申小龍 ,藺亞兵 , 賈志鑫

(1.國(guó)土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021;2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021)

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陜北三疊紀(jì)煤田蟠龍至高家屯勘查區(qū)煤層氣賦存規(guī)律研究

申小龍1,2,藺亞兵1,2, 賈志鑫2

(1.國(guó)土資源部 煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021;2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710021)

煤層氣的富集規(guī)律受多種地質(zhì)因素的影響。在分析蟠龍至高家屯勘查區(qū)煤層氣地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，從埋深，頂板巖性，水文地質(zhì)三個(gè)方面探討了研究區(qū)煤層氣富集規(guī)律。研究表明，研究區(qū)瓦窯堡組含有效煤層三層，分別為5號(hào)煤、3號(hào)煤和3-1號(hào)煤，煤層以薄煤層為主，埋藏較淺，Ro，max平均0.78%，生烴能力較強(qiáng)。研究區(qū)煤層氣平均含氣量為0.470m3/t，含氣量較低。三疊世晚期印支運(yùn)動(dòng)和早白堊世燕山運(yùn)動(dòng)使煤系抬升造成煤層氣逸散是影響研究區(qū)煤層氣含氣量低的關(guān)鍵因素。蟠龍至高家屯勘查區(qū)煤層氣富集主要受埋深和水文地質(zhì)條件影響。研究區(qū)煤層氣含氣飽和度低，致使煤層頂板巖性對(duì)煤層氣富集影響不明顯。

三疊紀(jì)煤田；子長(zhǎng)礦區(qū)；煤層氣；富集規(guī)律；瓦窯堡組

0 引言

陜西省煤層氣資源豐富，煤層氣總量13 866.86×108m3，勘探開(kāi)發(fā)前景廣闊[1-3]。陜北三疊紀(jì)煤田子長(zhǎng)礦區(qū)蟠龍至高家屯勘查區(qū)位于陜西省延安市北部，行政區(qū)劃隸屬延安市寶塔區(qū)貫屯鄉(xiāng)、子長(zhǎng)縣余家坪鄉(xiāng)和延川縣永坪鎮(zhèn)管轄。整個(gè)勘查區(qū)面積328.74km2，區(qū)內(nèi)各類煤炭資源總量2.74×108t[4]。周邊煤礦開(kāi)采和區(qū)內(nèi)煤炭資源勘查資料顯示勘查區(qū)內(nèi)具有一定煤層氣資源，進(jìn)行本區(qū)煤層氣富集規(guī)律的研究，可為井田乃至子長(zhǎng)礦區(qū)煤炭資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中是否存在可利用的煤層氣資源以及礦井瓦斯治理提供地質(zhì)依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

陜北三疊紀(jì)煤田子長(zhǎng)礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地陜北斜坡上，井田內(nèi)地表絕大部分被第四系與新近系覆蓋，溝谷等地出露有延安組至瓦窯堡組。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露可知，區(qū)內(nèi)發(fā)育的中生代、新生代由老到新依次為：三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、瓦窯堡組(T3w)；侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1y)；侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)；新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組(N2j)；第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)及全新統(tǒng)沖、洪、坡積物(Q4)

子長(zhǎng)礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地的延安斜坡中部?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一向西緩傾的單斜構(gòu)造，地層傾角小于5°，發(fā)育寬緩的波狀起伏，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，無(wú)巖漿活動(dòng)跡象，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

2 煤層氣地質(zhì)情況

2.1 煤層展布特征

陜西省陜北三疊紀(jì)煤田子長(zhǎng)礦區(qū)蟠龍至高家屯勘查區(qū)位于子長(zhǎng)礦區(qū)東南部，含煤地層為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)，屬深湖相-前緣三角洲沉積體系，厚達(dá)347.14m[5-6]。瓦窯堡組劃分為五段，含煤層(煤線)20余層，最多30層，煤層編號(hào)自上而下依次為6、5、4、3、3-1、2、1號(hào)煤層，具有對(duì)比意義的煤層為5、3、3-1號(hào)煤層。

2.1.1 5號(hào)煤層厚度特征

5號(hào)煤層位于瓦窯堡組第四段上部，可采面積86.86km2，下距3號(hào)煤層34.00～61.82m，平均44.5m。5號(hào)煤層分布在雷鼓川井田和元屯溝井田。瓦斯鉆孔中5號(hào)煤層厚度在0.50 ～1.45m，平均0.92m。5號(hào)煤層本次施工鉆孔含0～3層夾矸，一般1～2層，單層夾矸厚度0.05～0.47m，夾矸巖性以泥巖為主，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。5號(hào)煤層在勘查區(qū)東部?jī)?nèi)層位穩(wěn)定、大部可采、厚度變化較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、煤類單一，屬穩(wěn)定型煤層。

2.1.2 3號(hào)煤層厚度特征

3號(hào)煤層位于瓦窯堡組第三段上部，可采面積101.71km2，其中雷鼓川井田15.5 km2，元屯溝井田44.17km2，張坪井田42.04km2。煤層厚度0.15～1.41m，平均厚度0.42(雷鼓川)～0.72m(元屯溝)，屬薄煤層。該煤層一般為不含夾矸的單一煤層，少數(shù)含1層夾矸，夾矸厚度0.10～0.25m，巖性主要為泥巖，偶為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。3號(hào)煤層在本井田內(nèi)層位穩(wěn)定、大部可采、厚度變化較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、煤類單一，屬穩(wěn)定型煤層。

2.1.3 3-1號(hào)煤層深厚度特征

3-1號(hào)煤層位于瓦窯堡組第三段中下部，整個(gè)勘查區(qū)可采面積122.81 km2，其中雷鼓川井田63.0km2，張坪井田59.81 km2。在雷鼓川井田上距3號(hào)煤層21.65～56.66m，平均40.08m。煤層厚度0.20～1.00m，平均厚度0.65m，屬薄煤層。該煤層一般為不含夾矸的單一煤層，個(gè)別含1層夾矸，厚度0.10～0.35m，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。3-1號(hào)煤層在勘查區(qū)內(nèi)層位穩(wěn)定、大部可采、厚度變化較小，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、煤類單一，屬穩(wěn)定型煤層。

2.2 煤巖、煤質(zhì)

2.2.1 宏觀煤巖特征

本區(qū)各煤層宏觀煤巖組分主要由亮煤、暗煤、鏡煤和絲炭組成，其中主要以亮煤和暗煤為主，鏡煤和絲炭少量。本區(qū)各煤層宏觀煤巖類型主要以半亮型煤和半暗型煤為主，光亮型煤和暗淡型煤少量。

2.2.2 顯微煤巖特征

本區(qū)各煤層中有機(jī)組分含量較高，在83.3%～97.4%，平均值為90.61%。其中主要以鏡質(zhì)組為主，含量在40.6%～75.50%，平均60.91%。鏡質(zhì)組主要為基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)半鏡質(zhì)體和團(tuán)塊鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組次之，含量在13.3%～44.9%，平均27.02%。殼質(zhì)組少量，有小孢子體、角質(zhì)體和樹(shù)脂體存在。無(wú)機(jī)組分中主要為黏土類礦物，其次為碳酸鹽類，硫酸鹽類礦物。

本區(qū)各煤層變質(zhì)程度較低，鏡質(zhì)組最大反射率在0.627%～0.88%，平均值為0.78%，屬于中等變質(zhì)程度的煙煤，生烴能力較強(qiáng)。煤類以氣煤為主，1/3焦煤次之[7]。

2.3 煤層含氣性

整個(gè)勘查區(qū)煤層含氣量在0.008～3.340 m3/t，平均含氣量為0.470m3/t。整體表現(xiàn)為煤層氣含量低且煤層氣資源分布受煤層分布范圍的控制的現(xiàn)象。瓦斯中甲烷濃度在6.57%～38.28%，平均含量為12.518%,二氧化碳含量在0.64%～5.76%，平均含量為2.89%。氮?dú)夂吭?0.17%～91.15%，平均含量為86.7%。三層煤瓦斯分帶主要為二氧化碳-氮?dú)鈳Ш偷獨(dú)饧淄閹?，均處于風(fēng)氧化帶。

2.3.1 5號(hào)煤層含氣量特征

整個(gè)勘查區(qū)5號(hào)煤層甲烷含量在0.016～2.260m3/t(空氣干燥基)，平均0.446 m3/t。煤層氣含量高值主要集中在雷鼓川井田的東南部(圖1)。

2.3.2 3號(hào)煤層含氣量特征

整個(gè)勘查區(qū)5號(hào)煤層甲烷含量在0.016～3.340m3/t，平均0.399m3/t。煤層氣含量大于1 m3/t的地區(qū)主要集中在雷鼓川和張坪井田的北部區(qū)域(圖2)。

2.3.3 3-1號(hào)煤層含氣量特征

整個(gè)勘查區(qū)5號(hào)煤層甲烷含量在0.008～2.060m3/t(空氣干燥基)，平均0.434 m3/t。煤層氣含量大于1m3/t的地區(qū)主要集中在雷鼓川東部和張坪井田的南部區(qū)域(圖3)。

3 煤層氣富集規(guī)律

通常認(rèn)為煤層氣富集主要受煤層頂板巖性、 埋深、構(gòu)造、水動(dòng)力條件等因素影響[8-9]。研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體為一向西單傾的單斜構(gòu)造，發(fā)育育寬緩的波狀起伏，尚未發(fā)現(xiàn)斷層和巖漿活動(dòng)跡象，對(duì)煤層氣富集影響不大。但是研究區(qū)所在盆地整個(gè)演化進(jìn)程中，子長(zhǎng)礦區(qū)三疊紀(jì)煤田經(jīng)歷了6期明顯的構(gòu)造變動(dòng)[10-11]，特別是三疊紀(jì)末期印支運(yùn)動(dòng)使研究區(qū)整體不均勻抬升，缺失早侏羅世區(qū)域沉積，瓦窯堡組頂部遭受強(qiáng)烈剝蝕，使早期生物成因氣逸散。早白堊世-晚白堊世，直至始新世，盆地整體抬升遭受強(qiáng)烈剝蝕，致使這段時(shí)期的地層記錄基本缺失，使生成的熱解成因氣再次逸散。由此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是造成研究區(qū)煤層氣含量不高的根本原因。由此本文主要討論煤層頂板巖性、埋深、水動(dòng)力條對(duì)研究區(qū)煤層氣富集的影響。

圖1 5號(hào)煤層含氣量等值線圖Figure 1 Isogram of CBM contents in coal No.5

圖2 3號(hào)煤層含氣量等值線圖Figure 2 Isogram of CBM contents in coal No.3

圖3 3-1號(hào)煤層含氣量等值線圖Figure 3 Isogram of CBM contents in coal No.3-1

3.1 煤層頂?shù)装鍘r性

通常認(rèn)為煤層頂?shù)装鍘r性越致密，越有利于煤層氣的保存。研究區(qū)5號(hào)煤層頂板巖性大多為灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖及粉砂巖，個(gè)別鉆孔為中-細(xì)粒砂巖。3號(hào)煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，次為中粒砂巖、粉砂巖或細(xì)粒砂巖；底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，次為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。3-1號(hào)煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，次為粉砂巖、細(xì)粒砂巖；底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，次為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。煤層氣頂板巖性整體以致密性泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，有利于煤層氣的保存。從煤層氣含量與頂板巖性關(guān)系圖看出(圖4)，煤層頂板巖性與煤層氣富集規(guī)律不是很明顯，主要是由于研究區(qū)煤儲(chǔ)層含氣量低，造成含氣飽和度較低，由此對(duì)頂板的密閉性要求不高。

圖4 煤層氣含量與頂板巖性關(guān)系圖Figure 4 Relationship between CBM content and roof lithology

3.2 含煤地層的埋深及出露狀況

隨著煤層深度增大，儲(chǔ)層壓力增大，理論上含氣量會(huì)增加。研究區(qū) 5號(hào)煤層埋深在22.45～347.55m，平均194.13m。3號(hào)煤上距5號(hào)煤層39.15～61.82m，平均47.23m，煤層埋深在74.40～409.06m，平均240.13m。整個(gè)勘查區(qū)3-1號(hào)煤層埋深在100.55～538.45m，平均345.00m。研究區(qū)煤層氣整體向西傾斜，煤層在井田東部地區(qū)出露，向西煤層氣埋深逐漸增大，整個(gè)井田范圍煤層厚度變化比較大。由煤層埋深與甲烷濃度及含氣量圖可見(jiàn)研究區(qū)煤層氣含量隨著煤層埋深有增加的趨勢(shì)，但瓦斯中甲烷濃度與煤層埋深關(guān)系不明顯(圖5)。

3.3 水文地質(zhì)條件

煤儲(chǔ)層和頂板含水層構(gòu)成一個(gè)完整的地下水系統(tǒng)，在高儲(chǔ)層壓力、高含水層勢(shì)能的地區(qū)(滯留區(qū))，煤層氣易富集。研究區(qū)三疊系瓦窯堡組裂隙承壓含水巖組，屬基巖含水巖層，在裸露區(qū)接受大氣降水和上覆含水層下滲補(bǔ)給，總體趨勢(shì)從東向西接受區(qū)域逕流補(bǔ)給，在溝谷出露處以泉的形式滲出地表。水力坡度僅0.26/1000m，受上覆泥巖、粉砂巖隔水層影響，形成承壓水，其富水性弱，

圖5 煤埋深與甲烷濃度及含氣量圖Figure 5 Relationship between coal buried depth and methane concentration, methane content

逕流速度緩慢，愈向深部礦化度愈高，水質(zhì)類型也由HCO3·SO4-Na·Mg型轉(zhuǎn)化為Cl—Na型。研究區(qū)由東向西從補(bǔ)給區(qū)轉(zhuǎn)換成滯留區(qū)，一定程度上加強(qiáng)了研究區(qū)西部地區(qū)煤層氣的富集。

4 結(jié)論

①蟠龍至高家屯勘查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，含有效煤層三層，分別為為5號(hào)煤、3號(hào)煤和3-1號(hào)煤，屬深湖相-前緣三角洲沉積體系。本區(qū)各煤層宏觀煤巖組分主要以亮煤和暗煤為主，鏡煤和絲炭少量。研究區(qū)Ro，max在0.627%～0.88%，平均值為0.78%，屬于中等變質(zhì)程度的煙煤，生烴能力較強(qiáng)。煤類以QM為主，1/3焦煤次之。

②蟠龍至高家屯井田煤層含氣量在0.008～3.340 m3/t，平均含氣量為0.470m3/t。整體表現(xiàn)為煤層氣含量低且煤層氣資源分布受煤層分布范圍的

控制的現(xiàn)象。三疊世晚期印支運(yùn)動(dòng)和早白堊世燕山運(yùn)動(dòng)兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成煤系抬升是造成煤層氣逸散的關(guān)鍵因素，致使整個(gè)陜北三疊紀(jì)煤田煤層氣含量低。

③蟠龍至高家屯井田煤層氣富集主要受埋深和水文地質(zhì)條件影響。研究區(qū)煤層氣含氣飽和度低，對(duì)煤儲(chǔ)層頂板巖性密閉性要求較低，致使頂板巖性對(duì)煤層氣的富集影響不明顯。

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Study on CBM Hosting Pattern in Panlong-Gaojiatun Exploration Area, Northern Shaanxi Triassic Coalfield

Shen Xiaolong1,2, Lin Yabing1,2and Jia Zhixin2

(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources, Xi'an, Shaanxi 710021; 2.Shaanxi Coal Geological Exploration and Research Institute Co. Ltd., Xi'an, Shaanxi 710021)

The CBM enrichment pattern has impacted by multiple geological factors. On the basis of the Panlong-Gaojiatun exploration area CBM geological features analysis has discussed CBM enrichment pattern from buried depth, roof lithology and hydrogeology three aspects. The result has shown that the Wayaobu Formation in the study area has three pay grade coal seams namely Nos.5, 3 and 3-1. They are mainly thin coal seams with shallower buried depth, averageRo, max0.78%, stronger hydrocarbon generation capacity. Study area CBM average content is 0.470m3/t, slightly lower. The late Triassic Indosinian movement and early Cretaceous Yanshanian movement have made strata uplift and caused CBM dissipation, thus the key factor to bring about low CBM content. Exploration area CBM enrichment is mainly impacted by buried depth and hydrogeological condition. The lower CBM gas saturation has made impact on CBM enrichment from roof lithology inconspicuous.

Triassic coalfield; Zhichang mining area; CBM; enrichment pattern; Wayaobu Formation

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.05.04

1674-1803(2017)05-0016-04

國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主培育課題(ZP2013-3)

申小龍(1964—)，男，河南孟縣人，高級(jí)工程師，1986年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤田地質(zhì)與勘探專業(yè)，從事煤田地質(zhì)與煤層氣地質(zhì)勘探生產(chǎn)及管理工作30年。

2107-02-15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦