張　凱

（山西省煤炭地質(zhì)局114勘查院，山西長(zhǎng)治046011）

柿莊北煤層氣含量影響因素分析

張凱*

（山西省煤炭地質(zhì)局114勘查院，山西長(zhǎng)治046011）

柿莊北位于沁水盆地深部，結(jié)合實(shí)際勘探資料，分析了煤變質(zhì)程度、煤層厚度、圍巖巖石類型、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)對(duì)3#煤層和15-2#煤層含氣量的影響作用。區(qū)內(nèi)煤層是高變質(zhì)無煙煤，氣含量較高。煤層厚度和圍巖巖石類型對(duì)煤層氣影響不明顯；煤層埋深與含氣量之間呈一定的正相關(guān)關(guān)系。地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)是如今煤層氣含量賦存分布的主要控制因素。

煤層氣；含氣量；影響因素；柿莊北

柿莊北地處山西省沁水縣、高平市和長(zhǎng)子縣三縣交界處，位于柿莊的東北部，大部分在沁水縣境內(nèi)。地貌區(qū)劃屬剝蝕、侵蝕山地，為中低山區(qū)。地形復(fù)雜，山巒疊嶂，山谷發(fā)育，林木繁茂。地形總趨勢(shì)西北高東南低。

1　含煤地層概況

研究區(qū)位于沁水煤田南部，與晉東南地區(qū)地層沉積規(guī)律一致，以元古界為結(jié)晶基底，向上依次沉積了下古生界（寒武系、奧陶系）、上古生界（石炭系、二疊系）、中生界（三疊系），第四系分布于山梁及溝谷中。含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。主要可采煤層為3#煤層和15-2#煤層。3#煤層厚度2.22～6.65m，平均5.66m。15-2#煤層厚度1.50～4.54m，平均2.99m。

2　煤層氣含量影響因素分析

2.1煤變質(zhì)程度

煤的變質(zhì)程度越高，累計(jì)生成的甲烷就越多；同時(shí)煤的孔隙內(nèi)表面積逐漸增大，煤層對(duì)甲烷的吸附量呈逐漸增高的趨勢(shì)［1-2］。這是高變質(zhì)煤含氣量通常較高的原因之一。研究區(qū)3#煤的鏡質(zhì)組最大反射率Ro，max= 2.98%；15-2#煤的鏡質(zhì)組最大反射率Ro，max=2.93%。屬高變質(zhì)無煙煤。研究區(qū)煤層都經(jīng)歷了前期生氣高峰［3］，現(xiàn)存含氣量普遍較高。3#煤層含氣量平均11.36m3/t，15-2#煤層含氣量平均9.83m3/t。

2.2煤層厚度

此次對(duì)井田內(nèi)鉆孔的3#和15-2#煤層厚度與煤層含氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制了散點(diǎn)圖（見圖1、圖2）。井田內(nèi)3#煤層含氣量變化范圍3.95～19.30m3/t，15-2#煤層含氣量變化范圍4.76～21.03m3/t。

圖1　3#煤層厚度與含氣量的關(guān)系

圖2　15-2#煤層厚度與含氣量的關(guān)系

圖中可見，3#煤層厚度主要集中在5～7m，含氣量的峰值和低谷值均在此區(qū)域內(nèi)。15-2#煤層厚度主要集中在3～6m。本區(qū)內(nèi)煤層厚度的大小與含氣量之間沒有明顯的相關(guān)性。煤層厚，含氣量不一定高，厚度在本區(qū)內(nèi)對(duì)煤層的含氣量影響不甚明顯。

2.3圍巖巖石類型

研究區(qū)3#、15-2#煤層頂板大多為泥巖、砂質(zhì)泥巖；3#煤層局部頂板為砂巖，15-2#煤層局部頂板為灰?guī)r，見表1。3#煤層平均含氣量隨頂板巖性不同，并無表現(xiàn)出明顯的差異性，平均含氣量接近。但頂板是泥巖或砂質(zhì)泥巖時(shí)，煤層含氣量最大值高于砂巖最大值。在同等條件下，前者較后者對(duì)煤層氣保存有利［4］。當(dāng)頂板同為泥巖或砂質(zhì)泥巖時(shí)，15-2#煤層平均含氣量略低于3#煤層。

表1　煤層含氣量與頂板巖性的關(guān)系

2.4埋藏深度

研究區(qū)3#、15-2#煤層經(jīng)歷了海西—印支期的沉降埋深、印支—燕山早期的抬升剝蝕、燕山中—晚期的快速抬升和喜馬拉雅期的埋深持續(xù)減小，至新近紀(jì)末期接受第四系沉積4個(gè)階段。沉積歷史時(shí)期過程中，煤層最大埋深可達(dá)4500m，經(jīng)歷幾個(gè)階段的抬升剝蝕，目前3#煤層埋深712.16～1041.37m，平均 839.26m；15-2#煤層埋深818.40～1162.39m，平均948.90m。上覆第四系地層厚0～50m。由圖3和圖4可見，3#煤層含氣量隨著埋藏深度的加深而增大，在850m左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，開始下降；同樣，15-2#煤層含氣量隨著埋藏深度的加深而增大，但在1000m左右出現(xiàn)拐點(diǎn)開始下降。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)拐點(diǎn)是因?yàn)檫@幾個(gè)樣品附近發(fā)育有斷層，導(dǎo)致煤層氣的分布發(fā)生改變。因而區(qū)內(nèi)埋深和含氣量總體是正相關(guān)關(guān)系。

2.5地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)總體構(gòu)造為向西北傾的單斜，產(chǎn)狀總體較為平緩，發(fā)育斷層4條，未發(fā)現(xiàn)陷落柱存在和巖漿巖的侵入，構(gòu)造簡(jiǎn)單。構(gòu)造作用的表現(xiàn)形式有褶皺和斷層。在本區(qū)，褶皺對(duì)含氣量的作用主要體現(xiàn)在影響煤層深度的分布，靠近核部的含氣量低于翼部。同時(shí)，分布于斷層附近的煤層含氣量較低，說明研究區(qū)的斷層是良好的導(dǎo)氣通道，造成煤層甲烷沿?cái)鄬悠扑閹н\(yùn)移，不利于煤層氣的保存。這主要是因?yàn)楸緟^(qū)的斷層大多為張性斷層，斷層面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū)，煤層甲烷得以大量解吸，逸散，使煤層含氣量急劇下降［5-6］。

圖3　3#煤層埋深與含氣量的關(guān)系

圖4　15-2#煤層埋深與含氣量的關(guān)系

2.6水文地質(zhì)

煤系水文地質(zhì)條件是煤層氣富集的主控因素之一。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤基質(zhì)中，部分以游離態(tài)和水溶態(tài)形式存在。地下水動(dòng)力條件對(duì)煤層氣的解吸、溶解、運(yùn)移和富集成藏有重要的影響作用。

研究區(qū)內(nèi)，對(duì)3#煤層有影響的含水層主要是山西組裂隙承壓直接充水含水層，主要由中細(xì)粒砂巖組成，以構(gòu)造裂隙為主。對(duì)15-2#煤層有影響的含水層是太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層與下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。太原組含水層易于下伏奧陶系強(qiáng)徑流帶產(chǎn)生水力聯(lián)系，因而太原組的煤系水動(dòng)力條件往往強(qiáng)于上部的山西組煤系。

太原組的煤系埋藏深度大于山西組煤系。理論上，太原組的15-2#煤層的含氣量應(yīng)該高于山西組3#煤層，但實(shí)際情況卻相反（前文巖石類型一節(jié)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，太原組含氣量在同等頂板巖性條件下，低于山西組）。井田內(nèi)3#煤層平均含氣量11.36m3/t，而太原組15-2#煤層平均含氣量9.83m3/t，見圖5。在研究區(qū)內(nèi)，同樣存在地下水動(dòng)力強(qiáng)，含氣量相對(duì)低；水動(dòng)力弱，含氣量相對(duì)高的現(xiàn)象［7-9］。

圖5　3#煤層和15-2#煤層含氣量對(duì)比圖

3　結(jié)論

（1）研究區(qū)3#和15-2#煤層屬于高變質(zhì)無煙煤，生氣量不是影響現(xiàn)今含氣量分布的主要原因。煤層厚度對(duì)煤層氣含量影響并不明顯，同樣巖石類型在本區(qū)內(nèi)對(duì)含氣量分布不是主要影響因素。

（2）煤層含氣量基本上隨煤層埋深增加而增大，之所以出現(xiàn)下降是因?yàn)閿鄬拥挠绊?。?gòu)造是研究煤層氣富集的關(guān)鍵，研究區(qū)屬于向斜控氣作用；區(qū)內(nèi)斷層形成了煤層氣運(yùn)移的良好通道，煤層甲烷得以大量逸散，使煤層含氣量急劇下降。

（3）在本區(qū)，水文地質(zhì)條件對(duì)含氣量的影響非常明顯。由于奧灰水的影響改變了太原組水動(dòng)力條件，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)出現(xiàn)太原組15-2#煤層含氣量低于山西組3#煤層的現(xiàn)象。

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A

1004-5716（2016）04-0169-03

2015-04-23

2015-04-24

張凱（1986-），男（漢族），河南洛陽(yáng)人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)和煤層氣方向的研究工作。