成莊井田3號(hào)煤層氣成藏條件分析

劉昊承

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤層氣是成煤期地質(zhì)作用的產(chǎn)物，與煤共伴生[1]。我國(guó)煤層氣資源豐富，據(jù)全國(guó)煤層氣資源評(píng)價(jià)資料顯示，2 000 m以淺的煤層氣資源地質(zhì)儲(chǔ)量為30.1×1012m3，可采儲(chǔ)量12.5×1012m3[2]。煤層氣的成藏過程極為復(fù)雜，是諸多地質(zhì)要素及其耦合作用的結(jié)果。煤層氣的富集成藏主要受煤生烴、儲(chǔ)層儲(chǔ)集和蓋層封閉保存條件三方面所控制，煤生烴是煤層氣成藏的基礎(chǔ)，儲(chǔ)集是保障，封蓋保存是根本，三者有機(jī)匹配是煤層氣成藏之關(guān)鍵[3-5]。我國(guó)煤礦區(qū)具有成煤環(huán)境多樣、成煤期次多、構(gòu)造演化差異大等特征，致使控制煤礦區(qū)控制煤層氣成藏條件不同[6]。因此，基于研究區(qū)之實(shí)際開展煤層氣成藏條件研究工作，是煤層氣勘探開發(fā)高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)、提高煤層氣開發(fā)效果的前提和關(guān)鍵[7]。成莊井田地處沁水煤田的南端東翼，是我國(guó)最早從事地面煤層氣抽采治理礦井瓦斯的區(qū)塊之一，目前，井田內(nèi)已在瓦斯地質(zhì)、煤儲(chǔ)層物性及特征、煤層氣井產(chǎn)能控制因素等方面開展了較為夯實(shí)的研究工作，但在煤層氣成藏條件方面尚未開展相關(guān)研究。為此，本文從煤生烴、煤層氣儲(chǔ)集和蓋層封蓋保存條件，對(duì)成莊井田3號(hào)煤層氣成藏條件進(jìn)行分析，以期為礦井瓦斯治理和煤層氣開發(fā)提供技術(shù)參數(shù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

成莊井田為晉煤集團(tuán)煤炭采礦權(quán)區(qū)，位于沁水煤田的南端東翼，行政區(qū)劃上屬山西省晉城市沁水和澤州轄區(qū)，地理坐標(biāo)北緯35°34′11″～35°39′50″，東經(jīng)112°36′06″～112°43′49″，井田面積74.333 8 km2。

井田內(nèi)主要含煤地層為晚古生代二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，總厚度126.94～178.06 m，平均厚度145.10 m，含煤13層，煤層總厚度14.30 m，含煤系數(shù)9.86%。煤層編號(hào)自上而下依次為：1、2、3、5、6、7、8、9、11、13、14、15、16號(hào)，其中，3、15號(hào)為全井田穩(wěn)定可采煤層，9號(hào)煤層為較穩(wěn)定大部分可采煤層。本文所研究的3號(hào)位于山西組下部，煤層厚度大(2.95～7.68 m，平均6.24 m)、含氣量高(4.26～19.25 m3/t，平均12.19 m3/t)、煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為當(dāng)前礦井主力開采和煤層氣抽采利用煤層。

2 煤層氣成藏條件

2.1 煤層生烴條件

2.1.1 煤生烴基礎(chǔ)物質(zhì)

煤生烴基礎(chǔ)物質(zhì)是煤層氣生成的物源基礎(chǔ)和物質(zhì)保障，控制著煤的含氣性(煤層氣含量、煤層含氣飽和度、煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度)、資源量大小、礦井瓦斯涌出量及礦井瓦斯等級(jí)等。煤成烴是煤層氣地質(zhì)(瓦斯地質(zhì))和煤層氣成藏分析及評(píng)價(jià)等備受關(guān)注的研究點(diǎn)之一。學(xué)者們對(duì)煤生烴的物源已開展了大量理論攻關(guān)和實(shí)驗(yàn)研究工作，得出煤中有機(jī)顯微組分是煤生烴的基本物質(zhì)，成煤過程中煤變質(zhì)時(shí)煤中顯微組分在生烴活化能及脂肪側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和鏈長(zhǎng)等方面存在差異，進(jìn)而控制著演化范圍、生油門限及生烴規(guī)律及潛力不同[7-9]。煤中不同有機(jī)顯微組分的生烴潛力不同，殼質(zhì)組的生烴潛力最好，生烴能力是惰質(zhì)組的2.5倍，鏡質(zhì)組的4倍。

通過煤顯微組分測(cè)定結(jié)果顯示(表1)，成莊井田3號(hào)煤的顯微組分基本為有機(jī)顯微組分(84.8%～98.53%，平均94.68%)，無(wú)機(jī)顯微組分少量(3.28%～12.80%，平均5.32%)。煤中有機(jī)顯微多為鏡質(zhì)組(含半鏡質(zhì)組)，絲質(zhì)組少量，因?yàn)槊鹤冑|(zhì)程度較高，殼質(zhì)組無(wú)法辨識(shí)。無(wú)機(jī)顯微組分以分散狀、浸染狀粘土礦物為主，碳酸鹽類次之，硫化物和石英少量。可見，成莊井田3號(hào)煤中有機(jī)顯微組分豐富，為煤生烴提供充裕物源保障，不同有機(jī)顯微組分在煤化作用過程中各自生烴量的疊加進(jìn)而決定了煤的生烴能力和生烴量[10]。

表1 成莊井田3號(hào)煤顯微組分測(cè)定結(jié)果

2.1.2 生烴動(dòng)力

煤生烴動(dòng)力研究是煤生烴潛力定性、定量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤成烴動(dòng)力學(xué)模型、煤成烴特征認(rèn)識(shí)、成烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)運(yùn)用和煤成烴機(jī)理等方面已開展了許多研究工作, 認(rèn)為熱能是促進(jìn)煤發(fā)生變質(zhì)作用和煤生烴的動(dòng)力[11-12]。煤生烴熱模擬試驗(yàn)表明，煤在熱源持續(xù)“烘烤”條件下，煤發(fā)生變質(zhì)作用且煤變質(zhì)加劇，提高了煤生烴量和生烴率。

成莊井田位于沁水煤田東南部，整個(gè)成煤階段經(jīng)歷了四個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期熱演化作用，為煤生烴提供了良好的動(dòng)力源[13]。沁水煤田在晚石炭世-晚三疊世地史時(shí)期經(jīng)歷了首次熱演化作用，成煤環(huán)境穩(wěn)定，具有典型的克拉通盆地特征，自三疊紀(jì)開始，沁水煤田開始“活化”，成煤環(huán)境發(fā)生快速沉降，煤系埋藏深度增加和地溫快速升高，煤系埋藏深度介于3 300～4 400 m，古地溫一般為110～140 ℃。該階段3號(hào)煤主要發(fā)生深成熱變質(zhì)作用，煤級(jí)由氣煤變演化為肥煤；早侏羅世-中侏羅世，沁水煤田開始經(jīng)歷第二個(gè)熱演化作用，燕山期早期，沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致煤田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造具有顯著的分異特征，基本沒有發(fā)生巖漿活動(dòng)，但煤系發(fā)生了抬升，煤系上覆巖層遭受風(fēng)化、剝蝕等作用，煤層埋藏深度變淺(2 300～3 300 m)、古地溫亦有所下降(約80～110 ℃)，該階段熱演化對(duì)煤變質(zhì)和煤生烴作用較小；晚侏羅世-早白堊世的燕山期中期，沁水煤田進(jìn)入第三個(gè)熱演化階段，該階段巖漿熱變質(zhì)作用強(qiáng)烈，古地溫呈現(xiàn)出高異常(地溫梯度一般為5.88～8.08 ℃/100 m)，同時(shí)，煤系發(fā)生持續(xù)抬升而埋深變淺和古地溫降低(古地溫仍高達(dá)182～263 ℃)，煤系在長(zhǎng)期高異常古地溫持續(xù)“烘烤”作用下，煤發(fā)生了快速變質(zhì)，促使了煤中生烴物質(zhì)大量生烴，總體決定了煤變質(zhì)程度；沁水煤田在晚白堊世-新生代進(jìn)入第四個(gè)熱演化階段，煤系發(fā)生快速隆起、抬升，煤系上覆地層遭受風(fēng)化、剝蝕，煤系埋藏深度變淺、古地溫快速降低，煤變質(zhì)作用和煤生烴作用基本終止。

由上述可知，多期熱演化作用為成莊井田煤系生烴提供了良好生烴動(dòng)力，提高了煤變質(zhì)程度，井田3號(hào)煤為無(wú)煙煤三號(hào)(鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max=2.226%～2.228%)。在煤變質(zhì)作用過程中，煤中氮、氫、氧等元素從煤的分子鏈上支解脫落而含量減少，而碳元素含量則增高，促使煤生烴和提高煤生烴率[14]。

2.2 煤層氣儲(chǔ)集條件

2.2.1 煤層氣儲(chǔ)集空間

煤是一種孔裂隙極為發(fā)育的介質(zhì)，煤中孔裂隙是煤層氣吸附儲(chǔ)集、解吸、擴(kuò)散及滲流的場(chǎng)所或空間。煤與其他巖石不同，煤體表面存在不飽和能，使得煤層氣絕大部分以吸附態(tài)儲(chǔ)集于煤基質(zhì)孔隙表面[15]。煤層氣要吸附儲(chǔ)集成藏，煤中必須有良好孔隙系統(tǒng)發(fā)育。煤孔隙結(jié)構(gòu)多分形特征是造成煤層氣運(yùn)移(解吸、擴(kuò)散、滲流)、煤層氣儲(chǔ)集性能、煤層氣井產(chǎn)能大小、煤層氣開發(fā)潛力等差異的重要因素[16-17]，特別是煤孔隙大小對(duì)煤層氣吸附儲(chǔ)集和運(yùn)移控制最為顯著。煤層氣在大孔中主要以為紊流和劇烈層流方式運(yùn)移，在中孔中主要表現(xiàn)為緩慢紊流滲透方式運(yùn)移，在過渡孔中主要表現(xiàn)為毛細(xì)管凝聚、吸附和擴(kuò)散方式運(yùn)移，微孔中煤層氣主要表現(xiàn)為吸附儲(chǔ)集[18]。可以看出，煤中微孔及過渡孔發(fā)育程度對(duì)煤層氣吸附儲(chǔ)集成藏最為關(guān)鍵。據(jù)測(cè)定，成莊井田3號(hào)煤變質(zhì)程度高，煤中孔隙系統(tǒng)極為發(fā)育，特別是微孔(占比51.99%)和過渡孔(22.18%)最為發(fā)育[19]，為煤層氣吸附儲(chǔ)集提供了良好空間和有利條件。

2.2.2 煤層氣儲(chǔ)集能力

因煤體表面存在不飽和能，遇到非極性分子時(shí)會(huì)產(chǎn)能“范德華力”，在煤體基質(zhì)表面及其附近會(huì)存在引力和吸附場(chǎng)[20]，使得大量甲烷分子吸附在煤孔隙基質(zhì)表面和孔隙基質(zhì)塊內(nèi)表面。因此，煤被視為甲烷的天然吸附載體。為了定量評(píng)價(jià)煤的吸附儲(chǔ)集能力，常用吸附量參數(shù)來(lái)描述和表征[21]?！胺兜氯A力”僅在分子表面起作用，不會(huì)涉及外層分子，故甲烷在煤孔隙基質(zhì)表面為單層吸附，其吸附過程及吸附量大小可用Langmuir方程(朗格繆爾方程)來(lái)描述和表征[21]。Langmuir方程在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，它是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、臨界解吸壓力估算、煤層氣采收率計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。其表達(dá)式如下：

V=VLP/(PL+P)

式中：V為在試驗(yàn)壓力P條件下煤吸附甲烷量，m3/t；VL為煤對(duì)甲烷的最大吸附量(或Langmuir體積)，m3/t；P為試驗(yàn)氣體壓力，MPa；PL為吸附量達(dá)到最大吸附量一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的平衡氣體壓力，MPa。

為了定量評(píng)價(jià)成莊井田3號(hào)煤對(duì)甲烷分子的儲(chǔ)集能力，采用高壓等溫條件下對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行了煤吸附甲烷能力試驗(yàn)研究(表2)。在Langmuir壓力3.16～3.12 MPa條件下，空氣干燥基煤樣對(duì)甲烷的最大吸附量(VL)為44.15～45.46 m3/t，平均44.81 m3/t；干燥無(wú)灰基煤樣對(duì)甲烷的最大吸附量(VL)為51.94～52.82 m3/t，平均52.38 m3/t。

可見，因成莊井田3號(hào)煤中過渡孔和微孔隙過渡發(fā)育，煤孔表面積大、吸附甲烷分子強(qiáng)，使得該研究煤層對(duì)甲烷的吸附量非常之大，是煤層氣吸附儲(chǔ)集成藏的良好儲(chǔ)層。

表2 成莊井田3號(hào)煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 蓋層封閉保存條件

2.3.1 煤層埋藏深度

煤層埋深是指煤層頂板至地面的垂直距離，在眾多的地質(zhì)因素中，煤層埋深被認(rèn)為是最具普遍性的因素之一。煤層埋深越大，上覆蓋層越厚，地應(yīng)力隨之增加而使得圍巖的滲透性能降低，煤層氣向地表運(yùn)移距離增加、難度增加，煤層氣不易移散散失。一般而言，在甲烷帶隨著煤層埋深增加，瓦斯含量越大，反之亦然[22-24]。成莊井田范圍內(nèi)3號(hào)煤層無(wú)露頭，煤層埋藏深度一般在300～900 m之間，多在500 m左右，煤層埋深和瓦斯含量具有較好的線性相關(guān)性(關(guān)系式：y=0.023 4x+1.113 04,R2=0.57)。該深度范圍內(nèi)，3號(hào)煤層氣氣體組分以CH4(94.84%～98.58%，平均96.81%)為主，N2(1.00%～4.69%，平均2.79%)次之，CO2(0.31%～0.45%，平均0.38%)最少(表3)?？梢?，成莊井田3號(hào)煤層氣的烴類氣體含量高，煤層地處甲烷帶深度內(nèi)(甲烷帶深度約260 m)，煤層埋深越大，越有利于煤層氣吸附儲(chǔ)集成藏[25]。

2.3.2 圍巖巖性及其組合特征

煤層圍巖系指煤層上下鄰近的頂?shù)装?，包括偽頂、直接頂及老頂，直接底和老底。成煤環(huán)境及其演化控制著煤層圍巖的巖性及其組合特征、煤巖透氣性、煤厚及分布等[26]。沁水煤田二疊系下統(tǒng)山西組地層形成于海陸交互相的過渡環(huán)境下三角洲和濱淺湖體系，三角洲沉積建設(shè)時(shí)期為三角洲前緣和下三角洲平原沉積，受到潮汐和河流的雙重影響[27]，地層巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。成莊井田3號(hào)煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，據(jù)采礦及勘探鉆孔揭露資料顯示，3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性基本為炭質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)巖，其中，頂板泥質(zhì)巖厚度一般在6.16～10.37 m，平均8.32 m；底板泥質(zhì)巖厚度7.62～12.49 m，平均厚度為9.58 m?？梢钥闯觯汕f井田3號(hào)煤層圍巖主要為泥質(zhì)巖且厚度較大，圍巖的完整性較好且致密、低孔、低滲，為煤層氣提供良好的封蓋條件，有利于煤層氣保存和富集成藏。

表3 成莊井田3號(hào)煤層氣氣體組分測(cè)定結(jié)果

2.3.3 構(gòu)造封閉性能

在眾多影響煤層氣成藏的地質(zhì)因素中，構(gòu)造作用影響最為關(guān)鍵，整個(gè)成煤階段地質(zhì)構(gòu)造及其演化特征對(duì)煤與煤層氣生成具有決定控制作用[28]，構(gòu)造變動(dòng)形成的各類地質(zhì)構(gòu)造因所受應(yīng)力狀態(tài)不同，造成構(gòu)造對(duì)煤層氣的封閉性能各異。拉張應(yīng)力形成的構(gòu)造對(duì)煤層氣的封閉保存能力差，被稱之為“開放型構(gòu)造”。擠壓、壓扭性構(gòu)造對(duì)煤層氣具有良好的封閉保存能力，被謂之“封閉型構(gòu)造”。

成莊井田山西組含煤地層在整個(gè)煤化作用階段先后經(jīng)歷了印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造變動(dòng)及其演化作用，各個(gè)期次相應(yīng)地形成系列構(gòu)造類型，當(dāng)前構(gòu)造的形態(tài)、組合形式及分布規(guī)律都是各個(gè)期構(gòu)造變動(dòng)作用所疊加所致[29]。印支期在近SN向擠壓應(yīng)力作用下，在井田內(nèi)形成了部分軸向近EW向展布的寬緩褶曲和部分逆斷層，印支運(yùn)動(dòng)期構(gòu)造變動(dòng)總體不強(qiáng)烈，對(duì)煤層氣成藏影響較弱。燕山運(yùn)動(dòng)期受NWW-SEE向近水平擠壓應(yīng)力作用，井田內(nèi)形成了軸向NE-NNE的一些寬緩背、向斜和高角度正斷層，該期構(gòu)造變動(dòng)較為強(qiáng)烈，總體奠定了成莊井田3號(hào)煤層氣的賦存規(guī)律。喜山運(yùn)動(dòng)期受NE-SW向水平構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用和NW-SE向伸展作用，井田內(nèi)主要發(fā)育NW向次級(jí)褶曲和斷裂構(gòu)造。

總體來(lái)看，成莊井田地層平緩且連續(xù)完整，井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度總體為簡(jiǎn)單型，構(gòu)造主要為寬緩褶曲，斷層少量，陷落柱稀少。斷層基本為小型或?qū)娱g斷層，未溝通上覆和下伏含水層，并在層間形成水力聯(lián)系。除個(gè)別陷落柱發(fā)育區(qū)外，井田內(nèi)褶皺和斷層構(gòu)造密封性總體較好，同時(shí)，西邊有具有走滑性質(zhì)且斷層面緊閉的寺河斷層，北部與沁水煤田深部地層接觸?？梢钥闯?，成莊井田構(gòu)造格局總體對(duì)煤層氣具有良好的封閉保存能力，是煤層氣成藏的重要地質(zhì)因素。

2.3.4 地下水徑流特征

煤層氣和地下水共儲(chǔ)于煤孔隙中，地下水動(dòng)力條件(或徑流特征)對(duì)煤層氣具有保存和逸散雙重控制作用，一般而言，地下水徑流強(qiáng)容易驅(qū)動(dòng)溶解于水中的煤層氣運(yùn)移散失，不利于煤層氣保存，煤層含氣量往往較低。而地下水弱徑流或停滯狀態(tài)，對(duì)煤層氣往往起到水力封堵或封閉作用，煤層氣易于保存和富集成藏[30-31]。

成莊井田含水層組主要有四套，自上而下依次為：第四系沖積層孔隙含水層及風(fēng)化帶裂隙含水層、二疊系山西組和上下石盒子組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層，除第四系基巖風(fēng)化帶裂隙含水和奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性為中等-強(qiáng)富水含水層外，其他含水層均為弱富水含水層。各含水層間具有多層致密完整的泥巖和砂質(zhì)泥巖存在，隔水性能好，為井田含煤地層與各含水層間良好的隔水層。

以大寧井田-潘莊井田為中心，以樊莊地區(qū)為斜坡地帶形成了一個(gè)等勢(shì)低地。成莊井田位于“等勢(shì)低地”區(qū)域內(nèi)，地下水礦化度高(一般在1 158～2 000 mg/L之間)，水質(zhì)為微咸水?？梢钥闯觯汕f井田含水層富水性總體較弱，地下水動(dòng)力條件差，基本為弱徑流狀態(tài)，不易驅(qū)動(dòng)煤層氣運(yùn)移移散。同時(shí)，在井田中部、西部為3號(hào)煤層帶壓開采區(qū)，奧陶系承壓地下水對(duì)煤層氣起到一定封堵作用，有利于煤層氣保存和富集成藏。

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 煤層氣成藏過程極其復(fù)雜，其成藏主要受煤層生烴、煤層氣儲(chǔ)集、蓋層封蓋保存條件及其耦合作用所控制。

2) 良好的生烴條件是煤層生烴和煤層氣成藏的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。成莊井田3號(hào)煤層中具有生烴物質(zhì)，這些生烴物質(zhì)在煤化過程中受熱變質(zhì)作用，促使其生烴，提高了生烴量和生烴率。

3) 有利的儲(chǔ)集條件是煤層氣成藏之保障。成莊井田3號(hào)煤變質(zhì)程度高，煤中過渡孔和微孔隙極其發(fā)育，為煤層氣吸附儲(chǔ)集提供了大量空間或場(chǎng)所，吸附能力強(qiáng)、煤層氣吸附儲(chǔ)集量大。

4) 良好的封蓋保存條件是煤層氣成藏的根本。適宜的埋藏深度、致密完整的泥質(zhì)巖類發(fā)育、封閉型構(gòu)造發(fā)育、地下水徑流弱和滯留狀態(tài)，為成莊井田3號(hào)煤層氣成藏提供了良好的封蓋保存條件。