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第 35 卷第 7 期煤炭学报Vol． 35No． 7 2010 年7 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly2010 文章编号 0253 －9993 2010 07 －1165 －05 煤层含气量与埋深关系异常及其地质控制因素 赵丽娟 1 ， 秦 勇 1， 2， 林玉成3 1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州221116; 2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116; 3. 云南省煤田 地质局， 云南 昆明650034 摘要 采用地质因素排除法， 对云南老厂四勘区煤层含气量与埋深关系在 580 ～750 m 埋深段出 现递减的 “异常” 现象的地质原因进行了分析。研究发现， 区内主要次级背斜轴部与局部地温异常 区段在空间上叠合。研究区煤层含气量与埋深之间关系尽管受到次级褶曲的影响， 但单纯的次级 构造因素不可能控制这一“异常” 的发育; 上述叠合因素使得煤饱和吸附量的“临界深度” 相对变 浅， 该因素进一步与区内煤层实际埋深条件的耦合， 才是控制煤层含气量与埋深关系“异常” 的关 键地质原因。 关键词 煤层含气量; 埋藏深度; 地质异常; 异常地温 中图分类号 P618. 11文献标志码 A 收稿日期 2010－02－21责任编辑 柴海涛 基金项目 国家自然科学基金重点资助项目 40730422 ; 国家科技重大专项资助项目 2008ZX05033 －003 作者简介 赵丽娟 1986 ， 女， 安徽六安人， 硕士研究生。Tel 0516 －83590091， E － mail zhaolijuan115126. com Abnormal relation and its geological controls of coalbed methane content to buried depth of coal seams ZHAO Li- juan1， QIN Yong1， 2， LIN Yu- cheng3 1. School of Resources and Geoscience， China University of Mining and Technology， Xuzhou221116; 2. Key Laboratory of CBM Resources and Pooling Process， Ministry of Education， Xuzhou221116; 3. Yunnan Bureau of Coal Geology， Kunming650034， China Abstract Using exclusion of geological factors， analyzed the geological factors about the“abnormal”phenomenon of decreasing of coalbed methane content from 580 to 750 meters section depth of coal seams in exploration area 4， Laochang， Yunnan Province． Founding the subsidiary anticline axis and part geothermal abnormality section are con- gruent in space． The relation of coalbed methane content to buried depth is affected by subsidiary fold， but it’ s not the only reason causing the“abnormity” ; and the congruent factors make the“critical depth”of saturated absorption rela- tively shallow， the further coupling of the factor with conditions of actual buried depth of coal seams are crucial geolog- ical controls of abnormal relation of coalbed methane content to buried depth． Key words coalbed methane content; buried depth; geological abnormality; abnormal strata temperature 煤层气富集受多种地质因素的控制， 其富集性时 空分布异于常规， 则必然意味着某种控制因素存在异 常。笔者在研究云南老厂矿区煤层气地质条件发现， 第四勘探区煤层含气量与埋藏深度之间关系并不完 全符合 “单调函数” 的一般规律， 进而对导致这一异 常现象的地质原因进行分析探讨。 1煤层气地质背景 老厂矿区地处云南省东部的曲靖市， 由 6 个勘探 区和南北预测区组成。其中， 四勘区为一、 二、 三勘区 的深部， 面积 111. 33 km2。该矿区含煤地层为上二 叠统龙潭组和长兴组， 下伏地层为下二叠统茅口组， 上覆地层为上二叠统卡以头组， 煤级普遍达到无烟 煤。四勘区位于老厂背斜南东翼， 构造总体上为一倾 向 SE 的单斜， 倾角 8 ～20， 发育次级宽缓褶曲， 断层 较少， 且多具压扭性质 图 1 ; 含煤地层厚度为 111. 65 ～177. 08 m， 平均为 156. 49 m; 含煤 23 层， 其 中第 2、 3、 4、 7 8、 9、 13、 14、 16、 19 等 9 层煤层可采或 煤炭学报 2010 年第 35 卷 局部可采， 可采煤层总厚 11. 64 ～ 26. 20 m， 平均 18. 91 m。 图 1四勘区 9 煤层底板等高线与含气量等值线 Fig. 1Isograms of elevation and methane content of No. 9 coal seam in the fourth exploration area 该矿区煤层气地质条件的另外一个显著特点是 现代地温场存在异常 表 1 。根据钻孔测温数据换 算， 区内地温梯度变化于 1. 3 ～3. 5 ℃ /hm 之间， 高于 3. 5 ℃ /hm 的正异常区分布四勘区西南部和中部 B401 背斜轴部的局部地段 图 2 ， 多数地段的地温 梯度正常或处于负异常状态。 表 1地温异常区测温孔及地温梯度 Table 1Temperature hole and geothermal gradient in geothermal abnormality section 钻孔号地温梯度/ ℃hm －1 33163. 6 4105 －103. 8 4105 －113. 2 4113 －123. 4 4201 －103. 3 4217 －163. 1 4307 －13. 0 4307 －33. 7 钻孔煤芯解吸资料显示 表 2 ， 矿区内煤层含气 量平面变化极大， 具有向深部四勘探增高的总体趋 势， 最高可达 25 m3/t 无水无灰基 图 1 。据云南 省煤田地质局 2001 年评价结果， 四勘区煤层气预测 资源量为 173. 29 亿 m3， 资源丰度为 1. 56 亿 m3/ km2， 高于全国平均水平［ 1］。 2煤层含气量与埋深之间的异常关系及初步 讨论 正常情况下， 煤层埋深增大， 煤层含气量呈“单 调函数” 增高。然而， 笔者分析 40 余件煤 芯 解 吸 数 图 2四勘区地温梯度及 9 号煤层埋深等值线 Fig. 2Relationship of geothermal gradient to buried depth of No. 9 coal seam in the fourth exploration area 表 2钻孔煤芯解吸气含量 Table 2Desorption gas content of drilling coal core 钻孔号煤层埋深/m含气量 daf / m3t －1 11905316. 670. 59 11906348. 631. 95 22307108. 6813. 89 23308885. 5820. 17 30002639. 776. 86 30704347. 590. 17 20110618. 038. 88 20111545. 9319. 15 21714782. 246. 36 21718658. 047. 81 4229 －1655. 655. 88 4229 －2769. 619. 49 4221 －1698. 545. 06 4221 －2937. 136. 86 4307 －1675. 908. 44 4117 －1670. 202. 01 4117 －2566. 358. 02 据发现， 老厂四勘区煤层含气量尽管随埋深增大而总 体上呈增高趋势， 但在埋深 580 ～ 750 m 之间却随埋 深增大反而降低 图 3 。造成这种“异常” 的原因何 在煤层气富集是构造因素控制之下的诸多地质因 素耦合作用的结果。具体而言， 煤层含气量的高低， 从微观来说与煤物质组成、 孔隙结构、 煤级甚至煤层 厚度等有关， 从宏观来看受地层压力、 地层温度及顶 底板封闭性的控制， 这些因素又与煤层埋藏深度、 地 温场特征以及构造样式和构造部位、 煤层与其顶底板 之间的沉积组合、 水文地质条件、 甚至煤层厚度等因 素密切相关［ 2 －4］。 据钻孔煤芯化验资料， 单煤层平均镜质组最大反 射率为 2. 54 ～2. 73， 随层位降低趋于增大， 与煤 6611 第 7 期赵丽娟等 煤层含气量与埋深关系异常及其地质控制因素 图 3四勘区煤层含气量与煤层埋深的关系 Fig. 3Relationship between coalbed methane content and depth of coal seam in the fourth exploration area 层含气量之间没有明显关系; 单煤层原煤无水基灰分 产率 为 17. 39 ～ 27. 47， 孔 隙 度 在 3. 26 ～ 6. 15之间， 他们的层位分布规律受沉积旋回 地层 亚段 控制， 与含气量之间只有极微弱的相关关系; 镜惰比 镜质组含量与惰质组含量之比 增高和镜壳 比 镜质组含量与壳质组含量之比 减小， 煤层含气 量随之增高 图 4 。其中， 镜壳比与煤层含气量之间 的负相关性表明， 研究区煤中壳质组对煤层气的吸附 能力超过了镜质组， 这是镜质组和壳质组在煤化作用 过程中发生差异演化， 导致两者物理性质在无烟煤阶 段发生反转的必然结果［ 5］。 换言之， 研究区煤层自身的上述性质均与埋藏深 度无关， 不是造成煤层含气量与埋深之间异常关系的 控制因素。 图 4四勘区煤层含气量与显微煤岩组成之间的关系 Fig. 4Relationship between coalbed methane content and maceral composition in the fourth exploration area 就宏观地质因素分析 区内断层破碎带为泥质胶 结， 不会造成煤层含气量在深度分布上的“异常” ; 可 采煤层顶板几乎全为泥岩和粉砂质泥岩， 只在个别钻 孔中见有粉砂岩发育， 表明顶板岩性对煤层气的封盖 能力没有明显差异。地层压力与水文地质条件的结 合， 往往对煤储层压力具有控制作用［ 6 －8］。据钻孔抽 水试验资料 煤层埋深加大， 3 层主煤层上覆水头高 度分别具有增大的趋势; 煤层上覆水头高度加大， 不 同煤层其含气量分布趋势各异， 9 号煤层含气量趋于 增大， 而 13 号和 19 号煤层含气量区域减小 图 5 。 这一关系显示 一方面， 研究区不同含煤段之间水力 联系相对较弱， 可能导致“独立叠置含煤层气系统” 的发育［ 8］; 另一方面， 区内水文地质条件尽管对煤层 含气量高低具有一定影响， 但并非决定性地质条件， 即应存在其他更为重要的影响因素。 图 5四勘区煤层上覆水头高度、 煤层埋深及 煤层含气量三者之间的关系 Fig. 5Relationship among elevating head， depth and gas content of coal seams in the fourth exploration area 3异常地质原因的进一步探讨 详细分析图 1 发现， 区内煤层含气量区域分布格 局与次级褶曲构造有关。具体来说， 高含气量区段的 平面分布位置与区内主要次级背斜 B401 背斜 轴 部高度吻合。无独有偶， 这一区段正是 600 ～ 800 m 煤层埋藏深度的平面分布位置 图 2 。 在次级褶曲形成过程中， 煤层及其顶底板与构造 中和面以及构造部位之间的关系， 决定了其受力状 态， 进而影响到煤层及其顶底板的裂隙发育程度和煤 层气保存条件。一般而言， 在构造中和面以上， 煤层 及其顶底板若位于背斜轴部， 则往往处于拉张应力状 态， 张性裂隙相对发育， 不利于煤层气保存; 若位于向 斜轴部情况则相反。如果在构造中和面以下， 则与构 造中和面以上的情况相反［ 2］。为此， 区内煤层含气 量与埋深之间的关系， 在一定程度上受到次级褶曲发 7611 煤炭学报 2010 年第 35 卷 育的影响。 然而， 次级褶曲的影响通常体现在煤层含气量的 平面分布上， 目前并未见造成深部分布异常的报 道［ 1］。由此来看， 除了次级褶曲之外， 还存在更为重 要的地质影响因素。 前已述及， 四勘区煤层气地质条件的一个显著特 点， 是存在局部地温正异常区。进一步分析发现， 这 一局部地温正异常区主要分布中部的 B401 背斜轴 部， 且 9 号煤层埋深 580 ～ 750 m 区地段在平面上叠 合 图 2 。煤层含气量、 地温正异常及煤层埋深段在 平面上的这一叠合， 揭示出造成区内煤层含气量随深 度分布异常的一个重要原因。也就是说， 区内正异常 地温场的存在， 正是导致煤层含气量在埋深 580 ～ 750 m 之间出现递减趋势的重要控制因素。 煤层气以吸附态、 游离态和溶解态存在于煤层 中。其中， 吸附态是最主要的赋存方式， 一般占煤层 含气量的 90 以上。吸附量 q 的大小受温度影响， 可根据朗缪尔模型予以分析［ 9 －10］ ， 即 q K1 abp 1 bpe n T1－T 其中， K1为与煤中水分、 灰分有关的系数; a 为煤的吸 附常数， m3/t; b 为煤的吸附参数， MPa －1; p 为气体压 力， MPa; n 为与压力有关温度影响系数; T1为实验温 度， K; T 为煤层温度， K， T T0 GH， T0为地表温度， K， G 为地温梯度， K/hm， H 为煤层埋深， m。由此可 知， 温度升高， 煤中气体活化能增大， 造成在其他条件 相同的前提下煤对气体的吸附量减少。 煤层受热温度直接取决于埋深和地温梯度， 地温 梯度又与构造位置有关［ 11］。褶皱构造是地热场分异 特征的一个重要控制因素， 背斜构造由于其下部发 散、 往上收敛的特点， 使得热流与深部地热水向背斜 轴部汇聚［ 12 －14］。在同一勘探区， 如果地温梯度相似， 则煤层埋深增大， 煤层受热温度增高; 若地温场存在 分异， 则埋深较浅煤层的受热温度可能高于埋深相对 较大的煤层。在地层条件下， 深部增温的结果使煤层 受热温度对煤吸附能力的影响在一定深度之下超过 了煤储层压力， 导致煤饱和吸附量与埋深之间关系在 一定深度发生反转， 存在一个“临界深度” ［ 15］。地温 梯度越高 ， “临界深度” 越小。正是这几个因素之间 的耦合， 使得老厂四勘区局部地温异常带煤层含气 量/埋深关系在较浅的埋深条件下发生反转。准确地 说， 四勘区次级背斜控制下的局部地温异常， 是造成 煤层含气量在 580 ～750 m 埋深段出现递减趋势的关 键原因。 4结论 分析勘探资料发现， 老厂四勘区煤层含气量随埋 深增大具有总体增高的趋势， 但在 580 ～ 750 m 埋深 段却出现随埋深增大呈现出降低的“异常” 现象， 这 与常规认识不符。为此， 笔者采用排除法对其控制因 素进行了探讨。研究认为， 研究区内煤层含气量与埋 深之间关系尽管受到次级褶曲的影响， 但次级构造不 是直接控制因素; 次级背斜控制下的局部地温异常使 得煤饱和吸附量“临界深度” 变浅， 这一因素与区内 煤层实际埋深条件的耦合， 才是造成煤层含气量与埋 深关系 “异常” 的关键地质原因［ 16］。 参考文献 ［ 1］ 叶建平， 秦勇， 林大杨． 中国煤层气资源［ M］ ． 徐州 中国矿业 大学出版社， 1999 43 －59， 152 －165． Ye Jianping， Qin Yong， Lin Dayang． Coalbed methane resources of China［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 1999 43 －59， 152 －165． ［ 2］ 贺天才， 秦勇． 煤层气勘探与开发利用技术［ M］ ． 徐州 中国矿 业大学出版社， 2007 68 －94． He Tiancai， Qin Yong． The use of technology of coalbed methane ex- poration and development［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2007 68 －94． ［ 3］ 秦勇， 傅雪海， 岳 巍， 等． 沉积体系与煤层气储盖特征之关 系探讨［ J］ ． 古地理学报， 2000， 2 1 77 －83． Qin Yong， Fu Xuehai， Yue Wei， et al． Relationship between deposi- tional systems and characteristics of coalbed gas reservoir and its ca- prock［ J］ ． Journal of Palaeogeography， 2000， 2 1 77 －83． ［ 4］ 秦勇， 叶建平， 林大扬， 等． 煤储层厚度与其渗透性及含气性 关系初步探讨［ J］ ． 煤田地质与勘探， 2000， 28 1 24 －27． Qin Yong， Ye Jianping， Lin Dayang， et al． Relationship of coal re- servior thickness and its permeability and gas- bearing property［ J］ ． Coal Geology ﹠ Exploration， 2000， 28 1 24 －27． ［ 5］ 秦勇． 高煤级煤的显微岩石学特征与结构演化［ M］ ． 徐州 中 国矿业大学出版社， 1995． Qin Yong． Microscopic petrology characteristics and structure evolu- tion of high rank coal ［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 1995． ［ 6］ 王勃， 姜波， 王红岩， 等． 低煤阶煤层气藏水文地质条件的 物理模拟［ J］ ． 煤炭学报， 2007， 32 3 258 －260． Wang Bo， Jiang Bo， Wang Hongyan， et al． Hydro- geological condition physical simulation of the low rank coalbed methane reservoir foma- tion［ J］ ． Journal of China Coal Society， 2007， 32 3 258 －260． ［ 7］ 闫宝珍， 王延斌， 丰庆泰． 基于地质主控因素的沁水盆地煤层气 富集划分［ J］ ． 煤炭学报， 2008， 33 10 1 102 －1 106． Yan Baozhen， Wang Yanbin， Feng Qingtai． Coalbed methane enrich- ment classificaitions of Qinshui Basin based on geological key con- trolling factors［ J］ ． Journal of China Coal Society， 2008， 33 10 1 102 －1 106． ［ 8］ 秦勇， 熊孟辉， 易同生， 等． 论多层叠置独立含煤层气系 8611 第 7 期赵丽娟等 煤层含气量与埋深关系异常及其地质控制因素 统 以贵州织金 － 纳雍煤田水公河向斜为例［ J］ ． 地质论评， 2008， 54 1 65 －70． Qin Yong， Xiong Menghui， Yi Tongsheng， et al． On unattached su- perposed coalbed- methane system in a case of the Shuigonghe syn- cline， Zhijin- Nayong coalfield， Guizhou ［ J］ ． Geological Review， 2008， 54 1 65 －70． ［ 9］ 王宏图， 鲜学福， 杜云贵， 等． 煤矿深部开采煤层气含量计算的 解析法［ J］ ． 中国矿业大学学报， 2002， 31 4 367 －369． Wang Hongtu， Xian Xuefu， Du Yungui， et al． Analytic of cal- culating gas content in coal seam in deep mining［ J］ ． Journal of Chi- na University of Mining ＆ Technology， 2002， 31 4 367 －369． ［ 10］ 王宏图， 鲜学福， 尹光志， 等． 煤矿深部开采瓦斯压力计算的解 析算法［ J］ ． 煤炭学报， 1999， 24 3 279 －283． Wang Hongtu， Xian Xuefu， Yin Guangzhi， et al． Investigation of an- alytic for coalbed gsa pressure in high temperature and deeply mining mines［ J］ ． Journal of China Coal Society， 1999， 24 3 279 －283． ［ 11］ 秦勇， 宋党育， 王超． 山西南部晚古生代煤的煤化作用及其 控气特征［ J］ ． 煤炭学报， 1997， 22 3 230 －235． Qin Yong， Song Dangyu， Wang Chao． Coalification of the upper pa- leozoic coal and its control to the generation and preservation of coalbed methane in the Southern Shanxi［ J］ ． Journal of China Coal Society， 1997， 22 3 230 －235． ［ 12］ 袁玉松， 马永生， 胡圣标， 等． 中国南方现今地热特征［ J］ ． 地球 物理学报， 2006， 49 4 1 119 －1 125． Yuan Yusong， Ma Yongsheng， Hu Shengbiao， et al． Present- day ge- othermal characteristic in South China［ J］ ． Chinese Journal of Geo- physics， 2006， 49 4 1 119 －1 125． ［ 13］ 朱建辉． 中国东部构造 － 热体质与断陷盆地多期性迁移特征 ［ J］ ． 石油与天然气地质， 2003， 24 4 367 －370． Zhu Jianhui． Tectonic thermal regime and multiple transporting characteristics of faulted basins in Eastern China［ J］ ． Oil ＆ Gas Geology， 2003， 24 4 367 －370． ［ 14］ Rybach L， Muffler L J P． 地热系统 原理和典型地热系统分析 ［ M］ ． 北京 地质出版社， 1986 6 －45． Rybach L， Muffler L J P． Geothermal systems Principle and typical geothermal systems analysis ［ M］ ． Beijing Geological Publishing House， 1986 6 －45． ［ 15］ 秦勇， 宋全友， 傅雪海． 煤层气与常规油气共采可行性的探 讨 深部煤储层平衡水条件下的吸附效应［ J］ ． 天然气地球 科学， 2005， 16 4 492 －498． Qin Yong， Song Quanyou， Fu Xuehai． Discussion on reliability for comining the coalbed gas and normal petroleum and gas absorptive effect of deep coal reservoir under condition of balanced water［ J］ ． Natural Gas Geoscience， 2005， 16 4 492 －498． ［ 16］ 谭静强， 琚宜文， 张文永， 等． 淮北宿临矿区现今地温场的构造 控制［ J］ ． 煤炭学报， 2009， 32 3 449 －453． Tan Jingqiang， Ju Yiwen， Zhang Wenyong， et al． Structure controls on present geothemal field in Sulin mine area of Huaibei［ J］ ． Jour- nal of China Coal Society， 2009， 32 3 櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐 449 －453． 国家能源局鉴定认同低浓度瓦斯发电技术 经过 2 个多月的运转， 山东胜动集团利用自主研发生产的通风瓦斯氧化技术及 60 000 m3/h 煤矿乏风氧 化装置， 为新汶矿业集团赵官煤矿建成的瓦斯浓度在 4左右的低浓度瓦斯发电厂， 完全达到了设计要求。国 家能源局组织专家对此成果鉴定认为， 这一技术的应用意味着中国在世界上率先将瓦斯“吃干榨净” ， 为煤炭 行业节能减排开辟了新空间， 应用和推广前景十分广阔。 据成果鉴定组组长、 中国工程院院士周世宁介绍， 该技术能将浓度低于 1 的煤矿瓦斯收集起来进行氧化 反应产生热能， 并将此热能实施阶梯利用， 通过氧化装置制取过热高压蒸汽驱动蒸汽轮机发电， 蒸汽余热则可 供洗澡、 采暖、 制冷等。 据了解， 瓦斯的抽采利用一直是困扰煤炭行业安全高效生产的世界性难题。统计显示， 2009 年全国煤炭 行业共抽排瓦斯 59 亿 m3， 但实际利用的只有 18 亿 m3。美国、 德国等煤炭生产大国已研发出瓦斯浓度 30 以 上的瓦斯发电技术， 但却没有实现浓度低于 30的瓦斯发电。 摘自 “中国新闻网” 9611