江西萍鄉(xiāng)煤層含氣性主控因素分析

陳朝玉

(1.遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563006； 2.成都理工大學(xué)，四川 成都 618000)

1 地質(zhì)構(gòu)造條件對(duì)含氣量的影響

1.1 斷裂構(gòu)造對(duì)煤層含氣量的影響

萍鄉(xiāng)青山煤礦西部以密集的小型張性斷裂和張扭性斷層為主。這些斷層切割煤系，并與基底茅口組石灰?guī)r巖溶裂隙相通，斷裂帶就成為煤層氣運(yùn)移逸散的重要通道，導(dǎo)致煤層氣含量降低，如109孔大槽煤層采樣深度為810.82 m，煤層氣含量?jī)H7.33 m3/t。然而，該礦區(qū)東部的569孔大槽煤層的采樣深部為588.93 m，甲烷含量達(dá)12.13 m3/t。井田東部多為大斷層，主要分布于井田邊緣，一般為封閉性逆斷層，有利于煤層氣的保存。但滴水巖斷層和彭家源斷層不同，為含水導(dǎo)水?dāng)鄬?，斷層水于巖溶水互補(bǔ)，煤層氣隨水的運(yùn)移而逸散。硬子槽南翼煤層被滴水?dāng)鄬忧懈疃c茅口組石灰?guī)r相頂，其煤層氣大量釋放。

巨源煤礦發(fā)育一組高角度疊瓦式排列的走向逆斷層，破壞向斜構(gòu)造的完整性，改變了巖層的隔氣性能，使巖層揉搓破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，為煤層氣運(yùn)移、集中構(gòu)成了通道，對(duì)煤層氣保存有利。

1.2 褶皺構(gòu)造對(duì)煤層含氣量的影響

青山煤礦東部以褶皺構(gòu)造為主，發(fā)育一系列緊密褶皺，褶曲在走向上可延伸長(zhǎng)400～600 m，傾向上一般延長(zhǎng)80～120 m，在向斜、背斜軸部煤層急劇增厚，增厚部分相當(dāng)于正常煤層厚度的4～5倍，形成多處轉(zhuǎn)折端，甲烷含量增加，特別是在轉(zhuǎn)折端，有利于甲烷富集和儲(chǔ)存。經(jīng)過強(qiáng)烈的褶皺構(gòu)造，破壞了煤層的原始結(jié)構(gòu)，形成構(gòu)造煤。巨源煤礦中心地帶，受“飛來峰”構(gòu)造的影響，煤層受到強(qiáng)烈的擠壓作用，廣泛發(fā)育著次級(jí)褶皺，顯示了褶皺頻繁性和多樣性，使甲烷較容易形成集中帶。同時(shí)也破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu)，形成構(gòu)造煤，是煤層本身受力的強(qiáng)度大大減弱，為煤層氣的開發(fā)帶來了困難。

1.3 煤層頂?shù)装搴蜕w層對(duì)含氣量的影響

安源煤系是在印支運(yùn)動(dòng)不均衡抬升的基礎(chǔ)上沉積的，古地理沉積環(huán)境比較復(fù)雜，是一個(gè)個(gè)孤立的小盆，因此在一個(gè)盆地內(nèi)巖石的透氣性對(duì)煤層氣儲(chǔ)集的控制規(guī)律反映得比較清楚。其中萍鄉(xiāng)礦區(qū)的砂泥巖比值與礦井的瓦斯級(jí)別間的關(guān)系反映的十分清楚。高沼突出井的青山、巨源礦區(qū)分布在砂泥巖比值<0.4的區(qū)域內(nèi)，低沼井的安源、高坑分布在砂泥巖比值>0.4的區(qū)域內(nèi)。從砂泥巖比值反映青山、巨源礦的巖層透氣性比較差，而安源、高坑礦透氣性相對(duì)較好，所以，前者為高沼突出井，后者為低沼井。

煤層的頂?shù)装鍘r性：從巨源礦西含煤1～12層紫家沖厚450 m，巖性以粉砂巖、泥巖為主，間夾砂巖、礫巖、煤和碳質(zhì)泥巖。各煤組之間一般均有1～3層砂巖，厚度無規(guī)律，多為石英砂巖。礫巖多在7煤以下的印支運(yùn)動(dòng)的不整合面之上。紫家沖段在巨源東含煤8組(12煤～5煤)，煤層總厚16.56 m。含煤系數(shù)為5.73%，地層厚289 m，顯示西厚東薄的沉積特征。含煤段有明顯的旋回結(jié)構(gòu)特征，劃為12個(gè)小旋回，每個(gè)小旋回以礫巖、砂巖為起點(diǎn)，由砂巖-粉砂巖-泥巖-煤和碳質(zhì)泥巖-泥巖或粉砂巖組成韻律結(jié)構(gòu)，所含煤層的頂?shù)装寰鶠槟鄮r和粉砂巖，為河湖相沉積，透氣性較差，封閉性能好。上覆三家沖段泥巖厚387 m，為良好的隔氣層，所以巨源礦為高沼突出礦而巨源東礦區(qū)、黃塘及魯板沖礦區(qū)為高甲烷煤層的礦區(qū)。

青山礦的地層主要有紫家沖段，含煤18層，上覆地層三家沖段海相泥巖厚210 m，該區(qū)含煤層數(shù)多，巖性變化大，并有巖漿巖分布等特點(diǎn)。主要可采煤層大槽煤是在淺水湖盆成煤環(huán)境下，在盆地底部礫巖填平補(bǔ)齊之后形成的，大槽之上又沉積了淺水湖泊相沉積的泥巖和粉砂巖互層；其次硬子槽的底板為峨眉山玄武巖，煤系地層內(nèi)以粉砂巖和泥巖互層，局部夾有薄層砂巖(表1)。

從表1反映青山主采的五層煤層的頂?shù)装鍘r性均為泥巖和粉砂巖等，硬子槽的頂?shù)装?，管子槽的底板均為峨眉山玄武巖。同時(shí)各煤組除頂?shù)装鍘r性透氣性差除外，在紫家沖段的上部三家沖段有10～150 m，平均90 m的灰黑色泥巖，間夾粉砂巖，泥巖致密，顯水平層理，局部具微波狀層理，同時(shí)局部泥巖含菱鐵礦及黃鐵礦結(jié)核，風(fēng)化后呈同心圓珠狀。

表1 萍鄉(xiāng)青山主采煤層頂?shù)装鍘r性特征

另外，在煤系地層上覆地層為“飛來峰”石灰?guī)r，分布在6～7線以東，為小江邊石灰?guī)r。據(jù)鉆孔揭露，均不含水，為良好的隔氣層。在煤系的底部為底部礫巖，為灰綠色礫巖，常夾粉砂巖和砂巖，厚度不穩(wěn)定為0～120 m，為弱含水層。局部地區(qū)煤系底部與茅口灰?guī)r接觸，有溶洞和裂隙被充填時(shí)成為良好的隔水層。

總之，萍鄉(xiāng)評(píng)價(jià)區(qū)的巨源、青山礦區(qū)由于煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖和粉砂巖，互為隔氣層，三家沖泥巖和煤系上覆的“飛來峰”石灰?guī)r對(duì)煤層(煤組)起到三層阻隔作用，有利于煤層氣的保存，煤層氣含量較高。并且該區(qū)成煤盆地都受到海水頻繁進(jìn)退的影響，所以煤層層數(shù)多、厚度大；煤層頂?shù)装宕蠖酁槟鄮r和粉砂巖，青山煤層底板為峨眉山玄武巖，煤層之間互為頂?shù)装澹笟庑圆?，互為隔氣層。同時(shí)，上覆地層又有三家沖泥巖作為區(qū)域性的隔氣層，所以，煤層頂?shù)装逦镄詶l件封閉好，為煤層氣藏的儲(chǔ)存創(chuàng)造了有利條件。

1.4 水文地質(zhì)條件對(duì)含氣量的影響

水動(dòng)力對(duì)煤層氣具有水力封閉和水力驅(qū)替、運(yùn)移的雙重作用。水力封閉作用有利于煤層氣的保存，而水力驅(qū)替、運(yùn)移作用則引起煤層氣的逸散及在新條件下的聚集(常規(guī)圈閉)。一般講，地下水壓力大，煤層氣含量高，反之則低；地下水的強(qiáng)徑流帶煤層氣含量低，而滯流區(qū)則含量高。因此應(yīng)掌握煤層地下水的壓力、滲透速度、水力梯度、補(bǔ)徑排關(guān)系等水文地質(zhì)參數(shù)和條件，以便從宏觀上分析煤層氣含量的變化趨勢(shì)。

萍鄉(xiāng)礦區(qū)水文地質(zhì)條件一般比較復(fù)雜，一方面，由于安源煤系地層中砂礫巖比較發(fā)育，煤系地層本身富水性較強(qiáng)；另一方面，含水層比較復(fù)雜：a、基底水視其煤系地層基底時(shí)代和巖性而定，茅口組石灰?guī)r和長(zhǎng)興組灰?guī)r富水性強(qiáng)，作為煤系基底條件要復(fù)雜一些，大冶組泥質(zhì)成分較高，富水性較差；b、煤系地層底礫巖、層間礫巖、被白堊系(紅層)覆蓋的安源系礦區(qū)，紅層砂礫巖一般富水性較強(qiáng)；c、部分礦區(qū)發(fā)育“飛來峰”構(gòu)造，茅口組石灰?guī)r滑覆于煤系地層之上，造成水文地質(zhì)條件復(fù)雜化。水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水活動(dòng)比較強(qiáng)的礦區(qū)或礦井煤層氣含量較低。在同一礦區(qū)或礦井各地段水文地質(zhì)條件不同，東部發(fā)育小江邊泥質(zhì)灰?guī)r“飛來峰”插入體，含水性差，透氣性差，煤層氣含量高；西部煤系基底為茅口組石灰?guī)r，富水性強(qiáng)，煤層氣含量較東部低。

東部青山煤礦，主要含水層為煤系基底茅口灰?guī)r含水層。煤層與含水層間分布穩(wěn)定的泥巖及致密堅(jiān)硬、孔隙度小的砂巖等組成的隔水層，基底灰?guī)r水與煤層水力聯(lián)系差，有利于煤層氣賦存。

1.5 煤層埋深對(duì)含氣量的影響

萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣的化學(xué)組成與埋深關(guān)系復(fù)雜，從數(shù)據(jù)主體來看，盤江地區(qū)大部分井田煤層甲烷濃度極低，主要表現(xiàn)在高坑與安源井田，甲烷濃度均不到1%，但這一特點(diǎn)總體上與煤層氮?dú)鉂舛鹊姆植继攸c(diǎn)呈“鏡像”關(guān)系，說明甲烷濃度的大小主要取決于氮?dú)鉂舛龋创髿饣烊氲某潭?圖1)。而巨源、青山和黃塘井田甲烷濃度較高，甲烷濃度主頻率在70%以上，但數(shù)據(jù)相對(duì)離散(圖2)。在埋深100 m以下，無論深度如何變化，甲烷濃度分布的主頻率均超過70%，表明萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣保存條件總體較差。

圖1 萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層氣甲烷濃度與埋深之間關(guān)系圖

圖2 萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層甲烷含氣量與埋深之間關(guān)系圖

萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層含氣量與埋深的對(duì)應(yīng)關(guān)系都十分離散，但仍表現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。高坑與安源井田的煤層含氣量均低于5 m3/t，而在巨源、黃塘和青山井田隨著煤層埋深的增加，煤層氣含量呈現(xiàn)出先降低后增加的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在煤層埋深約400 m左右。但該礦區(qū)總體含氣量不及盤江地區(qū)，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是煤層受隱伏斷層的影響，煤層氣大量逸散，導(dǎo)致煤層埋深在400 m時(shí)煤層含氣量達(dá)到最低。

1.6 煤巖煤質(zhì)對(duì)含氣量的影響

萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層含氣量與煤質(zhì)參數(shù)之間具有明顯的相關(guān)性(圖3)。其中揮發(fā)分產(chǎn)率減小，煤層含氣量具有增高的變化趨勢(shì)，表明煤化作用程度有利于煤層氣的富集，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)一致。全硫含量增高，煤層含氣量降低的趨勢(shì)相對(duì)明顯，指示海水影響程度越弱越有利于煤層氣的吸附，原因可能在于受微生物強(qiáng)烈降解的沉積有機(jī)質(zhì)(如基質(zhì)鏡質(zhì)體)影響到煤中儲(chǔ)氣空間的發(fā)育。而與內(nèi)在水分、灰分產(chǎn)率關(guān)系不明顯。

從煤巖參數(shù)分析，萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層含氣量與鏡質(zhì)組最大反射率呈正相關(guān)關(guān)系，隨鏡質(zhì)組最大反射率的增大而增大，但隨鏡質(zhì)組含量增高而增大，隨惰質(zhì)組含量和無機(jī)組分含量的增高而降低(圖4)。這一現(xiàn)象指示，煤巖顯微組分組成和總含量成為了主要控制因素，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)和孔隙性的相對(duì)關(guān)系盡管發(fā)生了變化，但鏡質(zhì)組仍然具有較強(qiáng)的吸附能力，是吸附態(tài)煤層氣賦存需要載體。

圖3 萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層含氣量與煤質(zhì)參數(shù)之間關(guān)系

圖4 萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層含氣量與煤巖組分之間關(guān)系

1.7 煤層厚度對(duì)含氣量的影響

江西萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤儲(chǔ)層厚度與其含氣性之間的相關(guān)性如圖5所示?？梢钥闯?，兩者之間具有明顯的正相關(guān)性。比如，青山煤礦煤層厚度分別為7.3 m、8.2 m、6.0 m、2.5 m和4.5 m，煤層含氣量分別為11.3 m3/t、12.5 m3/t、12.7 m3/t、13.6 m3/t和4.1 m3/t，煤層含氣量具有隨煤層厚度增大而增高的明顯趨勢(shì)，因此，說明萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層厚度是影響煤層含氣量的主要控制因素。

圖5 萍鄉(xiāng)礦區(qū)煤層厚度與含氣量之間關(guān)系

2 結(jié)論

(1)研究區(qū)構(gòu)造條件和蓋層條件越好，則煤層含氣性越好；研究區(qū)煤層含氣性水文條件越好(煤層含水、通水條件)，含氣性越好；(2)研究區(qū)煤層含氣性與煤質(zhì)關(guān)系及埋深關(guān)系呈比較離散的狀態(tài)；(3)研究區(qū)煤層含氣性與煤層厚度及煤階成正相關(guān)關(guān)系。