陳 波 張小萌 宋一民

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 710021)

永隴礦區(qū)屬于黃隴侏羅紀(jì)煤田的西部礦區(qū)，開發(fā)利用程度相對(duì)較低，主要在產(chǎn)的招賢煤礦、郭家河煤礦、崔木煤礦均為高瓦斯礦井。丈八井田位于永隴礦區(qū)北部，先后通過(guò)煤田地質(zhì)勘探及煤層氣勘查，表明區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，主要煤層賦存穩(wěn)定，屬氮?dú)狻託鈳?，開采技術(shù)條件較好，現(xiàn)處于礦井建設(shè)階段，依據(jù)《陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)總體規(guī)劃》建成后產(chǎn)量將達(dá)1.5Mt/a，本次主要利用在區(qū)內(nèi)施工的31個(gè)瓦斯鉆孔和2口煤層氣參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合化驗(yàn)測(cè)試資料及地質(zhì)分析，研究探討煤層氣賦存特征及其控氣地質(zhì)因素，為煤炭資源開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

丈八井田地層屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯地層分區(qū)，地表基本被新近系和第四系覆蓋，溝谷零星出露有白堊系地層，地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)銅川組、侏羅系下統(tǒng)富縣組、侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組、羅漢洞組，新近系及第四系。

研究區(qū)含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組，以河流沼澤環(huán)境沉積為主，厚度一般30～50m，自上而下劃分為兩個(gè)含煤段，即：延安組第二段和第一段，巖性主要為灰～深灰色細(xì)粒砂巖、粉砂巖、及泥巖與灰白色中粗粒砂巖互層狀，夾炭質(zhì)泥巖及煤層。主要可采煤層共兩層，均為大部可采的較穩(wěn)定煤層，其中：2號(hào)煤層位于延安組第二段中部，厚度 0.30～4.95m，平均厚度1.88m，3號(hào)煤層位于延安組第一段中下部，厚度0.55～21.61m，平均厚度8.50m。煤類均屬低～中灰、特低硫、高熱值的不粘煤。

1.2 構(gòu)造

永隴礦區(qū)構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地西南邊緣渭北撓褶帶北部，研究區(qū)位于其二級(jí)構(gòu)造單元廟彬凹陷西部的麟游折帶主體部位(圖1)，地表大面積被黃土層覆蓋，溝谷中出露的白堊系地層產(chǎn)狀較為平緩，其深部侏羅系隱伏構(gòu)造總體為走向NE，傾向NW-NNW的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育一些寬緩不連續(xù)的褶曲，北部發(fā)育一條北西向的丈八-天堂正斷層，斷層傾向NNE，傾角50°，落差100～200m，構(gòu)造總體簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖活動(dòng)跡象。

2 煤層氣賦存特征

2.1 含氣性特征

據(jù)區(qū)內(nèi)以往瓦斯鉆孔和煤層氣參數(shù)井測(cè)試成果(表1)：2號(hào)煤層含氣量為0.40～0.77m3/t，平均含氣量為0.60m3/t，煤層氣主要富集在南部賦煤帶內(nèi)(圖2)，含氣量較穩(wěn)定；3號(hào)煤層含氣量為0.20～0.94m3/t，平均含氣量為0.63m3/t，主要富集南部和中部賦煤帶，其中南部賦煤帶煤層氣含量相對(duì)較高，受斷層影響，北部賦煤帶煤層氣含量很低(圖3)。

表1 煤層氣含量分析結(jié)果

圖2 2號(hào)煤層含氣量等值線圖

圖3 3號(hào)煤層含氣量等值線圖

2.2 吸附性特征

煤層的吸附性決定著煤層氣儲(chǔ)集和解析難易程度的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)煤層氣參數(shù)井測(cè)試樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，用VL(Langmuir體積)、PL(Langmuir壓力)和等溫吸附曲線來(lái)表征。測(cè)試結(jié)果(表2)表明： 2煤空氣干燥基VL=7.60～7.63mL/g， 平均值7.61mL/g，PL=2.81～2.96MPa，平均2.88MPa；3煤空氣干燥基VL=8.09～8.99mL/g，平均值8.73mL/g，PL=2.89～3.29MPa，平均3.13MPa；反映區(qū)內(nèi)煤層具有較好的吸附性，壓力相對(duì)較低，且干燥無(wú)灰基條件下的吸附能力高于空氣干燥基條件下。

煤儲(chǔ)層的吸附量隨著壓力的變化呈現(xiàn)出明顯的階段性。2號(hào)煤等溫吸附曲線(圖4)可以看出：在壓力1.7MPa之前，隨著壓力的增達(dá)吸附量變化較明顯；3號(hào)煤等溫吸附曲線(圖5)可以看出：在壓力1.8MPa之前，隨著壓力的增高吸附量變化較明顯。表明煤儲(chǔ)層在低壓區(qū)吸附量相對(duì)較大，隨著壓力增大煤的吸附量逐漸減少，煤層具有一定的吸附能力，但煤層氣的解吸難度相對(duì)較大。

圖4 2號(hào)煤層等溫吸附曲線

圖5 3號(hào)煤層等溫吸附曲線

2.3 煤巖特征

宏觀煤巖特征：2號(hào)煤層以暗煤為主，次為亮煤，夾鏡煤條帶，以半暗型煤為主；3號(hào)煤層以亮煤、暗煤為主，夾鏡煤條帶，以半亮型煤為主。

顯微煤巖特征：2號(hào)煤層有機(jī)組分平均值96.3%，以惰質(zhì)組為主，平均78.2%，鏡質(zhì)組次之，平均17.0%；3號(hào)煤層有機(jī)組分平均值95.53%，其中以鏡質(zhì)組為主，平均52.50%，惰質(zhì)組次之，平均42.36%。表明：煤層中有機(jī)組分含量較高，無(wú)機(jī)組分較低。

2號(hào)煤層鏡質(zhì)組最大反射率為0.52%，3號(hào)煤層鏡質(zhì)組最大反射率介于0.52%～0.713%之間，均屬Ⅰ變質(zhì)階段煙煤。

2.4 孔隙特征

煤的孔隙和裂隙是煤層氣解吸后擴(kuò)散和滲流的通道，因此煤的孔隙特征是影響煤層氣吸附～解吸、擴(kuò)散和滲流特性的重要因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤的孔徑結(jié)構(gòu)做過(guò)研究，其中應(yīng)用最為廣泛的是霍多特的十進(jìn)制分類系統(tǒng)將煤孔隙分成大孔(孔徑>1000nm)、中孔(孔徑100～1000nm)、小孔(孔徑10～100nm)和微孔(孔徑<10nm)，微孔和小孔構(gòu)成煤的吸附容積，中孔和大孔構(gòu)成煤的滲透系統(tǒng)，其中的甲烷幾乎全部處于游離狀態(tài)。

采用液氮吸附試驗(yàn)對(duì)主采煤層煤樣孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析測(cè)試，孔隙表面積采用BET模型解釋，孔隙體積采用BJH模型解釋，孔徑采用BET模型解釋，測(cè)試結(jié)果見表3，表明區(qū)內(nèi)煤層孔隙特征是以微孔發(fā)育為主要特征，孔隙比表面積與孔隙直徑具有負(fù)相關(guān)關(guān)系特征，說(shuō)明煤層具有較好的吸附能力。

表3 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)液氮吸附試驗(yàn)結(jié)果

2.5 滲透率

滲透率是煤儲(chǔ)層的一個(gè)主要物性指標(biāo)，是煤層氣運(yùn)移產(chǎn)出的控制因素，基于我國(guó)煤儲(chǔ)層具有低壓、低滲特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者將我國(guó)煤儲(chǔ)層分為高滲透率煤儲(chǔ)層(k>1mD)，中滲透率煤儲(chǔ)層(1mD>k>0.1mD)，低滲透率煤儲(chǔ)層(k﹤0.1mD)。通過(guò)對(duì)煤層氣參數(shù)井采用注入/壓降法進(jìn)行試井，2號(hào)煤層試井一層次，3號(hào)煤層試井兩層次，結(jié)果表明：2號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力為1.27MPa，3號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力為3.24MPa，均屬于低壓煤儲(chǔ)層；2號(hào)煤層滲透率為0.06mD， 3號(hào)煤層滲透率為0.01～0.11mD，均屬低滲透率煤儲(chǔ)層。表明區(qū)內(nèi)煤層屬于低壓力低滲透率煤儲(chǔ)層，不利于煤層氣解吸后的滲流。

3 控氣因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造，構(gòu)造的不同部位，不同力學(xué)性質(zhì)和封閉情況形成了有利于煤層氣賦存或逸散的不同條件，封閉性地質(zhì)構(gòu)造有利于煤層氣賦存，開放性地質(zhì)構(gòu)造有利于煤層氣逸散排放。

三疊紀(jì)末期的印支運(yùn)動(dòng)形成了研究區(qū)煤系地層的基底構(gòu)造，并且對(duì)侏羅系各組沉積控制明顯，一般凹陷區(qū)沉積厚，隆起區(qū)沉積薄，燕山運(yùn)動(dòng)早期也繼承了印支期構(gòu)造特點(diǎn)，中侏羅世延安組沉積后受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，地殼下沉幅度不均衡使導(dǎo)致延安組和直羅組沉積間斷，造成延安組第五段至第三段普遍遭到剝蝕，一般僅沉積延安組第一段和第二段。由于不同時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了研究區(qū)以寬緩的起伏為近東西向?yàn)橹鞯膬杀橙虻臉?gòu)造格局，煤系地層發(fā)育于向形坳陷構(gòu)造中，而在背形軸部缺失沉積，煤層氣資源分布受煤層分布范圍的控制明顯。

由于延安組沉積后地層整體抬升不均勻，煤層上覆地層遭受剝蝕后，造成煤層含氣飽和度降低，上覆地層壓力減小，煤層氣也發(fā)生解吸逸散，由圖6可以看出在向形軸部賦煤條件較好的地方煤層氣含量相對(duì)較高，同時(shí)在斷層附近的煤層沉積厚度較小煤層含量也很低。主要是地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的分布控制明顯，直接關(guān)系到煤層的含氣飽和度，同時(shí)影響煤層氣的保存條件。

圖6 構(gòu)造部位與煤層氣含量關(guān)系

3.2 煤的變質(zhì)作用

3.3 水文地質(zhì)

地下水系統(tǒng)通過(guò)地層壓力對(duì)煤層氣吸附聚集起控制作用，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣賦存、運(yùn)移影響很大。水和游離態(tài)煤層氣同屬于流體，其賦存受圍巖孔隙與裂隙等影響，地下水的流動(dòng)不僅驅(qū)動(dòng)了孔隙和裂隙中自由態(tài)煤層氣的運(yùn)移，同時(shí)也帶動(dòng)了溶解于水中的煤層氣一起運(yùn)移，水動(dòng)力越強(qiáng)則越不利于煤層氣的富集。

構(gòu)成研究區(qū)地下水系統(tǒng)為層狀裂隙承壓含水層，主要為：白堊系下統(tǒng)洛河組中粗砂巖裂隙含水層，侏羅系中統(tǒng)直羅組砂巖裂隙承壓含水層，侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層。含水層之間廣泛存在白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖相對(duì)隔水層、侏羅系中統(tǒng)安定組泥巖隔水層，隔水層將區(qū)內(nèi)兩大主要含水層隔離為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水層。

研究區(qū)白堊系下統(tǒng)洛河組全區(qū)分布，含水巖性以中～粗粒砂巖及細(xì)粒砂巖為主，含水層平均厚度40m，含水層厚度與水量呈正向相關(guān)；侏羅系中統(tǒng)直羅組含水層以灰綠色中、粗砂巖為主，全區(qū)分布，含水層厚度一般25m，受地構(gòu)造控制明顯，在向形坳陷沉較全，而在背形軸部遭受剝蝕變??；侏羅系中統(tǒng)延安組含水巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖，局部地段為中粒砂巖，一般厚度40m，沉積受到構(gòu)造控制明顯，與煤層沉積具明顯的正向相關(guān)。通過(guò)水文孔抽水試驗(yàn)(表4)，洛河組中粗砂巖裂隙含水層屬富水性弱含水層，水化學(xué)類型為HCO3·Cl-Na·Mg型；直羅組砂巖裂隙承壓含水層屬富水性弱含水層，水化學(xué)類型為Cl-Na型；延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層屬富水性弱含水層，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Na型。表明：區(qū)內(nèi)主要含水層均屬富水性弱含水層，在水質(zhì)類型上各自明顯不同，因此含水層之間不具明顯的水力關(guān)系。

表4 主要含水層抽水試驗(yàn)成果表

煤層直接充水含水層為延安組煤層及砂巖裂隙承壓含水層，受埋藏條件和地質(zhì)構(gòu)造控制，延安組裂隙承壓水的補(bǔ)給以側(cè)向補(bǔ)給為主，主要是通過(guò)區(qū)外的深層斷裂構(gòu)造導(dǎo)水帶補(bǔ)給，但補(bǔ)給量很小，導(dǎo)水性差，因此含水量也很微弱、流速也很緩慢，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Na型，礦化度較低，有利于次生生物成因氣的生成，尤其在向形坳陷賦煤地帶，地下水運(yùn)移更加緩慢，形成相對(duì)滯留區(qū)，有利于煤層氣的保存，說(shuō)明水文地質(zhì)條件是研究區(qū)煤層氣成藏的重要因素。

3.4 煤層埋深

通常情況下，在一定的埋深范圍內(nèi)，隨著煤層埋深增加煤層的含氣量增大，煤儲(chǔ)層溫度、壓力逐漸增大，煤儲(chǔ)層吸附能力增強(qiáng)，同時(shí)煤層氣由游離態(tài)轉(zhuǎn)化為吸附態(tài)，有利于煤層氣的吸附保存，當(dāng)埋深增大到一定深度(臨界深度)時(shí)，壓力正效應(yīng)減弱，溫度負(fù)效應(yīng)增強(qiáng)，吸附量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，煤層埋深和煤層氣含量的關(guān)系有時(shí)受到構(gòu)造部位的影響。

圖7 煤層埋深與含氣量關(guān)系

研究區(qū)2號(hào)煤層埋深260～590m，3號(hào)煤層埋深190～1000m，煤層整體埋深表現(xiàn)為南淺北深，但局部地帶受到構(gòu)造控制略有差異。由圖7可見煤層埋深與含氣量關(guān)系，2號(hào)煤層含氣量與煤層埋深沒有明顯的相關(guān)性，3號(hào)煤層在400～600m埋深煤層氣含量出現(xiàn)相對(duì)高值，在北部受到天堂～丈八正斷層的影響煤層埋深較深，但煤層含氣量較低。由此表明：煤層的埋深相對(duì)較淺，對(duì)煤層含氣量影響較小，主要由于煤層受構(gòu)造控制較為明顯。

3.5 頂?shù)装鍘r性

煤層氣的賦存與圍巖巖性組合有較大關(guān)系，煤層氣縱向逸散受控于煤儲(chǔ)層頂?shù)装鍘r層的封蓋性能，頂?shù)装鍘r性越致密，透氣性差，有利于煤層氣的儲(chǔ)集。

圖8 煤層頂板巖性與含氣量關(guān)系圖

研究區(qū)2號(hào)煤層頂板多為砂質(zhì)泥巖及泥巖，個(gè)別地段為砂巖，一般厚度1.0～2.0m，底板為砂質(zhì)泥巖及泥巖；3號(hào)煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖普遍發(fā)育，偽頂主為泥巖和炭質(zhì)泥巖，厚度一般小于1.0m，底板一般為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖，一般厚度5.0m，分布廣泛。整體上煤層頂板巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，含水性弱，滲透率差，且具有一定的韌性，在構(gòu)造作用中形成的裂隙少，為煤層氣保存形成了蓋層，為賦煤區(qū)的煤層富集創(chuàng)造了有利條件。

通過(guò)煤層頂板巖性與含氣量關(guān)系圖(圖8)，可以看出煤儲(chǔ)層頂板巖性與煤層含氣量沒有明顯的相關(guān)性，主要是由于研究區(qū)煤層變質(zhì)程度低、煤儲(chǔ)層壓力低、滲透率低，含氣飽和度較低，不能明顯體現(xiàn)出煤層頂板的封閉性對(duì)煤層含氣量的影響。