張　凱

（山西省煤炭地質局114勘查院，山西長治046011）

柿莊北煤層氣含量影響因素分析

張凱*

（山西省煤炭地質局114勘查院，山西長治046011）

柿莊北位于沁水盆地深部，結合實際勘探資料，分析了煤變質程度、煤層厚度、圍巖巖石類型、埋藏深度、地質構造和水文地質對3#煤層和15-2#煤層含氣量的影響作用。區(qū)內煤層是高變質無煙煤，氣含量較高。煤層厚度和圍巖巖石類型對煤層氣影響不明顯；煤層埋深與含氣量之間呈一定的正相關關系。地質構造和水文地質是如今煤層氣含量賦存分布的主要控制因素。

煤層氣；含氣量；影響因素；柿莊北

柿莊北地處山西省沁水縣、高平市和長子縣三縣交界處，位于柿莊的東北部，大部分在沁水縣境內。地貌區(qū)劃屬剝蝕、侵蝕山地，為中低山區(qū)。地形復雜，山巒疊嶂，山谷發(fā)育，林木繁茂。地形總趨勢西北高東南低。

1　含煤地層概況

研究區(qū)位于沁水煤田南部，與晉東南地區(qū)地層沉積規(guī)律一致，以元古界為結晶基底，向上依次沉積了下古生界（寒武系、奧陶系）、上古生界（石炭系、二疊系）、中生界（三疊系），第四系分布于山梁及溝谷中。含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。主要可采煤層為3#煤層和15-2#煤層。3#煤層厚度2.22～6.65m，平均5.66m。15-2#煤層厚度1.50～4.54m，平均2.99m。

2　煤層氣含量影響因素分析

2.1煤變質程度

煤的變質程度越高，累計生成的甲烷就越多；同時煤的孔隙內表面積逐漸增大，煤層對甲烷的吸附量呈逐漸增高的趨勢［1-2］。這是高變質煤含氣量通常較高的原因之一。研究區(qū)3#煤的鏡質組最大反射率Ro，max= 2.98%；15-2#煤的鏡質組最大反射率Ro，max=2.93%。屬高變質無煙煤。研究區(qū)煤層都經歷了前期生氣高峰［3］，現(xiàn)存含氣量普遍較高。3#煤層含氣量平均11.36m3/t，15-2#煤層含氣量平均9.83m3/t。

2.2煤層厚度

此次對井田內鉆孔的3#和15-2#煤層厚度與煤層含氣量數(shù)據進行了統(tǒng)計，并繪制了散點圖（見圖1、圖2）。井田內3#煤層含氣量變化范圍3.95～19.30m3/t，15-2#煤層含氣量變化范圍4.76～21.03m3/t。

圖1　3#煤層厚度與含氣量的關系

圖2　15-2#煤層厚度與含氣量的關系

圖中可見，3#煤層厚度主要集中在5～7m，含氣量的峰值和低谷值均在此區(qū)域內。15-2#煤層厚度主要集中在3～6m。本區(qū)內煤層厚度的大小與含氣量之間沒有明顯的相關性。煤層厚，含氣量不一定高，厚度在本區(qū)內對煤層的含氣量影響不甚明顯。

2.3圍巖巖石類型

研究區(qū)3#、15-2#煤層頂板大多為泥巖、砂質泥巖；3#煤層局部頂板為砂巖，15-2#煤層局部頂板為灰?guī)r，見表1。3#煤層平均含氣量隨頂板巖性不同，并無表現(xiàn)出明顯的差異性，平均含氣量接近。但頂板是泥巖或砂質泥巖時，煤層含氣量最大值高于砂巖最大值。在同等條件下，前者較后者對煤層氣保存有利［4］。當頂板同為泥巖或砂質泥巖時，15-2#煤層平均含氣量略低于3#煤層。

表1　煤層含氣量與頂板巖性的關系

2.4埋藏深度

研究區(qū)3#、15-2#煤層經歷了海西—印支期的沉降埋深、印支—燕山早期的抬升剝蝕、燕山中—晚期的快速抬升和喜馬拉雅期的埋深持續(xù)減小，至新近紀末期接受第四系沉積4個階段。沉積歷史時期過程中，煤層最大埋深可達4500m，經歷幾個階段的抬升剝蝕，目前3#煤層埋深712.16～1041.37m，平均 839.26m；15-2#煤層埋深818.40～1162.39m，平均948.90m。上覆第四系地層厚0～50m。由圖3和圖4可見，3#煤層含氣量隨著埋藏深度的加深而增大，在850m左右出現(xiàn)拐點，開始下降；同樣，15-2#煤層含氣量隨著埋藏深度的加深而增大，但在1000m左右出現(xiàn)拐點開始下降。經過分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)拐點是因為這幾個樣品附近發(fā)育有斷層，導致煤層氣的分布發(fā)生改變。因而區(qū)內埋深和含氣量總體是正相關關系。

2.5地質構造

本區(qū)總體構造為向西北傾的單斜，產狀總體較為平緩，發(fā)育斷層4條，未發(fā)現(xiàn)陷落柱存在和巖漿巖的侵入，構造簡單。構造作用的表現(xiàn)形式有褶皺和斷層。在本區(qū)，褶皺對含氣量的作用主要體現(xiàn)在影響煤層深度的分布，靠近核部的含氣量低于翼部。同時，分布于斷層附近的煤層含氣量較低，說明研究區(qū)的斷層是良好的導氣通道，造成煤層甲烷沿斷層破碎帶運移，不利于煤層氣的保存。這主要是因為本區(qū)的斷層大多為張性斷層，斷層面附近由于構造應力釋放而成為低壓區(qū)，煤層甲烷得以大量解吸，逸散，使煤層含氣量急劇下降［5-6］。

圖3　3#煤層埋深與含氣量的關系

圖4　15-2#煤層埋深與含氣量的關系

2.6水文地質

煤系水文地質條件是煤層氣富集的主控因素之一。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤基質中，部分以游離態(tài)和水溶態(tài)形式存在。地下水動力條件對煤層氣的解吸、溶解、運移和富集成藏有重要的影響作用。

研究區(qū)內，對3#煤層有影響的含水層主要是山西組裂隙承壓直接充水含水層，主要由中細粒砂巖組成，以構造裂隙為主。對15-2#煤層有影響的含水層是太原組碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層與下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。太原組含水層易于下伏奧陶系強徑流帶產生水力聯(lián)系，因而太原組的煤系水動力條件往往強于上部的山西組煤系。

太原組的煤系埋藏深度大于山西組煤系。理論上，太原組的15-2#煤層的含氣量應該高于山西組3#煤層，但實際情況卻相反（前文巖石類型一節(jié)中已經發(fā)現(xiàn)，太原組含氣量在同等頂板巖性條件下，低于山西組）。井田內3#煤層平均含氣量11.36m3/t，而太原組15-2#煤層平均含氣量9.83m3/t，見圖5。在研究區(qū)內，同樣存在地下水動力強，含氣量相對低；水動力弱，含氣量相對高的現(xiàn)象［7-9］。

圖5　3#煤層和15-2#煤層含氣量對比圖

3　結論

（1）研究區(qū)3#和15-2#煤層屬于高變質無煙煤，生氣量不是影響現(xiàn)今含氣量分布的主要原因。煤層厚度對煤層氣含量影響并不明顯，同樣巖石類型在本區(qū)內對含氣量分布不是主要影響因素。

（2）煤層含氣量基本上隨煤層埋深增加而增大，之所以出現(xiàn)下降是因為斷層的影響。構造是研究煤層氣富集的關鍵，研究區(qū)屬于向斜控氣作用；區(qū)內斷層形成了煤層氣運移的良好通道，煤層甲烷得以大量逸散，使煤層含氣量急劇下降。

（3）在本區(qū)，水文地質條件對含氣量的影響非常明顯。由于奧灰水的影響改變了太原組水動力條件，導致區(qū)內出現(xiàn)太原組15-2#煤層含氣量低于山西組3#煤層的現(xiàn)象。

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A

1004-5716（2016）04-0169-03

2015-04-23

2015-04-24

張凱（1986-），男（漢族），河南洛陽人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地質、水文地質和煤層氣方向的研究工作。