【文章內(nèi)容簡介】 化特征密切相關(guān)，揭示出煤化作用機(jī)理對煤層含氣性具有重要的控制作用。在褐煤至焦煤初期階段，煤中水分顯著減少，大分子基本結(jié)構(gòu)單元邊基側(cè)鏈不斷脫落生成油氣，煤中微孔增多和孔比表面積不斷增大，煤對甲烷的吸附性增強(qiáng)，特別是早期未被甲烷充滿的孔隙空間由于生氣量的增大而被快速充填，從而導(dǎo)致該階段煤層含氣量急劇增大。%處附近，煤化作用出現(xiàn)第二次躍變，沉積有機(jī)質(zhì)的生油階段結(jié)束、進(jìn)入熱裂解氣生成階段，鏡質(zhì)組的物理化學(xué)特性發(fā)生轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)折，濕潤熱、內(nèi)在水分、芳香性大分子環(huán)縮合度等達(dá)到極小值。隨煤級進(jìn)一步增高，大分子基本結(jié)構(gòu)單元甲基側(cè)鏈及先期生成并充填在煤孔隙中的石油發(fā)生熱裂解，孔隙率、總孔容、微孔孔容、孔比表面積等繼續(xù)增大，生氣作用和吸附性進(jìn)一步增強(qiáng)，但由于含氣量的增高主要依賴于新生成孔隙增大的空間，而使得含氣量的增高速率變緩。%%處附近，分別發(fā)生第三次和第四次煤化作用躍變，前者以甲基大量脫落和大分子結(jié)構(gòu)有序化程度明顯增強(qiáng)為特征，后者則表現(xiàn)為孔隙率、孔容、孔比表面積、基本結(jié)構(gòu)單元延展度和堆砌度等達(dá)到極大值。在這兩次煤化作用躍變之間，物理和化學(xué)性質(zhì)上的演化導(dǎo)致在甲烷不斷生成的同時(shí)煤的孔隙空間和吸附性極度增強(qiáng)而使含氣量急劇增高。在第四次煤化作用躍變之后，沉積有機(jī)質(zhì)的生氣作用基本停止，由于大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)整使得鏡質(zhì)組的孔隙率、總孔容、微孔孔容、孔比表面積等顯著變少，氣源消失，儲集空間減小，先期儲集于煤中的甲烷在煤化熱力作用下大量逸散，致使含氣量急劇降低。%附近，鏡質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)再次發(fā)生重大調(diào)整，大分子定向性極度增強(qiáng)，內(nèi)在水分從增大變?yōu)闇p小的現(xiàn)象暗示吸附熱開始急劇降低。京西無煙煤（%）的朗氏體積變?yōu)榱悖砻鲗淄榈奈侥芰呌谙?。綜上所述，褐煤—焦煤初期階段，煤層含氣量的急劇增高主要依賴于煤中微孔的增多、孔比表面積的加大和生氣量的增高；焦煤—無煙煤初期階段，含氣量僅緩慢增高的主要原因是新生成孔隙增大的空間有限；而無煙煤早期階段含氣量的再度急劇增高，則是起因于在甲烷不斷生成的同時(shí)煤中孔隙空間明顯增多和吸附性極度增強(qiáng)；無煙煤中—后期階段，含氣量的急劇降低則是生氣作用停止、鏡質(zhì)組化學(xué)結(jié)構(gòu)再次發(fā)生重大調(diào)整而導(dǎo)致吸附能力趨于消失的結(jié)果。從更寬的演化角度來看，以鏡質(zhì)組最大反射率4%為分劃性界線，煤化作用早—中期為“煤層氣生成—吸附性增強(qiáng)—煤層氣儲集”階段，煤化作用后期則為“生成作用停止—吸附性消失—煤層氣殘留或逸散”階段，%的地區(qū)煤層含氣量極低的根本性地質(zhì)原因。二、構(gòu)造類型控氣不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，在其形成過程中構(gòu)造應(yīng)力場特征及其內(nèi)部應(yīng)力分布狀況的不同，均會導(dǎo)致煤儲層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流條件等出現(xiàn)差異并進(jìn)而影響到煤儲層的含氣特性。根據(jù)形態(tài)和動力學(xué)特征，與煤層氣有關(guān)的構(gòu)造可歸納為向斜構(gòu)造、背斜構(gòu)造、褶皺—逆沖推覆構(gòu)造和伸展構(gòu)造四個大類。在此基礎(chǔ)上，考慮構(gòu)造形態(tài)和不同類型構(gòu)造的組合關(guān)系，并結(jié)合斷層運(yùn)動學(xué)特征可進(jìn)一步總結(jié)出10種基本構(gòu)造類型以及與其相應(yīng)的14種構(gòu)造形態(tài)。向斜構(gòu)造該大類包括寬緩向斜和不對稱向斜兩種構(gòu)造類型，每種類型依據(jù)與斷層類型的組合關(guān)系又可各分為兩種情況（圖56）。單純從構(gòu)造角度來看：向斜兩翼地層傾角越大，張性斷裂越發(fā)育，煤層氣就越易逸散；反之，兩翼傾角越緩，斷裂不發(fā)育或發(fā)育逆斷層，就越有利于煤層氣的保存。因此，斷層不甚發(fā)育的向斜（特別是寬緩向斜）、兩翼發(fā)育逆斷層的寬緩向圖56 褶皺構(gòu)造控氣特征（據(jù)葉建平，1998）斜和有逆斷層發(fā)育的不對稱向斜陡翼，煤層氣的保存條件在總體上比較好。在大型寬緩向斜中，由于兩翼有縱向正斷層和次級褶曲發(fā)育，煤層氣易于順兩翼斷層和次級背斜頂部裂隙運(yùn)移逸散，故含氣性最好的地段往往位于向斜的仰起端和次級向斜部位，沁水大型寬緩向斜就屬于這種情況。但是，如果向斜中存在一個完整的地下水補(bǔ)給—排泄系統(tǒng)，即地下水由一翼露頭處補(bǔ)給而由另一翼露頭處排泄，則地下水補(bǔ)給翼的煤層含氣性往往相對較好，如開平向斜。褶皺—逆沖推覆構(gòu)造該大類又分為褶皺推覆和逆沖推覆兩種基本類型（圖57），其共同特征是有較大規(guī)模的推覆體發(fā)育。褶皺推覆構(gòu)造與陡翼發(fā)育逆斷層的不對稱向斜具有相似之處，二者形成于相近的構(gòu)造動力學(xué)機(jī)制，均是在擠壓應(yīng)力作用下形成的，有利于煤層氣的保存；其不同之處在于，褶皺推覆構(gòu)造中逆斷層面的傾角極緩，呈波狀起伏，上盤逆沖巖席規(guī)模往往較大，對推覆體下伏地層和煤層的構(gòu)造破壞作用更為強(qiáng)烈。褶皺推覆通常與強(qiáng)烈褶皺伴生，逆沖推覆則只是構(gòu)造相對簡單的巖席推覆和逆沖。因此，褶皺推覆構(gòu)造一方面既可形成區(qū)域性封蓋的構(gòu)造條件而有利于煤層氣保存，另一方面又強(qiáng)烈破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu)而使煤儲層滲透性降低，從而導(dǎo)致煤儲層含氣量較高而物性較差，例如豫西、淮南、大青山等礦區(qū)的某些地段。逆沖推覆構(gòu)造共生于單斜構(gòu)造背景，逆沖斷層面同樣是阻隔煤層氣逸散的良好構(gòu)造界面，有利于煤層氣的大面積保存。在某些情況下，褶皺—逆斷層與褶皺—逆沖推覆構(gòu)造共生，致使控氣構(gòu)造背景復(fù)雜化，如鄂爾多斯盆地西部。圖57 斷裂構(gòu)造類型及其控氣特征（據(jù)葉建平，1998）伸展構(gòu)造該大類包括單斜斷塊、斷陷盆地和滑動構(gòu)造三種基本類型（圖57）。它們均為拉張構(gòu)造應(yīng)力作用的產(chǎn)物，但由于發(fā)育的地質(zhì)時(shí)期不同和運(yùn)動學(xué)特征的差異，對煤層氣保存條件影響的特征和程度亦有所不同。我國斷陷型含煤盆地多形成于中—新生代，同沉積盆緣斷裂的發(fā)育往往導(dǎo)致煤層本身及上覆地層厚度巨大，其特點(diǎn)是以高角度正斷層為主體,大都呈在斷裂基礎(chǔ)上發(fā)育起來的地壘、地塹、半地塹和復(fù)式斷陷盆地等組合形式。其在總體上是煤層氣富集區(qū)，但煤層氣賦存存在不均一性，煤層的連續(xù)性很差，構(gòu)造簡單的塊段面積小，而使單井有效抽排面積小，如阜新、撫順、鶴崗、雞西、雙鴨山等礦區(qū)。單斜斷塊大都發(fā)育在大型盆地邊緣或大型隆起區(qū)外緣地帶，斷塊之間發(fā)育高角度張性正斷層，破壞了煤儲層的連續(xù)性，煤層氣沿?cái)鄬哟罅恳萆ⅲ蚴购瑲庑哉w變差（如蘇北地區(qū)），或造成含氣性區(qū)域分布具極大的不均一性（如太行山東麓各礦區(qū)）?；瑒訕?gòu)造又包括伸展滑脫和重力滑動兩種形式，變形強(qiáng)度相對較低但剪切應(yīng)變作用較強(qiáng)，作用于滑動面下伏煤層或有關(guān)地層的是壓剪性構(gòu)造應(yīng)力機(jī)制。如果滑動面發(fā)育在煤層頂板附近或煤層之中，則可導(dǎo)致構(gòu)造巖或構(gòu)造煤發(fā)育，在增進(jìn)封蓋能力的同時(shí)幾乎毫無例外地造成煤儲層滲透性變差，豫西的大部分礦區(qū)、漣邵礦區(qū)等均屬此種類型；而滑動面若遠(yuǎn)離煤層，則對煤層氣保存條件沒有直接的影響。三、沉積作用的控氣特征聚煤特征、含煤巖系的巖性、巖相組成及其空間組合均受控于沉積環(huán)境。基于這種因果關(guān)系，沉積作用便在很大程度上決定煤層氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)以及煤儲層、蓋層的幾何特征和物性，并通過煤層與圍巖之間的組合關(guān)系影響到煤層氣的保存條件。沉積體系研究應(yīng)用于石油和常規(guī)天然氣儲蓋特征的歷史由來已久，煤田地質(zhì)工作中在含煤性預(yù)測方面也有成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。形成于一定沉積體系中的煤系具有一定的煤儲層與蓋層組合關(guān)系，不同組合中圍巖的巖性差異對于煤儲層的封蓋潛勢的影響亦有所不同。因此，借鑒含煤沉積研究的有關(guān)成果，結(jié)合煤層氣地質(zhì)的具體特征，有可能對煤儲層圍巖的封蓋潛勢進(jìn)行區(qū)域性預(yù)測。含煤地層發(fā)育于克拉通內(nèi)部盆地、陸內(nèi)坳陷盆地和裂谷型盆地，沉積體系有淺?！媳诤０?、淺?！獰o障壁海岸、三角洲、河流、湖泊和沖積扇六種。在不同的沉積體系中，煤層賦存于成因地層單元（旋回）中的不同位置，與頂板甚至頂板之上一定距離內(nèi)的圍巖構(gòu)成各式各樣的組合關(guān)系，形成了在區(qū)域上具有一定展布規(guī)律的儲蓋組合的六種基本成因類型（表55）。淺?！媳诤０冻练e體系成因地層單元主要由臺地、障壁島、瀉湖、潮坪相的碳酸鹽巖、中～細(xì)粒碎屑巖和泥巖組成。根據(jù)作用營力，可進(jìn)一步分為以潮汐作用為主的潮坪型和以波浪作用為主的濱海平原型。潮坪型見于華北盆地的下二疊統(tǒng)山西組、華南地區(qū)的下石炭統(tǒng)測水組和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M以及東北三江—穆棱河平原的下白堊統(tǒng)城子河組。旋回結(jié)構(gòu)多較完整，煤層位于單元的中部或上部，發(fā)育于潮坪或潮上坪環(huán)境，頂、底板往往均為沼澤相或潮坪相泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，因此對煤儲層的封蓋能力較強(qiáng)。淺?！獰o障壁海岸體系成因地層單元由局限海臺地相碳酸鹽巖、沼澤相泥巖和泥炭沼澤相煤組成，在旋回完整的情況下煤層上覆沼澤相泥巖。但是，在多數(shù)情況下由于海侵作用的影響，臺地相碳酸鹽巖往往與煤層直接接觸、形成煤儲層的直接頂板，從而導(dǎo)致封蓋條件極度惡化、封蓋能力變差，如華北部分地區(qū)的太原組、華南桂中和桂北的合山組等。同時(shí)，煤儲層底部的沼澤相泥巖一般較薄，亦無法有效地阻隔煤儲層與下伏臺地相灰?guī)r含水層之間的水力聯(lián)系，致使圍巖條件進(jìn)一步變差。近海三角洲體系近海三角洲體系是華北山西組、華北南部上、下石盒子組、華南滇東—黔西和湘南龍?zhí)督M等的主要沉積體系。三角洲平原和分流間灣是重要的聚煤場所，煤儲層連續(xù)性沿沉積傾向較好、平行于走向變差。其成因地層單元具有逆粒序—正粒序的垂向組合層序，中下部為前三角洲相泥巖或粉砂質(zhì)泥巖以及巨厚的三角洲前緣相砂巖，煤層位于單元上部或頂部，上覆沼澤相或?yàn)a湖海灣相泥巖，因此封蓋的沉積條件較好。在部分地段，煤層被分流河道、決口扇砂巖覆蓋，圍巖的透氣性增高而使封蓋能力變?nèi)?。?5 煤層氣儲蓋組合的基本類型及其主要特征沉積體系儲 蓋 組 合 巖 相 巖 性 特 征封蓋能力巖相組合巖性組合煤層在組合中的位置淺海—障壁海岸臺地相→沙壩相→障壁島→瀉湖相→潮坪相→沼澤相→泥炭沼澤相→瀉湖相碳酸鹽巖→細(xì)砂巖→粉砂巖或泥巖→泥巖或碳質(zhì)泥巖→煤→泥巖或粉砂質(zhì)泥巖中部或上部完整，強(qiáng)淺海—無障壁海岸臺地相→瀉湖或潮坪相→沼澤相→泥炭沼澤相→臺地相碳酸鹽巖→粉砂巖或泥巖→泥巖或碳質(zhì)泥巖→煤→碳酸巖鹽中部或上部完整，弱三 角 洲前三角洲相→三角洲前緣相→三角洲平原相（分流河道相/沼澤相/泥炭沼澤相/分流河道相）泥巖或粉砂質(zhì)泥巖→砂巖→泥巖或粉砂質(zhì)泥巖或砂巖→煤→泥巖或粉砂質(zhì)泥巖或砂巖上部或頂部較強(qiáng)或弱河流河床相→河漫相→泥炭沼澤相→沼澤相砂巖→砂質(zhì)泥巖或泥巖→煤→砂質(zhì)泥巖或泥巖上部完整，較弱河床相→河漫相→泥炭→沼澤相→河床相砂巖→砂質(zhì)泥巖或泥巖→煤→砂巖頂部不完整，弱