煤层气含气性主控因素探讨

1  煤层顶底板岩性

煤层顶底板岩性对于煤层气的保存和富集有重要的意义，而良好的顶底板可以减少煤层气向外扩散和渗流，保持地层压力，以维持较大的煤层气吸附量，从而减少地下水径流造成的含气量损失。

研究区的3号煤层顶板岩性主要为泥岩与砂质泥岩互层，还有粉砂岩、中粒砂岩和少量的细粒砂岩。从分布特征和粒度上看，其粒度由南西向北东逐渐变细，由砂岩过渡到粉砂岩再过渡到泥岩。砂岩区域主要分布在勘查区的西南部，呈条带状，粉砂岩区域主要分布在研究区的西北角和东南角，大面积的泥岩、砂质泥岩区域分布在北东部。钻探时，岩芯比较完整，节理、裂隙不发育，局部节理发育。

3号煤层底板岩性主要为泥岩、砂质泥岩，其次为粉砂岩，极个别的为细粒砂岩。其分布特征是：粒度由南西向北东粒度变细，由粉砂岩过渡到了砂质泥岩、泥岩。粉砂岩区域主要分布在研究区的南西角，其余为大面积的砂质泥岩、泥岩分布区域。钻探时，岩芯比较完整，节理、裂隙不发育。3号煤底板到K5石灰岩顶面为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和砂岩互层，厚度为25 m左右，其中，泥岩、砂质泥岩占底板总厚度的60%，粉砂岩、砂岩约占底板总厚度的40%.这种软硬相间具有一定厚度的隔水层，其结构在未受到构造破坏的情况下，具有很好的隔水能力。

15号煤层顶板为石灰岩，致密坚硬，底板岩性均为泥岩或砂质泥岩。钻探时，岩芯比较完整，节理、裂隙不发育。底板到奥陶系界面的厚度平均约40 m，岩性以泥岩、砂质泥岩为主，间夹细砂岩、薄层石灰岩。其中，泥岩、砂质泥岩约占底板隔水层总厚的75%，砂岩、灰岩约占25%.这种软硬结构的岩性组合可视为统一的隔水层，对奥灰水起到了阻隔作用。

从以上3号、15号煤层顶、底板岩性分析克制，该区均为封闭性能较好的泥岩、粉砂岩和石灰岩，能阻隔煤层气向外渗透、运移和扩散，能保持比较高的煤储层压力，从而有效地减弱地下水径流对煤层气造成的损失。因此，整体上看，该区的3号、15号目的煤层的盖层比较好，适宜煤层气的保存和富集。但是，由于3号目的煤层的盖层在西南边界附近，为中粒砂岩和细粒砂岩，封盖性能较差，所以，不适合保存和富集煤层气，而煤层气含量较小在相关的测试中也已经表现出来了。

2  构造作用

研究区位于沁水盆地南缘沁水复向斜西翼，寺头正断层西北下降盘。在此背景下，发育有次一级的褶曲构造和断裂构造。

研究区的褶曲构造是以向背斜形式表现出来的，轴向大部分为北东向，少量北西向，有的比较宽缓，但是，有的也比较狭窄，延伸长短不一。通过此次研究，再结合煤层含气量可知，在褶曲的轴部和翼部没有发现明显的含气量变化，褶曲构造各部位的含气情况和封闭特征还需进一步研究。

断裂构造在研究区内相对不发育，但是，局部聚集，发现了13条断层，断距8～46 m，基本全为正断层。根据理论分析可知，正断层是由旋扭和拉张力形成的，而断层附近形成的裂隙处于剪张或张引状态，所以，造成附近煤层理割和生外裂隙系统极其发育。煤层容易成为高透渗率储层，与周围形成的裂隙带共同构成良好的煤层气逸散通道。这种情况不利于煤层气的储存，降低其含气量和临界吸解压力，还可能会沟通上部含水层，使得含水量过大，不宜排采。比如MB-007井和MB-018井均在断裂构造附近，煤层气含量为3号煤3 m³/t、3.5 m³/t，15号煤3.5 m³/t、0.5 m³/t，含气量最低。

根据上述情况推断，在断层带和褶曲轴部附近，由于场地应力改变，生成了许多裂隙和断裂空间，致使裂隙带、断裂带附近的煤层与含水层通沟，使煤层气向上扩散运移，致使附近煤层气含量下降，临界解吸压力低降。因此，在断裂带地段和褶曲轴部核部附近，地质封闭性比较差，含气量有所下降。

3  水文地质条件

地下水力动学条件的控气特征可以概括为3种，即水力运移逸散、水力封闭和水力封堵。其中，水力封闭和水力封堵有利于煤层气的保存，而水力运移散逸会导致煤层气散失。

在发生水力运移逸散的地区，水文地质单元的补、迁、排系统往往比较完整，含水层富水性、地下水活跃度、含水层与煤层之间水力连通性良好，地下水在运动过程中携带着煤层中的气体运移而逸散。水力堵封常见于不对称单斜或向斜中。含水层从露头接受补给，地下水顺层由浅部向深部运动，将煤层中向上扩散的气体封堵起来，致使煤层气聚集。水力封闭作用多发生在构造简单、断层不甚发育的宽缓向斜或单斜中。同时, 由于煤层气的产出是通过排水降压来实现的，因此，水文地质条件不仅对煤层气的保存有重要作用, 而且还是煤储层压力和煤层渗透性的重要影响因素。良好的水文地质条件不仅可以使含水层在煤系上方形成含水层封闭空间，而且还可以阻止煤层气通过煤层露头逸散。在补给区和迳流区，煤层气被地下水溶解带走，气含量降低；在承压区，由于地下水的封堵，煤层气保存条件变好，再加上地下水的存在使煤储层压力升高，所以，有利于煤层气的保存和储集。这种类型的水力控气作用分布广泛，具有重要的意义，而沁水盆地就是这类的典型。

该区水文地质条件简单，其含水层均为弱富水性，含水层自上而下为第四系松散砾砂含水层、二叠系砂岩隙裂含水层和石炭系太原组石灰岩裂隙岩溶含水层。与煤储层关系密切的以上含水层富水性弱，在无构造等因素的影响下，与其他含水层的水力联系微弱或无联系，所以，研究区内地下水的控气特征属水力封闭作用。

4  结束语

综上所述，该区的聚煤作用之后，主要构造运动是燕山期，在断裂构造附近的煤层气顺裂隙逸散，但是，在远离断裂带影响的区域，逸散通道不发育，而且有利于煤层的割理和裂隙发育，并且3号、15号煤层顶底板封闭性好，有利于煤层气的保存。研究区各含水层自成一个体系，没有层间窜流现象，没有破坏煤层气，并且该区地下水的控气特征属水力封闭作用，有利于煤层气的保存。

〔编辑：白洁〕