成庄井田3号煤层气成藏条件分析

2020-10-14刘昊承

煤 2020年10期

刘昊承

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

煤层气是成煤期地质作用的产物，与煤共伴生[1]。我国煤层气资源丰富，据全国煤层气资源评价资料显示，2 000 m以浅的煤层气资源地质储量为30.1×1012m3，可采储量12.5×1012m3[2]。煤层气的成藏过程极为复杂，是诸多地质要素及其耦合作用的结果。煤层气的富集成藏主要受煤生烃、储层储集和盖层封闭保存条件三方面所控制，煤生烃是煤层气成藏的基础，储集是保障，封盖保存是根本，三者有机匹配是煤层气成藏之关键[3-5]。我国煤矿区具有成煤环境多样、成煤期次多、构造演化差异大等特征，致使控制煤矿区控制煤层气成藏条件不同[6]。因此，基于研究区之实际开展煤层气成藏条件研究工作，是煤层气勘探开发高产富集区预测及评价、提高煤层气开发效果的前提和关键[7]。成庄井田地处沁水煤田的南端东翼，是我国最早从事地面煤层气抽采治理矿井瓦斯的区块之一，目前，井田内已在瓦斯地质、煤储层物性及特征、煤层气井产能控制因素等方面开展了较为夯实的研究工作，但在煤层气成藏条件方面尚未开展相关研究。为此，本文从煤生烃、煤层气储集和盖层封盖保存条件，对成庄井田3号煤层气成藏条件进行分析，以期为矿井瓦斯治理和煤层气开发提供技术参数和理论支撑。

1 研究区概况

成庄井田为晋煤集团煤炭采矿权区，位于沁水煤田的南端东翼，行政区划上属山西省晋城市沁水和泽州辖区，地理坐标北纬35°34′11″～35°39′50″，东经112°36′06″～112°43′49″，井田面积74.333 8 km2。

井田内主要含煤地层为晚古生代二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，总厚度126.94～178.06 m，平均厚度145.10 m，含煤13层，煤层总厚度14.30 m，含煤系数9.86%。煤层编号自上而下依次为：1、2、3、5、6、7、8、9、11、13、14、15、16号，其中，3、15号为全井田稳定可采煤层，9号煤层为较稳定大部分可采煤层。本文所研究的3号位于山西组下部，煤层厚度大(2.95～7.68 m，平均6.24 m)、含气量高(4.26～19.25 m3/t，平均12.19 m3/t)、煤层结构简单，为当前矿井主力开采和煤层气抽采利用煤层。

2 煤层气成藏条件

2.1 煤层生烃条件

2.1.1 煤生烃基础物质

煤生烃基础物质是煤层气生成的物源基础和物质保障，控制着煤的含气性(煤层气含量、煤层含气饱和度、煤层气地质储量丰度)、资源量大小、矿井瓦斯涌出量及矿井瓦斯等级等。煤成烃是煤层气地质(瓦斯地质)和煤层气成藏分析及评价等备受关注的研究点之一。学者们对煤生烃的物源已开展了大量理论攻关和实验研究工作，得出煤中有机显微组分是煤生烃的基本物质，成煤过程中煤变质时煤中显微组分在生烃活化能及脂肪侧链的结构、热稳定性和链长等方面存在差异，进而控制着演化范围、生油门限及生烃规律及潜力不同[7-9]。煤中不同有机显微组分的生烃潜力不同，壳质组的生烃潜力最好，生烃能力是惰质组的2.5倍，镜质组的4倍。

通过煤显微组分测定结果显示(表1)，成庄井田3号煤的显微组分基本为有机显微组分(84.8%～98.53%，平均94.68%)，无机显微组分少量(3.28%～12.80%，平均5.32%)。煤中有机显微多为镜质组(含半镜质组)，丝质组少量，因为煤变质程度较高，壳质组无法辨识。无机显微组分以分散状、浸染状粘土矿物为主，碳酸盐类次之，硫化物和石英少量。可见，成庄井田3号煤中有机显微组分丰富，为煤生烃提供充裕物源保障，不同有机显微组分在煤化作用过程中各自生烃量的叠加进而决定了煤的生烃能力和生烃量[10]。

表1 成庄井田3号煤显微组分测定结果

2.1.2 生烃动力

煤生烃动力研究是煤生烃潜力定性、定量评价的关键内容之一，目前，国内外学者在煤成烃动力学模型、煤成烃特征认识、成烃动力学参数运用和煤成烃机理等方面已开展了许多研究工作, 认为热能是促进煤发生变质作用和煤生烃的动力[11-12]。煤生烃热模拟试验表明，煤在热源持续“烘烤”条件下，煤发生变质作用且煤变质加剧，提高了煤生烃量和生烃率。

成庄井田位于沁水煤田东南部，整个成煤阶段经历了四个地质历史时期热演化作用，为煤生烃提供了良好的动力源[13]。沁水煤田在晚石炭世-晚三叠世地史时期经历了首次热演化作用，成煤环境稳定，具有典型的克拉通盆地特征，自三叠纪开始，沁水煤田开始“活化”，成煤环境发生快速沉降，煤系埋藏深度增加和地温快速升高，煤系埋藏深度介于3 300～4 400 m，古地温一般为110～140 ℃。该阶段3号煤主要发生深成热变质作用，煤级由气煤变演化为肥煤；早侏罗世-中侏罗世，沁水煤田开始经历第二个热演化作用，燕山期早期，沁水煤田地质构造活动强烈，导致煤田内地质构造具有显著的分异特征，基本没有发生岩浆活动，但煤系发生了抬升，煤系上覆岩层遭受风化、剥蚀等作用，煤层埋藏深度变浅(2 300～3 300 m)、古地温亦有所下降(约80～110 ℃)，该阶段热演化对煤变质和煤生烃作用较小；晚侏罗世-早白垩世的燕山期中期，沁水煤田进入第三个热演化阶段，该阶段岩浆热变质作用强烈，古地温呈现出高异常(地温梯度一般为5.88～8.08 ℃/100 m)，同时，煤系发生持续抬升而埋深变浅和古地温降低(古地温仍高达182～263 ℃)，煤系在长期高异常古地温持续“烘烤”作用下，煤发生了快速变质，促使了煤中生烃物质大量生烃，总体决定了煤变质程度；沁水煤田在晚白垩世-新生代进入第四个热演化阶段，煤系发生快速隆起、抬升，煤系上覆地层遭受风化、剥蚀，煤系埋藏深度变浅、古地温快速降低，煤变质作用和煤生烃作用基本终止。

由上述可知，多期热演化作用为成庄井田煤系生烃提供了良好生烃动力，提高了煤变质程度，井田3号煤为无烟煤三号(镜质组最大反射率Ro,max=2.226%～2.228%)。在煤变质作用过程中，煤中氮、氢、氧等元素从煤的分子链上支解脱落而含量减少，而碳元素含量则增高，促使煤生烃和提高煤生烃率[14]。

2.2 煤层气储集条件

2.2.1 煤层气储集空间

煤是一种孔裂隙极为发育的介质，煤中孔裂隙是煤层气吸附储集、解吸、扩散及渗流的场所或空间。煤与其他岩石不同，煤体表面存在不饱和能，使得煤层气绝大部分以吸附态储集于煤基质孔隙表面[15]。煤层气要吸附储集成藏，煤中必须有良好孔隙系统发育。煤孔隙结构多分形特征是造成煤层气运移(解吸、扩散、渗流)、煤层气储集性能、煤层气井产能大小、煤层气开发潜力等差异的重要因素[16-17]，特别是煤孔隙大小对煤层气吸附储集和运移控制最为显著。煤层气在大孔中主要以为紊流和剧烈层流方式运移，在中孔中主要表现为缓慢紊流渗透方式运移，在过渡孔中主要表现为毛细管凝聚、吸附和扩散方式运移，微孔中煤层气主要表现为吸附储集[18]。可以看出，煤中微孔及过渡孔发育程度对煤层气吸附储集成藏最为关键。据测定，成庄井田3号煤变质程度高，煤中孔隙系统极为发育，特别是微孔(占比51.99%)和过渡孔(22.18%)最为发育[19]，为煤层气吸附储集提供了良好空间和有利条件。

2.2.2 煤层气储集能力

因煤体表面存在不饱和能，遇到非极性分子时会产能“范德华力”，在煤体基质表面及其附近会存在引力和吸附场[20]，使得大量甲烷分子吸附在煤孔隙基质表面和孔隙基质块内表面。因此，煤被视为甲烷的天然吸附载体。为了定量评价煤的吸附储集能力，常用吸附量参数来描述和表征[21]。“范德华力”仅在分子表面起作用，不会涉及外层分子，故甲烷在煤孔隙基质表面为单层吸附，其吸附过程及吸附量大小可用Langmuir方程(朗格缪尔方程)来描述和表征[21]。Langmuir方程在煤层气勘探开发领域应用较为广泛，它是煤层气储层评价、临界解吸压力估算、煤层气采收率计算的关键参数。其表达式如下：

V=VLP/(PL+P)

式中：V为在试验压力P条件下煤吸附甲烷量，m3/t；VL为煤对甲烷的最大吸附量(或Langmuir体积)，m3/t；P为试验气体压力，MPa；PL为吸附量达到最大吸附量一半时所对应的平衡气体压力，MPa。

为了定量评价成庄井田3号煤对甲烷分子的储集能力，采用高压等温条件下对3号煤层进行了煤吸附甲烷能力试验研究(表2)。在Langmuir压力3.16～3.12 MPa条件下，空气干燥基煤样对甲烷的最大吸附量(VL)为44.15～45.46 m3/t，平均44.81 m3/t；干燥无灰基煤样对甲烷的最大吸附量(VL)为51.94～52.82 m3/t，平均52.38 m3/t。

可见，因成庄井田3号煤中过渡孔和微孔隙过渡发育，煤孔表面积大、吸附甲烷分子强，使得该研究煤层对甲烷的吸附量非常之大，是煤层气吸附储集成藏的良好储层。

表2 成庄井田3号煤的等温吸附实验结果

2.3 盖层封闭保存条件

2.3.1 煤层埋藏深度

煤层埋深是指煤层顶板至地面的垂直距离，在众多的地质因素中，煤层埋深被认为是最具普遍性的因素之一。煤层埋深越大，上覆盖层越厚，地应力随之增加而使得围岩的渗透性能降低，煤层气向地表运移距离增加、难度增加，煤层气不易移散散失。一般而言，在甲烷带随着煤层埋深增加，瓦斯含量越大，反之亦然[22-24]。成庄井田范围内3号煤层无露头，煤层埋藏深度一般在300～900 m之间，多在500 m左右，煤层埋深和瓦斯含量具有较好的线性相关性(关系式：y=0.023 4x+1.113 04,R2=0.57)。该深度范围内，3号煤层气气体组分以CH4(94.84%～98.58%，平均96.81%)为主，N2(1.00%～4.69%，平均2.79%)次之，CO2(0.31%～0.45%，平均0.38%)最少(表3)。可见，成庄井田3号煤层气的烃类气体含量高，煤层地处甲烷带深度内(甲烷带深度约260 m)，煤层埋深越大，越有利于煤层气吸附储集成藏[25]。

2.3.2 围岩岩性及其组合特征

煤层围岩系指煤层上下邻近的顶底板，包括伪顶、直接顶及老顶，直接底和老底。成煤环境及其演化控制着煤层围岩的岩性及其组合特征、煤岩透气性、煤厚及分布等[26]。沁水煤田二叠系下统山西组地层形成于海陆交互相的过渡环境下三角洲和滨浅湖体系，三角洲沉积建设时期为三角洲前缘和下三角洲平原沉积，受到潮汐和河流的双重影响[27]，地层岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩。成庄井田3号煤层位于山西组下部，沉积稳定，据采矿及勘探钻孔揭露资料显示，3号煤层顶底板岩性基本为炭质泥岩、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩等泥质岩，其中，顶板泥质岩厚度一般在6.16～10.37 m，平均8.32 m；底板泥质岩厚度7.62～12.49 m，平均厚度为9.58 m。可以看出，成庄井田3号煤层围岩主要为泥质岩且厚度较大，围岩的完整性较好且致密、低孔、低渗，为煤层气提供良好的封盖条件，有利于煤层气保存和富集成藏。

表3 成庄井田3号煤层气气体组分测定结果

2.3.3 构造封闭性能

在众多影响煤层气成藏的地质因素中，构造作用影响最为关键，整个成煤阶段地质构造及其演化特征对煤与煤层气生成具有决定控制作用[28]，构造变动形成的各类地质构造因所受应力状态不同，造成构造对煤层气的封闭性能各异。拉张应力形成的构造对煤层气的封闭保存能力差，被称之为“开放型构造”。挤压、压扭性构造对煤层气具有良好的封闭保存能力，被谓之“封闭型构造”。

成庄井田山西组含煤地层在整个煤化作用阶段先后经历了印支运动、燕山运动和喜山运动构造变动及其演化作用，各个期次相应地形成系列构造类型，当前构造的形态、组合形式及分布规律都是各个期构造变动作用所叠加所致[29]。印支期在近SN向挤压应力作用下，在井田内形成了部分轴向近EW向展布的宽缓褶曲和部分逆断层，印支运动期构造变动总体不强烈，对煤层气成藏影响较弱。燕山运动期受NWW-SEE向近水平挤压应力作用，井田内形成了轴向NE-NNE的一些宽缓背、向斜和高角度正断层，该期构造变动较为强烈，总体奠定了成庄井田3号煤层气的赋存规律。喜山运动期受NE-SW向水平构造挤压应力作用和NW-SE向伸展作用，井田内主要发育NW向次级褶曲和断裂构造。

总体来看，成庄井田地层平缓且连续完整，井田内构造复杂程度总体为简单型，构造主要为宽缓褶曲，断层少量，陷落柱稀少。断层基本为小型或层间断层，未沟通上覆和下伏含水层，并在层间形成水力联系。除个别陷落柱发育区外，井田内褶皱和断层构造密封性总体较好，同时，西边有具有走滑性质且断层面紧闭的寺河断层，北部与沁水煤田深部地层接触。可以看出，成庄井田构造格局总体对煤层气具有良好的封闭保存能力，是煤层气成藏的重要地质因素。

2.3.4 地下水径流特征

煤层气和地下水共储于煤孔隙中，地下水动力条件(或径流特征)对煤层气具有保存和逸散双重控制作用，一般而言，地下水径流强容易驱动溶解于水中的煤层气运移散失，不利于煤层气保存，煤层含气量往往较低。而地下水弱径流或停滞状态，对煤层气往往起到水力封堵或封闭作用，煤层气易于保存和富集成藏[30-31]。

成庄井田含水层组主要有四套，自上而下依次为：第四系冲积层孔隙含水层及风化带裂隙含水层、二叠系山西组和上下石盒子组砂岩裂隙含水层、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层，除第四系基岩风化带裂隙含水和奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层富水性为中等-强富水含水层外，其他含水层均为弱富水含水层。各含水层间具有多层致密完整的泥岩和砂质泥岩存在，隔水性能好，为井田含煤地层与各含水层间良好的隔水层。

以大宁井田-潘庄井田为中心，以樊庄地区为斜坡地带形成了一个等势低地。成庄井田位于“等势低地”区域内，地下水矿化度高(一般在1 158～2 000 mg/L之间)，水质为微咸水。可以看出，成庄井田含水层富水性总体较弱，地下水动力条件差，基本为弱径流状态，不易驱动煤层气运移移散。同时，在井田中部、西部为3号煤层带压开采区，奥陶系承压地下水对煤层气起到一定封堵作用，有利于煤层气保存和富集成藏。