滇东雨汪区块多煤层含气量特征及其主控因素

曾丽君，陈慧丽，吴财芳

(中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

煤储层含气量是后续煤层气开发的重要参考因素，也是决定该地区煤层气是否能够商业化开采的重要条件[1]。煤储层含气性与煤层气成藏密切相关，煤储层经过漫长的地质演化，经历生气、吸附、解吸、逸散和保存，最终达到吸附-解吸平衡状态[2]。滇东地区是我国长江以南著名的煤层气产区，其内雨汪区块二叠系煤层气资源丰富，具有可观的开发前景[3]。该区块为多煤层矿床，煤炭和煤层气资源丰富，区内构造和地层水文地质条件较为简单，具有煤层气开发的先决条件。以往研究指出影响黔西-滇东典型向斜/凹陷/盆地煤层含气性的地质因素主要包括埋深、煤厚、变质程度、沉积、构造及水文地质条件等[4]。

前人针对煤层气含气量及其控制因素开展了许多研究，不同地区，甚至同一地区不同地质条件下，不同煤层间的含气量往往差异较大，含气性不仅具有“区控”特征，而且具有“层控”性质[5]。以往的研究往往只注重到单一或某几个控气要素的影响，在一定程度上存在片面性和单一性等问题，未能从耦合层次上综合分析[6]。文中在分析雨汪区块多煤层含气量资料的基础上，结合相关实验测试数据即前人研究思路，对区块含气量特征及其主控因素进行了综合探讨，揭示了煤层含气量主控因素，为该区煤层气选区及勘探开发提供了依据。

1 地质概况

雨汪区块位于滇东老厂矿区东南侧，主体为一倾向南东的单斜构造，边缘为弧形断裂围绕，内部有次一级的宽缓褶曲，断层稀少，地层倾角为6°～15°，靠断层附近局部可达30°～43°。区块内主要发育部分背斜、向斜，以及2条断层等构造，断层呈弧形伸展，构成了西部和东南部的边界，两断层沿断层延伸方向断距逐渐变小，并在区块东部和东北部尖灭，雨汪区块构造纲要图如图1所示。

图1 雨汪区块构造纲要图

区内出露地层从老到新有二叠系茅口组、龙潭组及长兴组，三叠系和第四系，地层总厚超过1 500 m，主要含煤地层为二叠系龙潭组，区内含煤27～42层，煤层总厚23.81 m，含煤系数为14.61%，含可采煤层为9～18层，可采总厚为18.08 m，可采含煤系数为11.09%。煤层间距小，以薄-中厚煤层为主，主力煤层为(7 + 8)号、9号、13号和19号，雨汪区块主要含煤地层柱状图如图2所示。煤炭资源勘探程度较高，为煤层气地质评价奠定了基础；区内煤层煤体结构总体完整，具备采用常规储层改造措施增产的储层条件。

图2 雨汪区块主要含煤地层柱状图

2 煤层含气量特征

矿区煤样数据测试结果表明，区内煤层气体组成以甲烷为主，其浓度介于75%～98%；氮气次之，平均浓度23.74%，CO2平均4.55%，重烃含量低。区内各主力煤层含气量介于3.11～16.71 m3/t，平均含气量11.58 m3/t，区块西部靠近老厂背斜核部的区域含气量较高，煤层含气量等值线与地层等高线走向大体一致。雨汪区块在区域上总含气量呈“中部高，东部、北部和南部低”的变化趋势。

研究区各主采煤层含气量区域展布存在一定规律性。7+8号煤层含气量大致表现出沿背斜轴部向两翼或倾伏端方向逐渐增大的趋势，雨汪区块7+8号煤层含气量等值线图如图3所示，与区块总含气量等值线图分布类似，区块西南端煤层含气量较低，区块中部含气量逐渐增加，含气量最高的部位在区块西部靠近老厂背斜核部FCY-LC01钻孔附近。9号煤层含气量在背斜和向斜两翼及倾伏端方向较高，雨汪区块9号煤层含气量等值线图如图4所示，西北和西南端含量较低，含气量在向斜倾伏端附件达最大值。13号煤层含气量在向斜两翼和倾伏端含量较高，雨汪区块13号煤层含气量等值线图如图5所示，展布规律与9号煤层相似，但不及9号煤层明显。区块东北部和西南端含气量低，煤层含气量自东北和西南端向中间部位逐渐增加，在西北部老厂背斜核部附近达最大值。19号煤层含气量大致沿轴部向两翼或倾伏端方向逐渐升高，雨汪区块19号煤层含气量等值线图如图6所示，但不如7+8号、9号和13号煤层规律明显。区块内东部含气量低，向西北端含气量逐渐增大。

图3 雨汪区块7+8号煤层含气量等值线图

图4 雨汪区块9号煤层含气量等值线图

图5 雨汪区块13号煤层含气量等值线图

图6 雨汪区块19号煤层含气量等值线图

雨汪区块各煤层含气量测试数据见表1，从表1可以发现，雨汪区块各煤层间含气量存在明显差异，在垂向上的分布规律较为复杂，即各相邻煤层含气量并不服从“随煤层层位的降低、埋深的增加而增高”的一般规律，而是呈波动式变化。从含气量垂向分布来看，2～7+8号煤层含气量随层位降低缓慢增加，而后缓慢下降，在13号煤层含气量转为缓慢增加，继而在16号煤层急剧下降，17号煤层含气量最低，18号煤层含气量急剧增大，19号煤层进一步增大。

表1 雨汪区块各煤层含气量测试数据

3 煤层含气量控制因素

3.1 地质构造

不同形态、不同性质的地质构造控制煤层的形态、连续性、渗透性以及煤层气的运移与聚集[6-7]，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[8]。雨汪区块发育了一系列东西向、北东-南西向展布的褶皱和断层，表现出典型的聚气构造类型—背斜轴部的含气量较差，而向两翼和倾伏端方向含气量高。

从单一煤层看，褶曲构造对煤层气含气量影响较大，背斜轴部地层剥蚀强烈，煤层气封存能力变弱含气量降低，同时在断层附近的煤层含气量也较低；而在两翼部位地层破坏不严重，煤层气保存条件较好含气量大。显然，构造是含气量区域分布的主要控制因素之一。

3.2 煤层埋藏深度

雨汪区块气煤层埋深适中，整体自北西-南东向埋深逐渐增大，大部分区域煤层埋深在1 000 m以下，正常情况下，煤层气赋存与煤层埋藏深度密切相关，含气量随着埋深增大呈单调函数式增加。7+8号煤层埋深等值线图如图7所示，13号煤层埋深等值线图如图8所示，对比图7和图8，图3和图5可以发现，含气量等值线在部分区域与埋深等值线具有较好的一致性，而部分区域存在异常关系。雨汪区块多煤层含气量分布规律与单一煤层相比具有明显的特殊性，特别是垂向上表现为随埋深波动式变化，与常规认识不同。

图7 7+8号煤层埋深等值线图

图8 13号煤层埋深等值线图

根据研究发现，雨汪区块及其周边区域9号煤层含气量尽管总体上随埋深增大呈增高趋势，但在埋深 580～750 m 之间却随埋深增大反而降低[9]。分析国内外研究现状可发现，一般情况下煤层埋深增大，含气量随之单调增高，在达到一定埋深后有减小趋势，受到构造、埋深、煤厚、煤体结构、顶板岩性、地下水和沉积格架等诸多因素影响[10]。具体而言，煤层含气量的高低，从微观来说与煤物质组成、孔隙结构、煤级甚至煤层厚度等有关，从宏观来看受地层压力、地层温度及顶底板封闭性的控制，这些因素又与煤层埋藏深度、地温场特征以及构造样式和构造部位、煤层与其顶底板之间的沉积组合、水文地质条件甚至煤层厚度等因素密切相关[11-12]。综合分析认为，埋深耦合多煤层叠置关系是该区垂向上含气量波动变化的主控因素。

3.3 煤层厚度

雨汪区块含煤层数多，煤层厚度差异较大，其中7+8号、9号、13号和19号煤平均煤厚超过2 m。煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，上、下部煤层对中部煤层起着强烈的封盖作用，煤储层厚度越大，中部层位中煤层气向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对煤层气的保存就越为有利[13-14]。9号煤层煤厚等值线图如图9所示，13号煤层煤厚等值线图如图10所示，对比分析图9和图10，图4和图5可以发现，在厚煤层区域，煤层含气量显著较高，向北西-南东向煤层厚度逐渐变薄，含气量随之降低，即煤层中部厚四周薄，煤层含气量同样也表现出中部高四周低，煤厚与含气量间呈正相关关系。因此，煤厚变化也是影响含气量区域分布特征的主要因素之一。

图9 9号煤层煤厚等值线图

图10 13号煤层煤厚等值线图

3.4 水文地质条件

地下水的活动性对煤层气的运移富集存在极大的影响，径流活跃的流动水对煤层气具有冲刷运移作用，水流排泄，煤层气则逸散，流动滞缓或停滞，则携带的煤层气在某些部位富集起来[15-16]。雨汪区块内含煤地层的水文地质条件较为简单，含水层主要由富水性较强的石灰岩及砂岩组成，弱透水性的黏土层夹在含水层中间把含水层分隔开。雨汪区块地下水补给主要来自大气降水，岩溶发育的地层可通过大气降水补给形成地下径流，补给构造裂隙水。区块内水文地质条件较为简单，对煤层含气量影响较小。

4 结语

本文结合雨汪区块地质背景，分析了多煤层含气量区域和层域分布特征，揭示了其主控地质因素。主要取得了如下认识：

(1)雨汪区块构造简单，多煤层发育。区域上，主采煤层含气量呈“中部高，东部、北部和南部低”的变化趋势；层域上，含气量展布具有特殊性，表现为不同煤层平均含气量随层位降低、埋深增加呈波动性变化，形成了典型的叠置含气系统。分析认为，埋深耦合多煤层叠置关系是垂向上含气量波动变化的主控因素。

(2)雨汪区块表现为典型的背斜聚气特征，主采煤层含气量区域分布与煤层厚度具有较好一致性，基本呈正相关关系。分析认为，构造条件与煤层厚度的耦合是区块内多煤层含气量区域分布的主控因素。