鎮(zhèn)雄縣熊洞煤礦煤層氣賦存特征及影響因素

柯 軍， 吳永貴， 尹中山

(1.四川省煤田地質(zhì)局一三五隊，四川 瀘州 646000; 2.四川省煤田地質(zhì)局，成都 610072)

煤層氣是成煤過程中經(jīng)過生物化學(xué)熱解作用以吸附或游離狀態(tài)賦存于煤層及圍巖中的自生自儲的非常規(guī)天然氣，其主要成分是CH4，其賦存和分布受地質(zhì)條件的影響和制約，是我國正在發(fā)展的新興潔凈、高效的優(yōu)質(zhì)能源[1]。

鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)煤炭資源豐富，是云南省尚未大規(guī)模開發(fā)的優(yōu)質(zhì)無煙煤基地之一，含煤總面積1 764km2，煤炭儲量達74億t，預(yù)測煤層氣資源量800多億m3。開展對該區(qū)域煤層氣資源賦存特征及含氣性影響因素研究刻不容緩，旨在為未來本區(qū)煤炭安全開采、煤層氣資源開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 概況

1.1 構(gòu)造

區(qū)域上該區(qū)經(jīng)歷了多次地殼構(gòu)造運動，以中生代燕山運動較為強烈，歷次構(gòu)造運動結(jié)果使地層發(fā)生了多種型式的構(gòu)造形變，留下了性質(zhì)不同、規(guī)模不等、方向不一的構(gòu)造形跡，表現(xiàn)為鎮(zhèn)雄縣區(qū)域內(nèi)鎮(zhèn)雄復(fù)式向斜、以古向斜、牛場向斜等十余個含煤向斜構(gòu)造[2]。

熊洞煤礦位于以古向斜北翼，總體為一單斜構(gòu)造，地層走向總體為N77°E～S83°E，傾角35°～55°，西部較東部陡。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，以逆斷層為主，少數(shù)正斷層，其展布方向均以NE向為主，傾向SE，傾角45°～75°，落差30～50m。

1.2 煤層

井田內(nèi)含煤巖系為二疊系上統(tǒng)長興組和龍?zhí)督M，屬海陸交互相沉積(圖2)。長興組平均厚40.26m，含煤2～9層，一般4層，煤層總厚平均2.78m，平均含煤系數(shù)6.90%，可采煤層2層，可采厚度平均1.83m。

龍?zhí)督M根據(jù)含煤性及巖性特征，劃分為上下兩段，厚155.36m。上段平均厚36.61m，含煤2～12層，一般4層，煤層總厚5.16m，含煤系數(shù)14.09%，可采煤層3層(表1)，可采厚度平均4.27m；下段平均厚118.75m，含0～4層煤線。

圖1 熊洞煤礦構(gòu)造綱要圖

圖2 煤系綜合柱狀示意圖

煤層煤層厚度/m含氣量/m3·t-1甲烷成分/%瓦斯壓力/MPa煤炭資源量/萬t煤層氣資源量/億m3C11.2711.8085.420.7121091.74C40.6413.2185.170.625520.45C5b1.9015.7585.690.8031693.66C6a1.8017.0985.330.9528443.52

2 煤層氣資源狀況及賦存特征

2.1 煤層氣資源狀況

2.2 賦存特征

根據(jù)井田內(nèi)所采50件煤層氣樣品測試結(jié)果，煤層氣主要成分為CH4(甲烷)，含量11.80～17.09m3/t，占84.47%～90.61%(表1)。沼氣帶分帶不甚明顯，二氧化碳-氮氣帶無明顯界線，氮氣-沼氣帶深度在100m以內(nèi)，埋深100m以下為沼氣帶。

1.3.2.2 術(shù)后排氣時間 術(shù)后3 d詢問患者，了解患者是否已排氣及排便情況并在表格上寫明第幾天有排氣排便。

C1煤層含氣量以10.00～15.00 m3/t為主，中部局部大于15.00 m3/t，西北部小于10.00 m3/t；C4煤層含氣量以10.00～15.00 m3/t為主，東南部大于15.00 m3/t，局部小于10.00 m3/t，瓦斯壓力0.40～1.27MPa；C5b煤層含氣量以大于15.00 m3/t為主，西北部為10.00～15.00 m3/t，局部小于10.00 m3/t，瓦斯壓力0.36～1.02MPa；C6a煤層含氣量以大于15.00 m3/t為主，西北部為10.00～15.00 m3/t，局部小于10.00 m3/t，瓦斯壓力0.31～1.36MPa。各煤層甲烷含量在平面分布上總體呈西北部低、東南部高，F(xiàn)4斷層周邊高，F(xiàn)1斷層周邊低，生產(chǎn)礦井周圍低，長興組煤層含氣量低，龍?zhí)督M煤層含氣量高的特點(見圖3、圖4、圖5)。剖面上各煤層含氣量由上往下呈增高的趨勢。

圖3 C1煤層含氣量等值線圖

圖煤層含氣量等值線圖

圖煤層含氣量等值線圖

3 煤儲層特征

3.1 宏觀煤巖特征

3.2 顯微組分特征

根據(jù)熊洞煤礦勘探資料，井田內(nèi)煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量62.70%～69.80%，惰質(zhì)組含量20.18%～32.00%，

3.3 礦物組分特征

煤中礦物以黏土、黃鐵礦、方解石為主，含量5.30%～10.94%，黏土多呈浸染狀分布于基質(zhì)細(xì)胞腔中，或呈集合狀，少見團塊狀。

3.4 煤儲層物性特征

煤層孔隙率3.09%～14.35%，平均4.87%，以小孔和微孔為主，少量大孔，有利于煤層氣的吸附。根據(jù)鄰近相似礦區(qū)資料，儲層滲透率0.18～0.57md，儲層壓力6.52～8.74MPa，儲層壓力梯度1.09MPa/100m，儲層溫度25℃。

4 影響因素

4.1 煤厚、煤巖類型

4.2 煤層埋深

煤層埋深是影響煤層氣含量的重要地質(zhì)因素，煤層上覆地層厚度直接影響到地層壓力、溫度，進而影響到煤層氣壓力、甲烷吸附量等。

據(jù)井田內(nèi)煤層氣含量測試資料，通過線性擬合分析得出井田內(nèi)煤層含氣量與埋深的回歸方程，二者有良好的正相關(guān)性，即煤層氣含量隨埋深增加而增長(圖7)。井田各煤層瓦斯壓力總體上隨埋深的增加而增大，煤層氣壓力和煤層埋深呈正相關(guān)。

圖煤層厚度與含氣量關(guān)系圖

圖7 煤層埋深與含氣量關(guān)系圖

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)所處以古向斜，為一北翼陡南翼緩的不對稱向斜構(gòu)造，向斜軸部煤層埋深大，軸部應(yīng)力釋放所形成的裂隙有利于煤層氣富集，故向斜軸部煤層含氣量高。

4.4 煤層頂?shù)装?/h3>

煤層頂?shù)装迨敲簩託獗４娴闹匾獥l件之一，頂?shù)装鍘r性對煤層氣影響較大，其孔隙率、滲透率、節(jié)理裂隙發(fā)育程度直接決定了蓋層的封閉性能。煤系上覆地層為三疊系下統(tǒng)卡以頭組，為灰綠色薄-中厚層狀砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含鈣質(zhì)粉砂巖，含鈣質(zhì)團塊，封閉性能較好，煤系下覆地層龍?zhí)督M下段及峨眉山玄武巖，為灰、淺灰、淺綠灰色薄至中厚層狀菱鐵質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖及淺灰、灰白色黏土巖和砂質(zhì)泥巖，封閉性能較好。各煤層頂?shù)装鍘r性(表2)，孔隙率、滲透率低，節(jié)理裂隙不發(fā)育，封閉性好，有利于煤層氣的富集。

表2 熊洞煤礦可采煤層頂?shù)装鍘r性統(tǒng)計表

4.5 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對煤層氣富集、運移影響較大，一方面運動的地下水對煤層氣保存有逸散作用，降低煤層氣含量，同時若是滯流條件下的地下水通過水力封閉作用、封堵作用，使煤層氣得以富集保存[8]。

研究區(qū)位于以古向斜北翼，為一單斜自流水斜坡。研究區(qū)接受大氣降水補給，各含隔水層相間分布，各含隔水層淺部通過風(fēng)化裂隙聯(lián)通，結(jié)合鉆孔簡易水文觀測及抽水試驗，可以得出“淺部水力聯(lián)系強，水動力較強，而深部相對獨立，水力聯(lián)系較弱”的基本認(rèn)識。大氣降水進入煤系露頭后一部分通過淺部風(fēng)化裂隙由高處向低處徑流排泄，一部分溶解煤層甲烷后向煤系深部(向斜軸部)徑流至最低侵蝕基準(zhǔn)面形成滯流承壓水，阻礙煤層氣向淺部的運移、逸散，形成水力封堵，使煤層氣富集，含氣量高，壓力大。

區(qū)內(nèi)斷層多為壓扭性的逆斷層，斷層面巖石受到擠壓，泥質(zhì)含量增加，導(dǎo)水性較差，斷層水對周邊煤層氣進行水力封堵，煤層含氣量高。而井田西南的F1斷層導(dǎo)水性較好，鉆孔施工出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，斷層水流動不利于煤層氣保存，導(dǎo)致F1斷層周邊煤層氣含量低。

5 前景分析

研究區(qū)煤炭、煤層氣資源豐富，且尚未大面積開發(fā)，結(jié)合云南省煤炭資源總體規(guī)劃等信息，加強對本區(qū)煤炭、煤層氣資源的綜合評價，按照國家關(guān)于煤層氣先抽后建的要求，加大投入，開展煤層氣參數(shù)井的施工，對本區(qū)煤層氣資源分布、儲集規(guī)律的認(rèn)識，對下一步礦區(qū)煤炭、煤層氣資源的開發(fā)利用具有積極的指導(dǎo)意義。

6 結(jié)論

①熊洞煤礦位于以古向斜北翼，煤層層數(shù)較多、間距小，含氣量高11.80～17.09m3/t，屬富甲烷煤層，預(yù)測煤層氣資源量9.37億m3，地質(zhì)儲量1.21億m3/km2。

②熊洞煤礦沼氣帶在埋深100m以下，煤層氣含量隨埋深增加而增大，呈正相關(guān)；平面上東南部含氣量高，北西部含量低。

③煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、煤層埋深及頂?shù)装鍘r性是影響井田內(nèi)煤層氣的主要因素。向斜軸部及壓扭性斷層有利于煤層氣的富集，地下水一方面對煤層氣形成水力封堵，使煤層氣富集；其西北部斷層不利于煤層氣富集，含氣量低。生產(chǎn)礦井因埋藏淺、采礦活動為煤層氣逸散提供了通道，使周圍煤層氣含量低。

④井田所處的牛場以古礦區(qū)煤層氣資源賦存條件好，儲層物性較好，屬超壓、較高滲透率儲層，為煤層氣勘探開發(fā)提供了較好的基礎(chǔ)。

⑤井田煤層氣勘查、研究程度較低，建議開展煤層氣探井施工、注入/壓降法等測試專項工作，獲取較全的煤儲層參數(shù)資料，對評價該礦區(qū)煤層氣開發(fā)前景非常必要。