煤系上覆基岩厚度与煤层含气性

前述成果揭示，研究区晚古生代煤层的埋藏模式表现为三种基本类型。其中，“V”型埋藏模式存在于阳城—翼城、霍州、汾西等地区，“W”型模式分布于沁源—沁县和安泽地区，“反N”类型是临汾盆地煤层埋藏的典型特征。
煤层埋藏类型对煤层气保存条件的影响通过两个方面得以实现。第一，对煤层古埋深的控制，特别是对埋藏第二、三、四阶段末期煤系上覆基岩残留厚度的制约，是与煤层和地下浅处气体进行交换的能力密切相关的；第二，对煤层在埋藏第五阶段（甚至现代）埋深的控制作用，直接影响到煤层与煤层气逸散带接近的程度或处于逸散带时间的长短。显然，煤层的（古）埋深越浅，煤层与气体交换带就越为接近，煤层气向地表放散的趋势就越强；煤层处于气体逸散带的时间越长，煤层气的损失量就越大，煤层的含气性就越差。
由煤层埋藏史可知，本区晚古生代煤层在埋藏第三阶段末期的埋深普遍大于1000m（图3-4）。因此，从埋藏史角度分析，煤层气的总体保存条件主要取决于煤层在晚新生代的赋存深度或上覆地层被剥蚀的程度（表6-3）。
显而易见：
1.在“反N”型埋藏模式中，三叠系残留厚度大，晚古生代煤系埋深大，始终未与煤层气逸散带接触，对煤层气的保存最为有利。

表6-3　山西南部晚古生代煤层埋藏史与煤层含气性关系

2.在“W”型埋藏模式中，煤层从未进入煤层气逸散带或进入时期较晚以及处于该带中的时限相对较短，除在盆地边缘的狭长地带外，剥蚀作用始终未能穿透三叠系（表3-1），煤层气的保存条件相对较好。但是，部分地区（如安泽）自新第三纪以来煤层最大埋深一直处于煤层气逸散的临界深度线附近，可能对煤层气保存造成一定的不利影响。
3.在“V”型埋藏模式中，煤层进入煤层气逸散带的地质时代和时限变化较大，导致不同地区煤层气的保存条件存在较大差异。煤层进入煤层气逸散带较晚以及时限较短的地区，煤层气被大量保存，煤层含气性高。反之，煤层气保存条件极差，致使煤层气基本放散殆尽，煤层含气性极低。
综上所述，临汾—洪洞、阳城—翼城和沁源—沁县地区煤层气保存的地质历史条件较好，但临汾盆地晚新生代以来的大幅度沉降使盆内大部分地区的煤层被埋藏于2000m之下，最深超过3000余米，给煤层气的开发带来了困难；霍州和汾西两地区的煤层气在地质历史中几乎逸散殆尽，基本上没有进一步开展煤层气地质工作的价值；安泽地区煤层气可能已经有相当数量的逸散，进一步开展煤层气地质条件的综合研究是确定该地区是否具有勘探前景的重要途径。
应予指出，煤层埋藏史绝非是控制煤层气保存条件的唯一因素，煤层气的赋存与富集是埋藏史与其它地质因素综合作用的结果，故在实际工作中应强调煤层气保存条件的综合分析。例如，在本区目前煤炭资源勘探的深度范围内，煤层含气性与煤层埋深之间并不仅呈正相关关系，而是往往存在“指数”型和“多项式”型两种基本变化类型（秦勇等，1997,1998）。前一种关系存在于研究区内的大部分地区，充分体现了埋藏作用对煤层含气性的深刻影响；后一种关系在本区东南部阳城矿区的樊庄、潘庄一带可以见及，煤层含气性随埋深的加大呈现出多次高低的变化（图6-3），揭示出非埋藏因素（如局部构造）可能起着主导性的控气作用。

(一)煤层气的保存
1.盖层
为维持地层压力，防止气体解吸和逸散，煤层气系统中盖层是必不可少的。而煤层的直接盖层即为煤层的围岩。煤层气的保存与煤层围岩特性密切相关，围岩物理性质，包括围岩的孔隙性、渗透性和节理发育程度等特征，它们直接决定着盖层突破压力这一重要物性，从而影响围岩对煤储层的封盖性能，决定煤层气的保存和逸散条件。围岩的上述物性特征，与围岩的岩石类型及其组合密切相关。即是说，对围岩岩石类型及其组合的了解有助于从宏观上把握煤层气的、封盖特征。
(1)煤储层顶底板的岩石类型:煤层顶底板是封堵煤层气的第一道屏障，是煤储层围岩组合中最重要的岩层。其主要岩石类型有碳酸盐岩、砂岩、泥岩、油页岩和砂泥岩互层。
碳酸盐岩类型。中国含煤地层碳酸盐岩，除华北盆地本溪组有薄层白云岩以外，其余几乎均是石灰岩。灰岩作为煤储层直接顶底板，较常见于华北盆地的太原组和华南地区的合山组，主要为生物碎屑灰岩。华北盆地南部的太原组灰岩约占该组垂向剖面厚度的20%～40%，一般有10～13层，薄者不到1m、厚者可达18m，分布比较稳定;盆地北部的太原组灰岩层数明显减少且以泥晶致密灰岩为主，除风暴滞积层外，生物碎屑含量比较低，孔隙率一般小于1.5%，渗透率一般小于0.05×10－3μm2;只有在构造运动较弱的地区，溶洞、缝合线不发育的致密灰岩才可形成一定封盖能力。含煤地层中的灰岩普遍含有一定数量的生物碎屑，溶洞和缝合线一般较为发育，平均渗透率为(1.5～2.5)×10－3μm2，普遍含水，对煤层气的保存十分不利。一方面煤层气通过煤储层顶底板灰岩中的孔隙和裂隙发生运移，另一方面被灰岩中地下水径流带走。因此，华北盆地南部太原组灰岩的封盖能力极弱，尽管华北盆地北部灰岩由于泥质含量增高而封盖能力有所增强，但华北盆地仍表现出太原组煤储层含气量一般低于山西组煤储层的规律性。在华南地区，与灰岩共生组合的合山组煤层含气量普遍较低。在川南－黔北一带南桐矿区的红岩矿和砚石台矿，尽管龙潭组不含灰岩，但因地层褶皱倒转而使茅口灰岩成为煤层“顶板”，因而煤层气大部分逸散，从而导致这两个矿成为南桐矿区仅有的未发生过瓦斯突出的矿井。丰城矿区长兴组灰岩是龙潭组上部C煤组的顶板，该组灰岩岩溶发育，岩溶裂隙含水层含水丰富，两者之间水力联系密切，地下水径流携带煤层气运移出煤系，因而造成C组煤层的含气量普遍低于下部的B组煤层。
砂岩类型。砂岩顶底板总体上不利于煤层气保存，但因其成分、结构不同和成岩后生作用的差异，对于煤储层的封盖能力变化极大。我国含煤地层的沉积相和构造演化历史的差异，导致我国煤储层顶底板砂岩的岩性特征差别很大，但其结构成熟度从下石炭统到新近系具有逐渐变差的趋势。下石炭统到上二叠统煤层的顶底板砂岩，在长期成岩、后生作用中经历了压实、压溶、石英次生加大、长石增生、粘土矿物重结晶、碳酸盐交代胶结等填塞孔隙作用，许多砂岩中原生孔隙已被全部充填。同时，砂岩中一些组分如碎屑长石、粘土基质、碳酸盐胶结物等也经历了溶解淋滤和溶蚀作用，形成了一定数量的次生孔隙。在华北盆地鄂尔多斯北部和西部的石炭系—二叠系砂岩的孔隙率大于5%，渗透率超过2×10－3μm2，不仅对煤储层毫无封盖能力，而且还可直接作为天然气储层;其他地区顶底板砂岩的平均孔隙率为3.57%，平均渗透率为0.56×10－3μm2。煤储层含气量与上覆砂岩厚度呈指数下降关系，图4－26所示为淮北宿南向斜山西组10号煤层上覆砂岩厚度与煤层气含量的关系(叶建平等，1998)。

图4－26淮北宿南向斜山西组10号煤层上覆砂岩厚度与煤层气含量关系图

砂泥岩互层类型。细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和泥岩互层，是常见的煤层顶底板岩石组合类型。按泥岩在互层组合中所占比例可分为非均质围岩和较均质围岩两类，在前者组合中泥岩所占比例小于50%，在后者组合中泥岩所占比例为50%～75%。我国南方二叠纪含煤地层大都属较均质围岩类型。泥质含量通过对岩石结构的影响控制着互层类型围岩的孔渗特征。砂泥岩互层组合中泥质含量增加，最大孔隙直径和优势孔径减小，突破压力随之增大。显然，较均质围岩的封盖能力相对强于非均质围岩，在其他条件的有利配合下可对煤储层起到一定程度封盖作用。
泥岩类型。泥岩是碎屑海岸相和湖泊相成因煤层的常见顶底板岩石类型，在区域上往往具有一定的稳定性和连续性，故又被称为区域性盖层。在裂隙不发育的情况下，泥岩是非渗透性盖层，有极好的封盖能力。泥岩的物性与其成岩演化阶段和埋深有关，随着其成岩程度加深和埋深增大，泥岩的塑性降低、脆性增强、裂隙发育程度增大，封盖能力有所减弱(表4－12)。泥岩的封盖能力还与粘土矿物的组成密切相关。以高岭石或伊利石为主的泥岩，吸水膨胀性和可塑性较高，其封盖能力较强。例如，峰峰、开滦等矿区在钻孔钻至铝土泥岩(高岭石泥岩)时常见气体显示，铝土泥岩对于煤层的良好封盖作用是其重要的原因。当绿泥石含量增高时，泥岩脆性变大，封盖能力变差。在我国近海相含煤地层中，泥岩大多含有绿泥石，而在陆相含煤地层中则以高岭石泥岩为主。因此，华北盆地太原组泥岩和华南地区龙潭组泥岩的封盖能力要弱于华北盆地山西组泥岩，而华北盆地下石盒子组泥岩的封盖能力则进而强于上述三组中的泥岩。
油页岩类型。油页岩致密度高、韧性大、裂隙不发育，含油率和水分含量高，其孔隙率低、渗透率小，是煤储层最理想的封盖层。我国含煤地层中的油页岩多见于西北、东北、两广和云南等地区的中新生代小型盆地，分布局限，不具普遍意义。在抚顺矿区，油页岩直接覆盖于煤层之上，其孔隙率为3.09%～6.07%，平均含油率达5%～6%，水和油充填了孔隙空间，致使岩石渗透率很低(10×10－3μm2级)，突破压力大(>6MPa)，对下伏煤储层具有良好的封盖作用。尽管抚顺新近系煤阶为长焰煤至气煤，但其甲烷平均含量却达9.83m3/t。

表4－12泥岩成岩演化及其封盖能力与煤化作用阶段的关系表

(2)围岩的封盖能力:围岩封盖能力与围岩的岩性、韧性、厚度、连续性和埋深有关。从岩性来说，围岩的封盖能力随碎屑含量减少、颗粒变细和泥质含量增高而增强。由此可知，由砂岩、碳酸盐岩、砂泥岩互层组合、泥岩、煤层到油页岩，其封盖能力依次增强。泥质岩类具有一定的韧性，在构造变形过程中产生较少裂隙，封盖能力较强。此外，致密岩层越厚、连续性越稳定，封盖能力越强。
据淮北矿区统计资料:顶板为砂岩的煤储层，其甲烷含量最高不超过6m3/t;顶板为粉砂岩的煤储层，甲烷含量最高不超过10m3/t;凡甲烷含量大于10m3/t的煤储层，其顶板几乎均为泥岩(图4－25)。
(3)围岩的封闭机理:围岩的封闭机理，可以分为薄膜封闭、水力封闭、压力封闭和浓度封闭几种类型(表4－13)。煤层气聚集是煤层气不断散失与深部煤层气补给并在某种程度上达到相对平衡的结果，扩散作用只要存在浓度差就能发生，扩散作用在煤化作用的各个阶段始终存在。煤层气通过围岩的扩散作用大于补给作用，则煤储层气体不饱和。围岩的厚度和质量是影响煤层气逸散和聚集的重要因素。在我国，除局部地区存在油页岩或厚层碳质泥岩的浓度封闭使煤储层基本上处于饱和状态之外，大多数地区煤层气均不同程度地向围岩扩散，煤储层含气饱和度普遍较低。

表4－13围岩的封闭类型表

(据庞雄奇等，1993)
2.水文地质条件水文地质条件是影响煤层气保存成藏的主要因素之一。煤层气以吸附状态赋存于煤的孔隙中，地层压力通过煤中水分对煤层气起封闭作用。因此，水文地质条件对煤层气保存、运移影响很大，对煤层气的开采也至关重要。
水文地质的控气特征可概括为3种作用:①水力运移逸散控气作用;②水力封闭控气作用;③水力封堵控气作用。其中，第一种作用导致煤层气散失，后两种作用则有利于煤层气保存。
(1)水力运移逸散控气作用:水力运移逸散控气作用常见于断层发育地区。其断层呈导水性质，通过导水断层或裂隙而沟通煤层与含水层。水文地质单元的补、径、排系统完整，若含水层富水性、水动力强、含水层与煤层水力联系较好，则地下水在运动过程中携带煤层中气体运移而逸散(图4－27)。与煤层有水力联系的含水层，包括煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层、砂岩孔裂隙含水层、基岩孔裂隙含水层和第四系松散孔隙含水层。

图4－27煤层重力水参与围岩含水层流动系统示意图 (据叶建平等，2002)

开平向斜为一不对称向斜，西北翼陡、东南翼缓，向斜轴面向北西倾斜，两翼岩层露头为西北翼高而东南翼低。新生界松散含水层厚600m以上，含水丰富，渗透性好，其单位涌水量北部为3～11L/s·m，南部为0.286～1.704L/s·m，渗透率为0.896×10－3μm2～20.626×10－3μm2，矿化度为290.0～386.0mg/L，水化学类型为HCO3－Ca·Mg型。新生界松散含水层直接覆盖于煤系之上，与煤系的主要含水层相接触，即12#煤以下砂岩和5#煤以上砂岩裂隙含水层。而该含水层在西北翼接受新生界松散含水层地下水补给，然后向东南方向流动，又补给东南翼新生界松散含水层，形成其较完整的补、径、排条件(图4－28)。在向斜东南翼煤层气的运移方向与地下水的流动方向相同，地下水的流动一方面为煤层气在静压力作用下向上的移动提供动力、加快运移速度，另一方面在流动过程中又可携带溶解的部分煤层气至浅部逸散。这是造成开平向斜东南翼煤层含气量低的主要原因之一。
(2)水力封闭控气作用:水力封闭控气作用常发生在构造简单的宽缓向斜中，其断裂不甚发育且断裂构造多为不导水断裂，特别是一些边界断层多具有挤压、逆掩性质而成为隔水边界。煤系上部和下部存在良好的隔水层，或者说，煤系含水层与上覆第四系松散含水层、下伏灰岩岩溶裂隙含水层并无水力联系，区域水文地质条件相对简单。煤层直接充水含水层即是煤系中砂岩裂隙含水层。砂岩裂隙含水层含水性微弱，渗透系数低，地下水径流缓慢甚至停滞。含水层补给只限于浅部露头的大气降水，补给量小。地下水以静水压力、重力驱动方式流动。地下水呈封闭状态，对煤层气有封隔作用。煤层气受水力封闭作用而富集，煤层含气量较高。

图4－28开平向斜地下水径流方向剖面示意图 (据吴建光，1996)

(3)水力封堵控气作用:当煤储层和煤系围岩含水层地下水流向与煤层气运移方向相反时，地下水的流动一方面可以对煤层气在静压力作用下顺层向浅部的运移产生一定的阻力，减缓煤层气的运移速度。另一方面又可携带在流动过程中溶解的部分煤层气向深部聚集，因而有利于煤层气富集。水力封堵控气作用常见于不对称向斜或单斜中。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，致使煤层气聚集。如开平向斜新生界松散含水层接受大气降水和地表径流补给后，把充足的水量从西北翼的岩层隐伏露头区补给石炭纪—二叠纪和奥陶纪地层，接受补给后的煤储层地下水顺层向深部流动，而煤储层中的甲烷则是由深部高压区顺层沿两翼岩层向上运移。具体上在西北翼是逆倾向向北西方向运移，至使地下水的流动方向与煤层气的运移方向相反，地下水的流动一方面对煤层气在静压力作用下向上的移动产生阻力、减缓运移速度，另一方面又可携带在流动过程中溶解的部分煤层气至深部，由于随压力增大、吸附能力强而使煤层气富集(图4－28)。这是造成开平向斜西北翼马家沟等井田含气量高的主要原因之一。
水力运移逸散控气作用贯穿于煤层气演化史全过程，尤其是在生物气阶段、地层抬升阶段更为突出。现代水动力运移逸散控气作用分布于盆地边缘或基岩埋藏较浅地区;水力封堵控气作用分布于盆地斜坡地带;水力封闭控气作用分布于盆地中心。
对于一个沉积盆地而言，从盆缘到盆地中心地下水径流能力由强到弱，可相应划分为“强径流”、“缓流”和“滞流”三种控气类型。强径流型控气作用对煤层气的保存不利;缓流型控气作用对煤层气的保存较为有利;滞流型控气作用对煤层气的保存十分有利。
(二)煤层气的圈闭
尽管在煤层气系统中也会出现常规的圈闭，但是常规圈闭并不是煤层气系统所必需的条件，因为气和水的重力分异对微孔隙表面的吸附作用是非常次要的。世界上最高产的煤层气井位于圣胡安盆地Fruitland煤层气生产区，这些井处于一个向斜构造，在该构造中流体(水)压力保持了煤层中的吸附气(图4－29)。然而，一些构造、地层或者混合圈闭可能增强了Fruitland煤层气生产区的生产能力。在黑勇士盆地中也存在相似的向斜甜点(Ellard et al.，1992;Pashin和Groshong，1998)。

图4－29圣胡安盆地煤层气圈闭示意图 (据Scott，1993;Kaiser et al.，1991)

前人对煤层含气性与上覆地层厚度之间的关系进行过一定的研究工作。在“八五”期间，地质矿产部华北石油地质局对华北地区煤层含气性控制因素和煤层气富集分布特征进行了研究，将煤级与煤层上覆有效地层厚度加以组合，划分出三大类九小类煤层气赋存类型（地质矿产部科学技术司，1997）。中国石油天然气总公司中原石油勘探局、安徽省煤田地质局等分别对华北地区和淮南煤田的煤层含气性进行了分析，得出煤层上覆残留地层厚度与含气量具有正相关关系的结论，即煤层上覆残留基岩厚度越大，煤层含气量就越高（图6-4）。

图6-3　山西南部樊庄井田和潘庄井田煤层含气性与埋藏深度的关系

图6-4　淮南煤田潘庄矿区煤层气风化带分布趋势

然而，本区内晚古生代煤层上覆二叠系一三叠系残留厚度与煤层的含气量之间并没有明显的正相关关系（图6-5、图6-6）。例如，阳城矿区潘庄井田晚古生代煤系上覆三叠系基岩已被剥蚀殆尽，且主煤层的现代埋深小于500m，但主煤层的含气量在研究区内是最高的，上、下煤层的平均含气量高达8～21m³/t；沁水盆地其它地区晚古生代煤系上覆三叠系厚度可达数百米，但煤层含气量远远低于潘庄井田。也就是说，就本区而言，对煤层含气量起决定作用的并不是上覆基岩的残留厚度，而更重要的可能取决于煤级、煤的孔隙特征、构造条件以及控制煤级分布的古地热场条件。

图6-5　山西南部晚古生代煤层含气性与埋藏深度关系南北向剖面图

图6-6　山西南部晚古生代煤层含气性与埋藏深度关系东西向剖面图

就本区主煤层的现代埋藏深度来看，煤层含气性与其之间似乎也不存在必然联系。例如，依据煤级的高低和煤层的现代埋藏深度，可以把本区煤层气的赋存类型划分为三类九型（表6-4），这些类型在研究区内均有分布，并且在区域上具有一定的展布规律（图6-7）。不难发现，区内较高煤级中、浅埋类型煤层的含气性最好，中等、较高煤级深埋类型具有较好的含气性前景，而较低煤级煤层，无论是浅埋、中埋还是深埋类型，含气性毫无例外地均极差。这一特征进一步揭示，与煤层上覆基岩厚度和现代埋深相比，煤级因素在煤层含气性高低中的作用似乎更为重要。

表6-4　山西南部晚古生代煤层煤层气赋存的煤级－现代埋深类型

图6-7　山西南部晚古生代煤层气赋存类型区域分布图