永陇矿区丈八井田煤层气赋存特征及其控气因素

陈 波 张小萌 宋一民

(陕西煤田地质勘查研究院有限公司，陕西 710021)

永陇矿区属于黄陇侏罗纪煤田的西部矿区，开发利用程度相对较低，主要在产的招贤煤矿、郭家河煤矿、崔木煤矿均为高瓦斯矿井。丈八井田位于永陇矿区北部，先后通过煤田地质勘探及煤层气勘查，表明区内煤炭资源丰富，主要煤层赋存稳定，属氮气～沼气带，开采技术条件较好，现处于矿井建设阶段，依据《陕西省黄陇侏罗纪煤田永陇矿区总体规划》建成后产量将达1.5Mt/a，本次主要利用在区内施工的31个瓦斯钻孔和2口煤层气参数井数据，结合化验测试资料及地质分析，研究探讨煤层气赋存特征及其控气地质因素，为煤炭资源开发利用提供依据。

1 地质概况

1.1 地层

丈八井田地层属于华北地层区鄂尔多斯地层分区，地表基本被新近系和第四系覆盖，沟谷零星出露有白垩系地层，地层由老至新依次为：三叠系上统铜川组、侏罗系下统富县组、侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池组、罗汉洞组，新近系及第四系。

研究区含煤地层为中侏罗统延安组，以河流沼泽环境沉积为主，厚度一般30～50m，自上而下划分为两个含煤段，即：延安组第二段和第一段，岩性主要为灰～深灰色细粒砂岩、粉砂岩、及泥岩与灰白色中粗粒砂岩互层状，夹炭质泥岩及煤层。主要可采煤层共两层，均为大部可采的较稳定煤层，其中：2号煤层位于延安组第二段中部，厚度 0.30～4.95m，平均厚度1.88m，3号煤层位于延安组第一段中下部，厚度0.55～21.61m，平均厚度8.50m。煤类均属低～中灰、特低硫、高热值的不粘煤。

1.2 构造

永陇矿区构造位于鄂尔多斯盆地西南边缘渭北挠褶带北部，研究区位于其二级构造单元庙彬凹陷西部的麟游折带主体部位(图1)，地表大面积被黄土层覆盖，沟谷中出露的白垩系地层产状较为平缓，其深部侏罗系隐伏构造总体为走向NE，倾向NW-NNW的单斜构造，其上发育一些宽缓不连续的褶曲，北部发育一条北西向的丈八-天堂正断层，断层倾向NNE，倾角50°，落差100～200m，构造总体简单，未发现岩浆岩活动迹象。

2 煤层气赋存特征

2.1 含气性特征

据区内以往瓦斯钻孔和煤层气参数井测试成果(表1)：2号煤层含气量为0.40～0.77m3/t，平均含气量为0.60m3/t，煤层气主要富集在南部赋煤带内(图2)，含气量较稳定；3号煤层含气量为0.20～0.94m3/t，平均含气量为0.63m3/t，主要富集南部和中部赋煤带，其中南部赋煤带煤层气含量相对较高，受断层影响，北部赋煤带煤层气含量很低(图3)。

表1 煤层气含量分析结果

图2 2号煤层含气量等值线图

图3 3号煤层含气量等值线图

2.2 吸附性特征

煤层的吸附性决定着煤层气储集和解析难易程度的关键因素，通过对煤层气参数井测试样品进行等温吸附实验，用VL(Langmuir体积)、PL(Langmuir压力)和等温吸附曲线来表征。测试结果(表2)表明： 2煤空气干燥基VL=7.60～7.63mL/g， 平均值7.61mL/g，PL=2.81～2.96MPa，平均2.88MPa；3煤空气干燥基VL=8.09～8.99mL/g，平均值8.73mL/g，PL=2.89～3.29MPa，平均3.13MPa；反映区内煤层具有较好的吸附性，压力相对较低，且干燥无灰基条件下的吸附能力高于空气干燥基条件下。

煤储层的吸附量随着压力的变化呈现出明显的阶段性。2号煤等温吸附曲线(图4)可以看出：在压力1.7MPa之前，随着压力的增达吸附量变化较明显；3号煤等温吸附曲线(图5)可以看出：在压力1.8MPa之前，随着压力的增高吸附量变化较明显。表明煤储层在低压区吸附量相对较大，随着压力增大煤的吸附量逐渐减少，煤层具有一定的吸附能力，但煤层气的解吸难度相对较大。

图4 2号煤层等温吸附曲线

图5 3号煤层等温吸附曲线

2.3 煤岩特征

宏观煤岩特征：2号煤层以暗煤为主，次为亮煤，夹镜煤条带，以半暗型煤为主；3号煤层以亮煤、暗煤为主，夹镜煤条带，以半亮型煤为主。

显微煤岩特征：2号煤层有机组分平均值96.3%，以惰质组为主，平均78.2%，镜质组次之，平均17.0%；3号煤层有机组分平均值95.53%，其中以镜质组为主，平均52.50%，惰质组次之，平均42.36%。表明：煤层中有机组分含量较高，无机组分较低。

2号煤层镜质组最大反射率为0.52%，3号煤层镜质组最大反射率介于0.52%～0.713%之间，均属Ⅰ变质阶段烟煤。

2.4 孔隙特征

煤的孔隙和裂隙是煤层气解吸后扩散和渗流的通道，因此煤的孔隙特征是影响煤层气吸附～解吸、扩散和渗流特性的重要因素。国内外学者对煤的孔径结构做过研究，其中应用最为广泛的是霍多特的十进制分类系统将煤孔隙分成大孔(孔径>1000nm)、中孔(孔径100～1000nm)、小孔(孔径10～100nm)和微孔(孔径<10nm)，微孔和小孔构成煤的吸附容积，中孔和大孔构成煤的渗透系统，其中的甲烷几乎全部处于游离状态。

采用液氮吸附试验对主采煤层煤样孔隙结构进行分析测试，孔隙表面积采用BET模型解释，孔隙体积采用BJH模型解释，孔径采用BET模型解释，测试结果见表3，表明区内煤层孔隙特征是以微孔发育为主要特征，孔隙比表面积与孔隙直径具有负相关关系特征，说明煤层具有较好的吸附能力。

表3 煤样孔隙结构液氮吸附试验结果

2.5 渗透率

渗透率是煤储层的一个主要物性指标，是煤层气运移产出的控制因素，基于我国煤储层具有低压、低渗特点，国内学者将我国煤储层分为高渗透率煤储层(k>1mD)，中渗透率煤储层(1mD>k>0.1mD)，低渗透率煤储层(k﹤0.1mD)。通过对煤层气参数井采用注入/压降法进行试井，2号煤层试井一层次，3号煤层试井两层次，结果表明：2号煤层储层压力为1.27MPa，3号煤层储层压力为3.24MPa，均属于低压煤储层；2号煤层渗透率为0.06mD， 3号煤层渗透率为0.01～0.11mD，均属低渗透率煤储层。表明区内煤层属于低压力低渗透率煤储层，不利于煤层气解吸后的渗流。

3 控气因素

3.1 地质构造

不同形态的地质构造，构造的不同部位，不同力学性质和封闭情况形成了有利于煤层气赋存或逸散的不同条件，封闭性地质构造有利于煤层气赋存，开放性地质构造有利于煤层气逸散排放。

三叠纪末期的印支运动形成了研究区煤系地层的基底构造，并且对侏罗系各组沉积控制明显，一般凹陷区沉积厚，隆起区沉积薄，燕山运动早期也继承了印支期构造特点，中侏罗世延安组沉积后受燕山运动的影响，地壳下沉幅度不均衡使导致延安组和直罗组沉积间断，造成延安组第五段至第三段普遍遭到剥蚀，一般仅沉积延安组第一段和第二段。由于不同时期的构造运动形成了研究区以宽缓的起伏为近东西向为主的两背三向的构造格局，煤系地层发育于向形坳陷构造中，而在背形轴部缺失沉积，煤层气资源分布受煤层分布范围的控制明显。

由于延安组沉积后地层整体抬升不均匀，煤层上覆地层遭受剥蚀后，造成煤层含气饱和度降低，上覆地层压力减小，煤层气也发生解吸逸散，由图6可以看出在向形轴部赋煤条件较好的地方煤层气含量相对较高，同时在断层附近的煤层沉积厚度较小煤层含量也很低。主要是地质构造对煤层的分布控制明显，直接关系到煤层的含气饱和度，同时影响煤层气的保存条件。

图6 构造部位与煤层气含量关系

3.2 煤的变质作用

3.3 水文地质

地下水系统通过地层压力对煤层气吸附聚集起控制作用，水文地质条件对煤层气赋存、运移影响很大。水和游离态煤层气同属于流体，其赋存受围岩孔隙与裂隙等影响，地下水的流动不仅驱动了孔隙和裂隙中自由态煤层气的运移，同时也带动了溶解于水中的煤层气一起运移，水动力越强则越不利于煤层气的富集。

构成研究区地下水系统为层状裂隙承压含水层，主要为：白垩系下统洛河组中粗砂岩裂隙含水层，侏罗系中统直罗组砂岩裂隙承压含水层，侏罗系中统延安组煤层及砂岩裂隙承压含水层。含水层之间广泛存在白垩系下统宜君组砾岩相对隔水层、侏罗系中统安定组泥岩隔水层，隔水层将区内两大主要含水层隔离为两个相对独立的含水层。

研究区白垩系下统洛河组全区分布，含水岩性以中～粗粒砂岩及细粒砂岩为主，含水层平均厚度40m，含水层厚度与水量呈正向相关；侏罗系中统直罗组含水层以灰绿色中、粗砂岩为主，全区分布，含水层厚度一般25m，受地构造控制明显，在向形坳陷沉较全，而在背形轴部遭受剥蚀变薄；侏罗系中统延安组含水岩性主要为细砂岩、粉砂岩，局部地段为中粒砂岩，一般厚度40m，沉积受到构造控制明显，与煤层沉积具明显的正向相关。通过水文孔抽水试验(表4)，洛河组中粗砂岩裂隙含水层属富水性弱含水层，水化学类型为HCO3·Cl-Na·Mg型；直罗组砂岩裂隙承压含水层属富水性弱含水层，水化学类型为Cl-Na型；延安组煤层及砂岩裂隙承压含水层属富水性弱含水层，水化学类型为SO4·HCO3-Na型。表明：区内主要含水层均属富水性弱含水层，在水质类型上各自明显不同，因此含水层之间不具明显的水力关系。

表4 主要含水层抽水试验成果表

煤层直接充水含水层为延安组煤层及砂岩裂隙承压含水层，受埋藏条件和地质构造控制，延安组裂隙承压水的补给以侧向补给为主，主要是通过区外的深层断裂构造导水带补给，但补给量很小，导水性差，因此含水量也很微弱、流速也很缓慢，水化学类型为SO4·HCO3-Na型，矿化度较低，有利于次生生物成因气的生成，尤其在向形坳陷赋煤地带，地下水运移更加缓慢，形成相对滞留区，有利于煤层气的保存，说明水文地质条件是研究区煤层气成藏的重要因素。

3.4 煤层埋深

通常情况下，在一定的埋深范围内，随着煤层埋深增加煤层的含气量增大，煤储层温度、压力逐渐增大，煤储层吸附能力增强，同时煤层气由游离态转化为吸附态，有利于煤层气的吸附保存，当埋深增大到一定深度(临界深度)时，压力正效应减弱，温度负效应增强，吸附量呈现降低的趋势，煤层埋深和煤层气含量的关系有时受到构造部位的影响。

图7 煤层埋深与含气量关系

研究区2号煤层埋深260～590m，3号煤层埋深190～1000m，煤层整体埋深表现为南浅北深，但局部地带受到构造控制略有差异。由图7可见煤层埋深与含气量关系，2号煤层含气量与煤层埋深没有明显的相关性，3号煤层在400～600m埋深煤层气含量出现相对高值，在北部受到天堂～丈八正断层的影响煤层埋深较深，但煤层含气量较低。由此表明：煤层的埋深相对较浅，对煤层含气量影响较小，主要由于煤层受构造控制较为明显。

3.5 顶底板岩性

煤层气的赋存与围岩岩性组合有较大关系，煤层气纵向逸散受控于煤储层顶底板岩层的封盖性能，顶底板岩性越致密，透气性差，有利于煤层气的储集。

图8 煤层顶板岩性与含气量关系图

研究区2号煤层顶板多为砂质泥岩及泥岩，个别地段为砂岩，一般厚度1.0～2.0m，底板为砂质泥岩及泥岩；3号煤层直接顶板为砂质泥岩普遍发育，伪顶主为泥岩和炭质泥岩，厚度一般小于1.0m，底板一般为灰褐色铝土质泥岩，一般厚度5.0m，分布广泛。整体上煤层顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，含水性弱，渗透率差，且具有一定的韧性，在构造作用中形成的裂隙少，为煤层气保存形成了盖层，为赋煤区的煤层富集创造了有利条件。

通过煤层顶板岩性与含气量关系图(图8)，可以看出煤储层顶板岩性与煤层含气量没有明显的相关性，主要是由于研究区煤层变质程度低、煤储层压力低、渗透率低，含气饱和度较低，不能明显体现出煤层顶板的封闭性对煤层含气量的影响。