鄭莊井田3號煤層煤層氣成藏條件研究

陳旭江 ，曹運(yùn)興

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000； 3.河南理工大學(xué)煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心，河南 焦作 454000； 4.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層/頁巖氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

煤層氣是自生自儲于煤層的一種非常規(guī)天然氣，其成藏條件歷來是煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)內(nèi)容之一。在煤層氣勘探開發(fā)過程中，國內(nèi)外學(xué)者對煤層氣成藏條件進(jìn)行了大量研究工作，得出煤層氣成藏條件主要受控于地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動、煤層展布特征、煤變質(zhì)程度、煤層氣含量和煤層滲透率等六大因素[1-5]。換言之，上述煤層氣成藏條件控制因素影響著煤層的“生(即生烴)”、“儲(即儲氣)”、“蓋(即封蓋)”條件。我國煤礦區(qū)具有多地質(zhì)歷史期成煤、成煤環(huán)境多樣化、構(gòu)造背景各異、煤變質(zhì)程度多樣等特征，使得各煤礦區(qū)煤層氣成藏條件受控因素亦有所不同。筆者在借鑒煤層氣成藏理論研究成果基礎(chǔ)上，基于鄭莊井田礦井地質(zhì)、煤層氣地質(zhì)與煤層氣勘探開發(fā)資料，從煤層的生烴條件(生烴物質(zhì)、生烴動力)、煤層氣儲集條件(儲集空間、儲集能力、儲集動能)及煤層氣保存條件(圍巖性質(zhì)及組合特征、構(gòu)造特征、地下水活動)對井田煤層氣成藏條件進(jìn)行了探究，研究成果以期為研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供有益資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄭莊井田隸屬晉煤集團(tuán)基建礦井，位于沁水盆地東南部，地處沁水縣王必鎮(zhèn)、鄭莊鎮(zhèn)一帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°17′45″～112°24′00″，北緯35°41′15″～35°47′00″，井田面積約49.1 km2。上石炭統(tǒng)太原組(C3t)與下二疊統(tǒng)山西組(P1s)為井田主要含煤地層，含煤地層平均總厚度148.10 m，含煤多達(dá)16層，煤層平均總厚度為10.47 m，含煤系數(shù)為7.07%。其中山西組的3號、太原組的15號煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層，其余煤層均為不穩(wěn)定不可采煤層。3號煤層位于山西組下部，厚度3.43～7.16 m，平均5.43 m，為厚煤層；煤層含氣性好，原煤含氣量為5.5～38.79 m3/t，平均16.72 m3/t。井田構(gòu)造及水文地質(zhì)條件屬簡單型。

2 煤層氣成藏條件

2.1 煤層生烴條件

2.1.1 生烴物質(zhì)

生烴物質(zhì)是生成煤層氣的“原材料”，影響著煤層氣含量、資源儲量和資源豐度。在煤地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)及煤層氣地質(zhì)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者對煤中生烴物質(zhì)已進(jìn)行了許多研究。研究得出，成烴作用的最基本的物質(zhì)單元是烴源巖顯微組分，有機(jī)質(zhì)成烴規(guī)律在很大程度上受控于其有機(jī)顯微組分的組成[6-9]。有機(jī)顯微組分中，殼質(zhì)組的生烴潛力最好，其是鏡質(zhì)組生烴潛力的4倍，是惰質(zhì)組的2.5倍，是煤中的主要生烴組分[10]。

鄭莊井田3號煤中顯微組分以有機(jī)顯微組分為主，無機(jī)顯微組分少量(表1)。其中，有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組占絕大部分(77.40%～82.90%，平均80.60%)，惰質(zhì)組次之(17.10%～22.60%，19.40%)，因煤的變質(zhì)程度較高(R0,max=3.10%～3.56%，平均3.23%)，煤中有機(jī)顯微組分殼質(zhì)組已無法辨識?？梢?，3號煤層具備腐殖煤的共性，在一定程度上說明其具有較強(qiáng)的生氣能力，煤中的有機(jī)顯微組分對煤層氣的生成具有重大貢獻(xiàn)[10]。

表1 鄭莊井田3號煤顯微組分測定結(jié)果

2.1.2 生烴動力

大量研究和實測表明，煤的變質(zhì)程度對煤中生烴物質(zhì)的產(chǎn)氣率、累計生烴量、吸附性能和儲氣空間等具有重要控制作用，是煤層生烴的動力源[11-13]。在煤化過程中，由于成巖作用和變質(zhì)作用，逐漸由泥炭從低煤階向高煤階演化，并不斷生產(chǎn)煤層瓦斯，煤化程度越高(或煤的變質(zhì)程度越高)，煤層中生產(chǎn)的瓦斯越多。

受三疊世深成熱變質(zhì)作用、晚侏羅世(J3)-早白堊世巖漿侵入?yún)^(qū)域熱變質(zhì)作用控制，使得整個沁水盆地3號煤層煤的變質(zhì)程度較高，煤的最大鏡質(zhì)組反射率(R0,max)為2.0%～4.5%[14-15]。而鄭莊井田3號煤的最大鏡質(zhì)組反射率(R0,max)為3.10%～3.56%，平均為3.23%?？梢?，井田內(nèi)3號煤層的變質(zhì)程度較高，加速了煤的生烴，提高了煤層的生烴效率和累計生烴量[11]。

2.2 煤層氣儲集條件

2.2.1 煤層氣儲集空間

煤層是一種典型的雙孔裂隙介質(zhì)[16]。煤層中孔隙是煤層氣儲集、擴(kuò)散、滲流的空間或場所，煤層的大孔中煤層氣主要以劇烈層流、紊流滲透為主，中孔表現(xiàn)為緩慢紊流滲透為主，過渡孔中氣體則主要表現(xiàn)為以毛細(xì)管凝聚、吸附和擴(kuò)散，而微孔則是氣體吸附的主要空間和場所[17]。

本文通過壓汞法對煤孔隙進(jìn)行了觀測，通過實驗可知：煤的BET比表面積為208～230 m2/g，平均214 m2/g；孔隙度為4.32%～5.81%，平均4.87%；煤中微孔最為發(fā)育，其次為過渡孔和大孔，中孔不甚發(fā)育(孔徑劃分按照霍多特的孔隙劃分方法，即孔徑大于1 000 nm為大孔，100～1 000 nm為中孔，10～100 nm為過渡孔，小于10 nm為微孔)。其中，大孔所占比例為18.82%～25.53%，平均22.47%。中孔所占比例為2.47%～4.28%，平均3.16%。過渡孔所占比例為22.45%～24.18%，平均22.82%。微孔所占比例為52.51%～58.26%，平均54.34%。可見，煤的高變質(zhì)，使得煤中發(fā)育有大量的微孔，為煤層氣的大量吸附提供了充?？臻g，亦有利于煤層氣的大量儲集[18]。

2.2.2 煤層氣儲集能力

煤對甲烷分子具有較強(qiáng)的吸附特性，是甲烷的天然吸附載體[19]，煤層中的煤層氣要富集成藏，煤層必須要具有很強(qiáng)儲集能力[20]。煤對甲烷的吸附主要為單層吸附，吸附過程可用Langmuir方程來描述[21]。煤對甲烷分子的吸附特性在煤層氣勘探開發(fā)過程中應(yīng)用較廣，其是煤層氣富集成藏的一項重要指標(biāo)。

為了定量評價鄭莊井田3號煤層的儲集煤層氣能力，通過取樣進(jìn)行煤的等溫吸附試驗。由試驗結(jié)果可知(表2)：在蘭氏壓力(PL)為1.59～2.64 MPa條件下，原煤吸附甲烷蘭氏體積(VL)為24.82～34.14 m3/t，干燥無灰基(可燃質(zhì))蘭氏體積(VL)為33.04～43.73 m3/t?？芍?，鄭莊井田3號煤對甲烷具有很強(qiáng)的吸附能力，吸附量大，為煤層氣富集成藏提供了良好條件。

表2 鄭莊井田3號煤的等溫吸附試驗成果

2.2.3 煤層氣儲集動能

煤層氣能否在煤層中富集成藏，除了具有良好的儲集空間，還需要良好的儲集煤層氣的動能[20]。煤層氣主要以吸附態(tài)儲集在煤基質(zhì)微孔隙表面，依據(jù)等溫吸附理論，煤層對甲烷的吸附性能主要與吸附常數(shù)(a，b)和煤儲層壓力(P)有關(guān)，前者是煤體的固有物理性質(zhì)，不同煤階煤的吸附常數(shù)各異。而儲層壓力(P)則是一個變量值，與所處環(huán)境(如埋深、構(gòu)造部位等)有關(guān)，其值越大，越有利于煤層氣的吸附，反之亦然。因此，儲層壓力被視為煤層氣吸附的“動能源”，煤儲層沒有足夠的吸附動能，煤層氣難以富集成藏[21]。當(dāng)前，主要采用煤儲層壓力梯度來表征煤儲層壓力的大小和評價煤儲層能量大小[22]。

鄭莊井田在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用煤層氣注入/壓降試井方法獲得了一批煤儲層壓力參數(shù)，為煤層氣儲集動能定量評價提供了技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。由試驗結(jié)果可知(表3)：在試井深度519.33～1 272.80 m范圍內(nèi)，煤儲層壓力為3.49～11.32 MPa，平均為7.14 MPa。煤儲層壓力梯度為0.50～1.07 MPa/hm，平均為0.82 MPa/hm?？梢?，煤儲層壓力分布具有一定分異現(xiàn)象，煤儲層為稍欠壓-高壓狀態(tài)，大部分處于正常壓力狀態(tài)[22]。這亦表明研究區(qū)3號煤儲層具有良好的動能，有利于煤層氣的吸附儲集和富集成藏[21]。

表3 鄭莊井田3號煤儲壓力測定結(jié)果

2.3 煤層氣保存條件

2.3.1 圍巖巖性及組合特征

煤層圍巖系指煤層頂板(含偽頂、直接頂、老頂)、底板(偽底、直接底和老底)在內(nèi)的一定厚度范圍內(nèi)的有效巖層[23]，煤層頂?shù)装宓膸r性及厚度對煤層氣具有保存和逸散雙重控制作用[24]。一般情況下，泥質(zhì)含量高且完整致密的泥頁巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖等對煤層氣具有極強(qiáng)的封蓋能力，有利于煤層氣封閉保存和富集成藏[25]。而砂巖和灰?guī)r層大多因其性脆、多孔和致密、完整性稍差等，對煤層氣的封存能力不及前者，但若成巖作用強(qiáng)、膠結(jié)程度好、孔隙較小且多被鐵質(zhì)和硅質(zhì)物填充、節(jié)理不發(fā)育，排驅(qū)壓力較高等情況下，亦能對煤層氣起到一定的保存作用。

為了摸清鄭莊井田3號煤層圍巖巖性及其組合特征，對井田內(nèi)煤層氣鉆井地層巖性柱狀圖進(jìn)行了圍巖巖性及其厚度統(tǒng)計。由統(tǒng)計結(jié)果可知，圍巖巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和中粒砂巖組成，但泥質(zhì)巖類(泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖)相對發(fā)育。其中，泥質(zhì)巖類厚度21.39 m，非泥質(zhì)巖類厚度14.75 m(表4)。同時，為了定量評價3號煤層圍巖的封閉性能，對不同巖性圍巖進(jìn)行了滲透率測定(表5)，并引入了“泥巖比”參數(shù)。由圍巖滲透率測定結(jié)果可以看出，其值為0.000 28～0.038 8 mD，屬于透氣性差圍巖類型[26]。圍巖中透氣性差的泥質(zhì)巖類(泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖)發(fā)育，泥巖比高達(dá)59.19%(表4)。因此，鄭莊井田3號煤層圍巖具有良好的封閉煤層氣性能，為煤層氣富集成藏提供了良好保存條件。

表4 鄭莊井田3號煤層圍巖類型及厚度統(tǒng)計

注：泥巖比系指泥質(zhì)巖類(泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖)與圍巖總厚度之比值，其值越大，圍巖封閉性能越好。

表5 鄭莊井田3號煤層圍巖滲透率測試成果

2.3.2 構(gòu)造特征

研究和實踐表明，構(gòu)造對煤層氣賦存具有重要控制作用，不同構(gòu)造類型、規(guī)模大小及所受應(yīng)力狀態(tài)等影響著構(gòu)造的封閉煤層氣性能，進(jìn)而控制著煤層氣賦存的不均衡[27-29]。鄭莊井田總體上呈一傾向N～NNE的單斜構(gòu)造，井田構(gòu)造以寬緩、小波幅的一系列波狀起伏次級背向斜為主，多呈NE、近SN向，少部分在井田南部近呈EW向展布。褶皺具有良好的封閉煤層氣性能，特別是在褶皺軸的彎曲、起伏所形成的相對構(gòu)造擠壓帶(構(gòu)造應(yīng)力集中帶)，多為煤層氣富集帶。井田內(nèi)斷層不甚發(fā)育，僅在井田南部及東南部見零星分布的呈近EW向、NW向和NE向的小型正斷層和層間斷層發(fā)育，斷距均小于5 m。因斷層斷距小，對上覆、下伏地層破壞范圍有限，且未溝通鄰近含水層。因而，斷層及其影響帶不易造成煤層氣逸散散失。據(jù)地震資料和煤層氣勘探開發(fā)資料顯示，井田內(nèi)未見陷落柱構(gòu)造和巖漿侵入地質(zhì)現(xiàn)象?？梢?，井田內(nèi)構(gòu)造屬簡單類型，構(gòu)造多屬于封閉型，有利于煤層氣的保存和富集成藏。

2.3.3 地下水活動

地下水動力條件對煤層氣具有保存和逸散雙重控制作用，一般而言，水動力條件活躍的煤礦區(qū)，因地下水源源不斷地把溶于地下水中的煤層氣攜帶而出逸散掉，該條件下煤層氣含量往往較低。而在水動力條件不強(qiáng)或滯留帶區(qū)域，地下水對煤層氣起到水力封堵或封閉作用，該區(qū)域不但地下水水質(zhì)較差、礦化度高，而且煤層氣含量普遍較高[30-32]。

鄭莊井田位于延河泉域北部，沁水盆地地下水等勢面的“低洼”地帶。使得地下水在井田內(nèi)徑流整體較弱，地下水總礦化度整體較高(均在2 000 mg/L以上)。特別是在井下北部及北東部地下水徑流已非常之弱，基本處于滯緩狀態(tài)，地下水的弱徑流導(dǎo)致該帶地下水總礦化度極高(高于3 000 mg/L)，為煤層氣起到一定封閉保存作用，使得煤層氣在該帶顯示高富集特征，煤層氣含量均在20 m3/t以上，而其他區(qū)域煤層氣含量亦基本在10 m3/t。同時，井田內(nèi)各含水層富水性整體較差，加之各含水層間具有一定厚度沉積穩(wěn)定的相對隔水層和透氣性能差的圍巖存在，含水層間地下水基本不會對3號煤層造成影響?？梢?，研究區(qū)地下水徑流差，且在局部存在滯緩帶和水力封閉，有利于煤層氣保存富集。

3 結(jié) 語

1) 鄭莊井田3號煤層具有良好的生烴條件。煤中生烴物質(zhì)(有機(jī)顯微組分)豐富，可為煤層氣生成提供充裕的物源；熱變質(zhì)促使了煤的變質(zhì)升高的同時，亦提高了生烴效率和累計生烴量。

2) 鄭莊井田3號煤層氣具有良好的儲集條件。煤的高變質(zhì)，使得煤中孔隙系統(tǒng)發(fā)育，特別是煤層氣吸附儲集的基質(zhì)微孔隙發(fā)育更甚，可為煤層氣提供大量的儲集空間；煤吸附煤層氣能力強(qiáng)，吸附量大，顯示煤具有良好的儲集煤層氣性能；稍欠壓-高壓煤儲層壓力狀態(tài)，有利于煤層氣吸附儲集。

3) 鄭莊井田3號煤層氣具有良好的保存條件。煤層頂?shù)装逵梢欢ê穸取⒊练e穩(wěn)定、低滲、泥巖比高的巖性組成，有極強(qiáng)的瓦斯封閉性能；井田構(gòu)造簡單，封閉型構(gòu)造相對發(fā)育，有利于煤層氣保存和局部聚集；滯緩地下水徑流狀態(tài)，在一定程度上對煤層氣起到封堵效應(yīng)，有利于煤層氣封閉保存和富集成藏。