淮南潘集深部11-2煤层含气量与地球化学特征及其地质条件影响因素分析

魏 强，刘家乐，童家颖，石从秋，刘朝奇

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

煤层气资源在全球范围内丰富，煤层气地质勘探和开发已在美国、俄罗斯、中国、加拿大、澳大利亚等[1-3]多个国家开展。在中国，2 000 m以浅的煤层气资源总量约为36.8×1012m3，其中埋藏深度在1 000～2 000 m之间的资源占总资源的60%[3]。淮南煤田位于华北聚煤区南部边缘，含煤面积大，煤层层数多，煤层气资源量较为丰富[4]。淮南煤田煤层气资源总量达5.9×1011m3，含气量总体上呈东高西低的特征。煤田内高含量的区域有3个，潘集深部地区为其中之一[5]。潘集深部地区是一个高地应力、多套煤层、开采条件复杂的矿区[6]。由于复杂的地质条件，短时间内在潘集深部地区实现煤层气资源的规模化开采是不现实的。因此，关于煤储层地质条件对含气量和地球化学特征的影响因素分析具有十分重要的作用。

影响煤层气含量的地质因素有很多，其中包括煤层厚度、埋藏深度、储层压力、温度、孔隙度和渗透性等许多地质因素[7-9]。煤层气地球化学特征是反应煤层气成因及赋存条件的关键参数，利用甲烷碳同位素值(δ13C1)对煤层气成因进行判别已经得到广泛的应用[10]。本文以淮南潘集深部11-2煤层为研究对象，通过煤层厚度、储层压力、储层温度等地质条件对煤层气含量和地球化学特征的影响分析，以期揭示地质条件对煤层气含量和地球化学特征的影响。研究结果有利于探讨潘集矿区深部煤层气赋存及其控制因素，同时为后续的煤层气开采和研究提供基础资料。

1 概况与方法

1.1 研究区域概况

潘集深部地区位于潘集矿区的东南部，地处安徽省淮南市潘集区，东北方向位于蚌埠市怀远县内。从构造上，潘集深部地区位于淮南煤田复向斜的东段，陈桥-潘集背斜的转折端深部，北部以明龙山断层相接，南部为谢桥-古沟向斜，两翼地层的倾角变化不大，通常为6°～15°，构造复杂程度相对简单。东西走向长约6.1～26.6 km，南北宽约6～19 km，面积约为281 km2[11](见图1)。

图1 淮南煤田构造纲要图及潘集深部地区位置图

研究区的碎屑岩系主要是晚古生代沉积的砂质岩和泥质岩。另外，主要含煤层系为石炭系太原组、二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组[12]。顶板和底板的岩性主要为泥岩和砂质泥岩，为煤储层提供了良好的封闭条件。

1.2 样品采集与方法

采用传统的取芯法，从11-2煤层中采集了9个煤样，取样深度为1 195～1 470 m(平均为1 352 m)。为了使获得的数据准确，运用煤层气含量测试直接法，按照中国国家标准GB/T 23249-2009测定煤样含气量。采用中国煤炭工业标准MT/T 223-1990和中国国家标准GB/T 21650-2008分别测定煤样渗透率和孔隙度。在进行渗透率测量之前，所有样品都被制备成直径为25 mm、高度为40～60 mm的圆柱体，然后在105～110 ℃的温度下干燥24 h。在测量每个煤样时，进口端的渗透气体压力被设定为0.06～0.09 MPa，密封压力为0.4～0.5 MPa。此外，每个煤样约10 g，直径为1～2 mm，准备用于孔隙度测试。结果如表1所示。运用气相色谱法(GC)，按照国家标准GB/T 13610-2014和中国石油天然气工业标准SY/T 5238-2008分别测定煤层气成分和甲烷碳同位素值(δ13C1)。煤层气成分利用安捷伦气相色谱仪(Agilent 6890N GC)获得，在测量中，气相色谱仪的温度最初被设定为30 ℃，然后以10 ℃/min的速度升至180 ℃，保持这个最高炉温20 min。之后，每种成分都要进行氧化铜活化处理，氧化炉的最高温度被设定为850 ℃ ± 10 ℃。δ13C1数值利用稳定同位素质谱仪(Delta V Advantage IRMS)获得，采用VPDB(Vienna Pee Dee Belemnite)标准，测试误差为±0.1‰。

表1 潘集深部11-2煤层的基本参数

2 结果与分析

2.1 深部煤层气储层地质条件

根据实测数据整理得到了深部11-2煤层地质条件的基本数据(见表1)。由表1分析可得，深部11-2煤层采集的煤样埋藏深度为1 195～1 470 m，平均值为1 352 m。采集的9个煤样的煤层厚度为1.12～5.75 m，平均值为2.69 m。松散层厚度为120.5～218.6 m，平均值为187.31 m。基岩厚度为984～1 349.50 m，平均值为1 164.9 m。根据测量的温度数据得到，所选煤层温度为51～62 ℃，平均值为54.7 ℃。11-2煤层的气体压力为5.14～7.42 MPa，平均值为6.28 MPa。11-2煤层的渗透率为0.142～3.073 mD，平均值为1.293 mD。所采集煤样的孔隙率为4.35%～17.85%，平均值为10.04%。综上所述，潘集深部11-2煤层的特点是埋藏深、煤层厚，储层压力和储层温度高，周围封闭的环境为煤层气的富集提供了有利的条件。但是，渗透率偏低，不利于煤层气的开采。

潘集深部11-2煤层地质条件在纵向上具有明显变化。如图2(a)所示，随着埋藏深度增加，储层压力逐渐升高，呈明显的正相关关系。图2(b)表明，储层温度与埋藏深度也显示出明显的正相关关系，这表明储层温度和压力受到埋藏深度的影响程度比较高。如图2(c)所示，埋藏深度与浅部煤层煤样的孔隙度相关性不明显，而当埋藏深度处于1 200～1 500 m的区间时，埋藏深度与孔隙度呈现弱的负相关关系，这说明埋藏深度对浅部煤层孔隙度无影响，而深部煤层煤样所受影响程度比较低。如图2(d)所示，潘集深部11-2煤层的渗透率与埋藏深度无明显相关性，但随着渗透率逐渐减小，埋藏深度与渗透率呈现较弱的对数关系，这表明随着埋藏深度的增加，地层有效应力会逐渐增大，煤储层裂隙会趋于闭合，孔隙度逐渐降低，渗透率会逐渐减小[13]。

图2 潘集深部11-2煤层地质条件之间的关系

如图3所示，潘集深部11-2煤层的气体压力随着孔隙度(图3(a))和渗透率(图3(b))的增加而降低，并与后两者呈负相关，这说明潘集深部11-2煤层渗透率和煤样孔隙度较低时，可以使煤储层保留较高的气体压力。

图3 潘集深部11-2煤层储层压力与地质条件的关系

2.2 煤层气成分和地球化学特征

根据实测的数据所得，如表2所示，潘集深部11-2煤层含气量为9.66～13.68 m3/t，平均含量为11.58 m3/t。烷烃是潘集深部煤层气中解吸气体的主要成分，其含量为81.32%～96.73%，平均值为89.54%。煤层气中CH4含量为75.67%～95.36%，平均值为84.18%。乙烷及以上烃类气体(C2+)的范围是1.37%～8.58%，平均值为4.94%。CO2的值为1.58%～6.45%，平均值为3.82%。N2的值为0.25%～15.17%，平均值为7.0%。潘集深部11-2煤层的δ13C1值分布范围为-44.89‰～-38.42‰，平均值为-41.58‰。

表2 潘集深部11-2煤层气含量、组分和δ13C1的结果

2.3 地质条件对含气量的影响

通过与浅部煤层煤样的实验数据相结合，可以得到含气量与埋藏深度的关系图。图4(a)为埋藏深度与含气量在深度300～1 500 m的关系图。总体上来看，深部煤层气含量和浅部煤层气含量与埋藏深度呈正相关关系。值得注意的是，埋藏深度为1 200～1 500 m时，煤层气含量主要集中在10～15 m3/t。如上所述，煤层气含量的变化随着埋藏深度的增加呈现出两个变化阶段。当埋藏深度小于600 m时，含气量的增长速度呈线性增长，增长速率很快。另外，结合深部煤层气含量来看，煤层气含量与埋藏深度呈对数关系增长。即随着埋藏深度的不断增加，含气量的增长速度逐渐缓慢。如图4(b)所示，煤层气含量与基岩厚度的相关性略好于与埋藏深度的相关性。如图4(c)所示，煤层气含量在储层压力低于4 MPa时呈线性增长。但是，当压力高于5 MPa时，煤层气含量逐渐趋于缓慢增长。如图4(d)所示，煤层气含量的变化随着储层温度的增加也会表现出两个不同的阶段。在储层温度处于25～35 ℃的范围内时，煤层气含量与储层温度呈线性相关。当储层温度高于45 ℃时，煤层气含量的增长速度随着储层温度的升高而逐渐趋于平缓。

图4 潘集深部11-2煤层气含量与地质条件的关系

2.4 地质条件对地球化学特征的影响

如图5(a)(b)所示，δ13C1与埋藏深度和基岩厚度呈正相关关系。这表明随着埋藏深度的增加，δ13C1变化总体上表现偏重的特点。反之，δ13C1变得较轻。如图5(c)(d)所示，δ13C1与储层压力和储层温度也呈正相关关系。这表明储层压力和温度在逐渐升高的规程中，会使δ13C1变重。如图6(a)(b)所示，δ13C1数值与煤样孔隙度和煤储层的渗透率之间无明显线性关系。

图5 潘集深部11-2煤层的δ13C1与地质条件的关系

图6 潘集深部11-2煤层的δ13C1与孔隙度和渗透率的关系

δ13C1值变轻的主要因素有：解吸-扩散-迁移效应，CH4和CO2之间的碳同位素交换反应，热成因气和生物成因气的混合气[10]。所选煤样是来自潘集深部11-2煤层的气煤和气肥煤，这些煤样主要处于生油阶段，生成时会伴有一定量的气体。因此，热成因气和生物成因气的混合气，可能会使δ13C1的值在一定程度上变轻[15]。由表2中CH4和CO2的含量分析，由于CO2的相对含量较低，CH4和CO2之间的碳同位素交换反应对δ13C1值变轻没有影响。同位素交换需要CH4和CO2的高含量和低储层温度[16]，研究地区不具备上述反应的地质条件。

如图7所示，潘集深部11-2煤层含气量与δ13C1呈线性正相关，这表明δ13C1是影响煤层气含量的一个重要指标。通常在煤层气含量高的环境下，有利于煤层气的保存与利用。但这种环境需要许多因素支持，包括有利的孔隙结构、良好的封闭性、更好的连通性，以及较高的储层温度和压力，而这些因素都有利于δ13C1的存在[17-18]。综上所述，δ13C1与煤层气含量的控制因素有一定的相关性。

图7 潘集深部11-2煤层的δ13C1与含气量的关系

3 结 论

(1)11-2煤层的埋藏深度为1 195～1 470 m，平均值为1 352 m；煤层厚度为1.12～5.75 m，平均值为2.69 m；煤层顶部和底部的岩性主要以泥岩为主；储层温度为51～62 ℃，平均值为54.7 ℃；储层压力为5.14～7.42 MPa，平均值为6.28 MPa；煤层渗透率为0.142～3.073 mD，平均值为1.293 mD；煤样孔隙率为4.35%～17.85%，平均值为10.04%；深部11-2煤层的地质条件在纵向上具有明显的变化。

(2)11-2煤层气含量为9.66～13.68 m3/t，平均含量为11.58 m3/t。当埋藏深度小于600 m时，煤层含气量与埋藏深度呈正相关关系[14]；当埋藏深度大于900 m时，含气量增加的速率逐渐变缓。另外，含气量与埋藏深度、基岩厚度、储层温度、储层压力呈对数关系，所受影响程度都随着数值的增加而逐渐变弱。

(3)11-2煤层的δ13C1值介于-44.89‰～-38.42‰，平均为-41.58‰。δ13C1与埋藏深度和基岩厚度呈正相关关系，这说明δ13C1随着埋藏深度和基岩厚度的增加而变重。δ13C1与储层压力和储层温度也呈正相关关系。这表明储层压力和温度在逐渐升高的过程中，也会使δ13C1变重。δ13C1与含气量呈弱线性正相关关系，这说明δ13C1与含气量的控制因素有关。