古交矿区中奥陶统地层富水性微观分析

古交矿区中奥陶统地层富水性微观分析摘要通过对古交矿区GS3号钻孔中奥陶统峰峰组、上马家沟组和下马家沟组岩石的薄片鉴定及矿物成分分析、X荧光衍射及化学组分分析以及压汞实验分析，总结了各组岩层的富水特征。奥陶系中统含水岩组由三个隔水层段（峰峰组下段、上马家沟组下段、下马家沟组下段）和三个含水层段（峰峰组上段、上马家沟组上段、下马家沟组上段）组成。关键词古交矿区，中奥陶统，富水性微观分析中图分类号文献标识码MICROSCOPICANALYSISOFWATERABUNDANCEONMIDDLEORDOVICIANSTRATUMINTHEGUJIAOCOALFIELDABSTRACTTHROUGHTOANALYSISPHYSICALPROPERTYOFMIDDLEORDOVICIANOFTHEGUJIAOMININGAREAGS3,INCLUDETHINSECTIONIDENTIFICATIONANDMINERALCOMPOSITION,XFLUORESCENCEDIFFRACTIONANDCHEMICALCOMPOSITIONANALYSISANDMERCURYINJECTIONEXPERIMENTANALYSISMIDDLEORDOVICIANAQUIFERROCKGROUPCONSISTEDOFTHREELAYERSTHELOWERMEMBEROFFENGFENGFORMATION,THELOWERMEMBEROFSHANGMAJIAGOUFORMATION,THELOWERMEMBEROFXIANGMAJIAGOUFORMATIONANDTHREEAQUIFERSECTIONTHEUPPERMEMBEROFFENGFENGFORMATION,THEUPPERMEMBEROFSHANGMAJIAGOUFORMATION,THEUPPERMEMBEROFXIANGMAJIAGOUFORMATIONKEYWORDSGUJIAOCOALFIELD,MIDDLEORDOVICIAN,WATERABUNDANCE,MICROSCOPICANALYSIS太原西山古交矿区属华北晚古生代聚煤区,区内煤系地层之下广泛分布有中奥陶统（包括峰峰组、上马家沟组、下马家沟组）巨厚可溶性岩层，煤田内太原组煤层多位于奥灰承压水位之下，严重制约其资源开采，查明矿区中奥陶统地层富水性是安全开采的必要条件。对古交矿区部分取样，进行岩石薄片鉴定、X荧光衍射试验及压汞试验，从而在微观层面分析了中奥陶统地层的富水性特征。1薄片鉴定及矿物成分分析11峰峰组O2F上段主要为泥晶细粉晶石灰岩，矿物成分以方解石为主，含量大于95，多以育12MM岩溶裂隙，镜下见直径15MM溶洞；峰峰组下段则主要以粉晶白云岩、泥质石灰岩和角砾状石灰岩为主。岩溶不发育，裂隙中充填泥质、粉晶方解石、粉晶石膏等，是典型的隔水岩组。下段岩石中裂隙皆由方解石脉充填，表现隔水性能，所以峰峰组下段是奥灰中的相对隔水层。12上马家沟组（O2S）钻孔中上段多为中厚层豹皮状石灰岩，不同岩样，其矿物成分比例不同，但均以方解石和白云石为主，从矿物含量上看，从白云质石灰岩灰质白云岩均出现，其中方解石多为泥晶细粉晶结构，白云石主要是粉晶结构。总结体而言，上马家沟组上部岩石中方解石含量高，可溶性强，宏观与镜下岩溶均较发育；上马家沟组下部灰岩中泥质含量增高，同时出现大量白云质灰岩与灰质白云质角砾岩，孔隙性变差。需要说明的是，下马家沟组由于距煤系地层远，其富水性不直接威胁煤层开采，在此未作详细分析。总之，薄片鉴定结果峰峰组上段为孔隙和岩溶较发育的含水层细粉晶灰岩，下段为石膏、硬石膏与白云岩互层，裂隙充填石膏的隔水层。表2GS3孔岩样薄片鉴定结果送样编号矿物含量层位取样深度M岩石综合定名样1方解石99、粘土矿物139706细粉晶灰岩样246200样3白云石75、石膏2549200碎裂膏云岩样4白云石1、方解石9951722泥晶灰岩样5白云石70、石膏20、有机质10O2F53131碎裂膏云岩样6方解石65、白云石35O2S54723白云质灰岩2X荧光衍射及化学组分分析在岩样化学成分CAO含量大于51时，岩样为纯灰岩；S含量较多时，说明岩样中石膏含量增多；当MGO含量多时，岩性以白云岩以为；AL2O3、SIO2含量越高，说明岩石中泥质含量增多。古交矿区GS3号孔所取岩样进行X荧光衍射试验结果见表3。表3X荧光衍射试验结果元素含量送样编号岩性MGOAL2O3SIO2SCAO取样深度M层位样21灰黑色角砾状灰岩0310853902552139706样22深灰色角砾状白云岩0310110352143646200样23灰黑角砾状硬石膏岩182710113736949200样24灰黑色泥晶硬石膏岩18198010040951722样25黑色角砾状硬石膏岩18381321544553131O2F样26灰黑色角砾状灰岩0310352002567654723样27灰黑色豹皮状灰岩0310123601172765100O2S样28深灰色白云质灰岩0310362200266687800O2X从表3中MGO、AL2O3、SIO2、S、CAO含量，可反映取样层段岩溶发育规律1、CAO/MGO含量峰峰组上段均大于下段，说明上段石灰岩含量高于白云岩，有利于岩溶发育。2、峰峰组上段S含量远小于下段，下段以硬石膏岩为主，岩溶不发育。3、峰峰组下段SIO2、AL2O3含量明显大于上段，说明下段泥质含量高，岩溶不发育，导水性差。一般而言，CAO/MGO的含量百分比愈高，其溶蚀能力及富水性愈强。O2F2、O2S3、O2S2和O2X3层段CAO/MGO的比值较大，说明该层段可溶蚀能力较好，岩溶相对发育，是富水性相对较好的层段；而O2F1、O2S1和O2X1不仅CAO/MGO比较较小，而且酸不溶物相对含量较高，可溶蚀能力较差，岩溶不发育，是相对的隔水层段。3微孔结构压汞实验31峰峰组在古交矿区，峰峰组岩溶含水层段埋深为主要在50500M之间，除马兰向斜轴部的水压大于5MPA外，承受水压一般为1MPA5MPA。在压汞实验中，取029UM作为其对应的孔隙直径，而所有对应孔径均属于细小孔隙，重力水可以在相当水头压力下发生运动。研究中，我们把10UM、03UM和01UM作为关键直径，分析不同岩样在承压条件下的水力动力情况。1、上段岩样分析上段方解石含量大于95的石灰岩毛细压力曲线斜角大图1A，表明该样品中孔隙类型多，直径变化大（图1B）；孔隙直径10M的体积占总量的27，重力水可承压水头作用下运动；孔隙直径01UM的占总量的40，所以，总体而言，古交矿区峰峰组上段岩层中以极细小和超毛管微孔隙为主，重力水和毛细水难以运动。图1A峰峰组上段细粉晶灰岩毛细压力曲线图1B峰峰组上段岩样孔喉分布直方图2下段岩样分析峰峰组下段岩样为细晶硬石膏岩和碎裂膏云岩，通过毛细压力曲线图和孔隙分布直方图可知，曲线较为平缓，孔隙直径分布单一，其中最大连通孔喉直径0010800268UM；总有效孔隙体积0008500121CM3/G，直径10M的孔隙体积占总体积的25左右，直径01M孔隙占40以上；实验表明，峰峰组下段岩石中以超毛管微孔隙为主，重力水和毛细水难以运动。图2A峰峰组下段上部细晶硬石膏岩毛细压力曲线图2B峰峰组下段岩样孔喉分布直方图32上马家沟组1、上段岩样分析图1A峰峰组上段细粉晶灰岩毛细压力曲线0001001011101001000002040608112汞饱和度孔隙直径图1B峰峰组上段样品W97孔喉分布直方图0000270090040050110000030150070050000005010150202503000100301031351030100300孔隙直径/MM饱和度增量图2A峰峰组下段上部细晶硬石膏岩毛细压力曲线0001001011101001000002040608112汞饱和度孔隙直径图2B峰峰组下段上部样品W99孔喉分布直方图000034006004000003003000018002007000000001020304000100301031351030100200300孔隙直径/MM饱和度增量试验中，上马家沟组上段灰岩显示毛细压力曲线有明显的平缓段图3A，以01791UM10807UM的细小孔径为主；总的有效孔隙体积为0047CM3/G；实验样品中，孔隙直径10M的孔隙体积仅占到7，主要孔隙集中于小于10M而03M的范围内，占总体积的72，可见，在该层段毛细上升速度慢，重力水只有在较的高水头压力才能够下产发生运动。图3A上马家沟组上段白云质灰岩毛细压力曲线图3B上马家沟组上段岩样孔喉分布直方图2、中下段岩样分析上马家沟组中下段岩样中，毛细压力曲线前部特别平缓，（图4A），最大连通孔喉直径为00143UM；总有效孔隙体积为00083CM3/G，该层段孔隙以总体直径01UM的超毛管微孔隙为主，即使地较高的承压水头下，孔隙水也难以运动，岩层渗透性差，富水性弱。图4A上马家沟组中段泥晶灰岩毛细压力曲线图4B上马家沟组中段岩样孔喉分布直方图34实验结果分析峰峰组上段孔隙直径10M的孔隙体积占27，重力水在一定水头下运动，地面观测和钻孔揭露，该段岩溶裂隙发育，钻孔所见岩溶以溶孔为主，一般溶孔直径为520MM，蜂窝状，水蚀现象严重，富水性好，为本区重要含水层之一。与上段相比，本区峰峰组下段极细小和超毛管微孔隙占40以上，岩层渗透性差、富水性弱，是相对隔水层。上马家沟组上段岩样中孔隙直径03M的占72，表明该层段岩石渗透性较好；而该组中下段以极细小和超毛管微孔隙为主，而下段渗透性较差、富水性弱，为相对隔水层。综上所述，中奥陶统峰峰组下段、上马家沟组下段具有隔水（或相对隔水）的性质，而峰峰组下段、上马家沟组中下段孔隙直径小，渗透性差，为相对隔水层段。4结论图5A上马家沟组上段白云质灰岩毛细压力曲线0001001011101001000002040608112汞饱和度孔隙直径图5B上马家沟组上段样品W107孔喉分布直方图00000500301005901000300200400100000000204060800010030103131030100200300孔隙直径/MM饱和度增量图6A上马家沟组中段泥晶灰岩毛细压力曲线0001001011101001000002040608112汞饱和度孔隙直径图6B上马家沟组中段样品W108孔喉分布直方图000028005006004006000007018002000000000501015020250300010030103131030100200300孔隙直径/MM饱和度增量通过薄片鉴定、X荧光衍射及化学组分分析以及微孔结构压汞实验，峰峰组上段矿物成分以方解石为主，孔隙直径10M的孔隙体积占27，为孔隙和岩溶较发育的含水层；峰峰组下段为石膏、硬石膏与白云岩互层，裂隙充填石膏的隔水层，极细小和超毛管微孔隙占59；上马家沟组上段矿物成分以方解石和白云石为主，岩溶化程度较强，直径03M的孔隙体积占72，构成奥灰中的主要含水层；上马家沟组及下马家沟组下段以白云质灰岩及白云岩为主，极细小和超毛管微孔隙占主导地位，可视为隔水层段。古交矿区奥陶系中统含水岩组由三个隔水层段（峰峰组下段、上马家沟组下段、下马家沟组下段）和三个含水层段（峰峰组上段、上马家沟组上段、下马家沟组上段）组成。参考文献1崔振昂,鲍征宇,张天付等埋藏条件下碳酸盐岩溶解动力学实验研究J石油天然气学报,200732李俊杰,郭英海,车灿辉等西山古交矿区陷落柱特征