织纳煤田上二叠统煤层气能量系统及其控藏效应_高弟

煤层气成藏依赖于地层能量的聚集，煤层气产出依赖于排采降压，而降压的实质在于释放含煤层气系统的地层能量。

为此，足够强大的煤层气能量系统是实现煤层气富集与高产的关键前提条件。

煤储层能量在一定程度可用煤层中固体、液体和气体的弹性能直接反映，这些参数的显现特征实质上是多种宏观、微观地质因素综合作用的结果[1-4]。

阐明煤层气能量系统的综合显现特征，筛分有利于能量集聚与释放的地质因素，是评价煤层气资源开采潜力的基础工作。

本文基于这一原理和前期建立的方法
[2]
，分析了贵州省织纳煤田上二叠统主要煤层弹性能
的显现特征，阐释了系统中弹性能的汇聚和分配方式，讨论了煤层气成藏效应及其地质控制。

1地质背景
织纳煤田位于贵州省中西部，含煤面积
4970km 2，是我国规模最大的无烟煤赋存区。

在大地
构造位置上该区位于上扬子陆块黔北隆起西段的遵义断拱，以NNE 向短轴式褶皱为主，同方向的断层较为发育，使得含煤地层被分割赋存在一系列次级向斜单元[5]。

含煤地层为上二叠统龙潭组和长兴组，厚度一般在273～422m ，等厚线总体上呈NEE-SEE 向展布，由北向南增厚。

上二叠统含煤3～69层，一般30余层，总厚1.33～54.68m ，由东向西增厚。

可采煤层
1～17层，可采总厚1.97～23.55m （图1）。

发育主要可
基金项目：国家973计划项目资助（2009CB219605）；国家科技重大
专项项目资助（2011ZX05034）；国家自然科学基金面上项目资助（41272178）。

作者简介：高弟（1963—），男，贵州毕节人，博士研究生。

收稿日期：2012-09-07责任编辑：唐锦秀
织纳煤田上二叠统煤层气能量系统及其控藏效应
高弟1，2，秦勇1，吴财芳1，易同生2
(1．中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221116；2．贵州省煤田地质局，贵州贵阳550009)
摘要：基于织纳煤田上二叠统煤层气富集成藏条件，结合统计资料和实验测试数据成果，依据煤储层弹性能表征模型，定量分析了研究区煤储层能量系统的分布规律及煤层气成藏效应。

结果表明：织纳煤田弹性能呈“西高东低，南高北低，西南部显著较高”的分布格局，煤基块弹性能分布格局比气体弹性能复杂，煤层气体弹性能对能量系统的贡献率随埋深加大而显著增高，但在一定埋深处发生“跳跃”。

结合沁水盆地煤层气勘探开发效果，煤层气成藏效应可划分为四种基本类型，通过对比分析，纳煤田煤层气成藏效应分属两个类型，绝大部分地段属于Ⅰ型，主要分布在织纳煤田西部；Ⅲ型位于文家坝南段勘探区。

关键词：织纳煤田；上二叠统；煤储层弹性能；煤层气成藏效应中图分类号：P618.11
文献标识码：A
Upper Permian Series CBM Energy System and Its Reservoir Controlling Effect in Zhina Coalfield
Gao Di 1,2,Qin Yong 1,Wu Caifang 1and Yi Tongsheng 2
(1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resource and Reservoir Formation History,Ministry of Education,CUMT,Xuzhou,Jiangsu
221116;2.Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration,Guiyang,Guizhou 550009)
Abstract:Based on the Upper Permian Series CBM enrichment and reservoiring condition in the Zhina coalfield,combined with statistical data and laboratory tested data,using coal reservoir elastic energy representation model,quantitatively analyzed study area coal reservoir energy system distribution pattern,discussed CBM reservoiring effect in Zhina coalfield.The result has demonstrated that:the elastic energy in the coalfield presents a distribution pattern of "high west low east,high south low north and evidently higher in southwest",coal base block elastic energy distribution pattern is more complex than that of gases.Contribution rate of CBM elastic energy to energy system increased significantly along with the increasing of buried depth,but "jumping"in certain depth.According to CBM exploration and exploitation effect in the Qinshui basin,the CBM reservoiring effect can be partitioned into four basic types,after contrastive analysis,CBM reservoiring effect in Zhina coalfield is supposed to belong two types respectively,the greatest part is type I,mainly in the western Zhina coalfield;type II in the Wenjiaba south sector exploration area.Keywords:Zhina coalfield;Upper Permian Series;coal reservoir elastic energy;CBM reservoiring effect
中国煤炭地质
COAL GEOLOGY OF CHINA
Vol．24No．09Sep ．2012
第24卷9期2012年9月
文章编号：1674－1803（2012）09－0001－06
doi ：10.3969/j.issn.1674-1803.2012.09.01
第24卷中国煤炭地质
采煤层3层：6号煤层厚0～6.50m，一般3m左右；16号煤层厚0～3.72m，一般2m左右；27号煤层厚0～3.50m，一般1～2m。

上二叠统含煤地层的主要含水层为碎屑岩孔隙－裂隙含水层，富水性弱。

上覆的下三叠统飞仙关组下段和下伏的峨眉山玄武岩组均为隔水层，使得含煤地层与飞仙关组上段以及下二叠统茅口组的灰岩岩溶含水层之间一般没有直接的水力联系[6]。

织纳煤田上二叠统以无烟煤为主，只有西南部和西部发育贫煤和瘦煤。

据贵州省国土资源厅2009～2010年组织的全省煤层气资源最新评价结果，织纳煤田上二叠统煤层气地质资源量为7003亿m3，平均资源丰度1.41亿m3/km2，略高于全国平均水平。

2煤储层弹性能表征方法
宏观地质动力学因素作用于煤储层，使煤储层中固、液、气三相物质的耦合关系不断发生变化，这种动态平衡变化特征体现为固、液、气三相物质弹性能综合而成的煤层弹性能，并制衡着煤层气的成藏效应。

因此，煤层弹性能在本质上是联系煤层气成藏动力学条件与煤层气成藏效应的纽带，也是解译煤层气成藏动力学条件耦合特征的关键。

煤储层弹性能由三个部分构成，
包括煤基块弹2
9期
表1织纳煤田主煤层弹性能计算结果统计
Table1Statistics of main coal seam elastic energy
computed results in Zhina coalfield
煤层基块弹性能气体弹性能
63～543
66
7～4279
676
1611～578
89
46～5672
1032
2718
～61382～7255
合计3～6137～7255
/kJ·m-3
性能（E煤）、水体弹性能（E水）和气体弹性能（E气）[2]。

煤储层总弹性能（E总）表达为：
E总＝E煤＋E水＋E气，（1）其中，煤基块弹性能为：
E煤=C V
2
[σ12+σ22+σ32-2μ（σ1σ2+σ2σ3+σ1σ3）]（2）式中：C V为煤基块体积压缩系数；μ为泊松比；σ1、σ2、σ3，为地应力场的三轴应力。

水体弹性能为：
E水=RT0φ
P1
P0
（1+αΔT）（1-βΔP
姨姨），（3）
式中：P1为变化后的流体压力；P0为原始水体压力；T0为原始水体温度；α为初始时刻水的热膨胀系数；β为初始时刻水的压缩系数；ΔT为温度变化量；ΔP 为压力变化量；φ为1m3煤基块中束缚水饱和度；R 为摩尔气体常数，其值为8.314J/(mol·K)。

气体弹性能包括游离态和吸附态气体两部分，即：
E气=E游+E吸=E游1+α
V
（P0
姨-P
姨
姨姨），（4）式中：α为温度从T0到T时甲烷的热膨胀系数。

其中，游离态甲烷弹性能为：
E游=βRT0φ（1+αΔT）（1-βΔP）
k-1P1
P0
ΔT
T
，（5）
式中：β为压力从P0到P时甲烷的压缩系数；T为气体状态变化后的环境温度；P0为气体状态变化前的气体压力；P为气体状态变化后的气体压力；ΔT=T-T0为温度变化量；ΔP=P-P0为压力变化量；k为多变指数,k=C p/Cυ，其中C p为甲烷气体定压热容（甲烷的k=1.30）；φ为1m3煤基块中的游离气含量。

吸附态甲烷弹性能为：
E吸=
P0
P
乙E游α
2V P
姨
d P=
E游α
V （P0
姨-P
姨），（6）
式中：P为煤储层流体压力；α为甲烷含量系数，其值为3.16×10-3m3/（t·Pa0.5）；V为标准状态下甲烷的摩尔体积，22.4×10-3m3/mol；E游为游离态甲烷弹性能。

3煤储层弹性能分布
本文作者前期对华北沁水盆地和鄂尔多斯盆地的研究结果显示，煤储层弹性能的贡献几乎全部来自气体弹性能和固体弹性能，水的压缩性极低，对总弹性能的一般不超过3％。

为此，本文根据式1～式6，以勘探区为计算单元，分别计算了织纳煤田三个主煤层的气体和煤基块弹性能，其统计结果见表1。

结果显示：煤层层位降低，基块和气体弹性能均显著增大；无论勘探区还是煤层，气体弹性能均远远大于基块弹性能。

总体上，单煤层气体弹性能比基块弹性能大3～118倍，平均为19倍。

也就是说，气体弹性能对煤层弹性能的贡献在72％～99％，平均贡献为85%。

分析计算结果，发现织纳煤田主煤层弹性能在区域分布上具有三方面特点。

①弹性能呈“西高东低，南高北低，西南部显著较高”的分布格局，低值带在中东部呈NNE向宽条带状展布（图2）。

三个主煤层气体弹性能在西南部普遍超过1500kJ/m3，高值区中心部位均高达3000kJ/ m3；基块弹性能在东南部和西北端普遍高于煤田背景值，尤其在以东南部比德向斜南段-白果寨以及西北端水公河向斜为中心的地带，分别高达70、90和110kJ/m3以上。

②煤层基块弹性能分布格局比气体弹性能复杂，在深部的展布特征比在浅部更为复杂（图2）。

各主煤层气体弹性能等值线总体上均呈NW向展布，集聚中心均分布在煤田西部；基块弹性能等值线总体走向尽管与气体弹性能一致，但高值地段与低值地段相间排列，环状中心广泛分布在整个煤田，显示出复杂的分布格局。

进一步来看，煤层层位降低，弹性能分布格局非均匀性程度加强。

6号煤层气体弹性能和基块弹性能等值线只在西部较为密集，发育两个环状结构；16号和27号在西部的环状中心增加到4～5个，在东部等值线密集程度明显增大。

③煤层气体弹性能对能量系统的贡献率随埋深加大而显著增高，但其增高趋势并不是连续的，在一定埋深处发生“跳跃”。

如图3，气体弹性能贡献率（占总弹性能的百分比）随煤层埋深的加大呈指数形式连续增高，在煤层埋深1000m左右增至95％；然而，埋深一旦超过1000m，气体弹性能贡献率突然跳至99％左右，不再服从埋深1000m以浅的指数形式
高弟，等：织纳煤田上二叠统煤层气能量系统及其控藏效应3
第24卷中国煤炭地质
连续增高的规律。

任何物质的弹性应变都有一定的极限，在全应力应变曲线上表现为“屈服点”。

在屈服点之前，应变随应力的增大而增高，即所谓的峰前弹性应变；在屈服点之后，应变随应力增大而减小，物质被破坏而失去了弹性应变能力，表现为所谓的塑性应变。

由此推测，织纳煤田1000m以深煤层的弹性应变可能已接近甚至超过了弹性屈服极限，这是其弹性能贡献率极度降低而气体弹性能跳跃式增大的原因之一。

4基于煤储层弹性能的煤层气成藏效应分析
如本文前述，煤层弹性能是联系煤层气成藏动力学条件与煤层气成藏效应的纽带。

基于煤层弹性能，煤层气成藏效应可用煤层裂隙系统指数和煤层压力系统指数加以量化表述。

本文作者前期研究中，将煤层压力系统系数定义为气体弹性能对总弹性能的贡献率（ζ2＝E气/E总），指数越高，煤层气的动力条件就越强。

煤层裂隙系统指数，系指基块弹性能与基块破裂能之比值（ζ1＝E煤/ E破）。

破裂能越小，在同一应力场条件下煤储层中裂隙就可能越为发育；基块弹性能越大，煤层气降压排采过程中煤基块的“回弹”能力就越大，煤层裂隙的“闭合”程度就会越高。

因此，煤层破裂能与基块弹性能对煤层渗透性的影响互呈反向关系，煤层裂隙系统指数可综合表征煤层裂隙的发育程度和开合程度。

指数越低，煤层裂隙相对发育程度和相对开放程度就越高，煤层渗透性可能就越为发育。

基于上述原理以及煤层裂隙系统和压力系统二元能量参数，结合沁水盆地煤层气勘探开发效果，可将煤层气成藏效应划分为四种基本类型（图4
）。

4
9期
①Ⅰ型。

发育有利运移系统－有利压力系统。

煤层裂隙系统指数小于4，煤层压力系统指数大于0.85，既有较高的煤储层流体能量和煤层气富集条件，又存在有利于煤层裂隙发育并开启的动力条件，是最理想的煤层气地面开发选区。

②Ⅱ型。

发育不利运移系统－有利压力系统。

煤层裂隙系统指数大于4，煤层压力系统指数大于0.85，存在较高的煤储层流体能量，能量条件不利于煤层裂隙发育和开启，煤层气较为富集但煤层渗透性可能较差，可作为煤层气地面开发选区。

③Ⅲ型。

发育有利运移系统－不利压力系统。

煤层裂隙系统指数小于4，煤层压力系统指数小于0.85，煤储层流体能量较低，煤层裂隙发育和开启的动力条件较好，煤层气富集程度较差但煤层渗透性可能较高，可考虑作为煤层气地面开发选区。

④Ⅳ。

发育不利运移系统－不利压力系统。

煤层裂隙系统指数大于4，煤层压力系统指数小于0.85，煤储层流体能量较低，裂隙发育和开启的动力条件较差，煤层气富集程度和煤层渗透性均可能受到不利影响，不宜作为煤层气地面开发选区。

与分类图解对比，沁水盆地南部煤层气地面开发区煤层裂隙系统和压力系统二元能量参数落在Ⅰ型区域，且数据集中在该类型区域的左上部分，最有利的煤层压力系统和煤层气运移系统同时发育（图4）。

相比之下，织纳煤田煤层二元参数总体上属于Ⅰ型区域，具有煤层气富集高渗的能量条件。

但是，织纳煤田煤层裂隙系统指数变化范围为0.07～0.22，平均0.13，低于沁水盆地南部地区，表明织纳煤田煤层渗透率动力条件要好于沁水盆地目前的煤层气商业性开发区；煤层压力系统指数在0.82～0.93，平均0.89，同样低于沁水盆地南部，指示织纳煤田煤层流体动力条件总体上略逊于沁水盆地目前的煤层气商业性开发区（表2）。

对比分析，织纳煤田煤层气成藏效应分属两个类型（图5）。

绝大部分地段属于Ⅰ型，位于该型区域的左下位置；Ⅲ型位于文家坝南段勘探区，数据集中在该类型区域的左上方，煤层裂隙发育指数低于0.22，煤层压力发育指数大于0.82，仍具有较好的煤层气富集高渗动力条件。

进一步来看，Ⅰ型区域主要分布在织纳煤田西部，尤其是西南部化乐－百兴－张家湾－后寨－珠藏－坪上－新华所包围的区域，以及西北部的水公河向斜和白泥蒨向斜，涵盖了上述煤层弹性能“正正”和“正负”环状结构的分布区。

化乐－百兴－张家湾一带位于比德向斜南段，煤层埋深在1000m以上，向斜西南翼地层倾角较大，东北翼倾角较缓；后寨－珠藏－坪上－新华一带位于阿弓向斜南段和珠藏向斜，煤层最大埋深一般小于1000m；水公河向斜北段中岭和坪山井田煤层最大埋深不到500m，南段五轮山和补作井田煤层最大埋深小于700m。

结合上面对沁水盆地煤层弹性能与煤层气地面开发效果的对比分析，比德向斜南段东北表2织纳煤田主煤层弹性能计算结果
Table2Computed results of main coal seam
elastic energy in Zhina coalfield
勘探区
煤层裂隙系统发育指数(ζ1)煤层压力系统发育指数(ζ2)
6号煤层
16号
煤层
27号
煤层
6号煤层
16号
煤层
27号
煤层新店东0.120.100.100.890.910.91大洞口0.130.100.100.890.910.91骂若0.130.100.100.890.910.91新华0.140.130.120.870.890.89
官寨勘
探区
0.150.110.130.870.900.89
新华
向斜
0.180.120.100.850.900.91
勺座背
斜北翼
0.140.110.110.880.900.90
文家坝
南段
0.220.190.220.820.840.84
中岭0.120.090.080.890.920.93
补做勘
查区
0.150.130.130.870.880.89
新店西
普查区
0.180.130.130.850.890.89
牛场预
测区
0.170.180.180.860.850.85
化乐普
查区
0.090.090.070.920.920.93开田冲0.110.100.090.900.910.92坪山0.170.150.110.860.870.90左家寨0.180.130.120.850.890.89
高弟，等：
织纳煤田上二叠统煤层气能量系统及其控藏效应5
第24卷
中国煤炭地质
翼、阿弓向斜南段、珠藏向斜以及水公河向斜南段存在最有利于煤层气地面开发的地质条件。

5结论
①定量探讨了织纳煤田主煤层现今阶段的甲烷
气体弹性能和煤基块弹性能分布特征，随着煤层层位降低，煤基块和气体弹性能均显著增大；无论勘探区还是煤层，气体弹性能均远远大于基块弹性能。

②煤储层弹性能主要呈“西高东低，南高北低，
西南部显著较高”的分布格局，其中煤层基块弹性能分布格局比气体弹性能复杂，在深部的展布特征比在浅部更为复杂，但煤层气体弹性能对能量系统的贡献率随埋深加大而显著增高，但其增高趋势并不是连续的，在一定埋深处发生“跳跃”。

③基于煤层裂隙系统和压力系统二元能量参数
分析，结合沁水盆地煤层气勘探开发效果，将煤层气成藏效应划分为四种基本类型，对比分析可得：纳煤田煤层气成藏效应分属两个类型，绝大部分地段属于Ⅰ型，主要分布在织纳煤田西部，尤其是西南部化
乐－百兴－张家湾－后寨－珠藏－坪上－新华所包围的区域，以及西北部的水公河向斜和白泥蒨向斜；Ⅲ型主要位于文家坝南段勘探区。

最终可知，比德向斜南段东北翼、阿弓向斜南段、珠藏向斜以及水公河向斜南段存在最有利于煤层气地面开发的地质条件。

参考文献：
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