贵州省长岗向斜地区煤层气的赋存特征及其利用前景

吴志强，钱招军，唐代学

(贵州省地质矿产勘查开发局 117地质大队，贵州 贵阳 550018)

煤层气是一种洁净的能源，其开发和利用不仅可以减少煤矿开采造成的生态环境问题，而且是补充常规天然气的能源矿种，有着极大的经济、社会和环境效益。由于种种因素影响和制约，中国的煤层气开发即煤矿瓦斯抽放利用工作总体上进展迟缓[1]。随着油气勘探开发工作的不断深入，发现常规油气田的难度越来越大，成本也逐渐增高，而以煤层气为代表的非常规天然气则引起了人们更多的重视[2]。随着世界能源需求的增长，煤层气的资源配置效应开始进一步显现[3-5]。

中国南方上二叠统龙潭组含煤岩系较发育，在黔西北、川南、湘、闽西南等地区一般厚300～500 m，其中以黔西地区含煤层最发育，总计含煤层70余层，煤层总厚约10～20 m，最厚可达40 m[6]。贵州省煤炭资源量大，煤层气资源丰富，全省含煤面积约为7万km2，约占全省面积的40%，2 000 m以浅的煤层气资源量为31 511.59亿m3，是中国南方最大的煤炭生产基地和煤层气资源富集区[7]。全省富煤区主要集中在黔西北地区遵义—金沙—织金—水城—盘县一带[8]。黔西北上二叠统煤层气资源主要赋存于织纳煤田、六盘水煤田以及黔北煤田[9-10]。

前人对贵州省煤层气研究的地域主要集中在黔西地区和六盘水地区。织纳煤田煤层气地质特征、储层特征、勘探开发潜力等已有诸多研究成果[11-12]，六盘水煤田煤层气赋存特征也有较多研究[13-14]。但由于贵州省煤层气所具有的煤层薄、厚度变化大等一系列不利因素，导致该省其他地区的煤层气勘探开发研究工作相对滞后。

本文在前人研究的基础上，充分收集黔北地区即遵义—仁怀长岗向斜地区已有井田资料，通过地质填图、钻探，同时配合水工环地质调查、工程测量、物探测井、样品采集及测试等方法手段获得新的第一手资料与数据，分析区内地质构造、水文地质条件、煤层煤质、围岩性质等地质特征，研究煤层气的赋存条件和富集规律，寻找煤层气赋存的主控因素，圈出有利靶区，预测煤层气利用前景，以指导下一步煤层气的勘探和开发。

1 区域地质背景

区域地层属华南地层大区扬子地层区上扬子地层分区之黔北地层小区，除泥盆系缺失外，震旦系、侏罗系及第四系均有出露。寒武系、奥陶系、二叠系、三叠系以海相碳酸盐岩为主，间夹少量陆源碎屑岩，志留系则以海相碎屑岩为主，侏罗系为内陆河湖相沉积组合，第四系为内陆山地多成因松散堆积物。累计出露最大厚度为8 518 m。

区内褶皱、断裂发育。褶皱轴向以近SN向及NE向为主，大型褶皱多为复式褶皱，延长数十—百余千米，以线状紧闭型为主，为侏罗山式褶皱。断裂走向发育NE和NW向两组，形成菱形网格式组合(图1)。

图1 区域地质简图

2 煤层气储存地质条件

2.1 地层

区内出露地层自下而上有下奥陶统湄潭组(O1m),中—上奥陶统五峰组(O2-3w)、间草沟组(O2-3j)、宝塔组(O2-3b)、十字铺组(O2-3sh)，下—中志留统韩家店组(S1-2h)，下石炭统九架炉组(C1j)，中二叠统梁山组(P2l)、栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)，上二叠统龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)，下三叠统夜郎组(T1y)、茅草铺组(T1m)，中三叠统松子坎组(T2s)、狮子山组(T2sh)，上三叠统二桥组(T3e)，下侏罗统自流井组(J1z)及第四系(Q)。

2.2 构造

研究区位于长岗向斜北东段，整体上为一向斜构造。区内地层倾角变化较大，一般在5°～43°，在中北部，即F2断层西侧倾角为50°～84°。受F2断层影响，局部地层倒转或倾角直立，深部形成一系列的褶皱及隐伏断层。南部地质构造简单，北部地质构造相对复杂。

2.2.1褶皱

区内规模较大的褶皱为长岗向斜，轴向变化较大，在平面上呈“S”形展布。向斜轴线北端延伸出研究区，区内轴线长约40 km，在干溪一带遭F1断层切割破坏。向斜轴两侧次级褶皱较发育，为一复式向斜。

2.2.2断层

区内断层构造较发育，以F1、F2断层为代表。断层附近小褶皱较发育，地层倾角变化较大，变化幅度为5°～84°。

F1断层：分布于南部干溪一带，在区内出露长约8 km，向西延伸出研究区，向东在区内尖灭。该断层走向近EW向，倾向N，倾角65°～70°，为正断层，断距20～400 m。该断层发育宽5～10 m的破碎带，对煤层破坏较大。

F2断层：位于中北部干溪—观音寺一带，在观音寺处向北延伸约2 km尖灭，长约19 km。该断层走向NE，在地表局部倾向E，在深部倾向W，倾角65°～80°，断距在50～200 m，为高角度逆冲推覆断层。受F2断层的影响，其西侧形成宽约500～800 m陡立带，局部见地层倒转。该断层对煤层破坏较大。

2.3 水文地质特征

研究区地处云贵高原偏东北斜坡地段，地势总体为南高北低、东西高中间低，海拔515.0～1 516.7 m,一般为700～1 200 m，属中山切割碳酸盐岩岩溶地貌及碎屑岩侵蚀地貌。

区内属长江流域赤水河水系。桐梓河为赤水河的一级支流，观音寺河为其二级支流。中部地势较低，地表水总体沿中部由南向北径流。季节性溪沟较发育，全部汇入观音寺河，最终向北汇入桐梓河。主要含水层的富水性较强，且补给条件较好；煤层顶板岩溶—裂隙直接充水、底板岩溶水间接充水，水文地质条件复杂。

3 煤层气储层特征

3.1 煤层的分布特征

区内含煤岩系为上二叠统龙潭组，主要岩性为灰色、深灰色、黑色薄—中厚层状粉砂岩、泥质钙质砂岩、黏土岩、炭质黏土岩及煤线等，地层厚75.63～99.60 m，平均厚87.67 m；含煤层7～12层，厚4.70～11.35 m，平均厚8.14 m。煤层在平面上沿向斜轴呈近SN向长条状分布，在垂向上有可采、大部可采和局部可采煤层5层，累计平均总厚4.95 m。自上而下分别编号为3、7、10、11、12号，其中，全区可采煤层为7号，大部可采煤层为3、10、11号，局部可采煤层为12号(表1)。

表1 各可采煤层厚度统计表

由于下煤组的11、12号可采煤层距茅口组强含水岩组较近，不作为研究区主力煤层，因此将研究区上煤组的3、7、10号煤层作为主力煤层。主力煤层净总厚度为0.40～6.92 m，平均厚度为2.44 m。在F1断层北部，上煤组累计厚度由西向东逐渐变薄；在F1断层南部，上煤组累计厚度由向斜两翼向轴部有变厚的趋势(图2)。

图2 研究区上煤组煤层净厚度等值线图

3.2 煤层气储层物性特征

3.2.1煤体结构

区内3、7、10号煤层物理性质相近，煤层为黑色，染手，呈玻璃、似金属光泽，性脆，多为阶梯状、参差状断口。具条带状结构、层状构造，内生和外生裂隙较发育，充填方解石呈网格状，节理较发育。见半亮、半暗及光亮煤，以半亮煤为主，夹镜煤和暗煤条带。各煤层主要为块状煤，煤质较坚硬，属无烟煤。

3.2.2煤层降压实验

根据煤层降压实验，煤层渗透率为0.02～0.19 mD，表明煤层渗透性较低、导流能力低。煤层储存压力为2.20～2.82 MPa，属于异常低储存压力储层。

通过微破裂测试获得10号煤层破裂压力为9.24 MPa，煤层破裂压力梯度为2.29 MPa/100 m；煤层闭合压力为8.50 MPa，煤层闭合压力梯度为2.11 MPa/100 m，均属于正常破裂梯度。

3.2.3煤层气增测参数

根据收集的资料，区内3、7、10号煤层均进行了煤的孔隙率、坚固性系数、瓦斯放散初速度、煤瓦斯等温吸附实验、瓦斯压力等测试，测试结果见表2、表3。从实验结果可知：

表2 煤层瓦斯增项测试结果表

表3 瓦斯压力测定结果表

(1)孔隙率越大，说明煤裂隙较发育，充填于煤层裂隙中的甲烷也越多，煤层气含量越高；反之，煤层气含量越小。

(2)煤的坚固性系数随着煤体破坏程度的增高而迅速降低。

(3)瓦斯放散初速度与煤体破坏程度成正比，即随着煤体破坏程度的增高，瓦斯放散初速度显著增大。

(4)整体上各煤层随着埋深的增加，瓦斯压力也有增加的趋势。

4 煤层含气特征

根据区内各煤矿样品测定结果统计，煤层气成分以CH4为主，C2H6、N2、CO2较少。全区CH4含量为0.08～47.18 mL/g，平均为14.08 mL/g；CH4+C2H6含量为0.08～47.70 mL/g，平均为14.19 mL/g；N2含量为0.21～29.60 mL/g，平均为5.53 mL/g；CO2含量为0.01～4.70 mL/g，平均为0.74 mL/g。全区可采煤层均属于富甲烷煤层(表4)。从表4统计结果分析,可采煤层3、7、10号CH4+C2H6平均含气量均超过8.0 mL/g。

表4 各区煤层气含量统计表

从图3-图5分析可知，断层F1以南平正—干溪一带属煤层气富集区。

图3 区内3号煤层CH4+C2H6含量等值线图

图4 区内7号煤层CH4+C2H6含量等值线图

图5 区内10号煤层CH4+C2H6含量等值线图

5 煤层气赋存规律及影响因素

5.1 煤层气赋存规律

煤层气在地下的分布是不均衡的,不同地区、甚至同一地区不同煤层间的含气量往往差异较大[15]。

5.1.1煤层气在横向上的分布

根据煤田地质瓦斯分带标准的规定，由区内煤层自然瓦斯成分平均值统计得知，靠近向斜轴部的钻孔，各可采煤层自然瓦斯成分(CH4+C2H6)含量大部分都>80%，N2含量<20%，CO2含量<10%，属于甲烷带；靠近向斜两翼煤层露头线部位钻孔自然瓦斯成分含量大部分在20%～80%，个别<10%，属于瓦斯风化带。

向斜中段和北段大部分可燃气体含量相对较低(<8 mL/g)；向斜南段可燃气体含量相对较高，在14.36～36.63 mL/g，属高瓦斯煤层。向斜南段可作为煤层气开发利用的首选靶区。

5.1.2煤层气在纵向上的分布

根据瓦斯风化带的划分方法，以每克可燃物质含2 mL可燃气体相对应的深度为准，其上为瓦斯风化带，其下为瓦斯带。综合统计区内其它各矿权，瓦斯风化带距地表30～191 m。根据工作区内各钻孔煤层煤层气含量推算，瓦斯风化带距地表平均72 m左右。

区内接近露头区风化裂隙发育，煤层气一部分沿裂隙向大气逸散，一部分溶于地下水被带走，其含气量较低，形成瓦斯风化带。下部各可采煤层自然瓦斯含量大部分都>80%，属于瓦斯带，瓦斯带内各钻孔随着煤层埋藏深度增加，煤层气含量相应增加。

5.2 煤层气赋存影响因素

煤层气成藏条件主要受控于煤层的封闭条件、埋深、地质构造、水文地质条件等因素[16]。

5.2.1封闭条件

不同岩性的盖层物性封闭能力不同，其塑性和内部孔隙结构也就不同，从而导致其物性封闭能力也存在差异。

该区含煤岩系属上二叠统龙潭组地层，主要由砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩、黏土岩、炭质黏土岩及煤线等组成，厚75.63～99.60 m。根据岩石组成，结构致密的泥质岩类占整个含煤岩系厚度的88.3%。这些岩层的孔隙度都比较小、厚度较大，煤层气很难透过这些岩层，煤层在变质过程中生成的煤层气，大部分就被密闭在煤层中。结构致密的泥质岩类使煤层具有良好的封闭性，也使煤层气具有较好的保存条件。

根据钻孔资料统计，各煤层直接顶板大部分为黏土岩、炭质黏土岩、粉砂岩等，底板为黏土岩、铝土质黏土岩。对区内可采煤层顶、底板作了泥化试验，结果表明：顶、底板的泥化程度为易泥化—极易泥化，透气性较差，不利于煤层气在垂直方向上运移排放。因此，煤层顶、底板形成了良好的煤层气封闭条件。

5.2.2煤岩特征

根据煤体结构特征，区内除7号煤层为块状夹粉粒状，其余大部分为块状，煤质较坚硬，属无烟煤。煤体具条带状结构、层状构造，内生和外生裂隙较发育，易形成粉末状，致使其孔隙度与吸附煤层气表面积增大，是该区煤层气含量相对较高的原因。

5.2.3煤层厚度

稳定分布并具有一定厚度和规模的煤层是煤层气富集的基础[17]。区内主力煤层净总厚度为0.40～6.92 m，平均厚度为2.44 m，为较稳定煤层。煤层埋深和厚度对产气量的影响较为复杂[18]，煤层厚度变化与煤层气含量往往没有一个确定的关系。通过线性回归分析，发现煤层厚度与煤层气含量之间的线性规律不明显，可见在全区范围内，不同煤层厚度变化对煤层气含量的影响不明显。

但在其他地质条件相同的情况下，同一煤层的厚度越大，其煤层气含量相对越多。根据区内各钻孔7号煤层厚度与煤层气含量的关系可知，煤层厚度与煤层气含量之间有显著的正相关性(图6)。

图6 各钻孔7号煤层厚度与煤层气含量相关关系图

5.2.4煤层埋深

煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且会使煤层气向地表运移的距离增大，这两者的变化均朝着有利于封存煤层气、不利于放散煤层气方向发展[19]。瓦斯带内，煤层气含量、涌出量及瓦斯压力主要随着煤层埋藏深度的增加而变大，随着采深的增加，煤层气含量和涌出量会变大[20]。

根据区内各可采煤层煤层气含量与煤层埋深的关系，用筛选后的各测点进行相关分析，煤层气含量与煤层埋深的关系式如下(图7)：

图7 各钻孔可采煤层煤层气含量与埋深的相关关系

y=0.022 1x+4.360 7

式中：y为煤层气含量，mL/g；x为煤层埋深，m；n为样本数，取25。

经相关性检验，R2=0.719 4>0.486 9(n=25，r0.01=0.486 9)，在99%概率的情况下相关性极显著。推测煤层气含量梯度为2.21 mL/(g·100 m)。

总之，煤层埋深是控制煤层气含量很重要的地质因素，区内煤层气含量总体上随着埋深的增加而增大，其相关性极显著。在接近露头处，煤层气风化裂隙发育，一部分沿裂隙向大气逸散，一部分溶于地下水被带走，形成瓦斯风化带，含气量较低，N2含量增高。瓦斯风化带以下(瓦斯带)各钻孔随着煤层埋藏深度增加煤层气含量相应增加。

5.2.5地质构造

研究表明，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[21]。一般向斜轴部，煤层气封闭条件好，含气量高，而背斜轴部由于伸展作用，裂缝发育，煤层气容易逸散，保存条件较差，导致含气量较低[22]。

贵州省煤层气富集总体上具有向斜控气的构造特征。长岗向斜北东段整体上为一向斜构造。区内靠近向斜轴部的钻孔，各可采煤层自然煤层气成分相对较高，CH4+C2H6含量大部分都>80%，N2含量<20%，CO2含量<10%，属于甲烷带。

另外，断层性质、节理裂隙发育程度等对煤层气含量也有一定影响。区内断裂构造较发育，分别发育F1(研究区中段)、F2(研究区北段)两条较大的断层，其中F1切穿了夜郎组、茅草铺组、长兴组、龙潭组、茅口组，与含煤岩系发生了水力联系，造成了煤层气部分逸散。根据区内其他矿井资料，断层附近钻孔测试的煤层气含量明显低于同一标高其他部位钻孔的煤层气含量。整体上研究区中段和北段煤层气含量相对于南段含量较低。总的来说，区内开放性断裂的存在，致使断裂附近煤层中的气体逸散，对煤层气藏是一种破坏。

长岗向斜轴部为主要的煤层气富集有利区，且总体表现为由向斜轴部到平缓翼再到边浅部陡坡带，煤层气含量逐渐降低；同时向斜轴部转折部位构造应力相对复杂，以张性应力为主，导致煤层甲烷含量较低；此外，该区发育的正断层同样造成煤层甲烷逸散，由断层带至断层两侧，甲烷含量逐渐上升[23]。

5.2.6水文地质条件

煤储层和顶、底板含水层构成一个完整的地下水系统，在高储层压力、高含水层势能的地区，煤层气富集；而在地下水排泄区，储层压力和含水层势能降低，煤层气逸散[24-25]。

研究区主要位于观音寺河汇水型水文地质单元，地下水的补给来源以大气降水为主，整体上地下水从向斜两翼地表露头处向轴部径流。含水层或煤层从露头处接受补给，地下水顺层由浅部向深部运动，煤层中向上扩散的气体被封堵，致使煤层气聚集。

研究区属于顶、底板岩溶—裂隙直接充水为主的矿床，在矿区向斜的基础上，其起到了水力封闭控气和封堵控气的作用。区内地下水呈封闭状态,对煤层气有封隔作用,有利于煤层气的保存。因此，水文地质条件对煤层气的保存、运移影响很大，对煤层气的开采至关重要[26]。

6 煤层气的评价与利用

6.1 煤储层有利区的初步评价

通过对煤储层有利区评价参数煤层埋深、构造、煤体结构、主力煤层厚度、含气量、水文地质条件等进行分析，优选出煤储层有利区块。

根据区内构造特征，以F1、F2断层为界限，将埋深在400～1 500 m的区域划分为三个次级区域，对其煤层气储层有利性依次进行评价，如表5所示。

表5 煤层气地下有利区综合评价表

F1断层以南(平正—干溪)：区内断裂构造中等发育，断裂规模较小，结构较为简单，对该区整体影响较小。煤体结构：该区以块煤为主，在其东部、南部见少量碎粒及粉状煤。主力煤层厚度：总厚为0.78～4.81 m，平均厚度为2.73 m。3、7、10号煤层平均厚度为49 m。主力煤层含气量：3、7、10号煤层甲烷百分含气量为3.73%～99.80%，平均为82.31%；甲烷含气量1.36～36.60 mL/g,平均为16.94 mL/g。水文地质条件：简单滞流区，临近观音寺河，水源条件好。地表条件有利，煤层倾角较缓，煤层底板等高线间距较宽。

综上所述，将F1断层以南平正—干溪区域优选为煤层气资源有利区，区域内埋深在400～1 500 m的面积可达55 km2，煤层气资源量为28.92×108m3；全区煤层气潜在资源量总量为57.28×108m3。

6.2 煤层气开发利用前景

贵州省煤层气具有资源富集程度高、含气量高、储层能量大、开发潜力大的优势[27]。对区内煤层气含量进行预测估算，长岗向斜地区煤层气潜在资源量总量为57.28×108m3，储量规模属于中型气藏。区内煤层气资源量丰富，有很大的开发利用前景。

位于F1断层以南平正—干溪一带，构造相对简单，保存条件相对较好，是本区煤层气资源有利区。该区交通较发达，各通村公路均已硬化，路宽基本>3.5 m；该区地形较为平缓，岩溶发育，水资源较丰富；区内居民居住较为分散，易于施工，开发利用条件较好。

国家生态文明建设要求绿色、环保和安全等高质量发展，这为煤层气资源的开发利用提供了一个难得的机遇[28]。中国煤炭资源丰富，在未来几十年煤炭仍是中国的主要能源。目前中国经济进入新常态，能源转型步伐加快，增大了对天然气等清洁能源的需求量,政府也陆续出台了一系列扶持煤层气发展的优惠政策。在这种情况下，合理开发利用煤层气，既能有效利用新型洁净能源，又能从根本上杜绝煤矿瓦斯爆炸事故的发生，保障煤矿安全生产，因此具有很大的开发利用前景。

7 结论与建议

(1)区内各煤层主要为块状，煤质较坚硬，属无烟煤。煤层渗透率较低，煤储层渗透性差。区内煤的坚固性系数随着煤体破坏程度的增高而迅速降低；瓦斯放散初速度随着煤体破坏程度的增高而显著增大。整体上区内各煤层随着埋深的增加，瓦斯压力有增大的趋势。

(2)煤层气赋存的主控因素为煤层的封闭条件、埋深、地质构造和水文地质条件等。

(3)煤层气含量普遍较高。平面上，靠近向斜轴部煤层气含量相对较高，具有从边缘向中心逐渐增大的总体趋势；纵向上，瓦斯风化带以下，随着煤层埋藏深度增加煤层气含量相应增大。

(4)煤层气潜在资源量丰富，总量为57.28×108m3，具有很大的开发利用前景。F1断层以南平正—干溪区域优选为煤层气资源有利区，埋深在400～1 500 m的面积可达55 km2，煤层气资源量为28.92×108m3，可作为区内煤层气开发利用的首选靶区。

(5)建议在下一步煤层气的勘查中加强参数井和排采井的测井、录井、试井、固井、压裂和排采等工程施工以及取样测试化验等的分析研究，以便获取煤层气的必要参数，为区内煤层气的开发利用提供依据。