煤层气赋存的两大地质控制因素

7月煤炭学报

JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

Vol．36July

No．72011

文章编号：0253－9993（2011）07－1129－06

煤层气赋存的两大地质控制因素

1，21，2222

王怀勐，朱炎铭，李伍，张建胜，罗跃（1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221116；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221116）

摘

要：探讨了构造演化和水动力条件对煤层气赋存的影响机理，并结合实例分析了河北赵各庄井

田的煤层气赋存特征。研究表明：构造控制着煤层气生成、聚集、产出过程的每一环节；煤层水溶解

了部分煤层气，同时控制着煤储层的压力，水的流动将直接影响煤层气的吸附解吸程度。赵各庄井田现今煤层气的赋存特征主要是构造与水动力条件综合影响的结果，井田构造特征具有明显的分区性：Ⅰ区和Ⅱ区构造较发育，逆冲、压扭性断层对煤层气有很好的封堵作用；Ⅲ区受开平向斜控制，煤层气含量在向斜核部明显较大。同时，井田水文地质边界条件为封闭或半封闭的，而且由于井田所在的开平向斜北西翼受水力封堵作用影响，煤层气封存条件较好。关键词：煤层气；赋存；构造演化；水动力条件；开平向斜中图分类号：P618.11

文献标志码：A

TwomajorgeologicalcontrolfactorsofoccurrencecharacteristicsofCBM

22

WANGHuai-meng1，，ZHUYan-ming1，，LIWu2，ZHANGJian-sheng2，LUOYue2

（1.KeyLaboratoryofCoalbedMethaneResourcesandReservoirFormationProcessoftheMinistryofEducation，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.SchoolofResourcesandEarthScience，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China）

Abstract：Studiedtheimpactmechanismofthestructuralevolutionandhydrodynamicconditions，andanalyzedtheCBMoccurrencecharacteristicsofZhaogezhuangminefield．TheresearchshowsthatthestructurescontrolCBMpro-duction，accumulationandoutput，waterdissolvespartofthegasandcontrolthecoalpressure，andtheflowofwaterdirectlyinfluencesthedegreeofCBMadsorption-desorption．ThepresentCBMcharacteristicsofZhaogezhuangminefieldaretheresultsofcombinedeffectsofstructuresandhydrodynamicconditions，andthestructuralcharacteristicshasaclearpartition：thestructuresdevelopinthepartⅠandⅡ，whereCBMisblockedbythrustfaultsandcompres-sive-torsionalfaults；thepartⅢiscontrolledbyKaipingsyncline，andtheCBMcontentismuchmorehigherinsyn-clinecore．Moreover，thereisaclosedorsemi-enclosedhydrogeologicalenvironmentintheminefieldandahydraulic-blockingfunctioninthenorth-westlimbofKaipingsyncline，whichbenefitfortheCBMsaving．

Keywords：CBM；occurrencecharacteristics；structuralevolution；hydrodynamicconditions；Kaipingsyncline煤层气是一种自生自储型的非常规天然气，主要

［1－2］

。煤层气成以吸附状态赋存于煤层孔隙的表面

藏特征受由煤层及其上下岩层所构成的含煤层气系统及该系统所经受的多种地质作用等因素的控

［3］

制。研究表明，影响煤层气富集成藏的地质因素包括：构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、含气量、

［4－8］

。渗透率、煤储层压力、解吸压力和水文条件等煤层气藏的形成除了与气源和储集等自身条件有关

［9］

外，更重要的是与后期保存条件密切相关。近年

来，随着煤层气产业的发展，对煤层气成藏控制因素的研究成果亦主要体现在对煤层气藏的后期赋存特

［10－11］［12－13］

，征的研究且集中在构造演化和水动力条两方面。构造不仅控制着含煤盆地及含煤地

层的形成和演化，而且控制着煤层气生成、聚集、产出件

［16－17］

；水作为煤储层孔裂隙空间的过程的每一环节

主要充填者，不仅含有一定量的溶解气，而且控制着［14－15］

煤储层的压力。水的流动将直接影响煤层气的吸附解吸程度，对煤层气的封存（逸散）有重要的影响。

收稿日期：2010－10－25责任编辑：韩晋平

基金项目：国家自然科学重点基金资助项目（40730422）；国家基础研究发展计划（973）资助项目（2009CB219605）；国家科技重大专项资助项

目（2008ZX05034－04）

作者简介：王怀勐（1986—），男，山东泰安人，硕士研究生。E－mail：whmcumt@163.com

1130

煤炭1

煤层气赋存的两大地质控制因素

1.1

构造对煤层气赋存的控制早在1988年，英国的Davdir就提出地质构造对

煤层气赋存特征的影响起主导作用［18］

，

建议加强对地质构造演化与煤层气地质规律的研究。澳大利亚

的Jshhedr（1981）［19］

对地质构造与煤层气的赋存关系也作了广泛的研究。目前一致认为，煤层气的赋存状态是含煤地层经历历次构造运动演化的结果。Bi-blerCJ等（1998）［20］在研究全球范围的瓦斯涌出现象时，指出矿区构造运动不仅影响煤层气的生成条件，而且影响煤层气的保存条件。

我国煤层气赋存的地质条件复杂，构造运动频繁而强烈，各期构造运动的动力来源与挤压方向不一，煤层形成后遭受不同程度的破坏改造，使得现今我国

的煤层气赋存呈现“三低一高”

的地质特征［21］

，即低饱和度、

低渗透性、低储层压力和高变质程度。1.1.1构造演化

（1）构造演化控制煤层上覆盖层厚度。煤层沉积埋藏后，能否形成煤层气藏，主要取决于后期构造演化条件

［22］

。上覆盖层有效厚度是地质构造发展史

留下的最直接的证据，在煤层气勘探选区中承担着重

要的作用。它不仅通过控制煤层的压力而影响煤层气的吸附量，而且控制着游离气的散失；而构造演化控制着成藏过程中上覆盖层厚度的变化。

（2）构造的回返抬升对煤层气富集的控制。现

今埋深相同的煤层，

其经历的回返抬升的时间早晚和长短不同，煤层气的富集程度也不同。抬升回返时间

晚且短，煤层气散失的时间就短，对煤层气藏的保存有利［23］

。例如华北东部和西部地区抬升回返时间不

同，煤层气富集程度具有明显差异［24］

。聚煤盆地回返抬升后的喜马拉雅期构造演化对煤层气的富集程度也有重要影响。长期处于隆起剥蚀的地区，煤层气将不断散失；后期发生沉降的地区有利于煤层气的保存，但易造成煤层气饱和度的降低（图1），因为地层的抬升导致上覆地层压力减小，煤层气发生解吸散

失，部分以游离气和水溶气的形式保存在煤层中［25］

。当地层沉降后，上覆地层压力增大，煤的吸附能力增强［26］，如果没有气源补给，煤层的含气量仍保持地层沉降前的水平，造成煤层气含气饱和度降低。1.1.2构造形态

不同形态的地质构造，地质构造的不同部位，不同力学性质和封闭情况形成了有利于煤层气赋存或逸散的不同条件。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

［27］

。

学报2011年第36卷

图1回返抬升后3种构造演化模式的现今煤层气富集程度

［9］

Fig.1

ThepresentCBMenrichmentofthreetectonicevolutionmodelsafterupliftandreturning

（1）褶皱。在褶皱的不同部位，围岩的封闭能力

有较大差别。在背斜轴部，节理以张性为主，围岩封闭能力明显减弱；但如果背斜闭合而完整且盖层不透气，则为良好的储存煤层气储集场所，在其轴部煤层内往往聚集高压气，形成“气顶”。在向斜轴部，节理以压性或压扭性为主，围岩封存能力较强。理论研究和实践

亦表明，向斜为煤层气富集的主要构造形态［28］。

（2）断层。断层保存煤层气的能力随断裂性质的不同而具有显著的差异［27，29］

。压性、压扭性断层因其

受到较大压应力作用，煤层及围岩结构致密，透气性

差，沿断层和垂直断层面方向上的煤层气运移都相对

困难，

对煤层中煤层气的保存有利；张性断层则相反，煤层及围岩结构松散，透气性好，易于煤层气逸散。1.2水动力特征对煤层气赋存的控制

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中，地下水系统通过地层压力对煤层气吸附聚集起控制作用，这种控气作用既可导致煤层气逸散，又能起到保存聚集煤层气的作用。煤储层和顶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［30］

。从现有资料［31］分析，

可将水文地质控气作用概括为3种特征：

（1）水力运移逸散作用。在导水性强的断层构

造发育区，这种作用较常见［30］

，导水断层或裂隙沟通了煤层与含水层。地下水的流动促进了煤层气的解

吸，使煤层气由吸附状态转化为游离状态，溶解于地下水中运移散失。

（2）水力封闭控气作用。我国很多井田断裂不甚发育，构造特征表现为宽缓向斜或单斜，而且断裂构造主要为不导水性断裂，这些井田常发生水力封闭

控气作用，特别是一些发育有挤压、逆掩性质的边界断层的井田

［32］

。水力封闭控气作用中一般发生在深部，

第7期王怀勐等：煤层气赋存的两大地质控制因素1131

地下水通过压力传递作用，使煤层气吸附于煤中，煤层气相对富集而不发生运移，煤层含气量较高。在华北具有普遍意义。地区这种水力封闭作用分布广泛，

（3）水力封堵控气作用。水力封堵控气特征常由于压力差的存在使得煤见于不对称向斜或单斜中，

煤层气由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸，层露头及浅部成为煤层气逸散带。如果含水层或煤

层从露头接受补给，地下水顺层由浅部向深部流动，则煤层气向上扩散被阻碍，致使煤层气聚集。

第1种作用导致煤层气的运移、散失，后2种作用有利于煤层气的保存、富集。

［33］

煤层顶、底板岩性在一定程度上亦影响了煤此之外，

9煤层顶、层气的赋存。7、底板以砂岩为主，煤层气封闭条件相对较差；12煤层顶板发育有稳定分布的

腐泥质黏土岩，有利于煤层气的保存。

表1Table1

赵各庄井田煤层气各参数值TheCBMparametervaluesofZhaogezhuangminefield

煤层7912

100～1300埋深/m

煤层气含量/（m3·t－1）2.0～9.01.8～11.32.0～12.0

煤层气压力/MPa0.22～0.740.32～1.600.19～1.45

煤层气资源量/（108m3）

1.21.53.5

2

2.1

实例分析

赵各庄井田概况

2.22.2.1

构造对煤层气赋存的控制构造应力场

赵各庄井田接近开平向斜的北东转折端，其构造

赵各庄井田位于河北省唐山市古冶区，开平煤田

是开平向斜内最北部的一个矿，开平向斜之东北端，

与唐家庄矿、林西矿相邻。地层属华北型地层，倾角

18°～90°，区域变化较大。可采煤层共9层，煤层总厚度17.29m，含煤系数3.76%。主采煤层为石炭纪赵各庄组的12煤和二叠纪大苗组中的7煤和9煤，为中厚—厚煤层。煤中镜质组含量最高，普遍超过60%，其次是惰质组，壳质组含量最少。

3

井田煤层气总资源量为6.2亿m（表1），平均资

32

源丰度为0.59亿m/km。根据对井田主采煤层的等

特征及演化受控于开平向斜及其周边区域的构造演化。研究表明，开平煤田自晚古生代煤系地层形成至受到多期构造应力场的作用，其中对矿区构造具今，

有重大影响的主要是燕山期和喜马拉雅期的构造变［34］

动。燕山早—中期：构造应力场表现为北西—南东向挤压，导致开平向斜的北西翼地层陡立，甚至倒转，并发育与开平向斜同方向的逆断层（图2（a））。燕山晚期—喜马拉雅早期：挤压应力场转为北北东—南南西向，在早期褶皱的基础上产生了叠加作用（图2（b））。开平向斜仅在变形相对较弱的南东翼之上形成了一组轴向近东西的小型褶皱，叠加作用表现为西强东弱。同时，除了形成少数新的断层外，该期构造应力场还改造早期形成的断层，甚至使断层性质发生改变，表现为一些断层同时具有正断层和逆断层的特点。

温吸附试验研究，煤层含气饱和度介于40.2%～

65.1%，9煤煤为欠饱和状态；12煤煤层气含量较高，

煤层气含量和压力增大明显，层气压力较大；往深部，

且由于井田西部地层倾角大于东部，导致含量和压力

线较密集，垂向变化较大。研究表明各煤层煤层气赋存特征主要受构造条件及水动力条件影响明显。除

图2

Fig.2

开平煤田构造应力场示意

TheschematicdiagramoftectonicstressfieldofKaipingcoalfield

2.2.2

构造的抬升回返

当泥炭形成后，受地壳运动的控制，煤层经历不赵各庄井田的煤层自形成之后经历了沉作用控制，

降—抬升—沉降的演化过程（图3），在此期间，煤中有机质发生了一次生气作用。到中三叠世末，煤层达

同的地质历史埋藏，逐渐演化到现今的状态。受构造

1132

煤炭到最大埋深，约3300m，煤层受热温度达120℃，到该期末煤阶达到气－肥煤阶段（镜质组反射率达到0.8%～1.0%），煤中产生大量甲烷，生产的甲烷绝大多数逸散到围岩中，并进一步散失，一部分则主要呈吸附态被保存在煤层中；此后，

地壳持续抬升，煤层埋藏变浅，

原先吸附的煤层气逐渐散失。燕山晚期赵各庄井田有过少量岩浆侵入，仅在局部引起煤质变化

和生气作用，对整体煤层气含量影响不大。

图3赵各庄井田主煤层的埋藏与生气史Fig.3

Themaincoalseamsburial-generationhistoryofZhaogezhuangminefield

2.2.3

井田构造对煤层气赋存的控制赵各庄井田接近开平向斜转折端，地层呈弧形弯

曲，井田构造发育特征具有明显的分区性（图4），根据地质构造的发育特征及展布规律、地层产状等可将该井田分为3个构造区。

图4井田构造与9煤煤层气含量的关系Fig.4

TherelationshipbetweenstructuresandCBMcontentof9coalseam

（1）Ⅰ区。Ⅰ区为逆冲、压扭断层切割的急、反

倾层状块断结构区（图5）。受北西方向的挤压应力作用，断层走向与开平向斜轴大致平行，呈雁行状排列，在剖面上成叠瓦状，水平错距和落差大。作为井田的西部边界区域，

这种逆冲、压扭断层阻碍了煤层气沿煤层倾斜方向的逸散，有利于煤层气的保存，

12煤煤层气含量在400m深度即达到7.8m3

/t。

学报2011年第36卷

图5

赵各庄井田构造Ⅰ区剖面

Fig.5

ThesectionofpartⅠofZhaogezhuangminefield

（2）Ⅱ区。Ⅱ区为大、中断层较发育的倾斜、急

倾斜完整层状结构区。其中，南部以正断层为主，导致煤层气发生逸散，但由于北部发育大型的封堵性的逆断层，且地层倾角较大，煤层气向上逸散时被北部

的逆断层封堵，造成局部煤层气富集。实际开采中亦

证明，发生煤与瓦斯突出的区域主要集中在Ⅱ区，9煤层在10水平井口附近发生煤与瓦斯突出多达11次，主要原因即为封堵性的逆断层较发育。

（3）Ⅲ区。Ⅲ区为缓倾斜层状块断结构区，断层发育较少，主要构造为井田南部边界的开平向斜。在

向斜的核部，

煤层气含量明显高于同深度煤层的煤层气含量，且沿向斜轴往深部煤层气含量明显增大。向

斜处应力挤压作用导致煤层顶、底板节理发育，以压性、压扭性为主，一般未形成连通切割性好的裂隙网

络，

且裂隙一般被铁、钙质紧密充填，这对煤层气的封存有重要作用。实际煤层气含量测定结果亦表明，

9煤1000m深度煤层气含量在向斜处达9.0m3

/t，而同水平赵100钻孔附近的煤层气含量仅7.8m3

/t。

2.3水动力特征对煤层气赋存的控制

赵各庄井田位于开平向斜的北部转折端部位，断

层导水能力差，隔水层的隔水性好，且连续稳定。尽

管地层陡立，

断裂较发育，但石炭－二叠系与第四系、奥灰含水层无水力联系，煤系各含水层同层位水力联

系密切，层间联系微弱，对煤层气的保存有利。井田水文地质边界条件是封闭或半封闭的，形成一个比较

的水文地质单元，利于发生水力封闭作用，煤层气封存条件较好。

开平向斜轴向北东方向，北西翼地层陡立，南东

翼地层平缓，

向斜轴面向北西倾斜。两翼岩层露头北西翼高而南东翼低。第四系地下水从北西翼的岩层

露头顺地层补给石炭－二叠系和奥陶系，第四系含水

第7期王怀勐等：煤层气赋存的两大地质控制因素1133

层直接接受大气降水和地表径流补给，水顺层流动，从较低的南东翼露头流出，煤层气运移方向则是沿两翼顺层向上

［33］

。因此，地下水从北西翼高处补给，从

南东翼低处流出，形成了北西翼煤层气运移与地下水

流动方向相反，

地下水的动水压力阻碍了煤层气静压力作用下的顺层运移，

对煤层气起到了封存保护的作用，使得赵各庄井田所在的向斜北西翼煤层气相对富集；而南东翼煤层气相对贫乏（图6）。笔者曾参与“河北省瓦斯地质图的编制”工作，对开平向斜的煤层气分布特征研究发现，向斜的南东翼的林西井田各

煤层的煤层气含量均在5m3

/t以下，北西翼赵各庄

井田煤层气含量最高达13m3

/t。

图6开平向斜地下水活动示意［33］

Fig.6

Theschematicdiagramofgroundwater

activitiesofKaipingsyncline

3结论

（1）构造演化及其特征和水动力条件是现今煤

层气赋存的主要控制因素。构造演化控制着煤层气生成、聚集、产出过程的每一环节；煤层水含有一定量的溶解气，同时控制着煤储层的压力。水的流动将直接影响煤层气的吸附解吸程度。赵各庄井田的现今煤层气的赋存特征即这两个因素综合影响的结果。（2）赵各庄井田构造特征具有明显的分区性：Ⅰ区和Ⅱ区构造较发育，逆冲、压扭性断层对煤层气有很好的封堵作用；Ⅲ区受开平向斜控制，煤层气含量在向斜核部明显较大。

（3）开平向斜为不对称向斜，赵各庄井田所在的北西翼受水力封堵作用影响，煤层气较富集；同时，井田的水文地质边界条件是封闭或半封闭的，煤层气封存条件较好。参考文献：

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