貴州省清鎮(zhèn)市新店勘查區(qū)煤儲(chǔ)層含氣性及其地質(zhì)控制

任志玲張國(guó)俊

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊(duì)，貴州550018)

貴州省清鎮(zhèn)市新店勘查區(qū)煤儲(chǔ)層含氣性及其地質(zhì)控制

任志玲張國(guó)俊

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊(duì)，貴州550018)

本文對(duì)新店勘查區(qū)煤層氣得化學(xué)組成、煤層含氣量的分布特征和控制煤層含氣性的地質(zhì)因素進(jìn)行初步分析。本區(qū)煤層氣成分甲烷濃度不高，平均值為73.76%;等溫吸附特征隨著絕對(duì)瓦斯壓力增加，吸附瓦斯量增速較快，絕對(duì)瓦斯壓力繼續(xù)增加，則吸附瓦斯量增速減慢;含氣量及分布，全區(qū)同一煤層甲烷含量在層域上有從上至下逐漸增加的趨勢(shì);含煤地層極弱的富水性和透水性，是新店勘查區(qū)煤層氣在較淺埋深條件下整體得以富集的一個(gè)重要原因。

煤層氣成分 等溫吸附特征 吸附特征 含氣量及分布 地質(zhì)控制因素

1煤層氣成分

對(duì)新店勘查區(qū)179件鉆孔煤芯樣品解吸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示:9號(hào)主煤層中煤層氣甲烷濃度在52.79%～85.82%之間，平均值為73.76%;氮?dú)鉂舛仍?2.77%～45.56%之間，平均濃度為24.57%;二氧化碳濃度0.13%～3.90%，其它組分濃度較小，平均濃度只有1.28%。

13號(hào)主煤層中煤層氣甲烷濃度在62.48%～92.93%之間，平均值為76.09%;氮?dú)鉂舛仍?.12%～42.38%之間，平均濃度為22.41%;二氧化碳濃度0.47%～1.77%，平均值為0.96%，其它組分濃度較小，平均濃度只有0.54%(見(jiàn)表1)。

表1 新店勘查區(qū)主煤層鉆孔煤芯樣品解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2等溫吸附特征

本次工作分別在新店西一的孔b1601、b1507、b1303、b1307、b1305、b1603，新店西二的305、b404、b704、b202、301、105、b403、102、b201和新店?yáng)|的孔b403、zk604、b804對(duì)6、8、9、13號(hào)煤層取共39件樣品，在溫度30℃干燥條件下進(jìn)行甲烷等溫吸附測(cè)試，并對(duì)煤樣做了煤層氣解吸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:39件煤樣的干燥基灰分產(chǎn)率在10.83%～43.13%之間，平均24.92%;干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率為7.84%～16.69%，平均11.13%; a值介于16.7071～42.1548之間，平均為28.8844，b值介于0.5047～1.7731之間，平均為1.0862。

3吸附特征影響因素

煤儲(chǔ)層的吸附特征除了受壓力、溫度等環(huán)境影響外，煤級(jí)、煤巖組分、水分等也是重要的影響因素，它通過(guò)影響煤層物理結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響煤的吸附特征?；曳謱?duì)原位煤的吸附量有影響，由于礦物質(zhì)吸附能力很弱，故灰分越高吸附量越低。煤層氣的氣體組成同樣對(duì)煤層氣儲(chǔ)層吸附特征產(chǎn)生影響，煤層氣儲(chǔ)層對(duì)于不同氣體吸附能力從小到大的順序?yàn)榈獨(dú)?、甲烷、二氧化碳?/p>

(1)壓力

當(dāng)溫度與其它因素相同時(shí)，煤儲(chǔ)層甲烷吸附量隨壓力的增加而增大，但不同的壓力區(qū)間，其增加的幅度是不同的。低壓時(shí)，吸附量隨壓力幾乎呈線性增長(zhǎng)，朗格繆爾方程可簡(jiǎn)化為享利(Hertry)公式，即:

式中，V－吸附量，cm3/g;VL－朗格繆爾吸附常數(shù)，cm3/g;b－朗格繆爾壓力倒數(shù)，l/MPa;p－氣體壓力，MPa。由此可見(jiàn)，低壓時(shí)吸附量與氣體壓力成簡(jiǎn)單的正比線性關(guān)系。在中～高壓時(shí)，吸附量增長(zhǎng)率逐漸變小，至某一極限壓力，吸附達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附量不再增大。因此，深部煤儲(chǔ)層壓力對(duì)煤的吸附性影響不大。地層條件下，壓力通常是煤層埋深的函數(shù)。8、9、13號(hào)煤層等溫吸附曲線見(jiàn)圖1。

圖1 新店勘查區(qū)8、9、13主煤層等溫吸附曲線

(2)溫度

溫度對(duì)煤層解吸起活化作用，溫度越高，處于游離狀態(tài)的氣體越多，而吸附狀態(tài)的氣體就越少，越利于解吸，故降溫有利于煤層氣吸附。

(3)水分和灰分

水分和灰分在煤層吸附氣體中有重要的作用，它們的增大會(huì)減少煤層對(duì)甲烷的吸附(見(jiàn)圖2)。

圖2 空氣干燥基吸附量和干燥無(wú)灰基吸附量

4含氣量及分布

(1)煤層含氣量的層域分布

從區(qū)內(nèi)煤樣解吸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，新店勘查區(qū)2層主煤層179件樣品平均甲烷含量8.42～10.59m3/t(ad)，平均9.84m3/t。全區(qū)同一煤層甲烷含量在層域上有從上至下逐漸增加的趨勢(shì)。

同一井田不同煤層之間的甲烷含量有所差異。新店西一井田:甲烷平均含量9煤層最高(11.03m3/t)，13煤層最低(9.57m3/t)，兩者相差達(dá)1.46m3/t。新店西二井田:9煤層甲烷平均含量最高(10.67m3/t)，13煤層最低(10.26m3/t)，相差0.25m3/t。新店?yáng)|井田:甲烷平均含量最高的是9煤層(8.42m3/t)，詳見(jiàn)表2。

表2 新店勘查區(qū)各井田主煤層甲烷含量統(tǒng)計(jì)表單位:m3/t

(2)煤層含氣量的區(qū)域分布

從現(xiàn)有資料分析，主要可采煤層(9、13號(hào))煤層氣含量較高地段，均分布在新店西一井田中部及東部一帶;新店西二井田的西南部、西北部;新店?yáng)|井田中部及東部一帶，勘查區(qū)西部偏中地區(qū)煤層氣含量相對(duì)較低，主要受F2大斷層的影響。

本區(qū)煤層氣風(fēng)氧化帶淺，同一煤層隨深度的增加，煤層氣含量有增加的趨勢(shì);標(biāo)高每降低100m，含量增加2.96cm3/g·daf;煤層氣梯度34.00m/ (cm3/g·daf)，即煤層氣含量每增加cm3/g·daf，則標(biāo)高相應(yīng)降低34.00m。

區(qū)內(nèi)煤層含氣量為0.96～48.69m3/t，從淺至深含量逐漸增加。含氣量分4個(gè)帶，從淺至深分為風(fēng)氧化帶(煤層含氣量＜4m3/t)、貧氣帶(4m3/t＜煤層含氣量＜8m3/t)、含氣帶(8m3/t＜煤層含氣量＜15m3/t)和富氣帶(煤層含氣量＞15m3/t，表3)。全區(qū)大部分地方均為含氣帶～富氣帶。

表3 煤層含氣量分帶表

(3)煤層含氣量的垂向分布

新店勘查區(qū)煤層含氣量與埋藏深度之間的關(guān)系相當(dāng)離散，在同一深度水平上，含氣量的變化范圍可達(dá)近20m3/t，高于整個(gè)勘查區(qū)的平均含氣量(圖3)。盡管如此，仍可看出含氣量與埋藏深度兩者之間總體上存在的正相關(guān)趨勢(shì)。

圖3 新店勘查區(qū)煤層甲烷含量與埋藏深度的關(guān)系

5煤層氣富集的地質(zhì)控制因素

種種地質(zhì)現(xiàn)象顯示，新店勘查區(qū)煤層氣富集的地質(zhì)控制因素是多方面的，如沉積組合、地層含水性、煤層埋深、煤的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及這些因素的綜合。其中，某些控制特征在含煤盆地具有普遍性，某些因素則顯示出新店勘查區(qū)的特殊性。

(1)煤質(zhì)控制

新店勘查區(qū)煤層含氣性受到煤質(zhì)特征的控制。煤質(zhì)的控氣特征，體現(xiàn)于煤層本身。

新店西二和新店?yáng)|單一煤層平均含氣量在區(qū)內(nèi)的變化趨勢(shì)截然相反(圖4)，而新店西一井田，單一煤層平均含氣量與揮發(fā)分產(chǎn)率之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系。這種現(xiàn)象表明煤化程度是區(qū)內(nèi)煤層含氣性的重要控制因素之一，且兩者之間關(guān)系較為復(fù)雜。

圖4 新店勘查區(qū)單一煤層平均含氣量與揮發(fā)分產(chǎn)率之間關(guān)系

新店西一井田、新店西二井田和新店?yáng)|井田單一煤層平均含氣量隨灰分產(chǎn)率增高而降低。但變化速率在各個(gè)井田有所不同(圖5)。通常認(rèn)為，煤中礦物質(zhì)對(duì)煤層氣不存在吸附作用，灰分產(chǎn)率增高，煤層含氣量降低。

圖5 新店勘查區(qū)向斜單一煤層平均含氣量與灰分含量之間關(guān)系

(2)煤巖控制

煤層含氣量與顯微煤巖組分有一定的關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)鏡質(zhì)組含量最大為90.24%，最小為79.58%;惰質(zhì)組最大含量為9.76%，最小為20.42%;鏡質(zhì)組最大反射率最高為2.82%，最低為2.50%。從圖6看出，煤層含氣量與煤的鏡質(zhì)組含量和鏡質(zhì)組最大反射率成正比關(guān)系，即煤層氣含量隨著煤的鏡質(zhì)組含量和鏡質(zhì)組最大反射率的增加而增加;與煤的惰質(zhì)組成反比關(guān)系，即隨惰質(zhì)組含量的增加而降低。

圖6 煤層含氣量與煤巖組分的關(guān)系

(3)水文地質(zhì)條件控制

在長(zhǎng)期的采礦實(shí)踐中，煤層氣(煤礦瓦斯)科技工作者總結(jié)出一條客觀規(guī)律，即“水大氣小、水小氣大”。換言之，地下水與煤層氣之間的交換作用，使得相當(dāng)一部分煤層氣呈水溶氣或氣泡形式轉(zhuǎn)移到地下水中，并隨地下水徑流而逸散。反之，若地下水、地表水滯留，則對(duì)煤層氣起到水力封閉的保存作用;若煤層圍巖富水性程度很低，則基本上可排除地下水對(duì)煤層氣富集的破壞作用。

勘查區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等類(lèi)型。由于研究區(qū)內(nèi)主要含煤地層龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組上覆夜郎組組碎屑巖地層隔水性較好，一般長(zhǎng)興組上部煤層與上覆的夜郎組、茅草鋪組等中～強(qiáng)巖溶含水層之間水力聯(lián)系較弱，其巖溶裂隙水對(duì)含氣層影響較小。龍?zhí)?、長(zhǎng)興組地層鉆孔涌水流量為0.0062～0.39L/s，單位涌水量0.00017～0.0043L/s·m，影響半徑36.62～266.69，滲透系數(shù)0.0018～0.0057m/d，整套地層均為相對(duì)隔水層。含煤地層與上覆、下伏含水層之間缺乏水力聯(lián)系，含煤地層內(nèi)部不同巖層之間水力聯(lián)系較弱，這些條件構(gòu)成了含氣系統(tǒng)的水文基礎(chǔ)。

區(qū)內(nèi)含煤地層中的斷層多為弱導(dǎo)水?dāng)鄬?，富水性弱，地下水在自然流?chǎng)條件下發(fā)生斷層導(dǎo)水的可能性較小，對(duì)煤礦床充水影響不大，因此，含煤地層極弱的富水性和透水性，是新店勘查區(qū)煤層氣在較淺埋深條件下整體得以富集的一個(gè)重要原因。

［1］蘇現(xiàn)波，陳潤(rùn)，林曉英，等.吸附勢(shì)理論在煤層氣吸附/解吸中的應(yīng)用［J］．地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82 (10):1382－1388.

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［3］傅雪海.多相介質(zhì)煤巖體(煤儲(chǔ)層)物性的物理模擬與數(shù)值模擬［D］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2001.

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(責(zé)任編輯韓甲業(yè))

Gas-bearing Properties and Geological Control Factors of Coal Reservoirs of Xindian Exploration Area in Qingzhen City of Guizhou Province

REN Zhiling，ZHANG Guojun
(No.113 Team of Guizhou Coalfield Geology Bureau，Guizhou 550018)

The paper preliminarily analyzes the chemical composition of CBM in Xindian Exploration Area，aswell as the distribution characteristics of gas content，and the geological factors controlling the gasbearing properties.Themethane concentration of CBM in this area is not high，with the average value of 73.76%.The characteristics of isothermal adsorption is indicated to be variable with absolute gas pressure.When the absolute gas pressure increase，the volume of adsorbed gas grows rapidly，and if the gas pressure continues to increase，the adsorbed gas volumewill slow down.The gas as contentand distribution shows a tendency of increasing gradually from top to bottom in the same coal seam.The coal bearing strata is extremely weak in water abundance and permeability in this area，whichmakes it an enrichment area as the whole with such a shallow buried condition of CBM.

Coalbed methane composition;isothermal adsorption characteristics;adsorption characteristics;gas content and distribution;geological control factors

任志玲，女，地質(zhì)工程師，主要從事地質(zhì)技術(shù)及煤層氣地質(zhì)相關(guān)工作。