劉昊承

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，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]。我國煤層氣資源豐富，據(jù)全國煤層氣資源評價資料顯示，2 000 m以淺的煤層氣資源地質(zhì)儲量為30.1×1012m3，可采儲量12.5×1012m3[2]。煤層氣的成藏過程極為復雜，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、儲層儲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)，儲集是保障，封蓋保存是根本，三者有機匹配是煤層氣成藏之關(guān)鍵[3-5]。我國煤礦區(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)預測及評價、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、煤層氣儲集和蓋層封蓋保存條件，對成莊井田3號煤層氣成藏條件進行分析，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%。煤層編號自上而下依次為：1、2、3、5、6、7、8、9、11、13、14、15、16號，其中，3、15號為全井田穩(wěn)定可采煤層，9號煤層為較穩(wěn)定大部分可采煤層。本文所研究的3號位于山西組下部，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)簡單，為當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)儲量豐度)、資源量大小、礦井瓦斯涌出量及礦井瓦斯等級等。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價等備受關(guān)注的研究點之一。學者們對煤生烴的物源已開展了大量理論攻關(guān)和實驗研究工作，得出煤中有機顯微組分是煤生烴的基本物質(zhì)，成煤過程中煤變質(zhì)時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)定性和鏈長等方面存在差異，進而控制著演化范圍、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。

通過煤顯微組分測定結(jié)果顯示(表1)，成莊井田3號煤的顯微組分基本為有機顯微組分(84.8%～98.53%，平均94.68%)，無機顯微組分少量(3.28%～12.80%，平均5.32%)。煤中有機顯微多為鏡質(zhì)組(含半鏡質(zhì)組)，絲質(zhì)組少量，因為煤變質(zhì)程度較高，殼質(zhì)組無法辨識。無機顯微組分以分散狀、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號煤中有機顯微組分豐富，為煤生烴提供充裕物源保障，不同有機顯微組分在煤化作用過程中各自生烴量的疊加進而決定了煤的生烴能力和生烴量[10]。

表1 成莊井田3號煤顯微組分測定結(jié)果

2.1.2 生烴動力

煤生烴動力研究是煤生烴潛力定性、定量評價的關(guān)鍵內(nèi)容之一，目前，國內(nèi)外學者在煤成烴動力學模型、煤成烴特征認識、成烴動力學參數(shù)運用和煤成烴機理等方面已開展了許多研究工作, 認為熱能是促進煤發(fā)生變質(zhì)作用和煤生烴的動力[11-12]。煤生烴熱模擬試驗表明，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，整個成煤階段經(jīng)歷了四個地質(zhì)歷史時期熱演化作用，為煤生烴提供了良好的動力源[13]。沁水煤田在晚石炭世-晚三疊世地史時期經(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號煤主要發(fā)生深成熱變質(zhì)作用，煤級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)歷第二個熱演化作用，燕山期早期，沁水煤田地質(zhì)構(gòu)造活動強烈，導致煤田內(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，但煤系發(fā)生了抬升，煤系上覆巖層遭受風化、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，沁水煤田進入第三個熱演化階段，該階段巖漿熱變質(zhì)作用強烈，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，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182～263 ℃)，煤系在長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-新生代進入第四個熱演化階段，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力，提高了煤變質(zhì)程度，井田3號煤為無煙煤三號(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 煤層氣儲集條件

2.2.1 煤層氣儲集空間

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集、解吸、擴散及滲流的場所或空間。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)儲集于煤基質(zhì)孔隙表面[15]。煤層氣要吸附儲集成藏，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移(解吸、擴散、滲流)、煤層氣儲集性能、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煤層氣吸附儲集和運移控制最為顯著。煤層氣在大孔中主要以為紊流和劇烈層流方式運移，在中孔中主要表現(xiàn)為緩慢紊流滲透方式運移，在過渡孔中主要表現(xiàn)為毛細管凝聚、吸附和擴散方式運移，微孔中煤層氣主要表現(xiàn)為吸附儲集[18]。可以看出，煤中微孔及過渡孔發(fā)育程度對煤層氣吸附儲集成藏最為關(guān)鍵。據(jù)測定，成莊井田3號煤變質(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]，為煤層氣吸附儲集提供了良好空間和有利條件。

2.2.2 煤層氣儲集能力

因煤體表面存在不飽和能，遇到非極性分子時會產(chǎn)能“范德華力”，在煤體基質(zhì)表面及其附近會存在引力和吸附場[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。為了定量評價煤的吸附儲集能力，常用吸附量參數(shù)來描述和表征[21]?！胺兜氯A力”僅在分子表面起作用，不會涉及外層分子，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)來描述和表征[21]。Langmuir方程在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應用較為廣泛，它是煤層氣儲層評價、臨界解吸壓力估算、煤層氣采收率計算的關(guān)鍵參數(shù)。其表達式如下：

V=VLP/(PL+P)

式中：V為在試驗壓力P條件下煤吸附甲烷量，m3/t；VL為煤對甲烷的最大吸附量(或Langmuir體積)，m3/t；P為試驗氣體壓力，MPa；PL為吸附量達到最大吸附量一半時所對應的平衡氣體壓力，MPa。

為了定量評價成莊井田3號煤對甲烷分子的儲集能力，采用高壓等溫條件下對3號煤層進行了煤吸附甲烷能力試驗研究(表2)。在Langmuir壓力3.16～3.12 MPa條件下，空氣干燥基煤樣對甲烷的最大吸附量(VL)為44.15～45.46 m3/t，平均44.81 m3/t；干燥無灰基煤樣對甲烷的最大吸附量(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，使得該研究煤層對甲烷的吸附量非常之大，是煤層氣吸附儲集成藏的良好儲層。

表2 成莊井田3號煤的等溫吸附實驗結(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，地應力隨之增加而使得圍巖的滲透性能降低，煤層氣向地表運移距離增加、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號煤層無露頭，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)?？梢姡汕f井田3號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、細砂巖。成莊井田3號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?，成莊井田3號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號煤層氣氣體組分測定結(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，整個成煤階段地質(zhì)構(gòu)造及其演化特征對煤與煤層氣生成具有決定控制作用[28]，構(gòu)造變動形成的各類地質(zhì)構(gòu)造因所受應力狀態(tài)不同，造成構(gòu)造對煤層氣的封閉性能各異。拉張應力形成的構(gòu)造對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煤化作用階段先后經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜山運動構(gòu)造變動及其演化作用，各個期次相應地形成系列構(gòu)造類型，當前構(gòu)造的形態(tài)、組合形式及分布規(guī)律都是各個期構(gòu)造變動作用所疊加所致[29]。印支期在近SN向擠壓應力作用下，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，印支運動期構(gòu)造變動總體不強烈，對煤層氣成藏影響較弱。燕山運動期受NWW-SEE向近水平擠壓應力作用，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)造變動較為強烈，總體奠定了成莊井田3號煤層氣的賦存規(guī)律。喜山運動期受NE-SW向水平構(gòu)造擠壓應力作用和NW-SE向伸展作用，井田內(nèi)主要發(fā)育NW向次級褶曲和斷裂構(gòu)造。

總體來看，成莊井田地層平緩且連續(xù)完整，井田內(nèi)構(gòu)造復雜程度總體為簡單型，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，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?？梢钥闯觯汕f井田構(gòu)造格局總體對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于煤孔隙中，地下水動力條件(或徑流特征)對煤層氣具有保存和逸散雙重控制作用，一般而言，地下水徑流強容易驅(qū)動溶解于水中的煤層氣運移散失，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等勢低地。成莊井田位于“等勢低地”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，地下水動力條件差，基本為弱徑流狀態(tài)，不易驅(qū)動煤層氣運移移散。同時，在井田中部、西部為3號煤層帶壓開采區(qū)，奧陶系承壓地下水對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

1) 煤層氣成藏過程極其復雜，其成藏主要受煤層生烴、煤層氣儲集、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) 有利的儲集條件是煤層氣成藏之保障。成莊井田3號煤變質(zhì)程度高，煤中過渡孔和微孔隙極其發(fā)育，為煤層氣吸附儲集提供了大量空間或場所，吸附能力強、煤層氣吸附儲集量大。

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號煤層氣成藏提供了良好的封蓋保存條件。