黃河北煤田7號(hào)煤煤層氣地質(zhì)特征與勘探方向研究

李永高

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北 056004)

1 研究區(qū)概況

黃河北煤田位于魯西分區(qū)北部，呈NE-SW方向延伸，地跨濟(jì)南、德州、聊城三地市。礦區(qū)中心東距濟(jì)南市約70km，西距聊城市約60km。黃河北礦區(qū)是魯西大型煤炭基地中規(guī)劃開(kāi)發(fā)的大型礦區(qū)。自西向東劃分為旦鎮(zhèn)、長(zhǎng)清、袁莊、濟(jì)西等勘探區(qū)。

區(qū)內(nèi)含煤地層是本溪組、太原組、山西組，其中太原組和山西組含煤巖系普遍受巖漿侵入，部分可采煤層變成天然焦及高變質(zhì)的煤。礦區(qū)內(nèi)斷層和褶曲軸向均受到魯中塊隆的影響，整個(gè)礦區(qū)的形態(tài)與聊考大斷層走向一致，礦區(qū)西部斷層以北東、北北東向的為主，東部斷層以南北至北北西向的為主。

黃河北礦區(qū)有生產(chǎn)礦井3對(duì)，其中，3個(gè)煤礦為臨沂礦業(yè)集團(tuán)的邱集煤礦和新汶礦業(yè)集團(tuán)的趙官煤礦、新陽(yáng)煤礦。其中趙官煤礦為高瓦斯礦井，其余均為低瓦斯礦井，各個(gè)煤礦主采煤層為太原組7煤。本文主要研究7煤的煤層氣地質(zhì)條件影響因素，本文采樣集中在這3個(gè)已生產(chǎn)的礦井范圍內(nèi)(表1)。

表1 采樣點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 沉積環(huán)境演化

黃河北煤田晚古生代其沉積環(huán)境總體演化與華北板塊沉積環(huán)境演化具有一定的相似性，沉積環(huán)境總體經(jīng)歷了一個(gè)由海相環(huán)境向陸相演化過(guò)程，其含煤地層主要是濱海潮坪沉積、障壁瀉湖沉積以及河控三角洲沉積物為主，其中，本溪組與太原組形成的煤層為陸表海沉積環(huán)境所形成，為海侵成煤(李增學(xué)等，1995)，山西組所形成煤層為三角洲成煤(李增學(xué)等，1995)。

3 黃河北煤層氣地質(zhì)條件

煤的原始沉積及后期構(gòu)造條件影響了煤層氣生成及運(yùn)移和保存，也就說(shuō)煤沉積環(huán)境影響到了煤層生氣的功能，后期的沉積形成的蓋層影響到了煤層氣的保存，后期的構(gòu)造改造運(yùn)動(dòng)影響到了煤層的運(yùn)移，同時(shí)巖漿熱作用對(duì)煤的變質(zhì)作用可能起了很重要的作用，以上因素共同搭配影響了煤層氣的保存與富集，以下將主要分析該區(qū)影響煤層氣主要因素。

3.1 斷裂作用

不同類(lèi)型的構(gòu)造均會(huì)導(dǎo)致煤層與封蓋層的產(chǎn)狀、物性及地下水徑流條件出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響到煤層含氣性。魯西石炭二疊系煤田分布在魯西斷塊內(nèi)，黃河北煤田中的斷層以張性斷裂為主，褶皺構(gòu)造發(fā)育較差，區(qū)內(nèi)斷層呈現(xiàn)扇形分布，其中趙官煤礦、邱集煤礦以及濟(jì)陽(yáng)煤礦斷層都是以南北和北西向?yàn)橹鳎渲?，這些大的斷層基本上都是屬于開(kāi)放和半開(kāi)放性的(范士彥，2001)，不利于煤層氣儲(chǔ)藏；但是，在趙官煤礦存在一些北東和北北東斷層，在斷開(kāi)后，斷距較大，能夠與對(duì)盤(pán)的主要含水層接觸，煤層氣沿著水平方向排泄，形成了斷層-水動(dòng)力封堵煤層氣藏。在邱集煤礦東部地區(qū)或者濟(jì)陽(yáng)煤礦內(nèi)部，如果斷距較小，斷層內(nèi)部發(fā)育的微裂縫系統(tǒng)，反而成為瓦斯聚集帶，有利于煤層氣保存。

3.2 埋深條件

上覆地層厚度變化下的溫度、壓力的變化控制了煤層含氣量的變化。

一般說(shuō)來(lái)，煤層埋深是溫度和壓力的間接反映，煤層埋深增大，壓力和溫度均增加。一般而言，煤層甲烷吸附量隨著埋深增大而增大(傅雪海等，2007)，黃河北煤田煤層埋深呈現(xiàn)南低北高特點(diǎn)(圖1)，通過(guò)分析趙官煤礦瓦斯含量與埋深關(guān)系(圖2)，可以看出，一般煤層中瓦斯含量與埋深呈現(xiàn)正比關(guān)系，相關(guān)性能達(dá)到了0.95，據(jù)范士彥(2001)研究發(fā)現(xiàn)，黃河北煤田趙官鎮(zhèn)區(qū)和長(zhǎng)清區(qū)深度小于500m的煤層氣含量較低，平均為1.458ml/g，最大13.89ml/g，深度大于500m，則煤層氣含量平均為9.452ml/g，最高為19.334ml/g，本次研究也發(fā)現(xiàn)這個(gè)特點(diǎn)。同時(shí)，本次研究發(fā)現(xiàn)隨著埋深增加煤儲(chǔ)層壓力逐漸增大，這也反映了出埋深對(duì)煤層氣含量影響很大，因此埋深成為預(yù)測(cè)煤層氣含量的一個(gè)重要的因素。

3.3 巖漿活動(dòng)

巖漿活動(dòng)對(duì)于煤層變質(zhì)作用起到了一定的作用，巖漿侵入煤層，容易發(fā)生接觸變質(zhì)作用，巖漿帶來(lái)的高溫、揮發(fā)性氣體和壓力使煤發(fā)生變質(zhì)作用，致使煤層氣含量普遍增高主要有2個(gè)原因：第一，煤層受到巖漿侵入，變質(zhì)程度增高，微裂隙發(fā)育，吸附氣體量增加；第二，巖漿巖致密堅(jiān)硬，透氣性低，當(dāng)覆蓋于煤層之上時(shí)，形成了封閉蓋層，致使氣體不易逸出。

圖2 趙官能源有限責(zé)任公司太原組7號(hào)煤層瓦斯含量與埋深線性關(guān)系

黃河北煤田燕山晚期巖漿活動(dòng)劇烈(圖3)，酸性由北向南侵入煤層中或煤層附近，基性巖漿則由東向西侵入煤層，在兩個(gè)方向的巖漿作用下，煤層在區(qū)域深成變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上疊加了巖漿熱變質(zhì)作用，從而加速了煤層有機(jī)質(zhì)的生烴速度，使煤層氣生成大幅度增加。如趙官煤礦巖漿侵入方式是巖漿撐開(kāi)煤系地層呈巖床分布，特別是上層巖漿巖和下層巖漿巖厚度大，分布范圍廣。其中下層巖漿沿11煤層侵入，使煤層產(chǎn)生接觸變質(zhì)，進(jìn)一步生產(chǎn)瓦斯 7、10煤層分別在三層巖漿巖之間，對(duì)瓦斯排放起封閉作用，不利于瓦斯逸散，瓦斯含量較高12-5孔13煤層雖然較薄，但是含氣量較高，達(dá)到了7.79cm3/g，原因就是由于其距離巖漿較近使煤層遭受到了巖漿熱變質(zhì)作用造成。

圖3 黃河北煤田酸性以及基性巖漿侵入體分布示意圖(據(jù)劉貴建，1994，有修改)

但是巖漿侵入地區(qū)也存在著瓦斯含量較低區(qū)域，如邱集煤礦大部分地區(qū)以及趙官煤礦12-3孔中的巖漿都是以巖床形式侵入于石炭二疊系，由西南向東北逐漸增厚，各層總厚度可達(dá)120m以上，但是由于7煤缺少隔氣蓋層或者距離地表較近埋深較淺(12-3孔)，封閉性較差，巖漿的高溫作用強(qiáng)化煤層瓦斯排放，使煤層瓦斯含量較??；同時(shí)，由于巖脈蝕變帶裂隙增加，造成風(fēng)化作用加強(qiáng)，形成裂隙通道，有利于瓦斯的逸散。說(shuō)明在構(gòu)造條件較封閉或者一定埋深下，巖漿熱變質(zhì)作用才能對(duì)煤層氣生成、保存及成藏起到一定的促進(jìn)作用。

3.4 氣源巖條件

該區(qū)一般以低變質(zhì)的氣煤、氣肥煤為主，對(duì)于高變質(zhì)的煤如貧煤或無(wú)煙煤，只有當(dāng)巖漿侵入煤系地層或與煤層接觸時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)(如趙官煤礦)，甚至出現(xiàn)天然焦。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，趙官煤礦采樣點(diǎn)與埋深呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性(圖4)。

低變質(zhì)階段的煤本身生成的煤層氣較少，其孔隙和表面積都比較小，煤層氣含量極低，如果巖漿侵入煤系與煤層接觸時(shí)或者煤層埋深較深時(shí)，在高溫高壓作用下煤的變質(zhì)程度增高，煤體內(nèi)部因干餾而生成很多微孔隙，使表面積增大，因而吸附能力增強(qiáng)，煤層氣含量相對(duì)較高(趙群等，2007；王紅巖等，2008)。因此，在黃河北地區(qū)，煤層氣含量相對(duì)較高的一般位于巖漿侵入較近區(qū)域且煤系埋深較深形成了良好的蓋層地區(qū)(如12-5、20-7和20-8孔等)。

圖4 7號(hào)煤鏡質(zhì)組反射率與埋深變化關(guān)系

一定厚度的煤層是煤層氣藏形成的基礎(chǔ)。錢(qián)凱等認(rèn)為煤層厚度在0.6～5.0m有利于煤層氣的富集和開(kāi)發(fā)。在黃河北主采三個(gè)礦區(qū)內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)，煤層厚度較薄，一般在2m以下，且總體上由南向北變薄(圖5)，因此從源巖角度來(lái)看，煤層厚度正好在有利于煤層氣富集范圍內(nèi)。

圖5 7號(hào)煤層分布圖

3.5 水文地質(zhì)條件

地下水在補(bǔ)給-運(yùn)移-匯聚過(guò)程中，空間上形成了補(bǔ)給區(qū)-徑流區(qū)-滯留區(qū)。黃河北煤田的南部大面積的寒武系石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r組成裸露山區(qū)，在煤田與灰?guī)r裸露山區(qū)之間為地勢(shì)平坦的奧陶灰?guī)r隱伏露頭區(qū)，煤層氣大量散失。而從山區(qū)至煤田，覆蓋層的厚度逐漸增大，煤層氣得以部分保存，含量中等。南部裸露山區(qū)的灰?guī)r接受大氣降水補(bǔ)給，然后順著傾向補(bǔ)給黃河北煤田，大量的地下水?dāng)y帶著煤層氣在滯留區(qū)富集，煤層氣在深部滯留區(qū)得以大量的保存。儲(chǔ)層壓力也體現(xiàn)出該特點(diǎn)，南部埋藏淺，儲(chǔ)層壓力小，北部埋藏深，儲(chǔ)層壓力大。因此，北部地區(qū)的地下水滯留區(qū)，特別是異常高壓或正常壓力的滯留區(qū)是煤層氣的有利聚集區(qū)。

4 黃河北煤層氣資源及勘探方向

現(xiàn)今已經(jīng)開(kāi)采的三個(gè)煤礦之中，邱集煤礦和濟(jì)陽(yáng)煤礦瓦斯含量總體上偏低，達(dá)不到煤層氣開(kāi)采要求，趙官煤礦西南靠近煤層風(fēng)氧化帶瓦斯含量較低，但是其東北方向，瓦斯含量逐漸偏高，經(jīng)過(guò)大量分析發(fā)現(xiàn)，邱集煤礦瓦斯含量較低原因主要有兩個(gè)原因：第一，其東側(cè)存在著大量的開(kāi)放性正斷層，斷層斷距比較大，因此，造成了煤層氣大量的散失；第二，煤層埋深較淺，煤層變質(zhì)程度較低，主要為低煤階的煤層。因此，煤層氣總體上含量較低，達(dá)不到可采價(jià)值，該區(qū)不能成為煤層氣勘探的靶區(qū)。濟(jì)陽(yáng)煤礦煤層氣含量較低，與邱集煤礦相似，區(qū)內(nèi)開(kāi)放性斷層較發(fā)育，雖然煤層埋深較大，但是斷層開(kāi)放性較好，煤層氣大量散失。因此黃河北煤礦煤層氣勘探選主要位于趙官煤礦勘探區(qū)。區(qū)內(nèi)7層煤煤厚0.70～1.42m，平均厚0.95m，煤層厚度基本大于煤層氣資源量計(jì)算要求的下限值(0.5m)，計(jì)算邊界主要依據(jù)煤層含氣量(大于8m3/t)。按照《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》(DZ/0216—2002)，貧煤瓦斯含量的下限為8m3/t，因此，礦區(qū)僅有趙官井田和長(zhǎng)清井田瓦斯含量有大于8m3/t的區(qū)域。通過(guò)計(jì)算，煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量563.6Mm3；平均資源量豐度0.1662×108m3/km2。另外，趙官煤礦東北部、濟(jì)陽(yáng)煤礦西南部的未開(kāi)采區(qū)域長(zhǎng)清勘探區(qū)，據(jù)現(xiàn)今地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，其具有與趙官煤礦相似的構(gòu)造條件、埋深條件和沉積環(huán)境，其蓋層條件可能還要好于趙官煤礦(范士彥，2001)。