0 引 言
我国煤层气资源丰富，埋深2 000 m 以浅的煤层气资源量36.81 万亿 m3，居世界第3 位[1]。 根据有关资料统计，埋深1 000 ～2 000 m 煤层气资源量高达 22.5×1012 m3，占总量的 61.1%[2-3]。 但目前国内煤层气勘探开发主要集中在埋深1 000 m 以浅煤层[4-5]，因此，研究深部煤层气富集规律及主控因素，对于寻找新的煤层气有利开发区及促进煤层气产业发展具有重要意义[6-8]。
焦作马厂勘查区的煤层气资源非常丰富，勘查区面积约 345.30 km2，煤层含气量为 11.7 ～38.8 m3/t，平均 21.9 m3/t，煤层气资源量 724.84 亿 m3，煤层吸附性能好、煤层含气量高，具有较好的煤层气勘探开发基础[9]。 国内外学者在煤层气富集主控因素研究方面有着独特的见解。 国外学者[10-14]认为，构造条件、煤阶、煤层埋深、煤层压力和水文压力等条件是影响煤层气富集的主要因素，同时国外学者还从生成条件、保存条件、物性条件、储层压力等因素对煤层气富集规律进行了研究[15-19]。 国内学者主要从构造控气[20-21]、沉积控气[22]、水文地质条件控气[23-24]3 个方面进行研究，同时国内学者还对焦作矿区二1煤层产出气体的运移和赋存规律[25]、二1煤储层特征[26-27]、二1煤层气含量[28]等进行了大量卓有成效的研究，但对于马厂勘查区的煤层气富集规律及主控因素缺乏透彻认识，对该区煤层气分布特征研究不够深入，对影响煤层气含量的主控因素没有进行细致的研究。 因此，笔者在前人研究成果基础上，将焦作马厂勘查区分为北部、中部、南部3 个断块进行煤层含气性研究，对煤层含气量的影响因素分为内在因素和外在因素进行分析，更为细致全面地对该区煤层气富集规律及主控因素进行了研究，为该区后续的煤层气勘探开发奠定基础。
1 地质背景
1.1 构造特征
焦作矿区位于华北晚古生代聚煤盆地的南部，处于华北板块板内太行构造区太行断隆的南段。 马厂勘查区位于董村断层、马坊泉断层和峪河断层之间，总体为一走向北东、倾向南东，倾角2°～14°的单斜。 区内构造以断裂为主，并伴有小型宽缓褶曲。根据董村断层、凤凰岭断层、南张门断层和峪河断层的分布可将勘查区分为3 个断块：董村断层和凤凰岭断层之间为南部断块，凤凰岭断层与南张门断层之间为中部断块，南张门断层与峪河断层之间为北部断块[29](图1)。
1.2 地层特征
马厂勘查区为新生界全覆盖，据钻孔揭露情况，发育地层由老到新为：奥陶系中统马家沟组，石炭系上统本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组，新近系和第四系。 含煤地层为石炭系上统本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，含煤地层总厚725 m，含煤18 层，煤层平均总厚16.04 m。 其中，山西组下部的二1煤层，为全区可采的较稳定煤层。
1.3 煤层特征
二1煤层上距砂锅窑砂岩约82 m，下距L8灰岩约15 m，埋藏深度为720～2 250 m，煤层厚度0.81～10.49 m，平均5.95 m，煤层结构简单，多为单一煤层，在墙南向斜轴部煤层明显变厚，朱营背斜轴部煤层明显变薄，煤层沿走向方向具有厚、薄相间的特点，总体趋势为西厚东薄。
图1 马厂勘查区构造纲要示意
Fig.1 Structure outline of Machang exploration area
2 煤层气富集规律及主控因素
2.1 含气性
马厂勘查区二1 煤层部分含气性统计结果(表1)显示，煤层含气量为 13.77 ～27.30 cm3/g，平均20.26 cm3/g；煤层气成分 CH4 含量为 97.65% ～99.32%，平均98.70%；CO2含量为0.68%～2.35%，平均1.28%；N2含量较少，为0.07%。
表1 马厂勘查区二1煤层含气性特征
Table 1 Gas characteristics of Ⅱ1 coal seam in Machang exploration area
区块 钻孔号 采样深度/m 煤层气含量/(cm3·g-1)煤层气组分含量/%CO2 CH4 N2 6001 1 369.78 13.77 1.46 98.47 0.07北部9201 1 355.05 16.84 1.66 98.34 —10801 1 417.65 15.58 1.03 98.97 —3602 1 164.16 17.97 1.08 98.92 —中部11602 1 249.30 18.81 0.68 99.32 —6402 1 149.45 18.82 1.26 98.74 —1603 1 147.35 27.30 2.35 97.65 —南部1604 1 174.20 23.65 1.28 98.72 —0801 1 077.60 26.67 0.77 99.23 —
马厂勘查区二1煤层含气量普遍较高，北部断块煤层含气量 13.77 ～ 16.84 m3/t，平均值 15.39 m3/t；中部断块煤层含气量 17.97 ～18.82 m3/t，平均值18.53 m3/t；南部断块煤层含气量 23.65 ～27.30 m3/t，平均值25.87 m3/t；南部断块煤层含气量相对较高，中部断块次之，北部断块相对较低，整体上呈现由西到东、由南到北减小的趋势，勘查区西南部的含气量明显高于东北部(图2)。
2.2 含气量控制因素
影响煤层含气量的因素可分为内在因素和外在因素。 其中，内在因素包括：煤岩煤质、煤的吸附能力、煤的孔隙特征、煤体结构等；外在因素包括：煤层埋深、上覆基岩厚度、构造、水文地质条件、储层压力、储层温度等。
2.2.1 内在因素
1)煤岩煤质特征对含气量的影响。 据MC-01井二1煤层煤岩显微组分测试结果显示，二1 煤的有机显微组分以镜质组为主，含量为70.8%～87.5%，平均 78.03%；其次为惰质组，含量为 10.5% ～26.1%，平均19.06%；无机组分以黏土矿物为主，其次为氧化硅类；镜质组最大反射率为 3.40% ～3.57%，平均值3.46%(表2)；马厂勘查区二1煤镜质组含量整体较高，对煤的生气能力有利，高镜质组煤在其热演化过程中生成大量甲烷，其强烈的吸附能力，使得气体不容易逸散，有利于煤层气的生成与赋存。
图2 马厂勘查区二1煤层含气量等值线
Fig.2 Gas content contour map of Ⅱ1 coal seam in Machang exploration area
表2 MC-01 井二1煤的显微组分和镜质体反射率测定结果
Table 2 Measurement results of macerals and vitrinite reflectance of MC-01 well in Ⅱ1 coal seam
有机组分含量/% 无机成分含量/%样号Ro，max/镜质组 惰质组 壳质组 黏土类 氧化硅 碳酸盐 其他类%含气量/(cm3·g-1)1 70.8 26.1 0 2.7 0.2 0 0.2 3.42 17.92 2 75.8 20.6 0 3.0 0.2 0 0.4 3.40 18.00 3 87.5 10.5 0 1.6 0.2 0.2 0 3.57 16.45
根据MC-01 井煤质化验测试资料，二1煤灰分8.22%～33.03%，平均14.53%，属低灰煤，经分选后，降灰率较高；水分1.51%～1.82%，平均1.62%；挥发分6.71% ～11.86%，平均 8.00%；固定碳含量为76.98%～83.73%，平均 80.15%；二1 煤中碳含量77.04%～83.58%，平均80.05%；氢含量为2.65%～2.74%，平均 2.70%；真密度为 1.52 ～1.58 g/cm3，平均 1.55 g/cm3；视密度为 1.39～1.49 g/cm3，平均1.45 g/cm3(表3)；二1煤层中灰分和水分含量与煤层含气量基本成负相关关系，当水分和灰分被煤体吸附时，难免占据一定的孔隙空间，从而减少甲烷的吸附量，该区二1煤层中灰分和水分含量整体较低，表明煤层吸附能力较强，有利于煤层气的赋存。
表3 MC-01 井二1煤层煤质分析
Table 3 Coal quality analysis of MC-01 well in Ⅱ1 coal seam
工业分析/% 元素分析/%样号Mad Ad Vdaf FCad w(C)daf w(H)daf w(N)daf焦渣特性代号w(S)t，d/%真密度/(g·cm-3)视密度/(g·cm-3)含气量/(cm3·g-1)11.7611.386.71— —2— — — 20.19 2 1.51 12.59 7.36 79.75 79.54 2.74 0 2 0.36 1.56 1.49 17.92 31.8210.017.52— —2— — — 20.52 4 1.54 14.78 8.26 76.98 77.04 2.65 0 2 0.34 1.58 1.47 18.00 51.5611.717.02— —1— — — 18.11 6 1.60 8.22 7.29 83.73 83.58 2.72 0 2 0.36 1.52 1.39 16.45 71.5633.0311.86— —2— — — 15.33
2)煤的吸附特性对含气量的影响。 MC-01 井二1煤层3 个吸附样品在试验温度30 ℃条件下进行等温吸附试验，结果表明：勘查区内煤层的平衡水基Langmuir 体积 VL 为 29.68～31.51 cm3/g，平均 30.57 cm3/g；干燥无灰基 Langmuir 体积为 38.33 ～ 41.83 cm3/g，平均 40.18 cm3/g；Langmuir 压力 PL为2.01～2.33 MPa，平均 2.18 MPa；含气量为 16.45 ～ 18.00 cm3/g，平均17.45 cm3/g；勘查区内煤储层具有很强的吸附能力，对甲烷吸附量大，表明煤层中具有良好的储集煤层气空间，有利于煤层气的赋存(表4)。
表4 马厂勘查区MC-01 井煤样等温吸附特征
Table 4 Isothermal adsorption characteristics of coal samples from MC-01 well in Machang exploration area
VL/(cm3·g-1)样号 平衡水基干燥无灰基PL/MPa水分Mad/%灰分Aad/%挥发分Vdaf/%固定碳FCad/%含气量/(cm3·g-1)含气饱和度/%储层压力/MPa临界解吸压力/MPa 临储比1 29.68 38.33 2.01 1.51 12.59 7.36 79.7 17.92 67.11 11.18 1.76 0.157 2 30.52 40.40 2.20 1.54 14.78 8.26 76.9 18.00 58.97 11.19 1.76 0.157 3 31.51 41.83 2.33 1.60 8.22 7.29 83.7 16.45 52.21 11.22 1.51 0.134
3)煤的孔隙发育特征对含气量的影响。 煤的孔隙性质是研究煤层气赋存状态、煤中气体(主要是甲烷)的吸附/解吸性能及其在煤层中运移的基础[30]。 据MC-01 井二1 煤层煤样压汞测试结果显示，马厂勘查区孔隙度为 4.29% ～6.49%，平均5.58%；总孔体积为 0.031 5 ～0.050 7 cm3/g，平均0.042 7 cm3/g，孔隙体积百分比整体上以微孔为主，小孔次之，其次为中孔和大孔；总比表面积为12.877～19.113 m2/g，平均17.328 m2/g，孔隙比表面积百分比以微孔占绝对优势，小孔次之，其次为中孔，大孔基本不发育(表5)。 该区二1煤煤样总比表面积与煤层含气量呈正相关关系，二1煤层主要由微孔组成，孔径越小，为瓦斯吸附提供的比表面积越大，越有利于煤层气的赋存。
表5 MC-01 井压汞测试煤样孔隙特征基本数据
Table 5 Basic data of pore characteristics of coal sample from MC-01 well tested by mercury injection
样号 孔隙度/%总孔体积/(cm3·g-1)总比表面积/(m2·g-1)含气量/(cm3·g-1)体积比例/% 比表面积比例/%微孔 小孔 中孔 大孔 微孔 小孔 中孔 大孔1 5.60 0.043 4 18.659 18.11 45.85 24.88 22.58 6.69 88.35 11.2 0.45 0 2 6.49 0.050 7 19.113 20.52 40.04 24.06 26.43 9.47 87.73 11.71 0.55 0.01 3 4.29 0.031 5 12.877 16.45 43.49 22.22 18.10 16.83 88.91 10.85 0.24 0 4 5.93 0.045 3 18.664 20.19 44.15 22.74 8.61 24.50 88.76 10.89 0.31 0.04
4)煤体结构对含气量的影响。 据马厂勘查区62 个钻孔的112 次的煤心含气量测定结果表明，糜棱煤含气量普遍高于碎粒煤含气量，碎裂煤含气量次之，原生结构煤含气量最少(图3)。 软煤在构造应力的作用下，煤的分子和晶体结构发生变化，孔隙度和比表面积有所增加，使得其亲甲烷能力有所增强，煤层含气量增高。 由此可知，煤体结构是影响二1煤层含气量的主要因素之一。
图3 马厂勘查区煤体结构与含气量的关系
Fig.3 Relation between coal structure and gas content in Machang exploration area
2.2.2 外在因素
1)埋深对含气量影响。 马厂勘查区二1煤层埋深多在1 000 m 以深，由西到东、由南到北埋深依次加大，东北部较西南部大，与含气量变化趋势相反。结合焦作煤田二1煤层含气量数据进行统计，得到煤层埋深与含气量的关系(图4)。
煤层含气量随埋深呈现先增加后减小的整体趋势，埋深在 1 000 ～1 200 m 时，煤层含气量最大。1 200 m以浅，含气量与埋深呈正相关关系，随着埋深的增加，含气量也随之增大；1 200 m 以深，二者具有负相关关系，这是由于自西向东埋深不断增大，但上覆基岩厚度逐渐减小，含气量随之减少。 因此认为埋深不是影响马厂勘查区煤层含气量的主要控制因素。
图4 焦作煤田含气量与埋深的关系
Fig.4 Relation between gas content and burial depth in Jiaozuo coalfield
2)上覆基岩厚度对含气量影响。 马厂勘查区二1煤埋深多超过1 000 m，属于深部煤层气范畴，但三叠纪末，本区受印支运动影响，地层抬升接受剥蚀作用，二1煤层顶板至新生界地层基底之间的厚度反映了不整合面形成后残存的盖层厚度，即基岩厚度，也反映了二1煤层含气性的有效埋藏深度。
上覆基岩厚度对煤层含气量能起到控制作用，一般情况下，上覆基岩厚度越大，保存条件越好，上覆基岩厚度越薄，气体越容易散失。 勘查区二1煤层上覆基岩厚度300～650 m，一般400～500 m，厚度相对稳定，上覆基岩厚度由西到东、由南到北依次减小，东北部较西南部小(图5)，与含气量变化趋势一致。 由此可见，上覆基岩厚度对煤层含气量具有广泛的影响。
图5 马厂勘查区二1煤层上覆基岩厚度等值线
Fig.5 Contour map of overlying bedrock thickness of Ⅱ1 coal seam in Machang exploration area
3)构造及其水文地质特征对含气量影响。 马厂勘查区断裂构造以NE 向断裂为主，次为EW 向，均为高角度正断层，落差一般较大，以张性导水断层为主。 在断裂构造影响下，二1煤层在部分地段直接与太原组、奥陶系石灰岩含水层对接(图6)，同时断层破碎带还可沟通各含水层之间的水力联系。 由于断层性质、断层导水情况及煤层对接岩性的不同，对研究区水文地质条件将产生不同的影响。
通过沿A 勘查线做出的马厂勘查区主要断层对接关系显示(图1、图6)，北部断块，南张门断层上升盘的二1煤层与下降盘的二、三叠系弱透水岩层对接，形成相对隔水边界，而下降盘的二1煤层则与上升盘的奥陶系石灰岩直接对接，则形成相对导水边界，地下水的径流不可避免地带走一定量的煤层气，且断块内断裂多为开放性正断层，不利于煤层气的保存，导致北部断块煤层含气量在全区相对较低；中部断块，凤凰岭断层属于强径流带，煤层气以水流为载体进行运移，导致煤层含气量降低，但相对高于北部断块。 南部断块，区内二1煤层与区外二叠系弱透水岩层对接，董村断层为一横向阻水，纵向弱导水断层，对煤层气的保存有利，同时勘查区西南部的墙南向斜轴部附近地下水流动较缓慢，划分为相对滞留区，有利于煤层气的富集，煤层含气量在全区相对较高。
勘查区内二1煤层顶、底板含水层富水性较弱，地下水活动一般对煤层含气量影响不大，而断层的对接关系是影响煤层含气量的主要控制因素之一。
图6 马厂勘查区主要断层对接关系示意
Fig.6 Docking relationship of major faults in Machang exploration area
4)储层压力及储层温度对含气量影响。 储层压力越高，地层原始能量越高，提供的静水压力越高，越有利于煤层气的保存。 储层温度越高，瓦斯活性增大，难以被煤体吸附，同时已被吸附的甲烷分子易于获得动能，从煤体表面脱逸出来，导致游离气越多，吸附气越少，含气量越低；因此，储层压力越高、温度越低越有利于煤层气的赋存。 马厂勘查区二1煤储层压力及储层温度相差不大，对煤层气的赋存基本没有影响，但含气饱和度和临储比较低，不利于煤层气的开发(表4)。
3 结 论
1)焦作马厂勘查区二1煤镜质组含量较高，平均78.03%，煤层中水分和灰分较低，二者总含量平均为16.15%，表明二1煤吸附能力较强，微孔是比表面积的主要贡献者，其所占比例高达88%左右，二1煤层内在因素总体有利于煤层气的生成与赋存；但含气饱和度和临储比较低，成为该区煤层气开发的不利因素。
2)通过煤炭资源勘查阶段的资料以及实验室测试结果分析发现：马厂勘查区北部断块平均煤层含气量15.39 m3/t，中部断块平均煤层含气量18.53 m3/t，南部断块平均煤层含气量25.87 m3/t，煤层含气量整体上呈现由西到东、由南到北减小的趋势；确定影响煤层含气量的外在因素是上覆基岩厚度和断层对接关系，以及该区西南部是煤层气最有利富集区。
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