的一个重要地质原因。

5)综合构造-沉积-水文耦合控气地质模型显示，本区煤层含气量划分为低值区、中值区及高值区。