科学研究 科学 与财富 影响煤层气保存的地质条件研究 刘兴国，解红明 摘（河南省煤田地质局二队） 要：煤层气的赋集成藏是有其严格的地质条件的。本文对煤层气藏的盖层特征煤层气保存的水文地质条件研究、构造运动对煤层气保存条件的 影响进行了分析。希望本文的研究能为煤层气保存的地质条件研究带了一定的启示和作用。 关键词：煤层气；构造运动；地质条件 一、煤层气藏的盖层特征 １、良好的封盖层可以减少煤层气的渗流和扩散散失 处于饱和或过饱和的煤层中，都存在游离气相，如果没有良好的封盖 层，游离气就会通过上覆岩层逸散掉，随着游离气的散失，压力下降，吸附气 就会解吸成为游离气继续散失，使煤层的吸附量减少而成为欠饱和煤层。良 好的封盏层则可以阻止游离气的渗流运移。当上覆岩层的排替压力高于煤 层中气体剩余压力则称其为此条件下煤层的有效盖层，否则为无效盖层。 扩散运移速度虽然很慢，但在历史过程中无时无刻不在进行着，其累积 效应相当可观，只要顶板存在浓度梯度就存在扩散运移，良好的封盖层可有 效地减少扩散散失量。著名的圣胡安盆地煤层气资源量达２Ｏ万亿立方英尺， 其弗鲁特兰煤层之上为巨厚的柯特兰页岩有效地阻止了煤层甲烷的散失。 ２、封盖层类型和发育特征 根据聚煤规律和沉积环境分析可知，煤层顶底板岩性发育类型主要有 五类：油页岩、泥质岩、砂岩及灰岩盖层。 （１）油页岩盖层 油页岩作为一种煤层的盖层多出现于中、新生代不断沉降和扩张的陆 相湖盆沉积地层中，多见于西北，东北、两广和云南的中、新生代煤田。 （２）泥质岩盖层 泥质岩是最常见的一种盖层，通常具有较低的渗透性和较高的突破压 力，封闭性能好。泥质岩的均质程度越高，封盖性能越好。从沉积环境上看， 稳定环境下缓慢沉积形成的泥质岩质纯，封盖性好，而快速混杂堆积区的泥 质岩非均质程度严重，封盖性能相对低些。 （３）砂岩盖层 这种煤层项板横向上多不太稳定，其封闭能力差。多是在滨海平原基础 上发展起来的，在我国晚古生代煤系中分布很广，如华北地区北纬３０度以北 大部分山西组属于这一类型，以粗中砂岩为主，岩相为冲积相为主，常有冲 刷面，煤层稳定，灰分较高，硫较低，煤层顶板多为粉砂岩及砂质泥岩，部分 见粗砂岩，封闭能力较差。但致密的粉、细砂岩亦可成为煤层气藏的盖层。 （４）灰岩盖层 石灰岩出现于煤系中的主要是生物碎屑泥晶灰岩、含生物碎屑泥晶灰 岩及泥灰岩，主要分部于我国北方石炭二叠纪和南方晚：叠世海陆交互相 煤系中。太行山东麓滨海型含煤建造的煤层顶板即为灰岩 沁水盆地、鄂尔 多斯盆地东缘石炭二叠系煤层之上一般发育４—６层灰岩顶板。整个华北区 仅在南带及中带发育次岩，至北带贺兰山、晋比、燕辽等地不存在灰岩盖层。 二、煤层气保存的水文地质条件研究 水动力封闭及地层水超压都有利于煤层气的吸附及富集；而交替的水 动力条件将打破吸附与溶解和游离气之间的平衡，使吸附气逐渐减少，影响 煤层气的保存。另外，煤层气的开采也需要有较好的水动力条件，便于降压 解吸，以利于开采 晋城地区东西南三个方向都是隆起区，石炭一二叠系地层出露地表，接 受地表水和大气降水，在地层下倾方向形成承压水区，有利于形成承压水封 闭的煤层气藏，又因为石炭一二叠系含水层为致密砂岩和煤层，渗透性很 低，含水性和水的可流动性都很弱，避免了水流动对煤层的冲刷，也有利于 煤层气保存。整个沁水盆地内部广大地区，虽然地层水矿化度不高，但都以 弱交潜和滞流为主，对煤层气保存有利，南部比北部更好。值得一提的是，在 交替地层水动力环境下，大气降水携带细菌进入煤层直接对有机质代谢，产 生次生生物成因甲烷气，圣胡安盆地水果地组煤层气就有一部分生物成因 气的补充，使其形成高产煤层甲烷气藏。 三、构造运动对煤层气保存条件的影响 构造运动对煤层气保存的影响体现在两个方面：一方面构造升降运动 可以改变地层的温压条件，打破原有煤层气吸附平衡关系，使吸附气与游离 气互相转化，从而影响煤层气的保存。另一方面，构造运动如断裂活动导致 煤层气顶板的破坏，形成煤层气散失的通道，相反少数断层使得煤层内富 水，形成水封堵煤层气藏，同时断裂活动引起的构造裂缝大大改变煤层渗透 率，使煤层气割理系统连通性好，有利于甲烷的生产。 １、构造升降运动对煤层气保存条件的影响 一般情况下，随着煤层埋藏深度的增加，含气量也增加，这主要是因为 随着煤层埋深增大，煤的演化程度增高，生气条件变好，另一方面随着煤层 埋深增大，煤层压力增大，封闭条件相对变好，煤的吸附量随之增加。由于构 造抬升，使得徐州，山东等地一些煤田的煤层埋藏过浅，煤层气保存甚微。 ２、断裂褶皱对煤层气保存条件的影响 断裂运动伴随着构造运动而发生，它的影响是多方面的，特别是断裂类 型，不仅对煤层的完性和煤层的封闭条件，而且对煤体结构，显微特征和煤 的孔渗性均有不同程度的影响。 压性、压扭性断层表现为逆断层或压性走滑断层，断层面为密闭型，煤 层气无法透过断层面运移，同时断层面附近成为构造应力集中带，可加大煤 层气压力，煤层气吸附量增加，煤层本身裂缝增多。张性断层表现为正断层 或拉张性走滑断层，断层面为开放性，往往成为煤层气运移的极好通道。断 层面附近为低压区，煤层甲烷大量解吸，含气量下降。但在远离断层面的两 侧一般形成两个构造应力高压区，平行断层成对称条带状，煤层甲烷含量相 对升高 ３、向斜和单斜易于形成水封堵气藏 两翼与轴部中和面以上表现明显的压应力集中；中和面以下表现为拉 张应力。向斜的两翼和轴部为煤层甲烷含量高异常区。向斜轴部中和面以下 的煤层甲烷封存较差，当煤层埋深较大，底板为厚层泥岩时，中和面以下也 会出现煤层甲烷聚集。 良好的封盖层可以阻止煤层气的垂向逸散，减少煤层气的渗流和扩散 散失，一定的上覆有效地层厚度可以维持地层压力及相态的平衡，保持较多 的煤层气贼存于煤层中；优越的水文地质条件可形成水压封闭，而交替的水 动力可以破坏煤层气的保存。构造运动的影响有两重性，地壳的升降会造成 地层的剥蚀或沉积厚度加大，改变地层温压条件，打破原有的动态平衡甲烷 散失或增大；断裂活动可使封盖层产生裂隙或使其断开形成气体运移通道， 也可形成良好的侧向封堵而使煤层气得以保存。■ 参考文献 ［１】张振文，蒋福兴等，岩浆活动对煤层气的成藏作用，中国煤炭Ⅱ】，２０１２．２８ （８），３５—３７． 【２］秦勇．中国高煤级煤的显微岩石学特征及结构演化［Ｍｌｌ徐州：中国矿业大 学出版社．１９９４ ［３１张建博，王红岩，赵庆波ｌ中国煤层气地质【Ｍ】Ｉ北京：地质出版社，２０１１． ５ ｍｇ峰
