柿庄北煤层气含量影响因素分析

张　凯

（山西省煤炭地质局114勘查院，山西长治046011）

柿庄北煤层气含量影响因素分析

张凯*

（山西省煤炭地质局114勘查院，山西长治046011）

柿庄北位于沁水盆地深部，结合实际勘探资料，分析了煤变质程度、煤层厚度、围岩岩石类型、埋藏深度、地质构造和水文地质对3#煤层和15-2#煤层含气量的影响作用。区内煤层是高变质无烟煤，气含量较高。煤层厚度和围岩岩石类型对煤层气影响不明显；煤层埋深与含气量之间呈一定的正相关关系。地质构造和水文地质是如今煤层气含量赋存分布的主要控制因素。

煤层气；含气量；影响因素；柿庄北

柿庄北地处山西省沁水县、高平市和长子县三县交界处，位于柿庄的东北部，大部分在沁水县境内。地貌区划属剥蚀、侵蚀山地，为中低山区。地形复杂，山峦叠嶂，山谷发育，林木繁茂。地形总趋势西北高东南低。

1　含煤地层概况

研究区位于沁水煤田南部，与晋东南地区地层沉积规律一致，以元古界为结晶基底，向上依次沉积了下古生界（寒武系、奥陶系）、上古生界（石炭系、二叠系）、中生界（三叠系），第四系分布于山梁及沟谷中。含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。主要可采煤层为3#煤层和15-2#煤层。3#煤层厚度2.22～6.65m，平均5.66m。15-2#煤层厚度1.50～4.54m，平均2.99m。

2　煤层气含量影响因素分析

2.1煤变质程度

煤的变质程度越高，累计生成的甲烷就越多；同时煤的孔隙内表面积逐渐增大，煤层对甲烷的吸附量呈逐渐增高的趋势［1-2］。这是高变质煤含气量通常较高的原因之一。研究区3#煤的镜质组最大反射率Ro，max= 2.98%；15-2#煤的镜质组最大反射率Ro，max=2.93%。属高变质无烟煤。研究区煤层都经历了前期生气高峰［3］，现存含气量普遍较高。3#煤层含气量平均11.36m3/t，15-2#煤层含气量平均9.83m3/t。

2.2煤层厚度

此次对井田内钻孔的3#和15-2#煤层厚度与煤层含气量数据进行了统计，并绘制了散点图（见图1、图2）。井田内3#煤层含气量变化范围3.95～19.30m3/t，15-2#煤层含气量变化范围4.76～21.03m3/t。

图1　3#煤层厚度与含气量的关系

图2　15-2#煤层厚度与含气量的关系

图中可见，3#煤层厚度主要集中在5～7m，含气量的峰值和低谷值均在此区域内。15-2#煤层厚度主要集中在3～6m。本区内煤层厚度的大小与含气量之间没有明显的相关性。煤层厚，含气量不一定高，厚度在本区内对煤层的含气量影响不甚明显。

2.3围岩岩石类型

研究区3#、15-2#煤层顶板大多为泥岩、砂质泥岩；3#煤层局部顶板为砂岩，15-2#煤层局部顶板为灰岩，见表1。3#煤层平均含气量随顶板岩性不同，并无表现出明显的差异性，平均含气量接近。但顶板是泥岩或砂质泥岩时，煤层含气量最大值高于砂岩最大值。在同等条件下，前者较后者对煤层气保存有利［4］。当顶板同为泥岩或砂质泥岩时，15-2#煤层平均含气量略低于3#煤层。

表1　煤层含气量与顶板岩性的关系

2.4埋藏深度

研究区3#、15-2#煤层经历了海西—印支期的沉降埋深、印支—燕山早期的抬升剥蚀、燕山中—晚期的快速抬升和喜马拉雅期的埋深持续减小，至新近纪末期接受第四系沉积4个阶段。沉积历史时期过程中，煤层最大埋深可达4500m，经历几个阶段的抬升剥蚀，目前3#煤层埋深712.16～1041.37m，平均 839.26m；15-2#煤层埋深818.40～1162.39m，平均948.90m。上覆第四系地层厚0～50m。由图3和图4可见，3#煤层含气量随着埋藏深度的加深而增大，在850m左右出现拐点，开始下降；同样，15-2#煤层含气量随着埋藏深度的加深而增大，但在1000m左右出现拐点开始下降。经过分析发现，出现拐点是因为这几个样品附近发育有断层，导致煤层气的分布发生改变。因而区内埋深和含气量总体是正相关关系。

2.5地质构造

本区总体构造为向西北倾的单斜，产状总体较为平缓，发育断层4条，未发现陷落柱存在和岩浆岩的侵入，构造简单。构造作用的表现形式有褶皱和断层。在本区，褶皱对含气量的作用主要体现在影响煤层深度的分布，靠近核部的含气量低于翼部。同时，分布于断层附近的煤层含气量较低，说明研究区的断层是良好的导气通道，造成煤层甲烷沿断层破碎带运移，不利于煤层气的保存。这主要是因为本区的断层大多为张性断层，断层面附近由于构造应力释放而成为低压区，煤层甲烷得以大量解吸，逸散，使煤层含气量急剧下降［5-6］。

图3　3#煤层埋深与含气量的关系

图4　15-2#煤层埋深与含气量的关系

2.6水文地质

煤系水文地质条件是煤层气富集的主控因素之一。煤层气主要以吸附态赋存于煤基质中，部分以游离态和水溶态形式存在。地下水动力条件对煤层气的解吸、溶解、运移和富集成藏有重要的影响作用。

研究区内，对3#煤层有影响的含水层主要是山西组裂隙承压直接充水含水层，主要由中细粒砂岩组成，以构造裂隙为主。对15-2#煤层有影响的含水层是太原组碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层与下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。太原组含水层易于下伏奥陶系强径流带产生水力联系，因而太原组的煤系水动力条件往往强于上部的山西组煤系。

太原组的煤系埋藏深度大于山西组煤系。理论上，太原组的15-2#煤层的含气量应该高于山西组3#煤层，但实际情况却相反（前文岩石类型一节中已经发现，太原组含气量在同等顶板岩性条件下，低于山西组）。井田内3#煤层平均含气量11.36m3/t，而太原组15-2#煤层平均含气量9.83m3/t，见图5。在研究区内，同样存在地下水动力强，含气量相对低；水动力弱，含气量相对高的现象［7-9］。

图5　3#煤层和15-2#煤层含气量对比图

3　结论

（1）研究区3#和15-2#煤层属于高变质无烟煤，生气量不是影响现今含气量分布的主要原因。煤层厚度对煤层气含量影响并不明显，同样岩石类型在本区内对含气量分布不是主要影响因素。

（2）煤层含气量基本上随煤层埋深增加而增大，之所以出现下降是因为断层的影响。构造是研究煤层气富集的关键，研究区属于向斜控气作用；区内断层形成了煤层气运移的良好通道，煤层甲烷得以大量逸散，使煤层含气量急剧下降。

（3）在本区，水文地质条件对含气量的影响非常明显。由于奥灰水的影响改变了太原组水动力条件，导致区内出现太原组15-2#煤层含气量低于山西组3#煤层的现象。

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A

1004-5716（2016）04-0169-03

2015-04-23

2015-04-24

张凯（1986-），男（汉族），河南洛阳人，助理工程师，现从事煤田地质、水文地质和煤层气方向的研究工作。