【正文】 .................................. 32 致 謝 ................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 35 1 1 緒 論 研究背景及意義 煤層氣是一種主要以吸附方式賦存于煤層中的清潔能源，我國煤炭資源非常豐富，煤層氣資源量也相當(dāng)可觀 [1]。 焦作煤田地處焦作市東北部，東西長 60 km，南北寬 15 km，含煤面積為 970 km2，是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤的產(chǎn)出基地之一，累計(jì)探明煤炭資源儲(chǔ)量為 億 t，保有煤炭資源儲(chǔ)量為 26. 38 億 t。 以在焦作煤田地區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作進(jìn)展為基礎(chǔ)，以實(shí)際可行性為前提，綜合應(yīng)用鉆井、錄井、測井、地震以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料，開展以下主要工作： (1)開展焦作煤田石炭一二疊系煤層氣基本地質(zhì)條件研究，分析研究沉積背景，后期構(gòu)造及成煤演化對煤層氣成藏與富集的影響 [9]； (2)石炭一二疊系煤層氣儲(chǔ)層特征研究。 本論文的總體研究思路是：以焦作煤田煤儲(chǔ)層為儲(chǔ)層研究對象，以綜合運(yùn)用野外資料、鉆井資料、錄井資料、測試資料、煤田地質(zhì) 資料、測井資料以及地震資料為研手段，綜合對比周圍各區(qū)塊的地質(zhì)條件，充分分析該地區(qū)的儲(chǔ)層特征，從而進(jìn)行儲(chǔ)層含氣性分析、確定該地區(qū)的含氣性主控因素，在此基礎(chǔ)上，確定焦作煤田煤層氣資源分布及有利勘探目標(biāo)。 圖 21 研究區(qū)交通位置圖 5 地層與含煤地層 地層 焦作煤田位于華北晚古生代聚煤盆地的南部，處于華北板塊板內(nèi)太行構(gòu)造區(qū)太行斷隆的南段，其地層屬于華北地層區(qū)山西分區(qū)太行山小區(qū)和華北平原分區(qū)豫北小區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)地層由老到新有太古界、中元古界薊縣系、下古生界寒武系和奧陶系、上古生界石炭系和二疊系、中生界三疊系、新生界新近系和第四系 [14]。與下伏太古界地層為角度不整合接觸。 下統(tǒng)（∈ 1）：底部為礫巖，下部為灰黃色泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、紫紅色頁巖，上部為淺灰色石灰?guī)r、鮞狀石灰?guī)r、泥巖、砂巖、粉砂巖、頁巖等，厚度 ～ ，平均 。厚度～ ，平均 。厚 ～ ，平均 。 （ 4）上古生界（ Pz2） 發(fā)育有石炭系中統(tǒng)至二疊系地層，為本區(qū)主要含煤地層。山西組底部的二 1 煤為煤層氣賦存的主要儲(chǔ)層。 （ 6）新生界（ Kz） 由新生界新近系、第四系地層組成，下部為紫紅色土夾礫巖；上部黃土、黃土夾礫石。 （ 1）本溪組（ C2b） 下起奧陶系中 統(tǒng)馬家溝組頂，上至太原組一 1 煤底板，厚 ～ 45m，平均 。 7 （ 2）太原組（ C3t） 下起一 1 煤層底板，上至 L9 石灰?guī)r（或菱鐵質(zhì)泥巖）頂，厚 ～ ，平均 ，與下伏本溪組整合接觸。 ① 下部灰?guī)r段：一 1 煤層底到Ｌ 4 石灰?guī)r頂。 ② 中部砂泥巖段： L4 石灰?guī)r頂?shù)?L7 石灰?guī)r底。 ③ 上部灰?guī)r段： L7 至 L9（或菱鐵質(zhì)泥巖）頂。為一套碎屑巖含煤沉積 ,發(fā)育 6 層煤，其中二 1 煤為全區(qū)主要可采煤層。 ② 大占砂巖段：由大占砂巖底到香炭砂巖底。 ④ 小紫泥巖段：位于山西組頂部，由馮家溝砂巖底 到砂鍋窯砂巖底。該組為本區(qū)的三煤段。 ② 五煤段： 五煤底板砂巖底至六煤底板砂巖底，厚 ～ ，平均 。六煤底板砂巖為灰白色中厚層狀中粗粒砂巖，其上為灰色、深灰、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，夾數(shù)層砂巖透鏡體。八煤底板砂巖為灰、 9 灰綠色中～細(xì)粒砂巖，厚 ～ ，平均 。沿傾向及走向有寬緩的起伏，局部傾角可達(dá) 25~30186。依其展布方向可分為近東西向、北東向和北西向三組： ① EW 向斷層：構(gòu)成了本區(qū)和區(qū)內(nèi)斷塊邊界，控制著煤田范圍。該組斷層主要有：王封斷層、三十九號斷層、李莊斷層、九里山斷層、薄壁斷層和耿黃斷層等。但煤層埋藏的深淺、井田的大小主要與近東西向或北北西向和北東向或北北東向兩組斷層切割破壞有關(guān)。區(qū)內(nèi)長度 60km，為一走向近東西，整體傾向南，傾角約 70186。自柏山至修武大高村，斷裂隱伏于第四系下。的正斷層，落差大于 1000m。斷面傾向南東， 傾角 70186。 1973 年10 月輝縣 2 級地震和 11 月修武的 級地震與該斷裂活動(dòng)有 關(guān)。西石河以西，由近于平行的五條東西向斷層組成，斷層錯(cuò)斷古生界地層，斷距小于 100m。 峪河 口斷層：位于煤田東北部，北西起于鐵匠莊，經(jīng)峪河村，東止耿黃斷層，長 35km。 南張門斷層：位于照鏡預(yù)測區(qū)北部，西起演馬莊井田南部，經(jīng)招民莊北至于耿黃斷層，在演馬莊井田走向北 78186。 九里山斷層：位于煤田西北部， 為一隱伏正斷層，斷層由北部進(jìn)入煤田，向 西南交于董村斷層，中間被鳳凰嶺斷層所切，斷層總長約 60km，在煤田內(nèi)長度 20 余 km，為走向北東 40 ～ 60186。從展布方向來看與太行山背斜軸向近似，分析其應(yīng)屬于新華夏系一級壓性或壓扭性斷裂。 表 21 焦作煤田主要斷層一覽表 斷 層 名 稱 長度（ km） 走 向 傾 向 落差（ m） 馬方泉斷層 15 60186。 NNE 200 李河正斷層 5 60～ 70186。 N 500 ② 褶皺 本區(qū)褶皺構(gòu)造較少，主要有位于煤田南部的墻南向斜、武陟背斜，東部的朱營背斜、招民莊背斜以及褚丘向斜等。為一不對稱寬緩向斜，向東傾伏，軸部傾角 2—3186。 招民莊背斜：位于照鏡預(yù)測區(qū)內(nèi)，西起獅子營北，經(jīng)招民莊村北延至南張門斷層，全長 ，軸向北 35186。 褚丘向斜：位于薄壁預(yù)測區(qū)，軸向北 65186。左右，軸面略向南傾斜。基巖山區(qū)由于強(qiáng)烈上升，基巖裸露，溝谷深切，山坡陡峭，河床堆積物很少，河谷斷面多呈 “ V” 字型。挽近期以來，在新地應(yīng)力場作用下，區(qū)內(nèi)一些斷裂 ，如 鳳凰嶺斷層、盤古寺 —新鄉(xiāng)斷層、薄壁斷層、九里山斷層等均繼承性活動(dòng)或復(fù)合性活動(dòng)，物探、地震衛(wèi)星照片等方面的資料均明顯地顯示出斷層活動(dòng)跡象 [17]。另外，在深大 斷裂的上升盤，構(gòu)造應(yīng)力較大。因此，在分析構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對本區(qū)煤層氣生成的影響時(shí)，可從以下三個(gè)階段來進(jìn)行分析： 褶皺前階段：在晚古生代的石炭紀(jì)末期、二疊紀(jì)初期，焦作煤田的 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，地殼不斷地緩慢下降，形成該區(qū)聚煤環(huán)境，并在溫度、壓力以及微生物的作用下，形成煤。三疊紀(jì)末期的印支運(yùn)動(dòng)，使得本區(qū)地殼整體抬升廣泛接受剝蝕，生氣階段終止，煤層氣有一定的逸散。 褶皺期后：新生代的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，使得該區(qū)雖然發(fā)生了斷陷沉積，但由于前兩個(gè)階段煤變質(zhì)程度甚高，新生界厚度尚未達(dá)到補(bǔ)償古溫度所需的厚度，煤的變質(zhì)作用減緩或停止，生烴量急劇下降或停止。 水文地質(zhì)條件 焦作煤田地處屬于太行山前沖 積平原，地勢西北高東南低，地形相對高差 200～ 300m。在斷裂帶附近巖溶裂隙相對發(fā)育，常形成強(qiáng)富水區(qū)、導(dǎo)水帶，如鳳凰嶺斷層強(qiáng)勁流帶、朱村斷層強(qiáng)勁流帶、方莊斷層強(qiáng)勁流帶、馬坊泉斷層強(qiáng)勁流帶和百泉斷層強(qiáng)勁流帶等，成為焦作煤田內(nèi)煤田、勘探區(qū)的補(bǔ)給邊界 [23]。 （ 1）碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組 主要為寒武、奧陶系的厚層狀石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，總厚度 800～ 1000m。 淺部該含水巖組與太原組灰?guī)r含水層水力聯(lián)系密切，受礦井疏排水影響，整體水位有一定程度的下降，在田門井田形成降深 10 m的漏斗，王封、焦西礦井附近也有 1～ 3 m。0 以下；下段灰?guī)r巖溶含水層在韓王、朱村、焦西等礦井附近，受礦井疏排影響，也形成降幅不大的漏斗，水位標(biāo)高 最低 +74～ +80 m，一般水位標(biāo)高 +75～ +90 m。在沖積扇前緣 16 常有泉群出現(xiàn)，目前多已干涸。 在天然狀態(tài)下，補(bǔ)給區(qū)地下水水力坡度為 11‰ ，徑流區(qū)為 5‰ ，進(jìn)入煤田后為 2～‰ 。由于焦作煤田補(bǔ)給面積大，巖溶裂隙發(fā)育，因此九里山巖溶水系統(tǒng)具有巨大調(diào)蓄功能，儲(chǔ)存資源約為 億 m3[27]。 17 3 煤層賦存及分布特征 煤層厚度及其變化規(guī)律 煤層厚度統(tǒng)計(jì)特征 本區(qū)井田、勘探區(qū)和普查區(qū)的地質(zhì)工作程度較高，控制鉆孔較多，根據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)得到的煤層厚度可信程度 較大，而東部預(yù)查區(qū)控制鉆孔較少，其厚度值可以靠推測而知，所以，本次工作對焦作煤田各井田勘探鉆孔揭露的煤層厚度資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在一定程度上可以客觀反映全區(qū)的情況。 煤層厚度展布特征 根據(jù)焦作煤層厚度的變化趨勢以及成煤前后巖相古地理的分布格局，繪制了主要煤 層二 1 煤煤煤厚等值線圖，并對不同區(qū)塊的二 1 煤層 厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 31。 煤田中部的煤厚變化較為復(fù)雜，方莊井田、古漢山井田、白莊井田有東北部薄南部厚 18 的變化趨勢；而吳村井田表現(xiàn)為北厚南薄的變化形態(tài)；馮營井田、中馬井田煤層由于受到斷層擠壓及沖刷侵蝕影響，厚度變化沿傾向呈條帶狀，厚薄相間，絕大部分為中厚煤穩(wěn)定帶，在井田西部出現(xiàn)無煤帶、薄煤帶 ；位于該區(qū)段南部的演馬莊井田煤厚變化呈現(xiàn)西部薄南部、東部后的趨勢，在東部部分地段煤厚大于 9m。 （ 1）二 1 煤頂、底板分布特征 本區(qū)二 1 煤層頂板巖性分布相對穩(wěn)定，主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，其中以泥巖分布最廣，局部零星分布有細(xì) —中粗粒砂巖。 頂、底板的物理力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)以往資料以及本次 對施工鉆孔的煤層頂?shù)装?巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果 （見表 32） ，煤田主要煤層的頂、底板的巖石物理、力學(xué)特征性質(zhì)見 (表 33)。 20 4 煤儲(chǔ)層特征及含氣性 煤巖及煤質(zhì) 煤的巖石學(xué)特征 ①宏觀煤巖特征 根據(jù)井下和室內(nèi)觀測，成塊狀產(chǎn)出的二 1 煤宏觀煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，夾絲炭和鏡煤透鏡體或線理狀鏡煤。 ② 顯微煤巖組成 本區(qū)二 1 煤的有機(jī)組分含量較高，一般大于 86%，其中絕大多數(shù)為鏡質(zhì)組，一般占總組成的 80%以上，占有機(jī)組分的 90%以上，惰性組含量較少。粘土礦物多為層狀、團(tuán)塊狀和浸染狀，硫化物類主要為黃鐵礦，多呈微粒狀、莓球狀或粒晶集合體等形式分布于有機(jī)質(zhì)中，碳酸鹽主要為次生或后生的方解石，呈脈狀分布于有機(jī)質(zhì)中，另外也有少量的石英碎屑。二 1 煤原煤全硫含量 ～%，平均 %，均小于 %，為特低硫煤。從垂向看，煤層頂、中、底煤分層之灰分大致有高、低、高的變化規(guī)律，尤其是煤層下部灰分含量稍高。根據(jù)九里山鏡下顯微裂隙走向玫瑰花圖（圖 41），顯微裂隙的主要走向?yàn)?NEE 或近EW、 NE 向，其它方向如 NW 向、 NWW 向的裂隙也有一定的分布。局部如古漢山礦出現(xiàn)三組裂隙。兩種方法由于測試原理和方法具有質(zhì)的不同，因此即使對于統(tǒng)一樣品，二者在孔徑重疊段得到的孔隙 結(jié)構(gòu)參數(shù)也無可比性。而比表面積中，小于 100nm的微孔和過渡孔占絕對優(yōu)勢，其中，微孔含量要大于過渡孔。 根據(jù)煤吸附研究表明，一般微孔（＜ 10nm）構(gòu)成煤的吸附空間；過渡孔（ 100～ 10nm）構(gòu)成煤層毛細(xì)凝結(jié)和擴(kuò)散區(qū)域；中大孔（＞ 100nm）構(gòu)成滲流和層流區(qū)域。鑒 24 于此，本次工作中，對不同溫度、不同煤體結(jié)構(gòu)的煤進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)，來評價(jià)研究區(qū)的煤的吸附性及其變化規(guī)律。主要因?yàn)樵撁禾锩壕鶎儆跓o煙煤，微孔含量較大有關(guān)。 所有含氣量數(shù)據(jù)中，由于煤樣采集及測定方法的差別，實(shí)測 瓦 斯含量測值并不全部真實(shí)可靠， 為此需要加以對比、校正后方可使用，如集氣法和真空罐法瓦斯含量測值需要乘 和 的損失系數(shù)，甲烷低于 80%時(shí)的含氣量數(shù)據(jù)僅在含氣性變化規(guī)律中應(yīng)用，并不參與資源評價(jià)，資料不全的僅為參考等原則，另對與煤層氣賦存規(guī)律違背的含氣量異常數(shù)據(jù)和薄 煤帶的含氣量數(shù)據(jù)僅作為參考。但含氣量并非隨著深度的增加無限增大，如恩村井田，含氣量等值線與煤層底板等高線相交的趨勢有向深部延展的趨勢，含氣量最高值區(qū)不 是出現(xiàn)在向斜軸部，而是出現(xiàn)在軸部北側(cè)。 煤層含氣飽和度 含氣飽和度系指 煤層氣在儲(chǔ)層條件下所達(dá)到的吸附飽和程度，一般用某點(diǎn)的煤儲(chǔ)層實(shí)際含氣量與儲(chǔ)層壓力對應(yīng)的理論吸附氣量之比，單位為 %。因此。 根據(jù)本次工作對所采集的煤樣 的含氣飽和度計(jì)算結(jié)果（表 514），以及前 人對試井期間煤樣的含氣飽和度計(jì)算結(jié)果（表 515），區(qū)塊內(nèi)二 1 煤層含氣飽和度介于 ～ %之間，多處于欠飽和狀態(tài)，局部可達(dá)到近飽和或飽和狀態(tài)。 （ 2）煤層氣含量與地質(zhì)條件關(guān)系密切， 深部斷塊的含氣量總體高于淺部。 收集的含氣量數(shù)據(jù) 二 1 煤 在埋深 163m～ 取樣范圍內(nèi)，實(shí)測煤層氣含量為～ m3/t，平均 ；由此可以看出，所有含氣量數(shù)據(jù)中，除了五里源預(yù)查區(qū) 25 的兩個(gè)鉆孔外，其它數(shù)據(jù)均分布在埋深在 1000m以淺，因 此，深部含氣性數(shù)據(jù)少，需要根據(jù)含氣性的分布規(guī)律進(jìn)行推算。含氣量、氣體成分大多是依靠煤田地質(zhì)勘探其間實(shí)測而知，而含氣飽和度由等溫吸附曲線、實(shí)測含氣量計(jì)算得到的。以往測試結(jié)果 表明， 30℃ 條件下二 1 煤的原煤對 CH4 的最大吸附能力為 ～ ，平均為 cm3/g，而可燃基的吸附量對 CH4 的最大吸附能力為 ～ ，平均為 cm3/g，吸附量達(dá)到飽和吸附量一半時(shí)對應(yīng)的壓力（ PL）為 ～ ，平均為 MPa。