劉亞然，畢彩芹，單衍勝，劉瑞國(guó)，王福國(guó)，李 惠，代鳳紅，呂立娜

(1.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

0 引言

貴州省是我國(guó)煤層氣資源富集區(qū)，尤其是六盤水地區(qū)屬于煤層氣富集高產(chǎn)預(yù)測(cè)區(qū)，煤層氣資源儲(chǔ)量高達(dá)1.39×1012m3，占全省煤層氣資源總量的45.47%[1-3]。盤關(guān)向斜是六盤水煤田主要含煤及煤層氣構(gòu)造單元之一，前人對(duì)該向斜的沉積特征、地質(zhì)構(gòu)造特征、煤層氣資源及其開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件等方面有一定的研究[4-9]，而盤關(guān)向斜煤層氣儲(chǔ)層特征尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。2015年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在盤關(guān)向斜松沙地區(qū)實(shí)施1口調(diào)查井，本文以該井獲得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)松沙地區(qū)煤儲(chǔ)層特征及其煤層氣勘探潛力進(jìn)行了分析，以期對(duì)該地區(qū)煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)工作有一定的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松沙地區(qū)位于貴州省盤縣礦區(qū)西部，處于盤關(guān)向斜西翼中段，總體上為向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層呈近南-北走向，傾向近東，傾角24°～65°，礦山內(nèi)沿走向和傾向產(chǎn)狀變化不大，煤層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致；井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)褶曲，斷層發(fā)育(圖1)。區(qū)域上出露的最老地層為志留系中統(tǒng)馬龍群，最新地層為第四系，其中缺失上志留統(tǒng)、下泥盆統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)及白堊系，大面積出露地層有石炭系、二疊系及三疊系，其它地層只在局部地區(qū)零星出露，上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組在區(qū)內(nèi)普遍分布。井田內(nèi)出露地層為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組、第四系。區(qū)域上含煤地層有：中二疊統(tǒng)梁山組、上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組含煤段，龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組及上三疊統(tǒng)火把沖組，其中二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組的含煤最好。盤關(guān)向斜晚二疊世為海陸交互相潮坪-澙湖-三角洲沉積環(huán)境(圖2)，該沉積體系有利于陸生植物生長(zhǎng)、沉積與保存[3，5，10]，從而使得晚二疊世龍?zhí)督M含煤地層較為發(fā)育，區(qū)內(nèi)形成累計(jì)厚度較大、連續(xù)性較好的煤層。

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 煤層特征

松沙地區(qū)含煤地層主要為龍?zhí)督M，其厚220～260m，含煤28～49層，含煤總厚24.72～42.04m，平均含煤總厚33.63m，含煤系數(shù)12.8%～17.2%，平均含煤系數(shù)15%，主要表現(xiàn)為薄-中厚的煤層群發(fā)育特征。其中含可采煤層20層，總厚24.78m，可采含煤系數(shù)11%。整體垂向上，上部含煤性較好，煤層厚度變化小，煤層間距、巖性均變化不大；下部煤層厚度、間距都有較大變化，且深度越大，變化越明顯。

圖1 松沙地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖Figure 1 Structural map of Songsha region

圖2 松沙地區(qū)上二疊統(tǒng)沉積相及層序地層柱狀圖Figure 2 Songsha region upper Permian sedimentary facies and sequence stratigraphic column

2.2 煤巖煤質(zhì)

研究區(qū)宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，且隨埋深增加，暗煤含量比重增加。主要可采煤層主要塊狀原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤為主，線理狀、條帶狀結(jié)構(gòu)，似層狀、層狀構(gòu)造，階梯狀、參差狀斷口。瀝青光澤、樹(shù)脂光澤和玻璃光澤。煤層顯微煤巖組分：有機(jī)組分以鏡質(zhì)組為主，達(dá)60.72%～75.05%，平均66.10%；次為惰質(zhì)組，17.87%～32.56%，平均24.46%；殼質(zhì)組較少，4.68%～13.4%，平均9.44%。無(wú)機(jī)總量5.42%～20.75%，平均12.18%，以黏土礦物為主，次為硫化物和碳酸鹽，少量氧化物類。

2.3 煤變質(zhì)程度

松沙勘查區(qū)各煤層鏡煤反射率(Ro,max%)介于0.85%～1.06%，平均0.98%，為中等變質(zhì)程度，整體屬于氣-肥煤，且隨埋深增加，煤層變質(zhì)程度增加的變化趨勢(shì)，變化趨勢(shì)較緩(圖3)。與六盤水其他地區(qū)煤層相較，研究區(qū)煤儲(chǔ)層變質(zhì)程度相對(duì)較低[11]，其與該區(qū)煤層較其他地區(qū)埋深淺相關(guān)。研究區(qū)主要受燕山運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)生構(gòu)造-熱事件，煤層變質(zhì)作用主要為深成變質(zhì)作用。

圖3 松沙地區(qū)煤層鏡質(zhì)組反射率Figure 3 Songsha region coal vitrinite reflectance

2.4 煤儲(chǔ)層孔滲特征

通常煤儲(chǔ)層系由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成，孔隙是煤層氣的主要儲(chǔ)集場(chǎng)所，宏觀裂隙是煤層氣運(yùn)移的通道，而顯微裂隙則是溝通孔隙與裂隙的橋梁[12-14]。松沙井田煤層面割理較發(fā)育，端割理局部發(fā)育，裂隙呈樹(shù)枝狀，網(wǎng)狀分布，其中3#發(fā)育夾角為60°兩組面割理；面割理裂隙間距多為0.1～1.6cm，端割理為0.2～3.5cm，平均密度8～25條/(5cm)，割理長(zhǎng)度2～60mm為多數(shù)，宏觀裂隙發(fā)育，連通性好，以垂直和斜交層理面方向，局部煤層充填度較高，達(dá)50%～70%，充填礦物主要以方解石為主，其次為黃鐵礦(圖4)。根據(jù)掃描電鏡下對(duì)大量裂隙的觀測(cè)結(jié)果顯示松沙及水城礦區(qū)宏觀裂隙發(fā)育，充填較少，連通性較好(圖5)。

圖4 松沙地區(qū)煤儲(chǔ)層宏觀裂隙發(fā)育特征Figure 4 Songsha region coal reservoir macroscopic fissure development features

圖5 松沙地區(qū)煤儲(chǔ)層顯微裂隙Figure 5 Songsha region coal reservoir microfissures

采用壓汞法，對(duì)松沙地區(qū)5個(gè)煤層樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：該區(qū)煤層以小孔和微孔為主，總孔面積為4.833～7.336m2/g，平均5.52m2/g；平均孔徑為17.1～27nm，平均21.46nm(表1、圖6)。不論是孔容還是孔比表面積，小孔和微孔都占了較大的比例，該類孔隙透氣性較好，對(duì)煤層氣的吸附，解吸以及擴(kuò)散有利，為煤層中的吸附氣提供有利儲(chǔ)存空間。

表1 松沙地區(qū)主采煤層孔隙特征Table 1 Songsha region main mineable coal seam pore features

煤樣壓汞曲線顯示(圖7)，不同孔徑的孔隙連續(xù)發(fā)育，孔喉之間連通性好，有利于煤層氣解吸、運(yùn)移和產(chǎn)出；曲線呈現(xiàn)為具一定進(jìn)汞、退汞體積差(壓力差)的滯后環(huán)，孔隙多以開(kāi)放孔為主；其中3#煤、無(wú)編號(hào)煤層呈現(xiàn)退汞曲線均呈下凹狀，表明其中包括相當(dāng)數(shù)量的半封閉孔隙。

松沙地區(qū)主采煤層孔隙率介于2.87%～3.4%，平均3.16%，隨埋深變化不大；滲透率介于0.075 9～0.493mD，平均0.214mD，整體表現(xiàn)隨埋深增加，滲透率逐漸降低變化趨勢(shì)，且上部煤儲(chǔ)層滲透性高于下部煤組。整體上，研究區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較低，不利于煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)，但可通過(guò)后期儲(chǔ)層改造來(lái)對(duì)其進(jìn)行改善。

圖6 松沙地區(qū)煤層孔徑分布Figure 6 Songsha region coal seam pore size distribution

圖7 松沙地區(qū)煤層進(jìn)汞退汞曲線Figure 7 Songsha region coal seam mercury injection and withdrawal curves

2.5 等溫吸附特征

Langmuir 體積是反映了煤的吸附能力的重要指標(biāo)，Langmuir 壓力是反映煤層氣解吸難易程度的指標(biāo)。通常Langmuir 壓力值越高，煤層中吸附態(tài)氣體解吸越容易，越有利于開(kāi)發(fā)[15-16]。通過(guò)等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：松沙井田主要煤層蘭氏體積介于4.35～14.71m3/t，平均8.1m3/t，表明對(duì)煤層氣的吸附能力相對(duì)較強(qiáng)；蘭氏壓力介于0.43～1.90MPa，平均0.76MPa，煤層放散初速度3.9～16mmHg，平均7.02mmHg，且隨埋深變化規(guī)律不明顯。

2.6 煤巖力學(xué)性質(zhì)

煤巖力學(xué)性質(zhì)對(duì)煤層氣井井壁穩(wěn)定及井深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義，而煤巖力學(xué)性質(zhì)主要受到煤巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)、飽和介質(zhì)及加載方式影響[17]。通過(guò)松沙地區(qū)煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：煤巖塊體密度為1.46～1.51g/cm3，抗壓強(qiáng)度為7.1MPa；煤層抗拉強(qiáng)度為0.33～0.97MPa，平均0.63MPa。煤層頂?shù)装鍘r石塊體密度介于2.42～3.16g/cm3，平均2.82g/cm3；巖石抗壓強(qiáng)度介于8.2～48.5MPa，平均21.9MPa；彈性模量為21.1×103～29.8×103MPa；平均24.45×103MPa；泊松比為0.21～0.28，平均0.25；巖石抗拉強(qiáng)度為0.99～8.94 MPa，平均3.75MPa。結(jié)果表明：煤層頂?shù)装鍘r性抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度比煤層大。

3 煤層氣勘探潛力

3.1 煤層含氣性條件

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：主要可采煤層含氣量為3.30 ～17.32m3/t，平均8.43m3/t；空氣干燥基含氣量為8.08 ～ 26.78m3/t，平均17.51m3/t；干燥無(wú)灰基含氣量為14.89～42.92m3/t，平均25.04m3/t，整體上，煤層含氣量呈隨埋深增加而增大的趨勢(shì)，下煤組含氣量較上煤組高。

煤層氣成分以CH4為主，所占比例為71.51%～99.75%，平均93.77%；CO2為0～24.43%，平均1.16%。重?zé)N組分含有0.64%～6.68%。

3.2 煤層生氣條件

煤層氣藏是煤儲(chǔ)層中自生自儲(chǔ)的烴類氣藏，煤層厚度越大，則烴源巖越豐富，烴類氣體儲(chǔ)集空間增大，松沙地區(qū)晚二疊世為海陸交互相潮坪-澙湖-三角洲沉積環(huán)境，龍?zhí)督M含煤地層較為發(fā)育，煤層、泥頁(yè)巖層層數(shù)多，可采煤層累計(jì)厚度較大、連續(xù)性較好總厚度達(dá)的特點(diǎn)，為煤層氣的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和儲(chǔ)藏空間。

相關(guān)研究表明，不同類型顯微煤巖組分的生烴潛力不同，其中殼質(zhì)組產(chǎn)氣能力最強(qiáng)，其次為鏡質(zhì)組，而惰質(zhì)組最差[16,18]。松沙地區(qū)煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量最高，其次為惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，加之研究區(qū)煤層累計(jì)厚度大，為煤層氣的生成提供了豐富了烴源巖。

與此同時(shí)，煤層的生氣量和儲(chǔ)氣量能力與煤變質(zhì)程度有著密切的關(guān)系，研究區(qū)煤層鏡煤反射率(Ro,max%)介于0.85%～1.06%，為中等變質(zhì)氣-肥煤，該類煤具有生烴潛力大、生氣量的特點(diǎn)(圖8)，與此同時(shí)， 其吸附量較大， 解吸率高， 為研究區(qū)形成煤層氣藏奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖8 煤化作用階段及氣體生成[19]Figure 8 Coalification stages and gas generation[19]

3.3 煤層氣保存條件

松沙地區(qū)上二疊系峨眉山玄武巖組為煤系基底，為厚度大的相對(duì)隔水層；上覆三疊系飛仙關(guān)組底部為一套弱含水層。與此同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育，且富水性和導(dǎo)水性均較弱，難以在煤層與強(qiáng)含水層或地表水之間形成水力聯(lián)系。整體上，研究區(qū)水動(dòng)力條件弱，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，因此，研究區(qū)煤系地層中煤層與煤層氣藏保存條件較好。

與此同時(shí)，煤層圍巖特別是頂?shù)装鍘r性及封閉性能是煤層氣能否富集成藏的重要因素之一。不同巖性的封閉性差別較大，泥巖封閉能力最強(qiáng)，其次為灰?guī)r，砂巖最差[11]。松沙地區(qū)區(qū)域封蓋層條件較為優(yōu)越，整體上，上二疊統(tǒng)煤系中各煤層頂板和底板一般為較厚的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，具有較好的封閉性，有利于煤層氣的保存與富集成藏。

4 結(jié)論

松沙地區(qū)含煤地層主要為龍?zhí)督M，含煤性較好，煤層層數(shù)多、累計(jì)厚度大。顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，高達(dá)60.72%～75.05%。煤層變質(zhì)程度為中等，整體屬于氣煤-肥煤。煤層宏觀裂隙發(fā)育，連通性好，孔隙結(jié)構(gòu)以小孔和微孔為主，透氣性較好。。煤層頂?shù)装鍘r性抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度比煤層大。主要煤層蘭氏體積介于4.35～14.71m3/t，煤層含氣量較高，為3.30 ～17.32m3/t。通過(guò)對(duì)煤層含氣性、生氣條件、保存條件等方面分析，認(rèn)為松沙勘查區(qū)具有較好的煤層氣勘探前景。