晋城西区煤层气成因及影响其赋存因素分析.doc

晋城西区煤层气成因及影响其赋存因素分析李贵山（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 山西 晋城 ）摘要：对煤层气成因和西区矿井煤层气赋存特征进行了综合分析,并阐明了地质构造等因素对其生成及赋存的影响。关键词：煤层气 成因 赋存特征随着老区资源的日渐枯竭，晋煤集团近年来加大了对西区的开发、建设力度，在成庄矿达到年产400万吨能力后，寺河矿也开始简易投产。与老区矿井开采条件相比，新区开采环境比较恶劣，遇到了瓦斯、地质构造、煤层开采承压等一系列问题。特别是瓦斯严重超限问题，在基建和生产过程中我们已经多次遇到过，成为制约安全生产的一个重要因素。对于西区瓦斯及相关的安全问题，我们必须站在一个新的高度有一个新的认识，如何治理好瓦斯、管理好瓦斯、利用好瓦斯成为我们科研人员一个重要课题。下面从瓦斯地质角度分析一下西区煤成气（俗名瓦斯）成因及影响其赋存因素。1、地质概况晋城煤业集团矿区地处沁水煤田边缘，主要受晋东南山字型构造和太行山复式背斜控制，区内构造形态较为单一，由一系列开阔的背斜和向斜组成，地层倾角为510,两翼基本对称 。从勘探资料和生产过程中遇到的情况来看，西区陷落柱发育，断层较少。区内主采煤层为3号煤层和9号煤层，分别位于上石炭统太原组和下二迭统山西组，煤层变质程度已达无烟煤初至中阶段。2、煤层气成因分析煤是成分与结构十分复杂的固体化石燃料。在成煤作用的各个阶段，都有烃类气体的形成，现保留在煤层中的气体是经过运移和聚集的各种成因类型气体混合的产物，即煤层气（俗称瓦斯）。煤层气有两种基本成因类型：生物成因和热成因。生物成因气是由各类微生物的一系列复杂作用过程导致有机物发生降解而形成的；而热成因气是指随着煤化作用的进行，伴随温度升高、煤分子结构与成分的变化而形成的烃类气体。生物成因又可分为早期（原生）生物成因气与晚期（次生）生物成因气。2.1早期生物成因气早期生物成因气形成于泥炭褐煤阶段，由于埋藏不深（小于400米）、温度低，热力作用尚不足以使有机质结构变化产生气体。在此阶段，有机质成分与结构的变化主要是通过各类微生物参与下的生物化学反应实现。以CH4为主要成分的生物成因气主要是在泥炭沼泽环境中通过微生物对有机质的分解而成，形成途径可分为两种：CO2还原生成CH4和醋酸、醇等发酵转化成CH4。生物气的形过程包括一系列复杂的生物化学作用，这个过程的实质是通过微生物作用使复杂的不溶有机物在酶的作用下，发酵变为可溶有机物，可溶有机物在产酸菌和产氧菌的作用下，变为挥发性有机酸、H2和CO2；H2和CO2在甲烷菌作用下最后生成CH4。生物气的形过程应满足两个条件：要有丰富的有机质提供产气的物质基础和有利于甲烷菌繁殖的环境条件。由于埋藏浅，原生生物气在煤层中保存甚少。2.2次生生物成因气在煤层后期抬升阶段，煤层中温度等环境条件又适宜微生物生存。这些微生物主要通过位于补给区的煤层露头由大气降水带入，在相对低温条件下（560C）代谢湿气、正烷烃和有机化合物，生成CH4和CO2 。次生生物作用过程中，都有一个蚀变带和原始气带。次生生物气成因的形成对煤层气的勘探、生产具有重要的意义，而且可出现在低挥发分煤中和较高煤级中，次生生物成因气在煤层中是普遍存在的。2.3热成因气从烃源角度，可将煤级演化阶段分为低成熟阶段、成熟阶段、高成熟阶段。而真正的热成因气形成于成熟阶段和高成熟阶段，即形成于长焰煤无烟煤阶段。2.3.1成熟阶段在热力作用下,有机质中各种官能团和侧链分别按活化能的大小,依次发生分解,转化为具有不同分子结构的烃类。早期以含氧官能团的断裂为主产生CO2，形成少量CH4和C2H6以上的重烃。中期CH4生成量高于CO2，也是热成因气大量形成的阶段。晚期较大分子的烃类裂解、支链进一步断裂形成大量的含CH4较多气体。2.3.2高成熟阶段由于有机质大部分烷烃支链在成熟阶段已消耗，化学反应由裂解为主转为缩合为主，并由此产生大量的CH4气体。据上所述，CH4是煤化过程中最主要的烃类产物，也是煤层气的主要成分。3、煤层气的地球化学特征煤化作用过程中生成的气体包括CH4、CO2、湿气、N2、H2、H2S、等，都是煤层气的组份。煤层气的平均成分为CH4 93%；CO2 3%；湿气 3%；N2 1%。但不同井田煤层气的成分及同位素组成变化很大。一般CH4和CO2为主要成份，其含量随着煤层埋深的增加逐步增加。4、西区煤层气赋存特征表1 成 庄、 寺 河、 大 宁 井 田 甲 烷 含 量 分 析 表 井田名称孔 号煤 层甲烷含量 (ml/gr) 甲 烷 成 份 (%)CH4CO2N2成 庄 井 田长 231.3134.964.0860.9651931.0266.213.5130.28长 390.6856.1926.3017.51513152.0742.204.4053.49寺河井田42932.6080.521.9017.58153.5177.663.3319.0144033.6960.502.6636.7992.3172.542.1725.38152.0054.322.8942.7946532.5672.172.3025.5346631.5062.345.6632.1493.0075.953.5120.55154.4873.693.8222.49大宁井田203430.6829.630.6369.84154.6946.760.4452.80205534.8080.470.1019.43155.2755.333.9640.73从表1及成庄、寺河、大宁、潘庄井田一些钻孔资料表明，各井田煤层CH4含量差别很大，最小为0.68ml/gr,最大为38.7ml/gr,浓度变化为26.6%100%，以潘庄井田最高。此外大宁井田的东部,寺河井田西北部以及成庄井田的西部,3号煤层含量都在12ml/gr以上,浓度平均在96%以上。且9号、15号煤层CH4平均含量高于3号煤层，反映出CH4含量与深度的关系。成庄井田东部、寺河井田东南部和大宁井田西部处于煤层风化带，CH4含量在5ml/gr以下，浓度小于80%。从西区煤层甲烷含量等值线图上看，一般矿区井田中部瓦斯含量高，浓度大，露头边缘处于风化带地区瓦斯含量小。5、影响西区煤层气形成及赋存因素5.1煤级和煤质因素煤级和煤质的影响主要是煤的变质程度对煤层气影响，一方面随着煤的煤化程度增高，热成因气愈加变重，高温下CH4生成量也逐渐增大，以无烟煤阶段为最高值。另一方面随着煤化程度的增高，煤体内产生大量的微孔隙，使吸附表面达到最大值，对CH4的吸附量也不断增大，也就是说煤化程度越高对CH4的形成和富集创造了越有利的条件。西区煤变质已达到无烟煤的初级至中级段，CH4含量接近于煤的最大吸附值，但比生成量（大约400m3/t）小的多，说明煤化过程中形成的大量的CH4在后期的煤层抬升和改造过程中大部分逸散掉了。5.2煤层气储集层因素煤层是煤层气的源岩，煤在演化过程中生成的大量气体多数情况下一部分仍保留在其中。同时煤层和其顶底板又是储集层，与天然气赋存有明显的不同，它既是生气层又是良好的储气层，围岩条件直接影响其煤层气的赋存量大小。西区3号、9号、15号煤层顶板分别为泥岩、沙质泥岩及细砂岩、石灰岩及海相泥岩、石灰岩，底板均为泥岩，其渗透率很低，透气性很差，为剩余气体保存提供了良好条件。5.3盖山厚度因素煤层埋深越深，地层压力也越大，煤层气也越来越难向外扩散、运移。在地质条件稳定情况下，深部地层也不易裂隙，故煤层气不易解吸和扩散，能有效地被保存。西区东部、南部边缘地区煤层埋深较浅，长期风化剥蚀，地层压力低，裂隙发育且处于露头部位，有利于煤层气的运移和扩散，故煤层气含量和浓度都很低。井田中深部地区范围内煤层埋深较深，地层稳定，有利于煤层气的保存，故含量高，浓度大。5.4地质构造因素地质构造影响着煤系地层的赋存，同样煤层气的赋存也因构造单元的不同会出现大的差别。有的构造单元利于煤层气储存，有的则相反。该区属沁水煤田向斜盆地南端一部分，地质构造简单，地层平缓连续完整，东、南两面由煤层露头构成，西以寺头断层为界，北与沁水煤田相连，属半开放型地质构造单元，有利于煤层气的保存。另外区域内小构造如断层、褶皱、陷落柱等也会影响煤层气的赋存。断层破坏了煤层的连续性，使煤层气的保存和排放条件发生了变化。区内断层虽稀少，但西部边界寺头断层为一大断层，随之派生、伴生的小断层造成这一地区地层节理、裂隙发育，煤层气含量及浓度都较低。区内向斜的轴