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第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Guizhou Unconventional Gas R 3. Liupanshui Unconventional Natural Gas Development and Utiliza- tion Technology Research Center, Liupanshui 553000, China Abstract The coal seam of Changgang syncline has the characteristics of many layers of coal seam, thin single layer, but the high gas content. The existing CBM wells show that the area has a certain potential for CBM explo- ration and development. However, the study on the enrichment of CBM is blank in the aera. Based on the data of coal geology, drilling and related test data of Changgang syncline, a brief analysis of the coalbed methane accu- mulation in this area have been made. The influence of tectonic action on coalbed gas enrichment in this area is analyzed. It can provide a certain direction for further exploration and development of CBM in Changgang syncline. Changgang syncline axis is favorable area for CBM enrichment, and the content of CBM is over 20 m3/t. The gas content in axial part of the syncline is high, and lower in the syncline wings. And the turning parts of synclinal axis also have lower gas content. In addition, the normal fault can cause the dissipation of CBM. The lowest CBM con- tent is about 10 m3/t. The pressure fault has little effect on it. Keywords coalfield in the north of Guizhou Province; Changgang syncline; gas content; structural control CBM 贵州省煤炭资源较为丰富， 含煤面积约 7 万 km2， 占全省面积的 40左右[1]，且主要集中在黔西北地 区遵义金沙织金水城盘县一带[2-3]，包括六 盘水、织纳、黔北、黔西北、黔东北、黔东南、黔 南、贵阳、兴义 9 个主要煤田[4]。丰富的煤炭资源造 就了丰富的煤层气资源，据统计，全省埋深 2 000 m 以浅的可采煤层气地质资源量 31 511.59 亿 m3，平 均采收率 40.93，其中 1 500 m 以浅的资源量达到 了 2.3104亿 m3，全国排名第二，且主要集中在六 盘水、织纳、黔北 3 个煤田[5-6]。 贵州省煤层气具有“一弱、两多、三高、四大” 的特点[7]。 其中“两多”中的“一多”即指贵州煤层气富 集控气构造类型多。 由于聚煤后期的强烈构造作用， 贵州省内的煤层被分割赋存于许多独立的次级构造 ChaoXing 第 2 期 吴圣等 黔北煤田长岗向斜煤层气富集的构造控制作用 23 单元。但总体上，贵州省煤层气富集成藏具有向斜 控气的构造特征[8]。由于贵州煤层气所具有的煤层 薄、厚度变化大、含水率低、地应力大等一系列不 利因素，导致贵州煤层气的勘探开发研究工作同其 他区域相比，相对滞后。但随着近年来煤层气勘探 开发技术的不断成熟，贵州煤层气的相关研究开始 逐步发展起来，但相关研究多集中于聚煤规律、资 源评价等方面[9-11]，针对某一具体区域的煤层气的 富集成藏规律研究相对较少。本文以黔北煤田长岗 向斜为例，对该区煤层气的构造控气模式进行了分 析，为该区煤层气的勘探开发提供基础支撑。 1 区域地质背景 长岗向斜位于贵州省西北部，大地构造单元上 属于扬子准地台Ⅰ级黔北台隆Ⅱ级遵义断拱Ⅲ 级毕节北东向构造变形区图 1。该构造变形区以 发育北东和北北东向横排多字型构造为主，单个褶 皱形态常呈 S 形弯转。其主要成因为在太平洋板块 斜向俯冲的控制下，大陆地块发生左旋直扭运动， 同时受四川盆地硬性地块、 东面受南北向构造制约、 南面受东西向构造的阻挡，使得该区北东向构造发 生 S 形扭转且横向排列[12]。 图 1 黔北煤田构造纲要图 Fig.1 Sketch map of coalfield in the north of Guizhou Province 长岗向斜总体走向 NESW 向，轴线均呈“S” 形延伸，总体构成一个向南东凸出的弧状整体，且 以向斜中部近东西向断层为界，向斜南部地质构造 简单且倾角平缓， 一般 1525， 北部地质构造相对 复杂，断层发育较多，地层倾角可陡至 2040。总 体上勘查区地质构造复杂程度为中等类型。 区内出露地层由老至新依次为二叠系下统栖霞 组， 二叠系中统茅口组， 二叠系上统龙潭组、 长兴组， 三叠系下统夜郎组、茅草铺组及三叠系中统松子坎 组，其中向斜轴部地层主要为松子坎组、茅草铺组， 两翼则出露地层为栖霞组、 茅口组、 龙潭组、 长兴组、 夜郎组。 龙潭组为该区主要含煤地层， 其岩性由细砂 岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、煤、 灰岩及白云岩等组成。厚度为 87.88106.49 m，平均 厚 96.76 m。与下伏 P2m 地层成假整合接触。 2 煤层特征及含气性 二叠系龙潭组为长岗向斜的含煤地层，含煤 712 层， 煤层及煤线厚 4.7013.36 m， 平均 8.57 m， 含煤系数 6.211.4，平均 9.3。含可采、大部 可采和局部可采煤层 4 层，自上而下编号为 3 号、7 号、10 号、11 号表 1，单层厚度 0.054.23 m，平 均厚度累计 5.07 m不含夹矸，可采系数 5.6。其 中 7 号煤层为该区的主力煤层。 其位于龙潭组中部， 煤层厚 0.454.23 m，平均厚 1.88 m，含 02 层透镜 状夹矸，煤层厚度变化较大，结构较简单，该煤层 为全区可采煤层，属较稳定煤层。7 号煤层宏观煤 岩类型以半亮煤为主，少量光亮煤。以条带状结构 为主，块状构造，为原生结构煤。煤层裂缝割理发 育，部分被方解石、黄铁矿充填。 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 46 卷 表 1 长岗向斜各可采煤层特征表 Table 1 Characteristics of recoverable coal seams in Changgang syncline 煤层编号 全层厚度/m最小值最大值/平均值 夹矸层数 可采情况 复杂程度 对比可靠程度 稳定程度 3 0.052.62/0.74 0 大部可采 简单 可靠 较稳定 7 0.454.23/1.88 02 全区可采 较简单 可靠 较稳定 10 0.172.18/0.87 02 大部可采 较简单 可靠 较稳定 11 0.15-1.48/1.16 01 大部可采 简单 可靠 较稳定 长岗向斜煤层变质程度较高，不同区域主力 煤层最大镜质体反射率为 2.485.36，平均 3.61， 已达到无烟煤阶段， 高变质程度导致煤层 含气量较高，据煤田钻孔资料显示表 2，各煤层 含气量 0.0847.70 m3/t，平均可达 14.19 m3/t。煤 层气成分以甲烷为主，甲烷体积分数 0.55 99.80，平均 74.08。其中主力煤层 7 号煤层甲 烷含量为 4.5826.92 m3/t，平均 15.75 m3/t，煤层 气中甲烷成分较高， 体积分数为 25.3798.74， 平均 82.20表 2。其中部分地区煤田钻孔位于 向斜两翼，埋深较浅，煤层气藏后期破坏严重， 导致含气量及甲烷含量低，如永辉及野彪地区。 该区已有的两口煤层气井， 其分析测试结果显示， 该区煤层含气性较好，主力煤层 7 号煤层含气量 为 21.0522.92 m3/t，平均 21.99 m3/t，同时，气 体以甲烷为主，体积分数平均 96.39。 表 2 长岗向斜 7 号煤层含气性统计表煤田钻孔资料 Table 2 Gas content of coal seam 7 in Changgang syncline 各组分含量/mLg–1 煤层气成分的体积分数/ 地区 CH4 C2C8 N2 CO2 CH4 C2C8 N2 CO2 Rmax/ 枫香 5.0823.79/12.69 33.0498.74/79.44 3.78 庙新 7.0225.43/18.66 0.040.27/0.146 5.0823.79/12.72 0.162.21/1.4163.5294.00/82.920.150.72/0.571.0129.62/9.5 0.810.97/6.013.06 永辉 5.616.52/11.85 0.022.91/0.832.8124.9/13.85 0.081.53/0.6126.7977.98/47.58 0.1713.90/3.77 21.2861.96/46.09 0.337.32/2.562.95 纸坊 15.8426.92/20.13 0.040.58/0.251.082.66/1.76 0.30.65/0.4495.4198.91/97.60.0510.58/0.3203.29/1.22 0.680.98/0.875.36 野彪 4.5819.28/9.73 0.020.14/0.061.4813.41/7.32 0.150.59/0.3425.3789.14/61.540.140.61/0.368.8970.81/35.07 0.987.9/3.034.05 长岗 10.8924.94/18.29 00.02/0.01 1.974.44/2.80 0.010.57/0.19 86.4197.25/93.10.020.08/0.041.5512.74/5.6 0.064.15/1.062.48 注表中数据 0.052.62/0.74 表示最小值最大值/平均值，其他数据同。 就主力煤层 7 号煤层甲烷含量的平面展布来看 图 2，F1 断层以北，断层较为发育，煤层埋深大 且地层倾角大，构造条件相对复杂，煤层甲烷含量 相对较低，仅在局部地区有煤层气富集区，最高可 达 20 m3/t 以上。F1 断层以南，构造条件相对简单， 地层倾角较缓，主力煤层甲烷含量相对较高，且煤 层气富集区面积较大，在庙新地区及该向斜东北及 南东两端，煤层甲烷含量都较高，基本都在 20 m3/t 以上。而此次研究中，考虑向斜北部地区构造复杂， 且相应煤田钻孔点及相关分析测试资料较少，故重 点分析向斜南部地区构造作用对煤层甲烷富集成藏 的影响图 2。 3 构造控气作用 构造直接或间接控制着煤层和煤层气的分布、 运移、聚集乃至成藏的一系列过程，并对已形成的 煤层气藏进行建设性或破坏性的改造，是最为重要 而直接的控气因素[13]。在聚煤过程中，构造作用决 定了煤层的空间展布，而聚煤后期的构造演化及相 关的热演化，直接影响了煤层气的生、储、盖性能， 从而直接控制煤层气的富集成藏，进而决定着煤层 气资源开发的潜力[14-15]。 3.1 向斜构造对煤层气的富集控制作用 整体来看，长岗向斜主力煤层甲烷含量总体呈 现出向斜轴部甲烷含量高，同时向两端逐渐降低的 趋势， 其轴部甲烷含量基本在 20 m3/t 以上， 但同时， 向斜两端甲烷含量都呈现降低的趋势，但并非完全 对称，整体表现为向斜西翼下降较为平缓，而东翼 变化较大，这与向斜两翼地层倾角具有很好的对应 关系图 2、图 3。故整体而言，长岗向斜对煤层甲 烷富集的有益构造类型依次为 向斜轴部缓倾斜带 边浅部陡倾斜带。 分析原因为向斜轴部构造部位煤 层埋深相对较大，同时，中和面以上处于应力挤压 状态，地层中的孔隙或裂隙均被压密或压实，煤层以 及顶板的裂隙和孔隙不甚发育，从而闭合形成良好的 盖层，阻止了煤层气向上的逸散，为保存下部煤层气 提供了良好的盖层，封闭条件好，有利于煤层气的储 集和保存[16-17]，其相关机制如图 4 所示。如该区的 502 钻孔，7 号煤层的顶板出现大段粉砂岩及细粒砂岩，但 该钻孔煤层甲烷含量仍高达 26.92 m3/t。而对于向斜东 ChaoXing 第 2 期 吴圣等 黔北煤田长岗向斜煤层气富集的构造控制作用 25 图 2 长岗向斜南部 7 号煤层甲烷含量分布图 Fig.2 Methane content distribution of coal seam 7 in south of Changgang syncline 图 3 长岗向斜地层及煤层甲烷含量剖面图 Fig.3 Profile of layer and coalbed methane content in Changgang syncline 图 4 褶皱应力机制示意图据李贵中等[17] Fig.4 Sketch of folds stress mechanism 翼边浅部陡倾煤层，一方面煤层埋深浅，不利于煤层 气的富集保存，另一方面，煤层倾角陡，小断层多发 育，层滑强烈，煤体结构多为碎粒–糜棱煤，同样不利 于煤层气的保存[18]，导致含气量低。 3.2 向斜轴部转折的影响 整体上，长岗向斜煤层气富集主体受向斜控 制，但并非在向斜轴部煤层甲烷含量都呈现高值， 如图 2 所示，在两个甲烷富集区之间，出现了低含 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 46 卷 气量带，但该区煤层埋深、煤厚等条件与高含气带 煤层类似，这与相关的向斜控气理论不符。而通过 对该区构造发育特征研究发现， 该低甲烷带与向斜 轴部的转折带具有较好的对应关系。 长岗向斜整体 呈现为一向南东向凸起的弧形， 向斜北段轴向为近 南北走向，而向斜南段轴向近东西走向，正是在该 轴向的转折带，主力煤层甲烷含量相对两端较低。 分析原因为长岗向斜轴部后期受南北向挤压作用， 发生二次折曲作用，将其类似二次“褶皱”，该向斜 轴部转折部可类比于“二次褶皱”的“轴部”，故该区 应力相对集中， 该转折带南东部分类比于向斜中和 面以下或背斜中和面以上图 5，表现为拉张应力， 产生大量的张性裂隙或正断层，应力快速释放，不 利于煤层气的保存，煤层甲烷含量相对较低基本 在 20 m3/t 以下。而该区的水文地质钻孔表明该区 漏水严重，取心结果显示岩层裂隙较为发育，岩心 较为破碎，也表明该区构造作用显著，不利于煤层 气的保存。 图 5 长岗向斜应力机制分析图 Fig.5 Sketch of stress mechanism in Changgang syncline 3.3 断层的影响 长岗向斜以 F1 断层为界， 向斜北部构造相对复 杂，断层较为发育，南部地区构造相对稳定，基本 不发育断层。F1 断层走向近东西向，倾向北，倾角 6570，主要切错地层为夜郎组、茅草铺组、长兴 组、龙潭组、茅口组，南盘相对上升、北盘相对下 降，据工程钻孔及两盘地层分析，为正断层，落差 20400 m总体从西往东减小，该断层对煤层破坏 较大图 2、图 3。而断层附件的地质钻孔所揭示的 煤层含气量显示，煤层含气量较低，如 4801 钻孔的 含气量仅为 10.89 m3/t。有限的钻孔资料表明，以该 断层为界，煤层含气量由断层处向两端逐渐增加， 如断层以北 1.2 km 处的 3205 钻孔，煤层甲烷含量 24.01 m3/t，断层以南 1.8 km 的 3213 钻孔，甲烷含 量 20.88 m3/t，两个钻孔连线上，煤层甲烷呈现以 F1 断层为轴互相对称的趋势图 3。前人研究表明， 正断层多为张性断层， 可作为煤层甲烷的运移通道， 断层面附近由于构造应力释放而成为低压区，煤层 甲烷大量解吸，而造成断层附近煤层甲烷的解吸逸 散，不利于煤层气的保存图 6[19-20]。 图 6 断层构造与煤层气含量示意图据桑树勋等[19] Fig.6 Sketch of relationship between faults and coalbed gas content 4 结 论 a. 长岗向斜煤层气成藏主体受向斜构造控制， 表现为向斜轴部含气量高，且由向斜轴部到宽缓斜 坡带再到边浅部陡坡带含气量逐渐降低。 b. 长岗向斜由于受二次构造应力的影响，向斜 轴部为一向南东向凸起的弧形，其向斜轴部转折部 位类似褶皱轴部， 应力相对复杂且以张性应力为主， 导致煤层甲烷含量在向斜轴部出现局部低值区。 c. 长岗向斜中部的正断层对该区煤层甲烷含 量具有负效应，且由断层处向两端，煤层甲烷含量 逐渐升高，总体呈近似对称关系，而其附近的逆断 层对煤层气的影响不大。 参考文献 [1] 贾天让，王蔚，闫江伟，等. 贵州省煤矿瓦斯赋存构造控制规 律与分带划分[J]. 地学前缘，2014，216281–288. 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