完整版焦作煤田煤储层物性特征及控气因素毕业设计.docx

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完整版焦作煤田煤储层物性特征及控气因素毕业设计

摘要

煤层气是一种主要以吸附方式赋存于煤层中的清洁能源，我国煤炭资源非常丰富，煤层气资源量也相当可观。

研究煤储层的物性特征及含气性，可以为煤层气的开发利用提供借鉴作用，同时也可以减少瓦斯事故的发生。

本文利用搜集的资料和实验测试结果，研究了焦作煤田主力煤层二1煤层的储层结构、渗透性、吸附性等物性特征及分布规律，采用定性与定量相结合的方式，对煤层含气性的变化规律及控制因素进行了探讨。

研究认为：

焦作煤田二1煤层微孔含量最高，其次是过渡孔，而大中孔含量要低得多，具有很强的吸附能力和较强的扩散能力。

但渗流或层流能力很弱，煤层渗透率较低，且随着埋深的增加而减小，但地质构造对煤层渗透性具有一定的影响，并且研究区内煤层压裂处理渗透性可明显改善；煤层顶、底板岩性为煤层气体提供了良好的保存条件，而有效埋深、断裂构造对本区煤层含气性具有重要的控制作用。

随着有效埋深的增加，含气量先是急剧增大，到了一定阶段后,增大趋势变缓，之间具有对数正相关关系；向斜轴部煤层气含量高于两翼,而背斜则呈现相反的趋势；区域大断裂带附近以及多组断裂的交会部位,煤层含气量往往较低。

关键词：

焦作煤田；煤层气；储层物性；含气性；控制因素

Abstract

Coalbedmethanemainlyisakindofcleanenergywhichexistsincoalseaminadsorptionmanner.Coalresourcesareveryabundantinourcountry,thecoalbedmethaneresourcesarealsoconsiderable.Researchingoncoalreservoirphysicalcharacteristicsandgas-bearing,canprovidereferenceforthedevelopmentandutilizationofcoalbedmethane,atthesametimealsocanreducethegasaccidents.

Basedonmeasuresoncoalsamplesandthedata,thepropertyoffractureandporestructure,permeabilityandadsorptionoftheⅡ1coalbedmethanereservoirintheJiaozuocoalfieldweresystematicallystudied.Thegas-bearingchangelawandtheinfluencefactorsongas-bearingpropertieswerediscussedusingqualitativeandquantitativeanalyses.Thestudyshows,microporesarethemajorpore,transitionalporesarethesecondandmacroporesarefarlessintheⅡ1coal,thusforthekindofcoal,theadsorptioncapacityisveryhighthediffusibilityisalittlestrong,butthecapacityofseepageandlaminarflowisveryweak.Thepermeabilitycoefficientislowanddecreaseswiththeburialdepthofthecoalbed,andthepermeabilityalsoisinfluencedbythegeo-structureandcanbeimprovedunderhydraulicfracturing.TheroofandflooroftheⅡ1coalbedprovidefavorablegas-preservationconditions,andtheeffectiveburialdepthandfaultsstructurearealsothemajorfactorscausinggas-bearingchangeintheⅡ1coal.Theeffectiveburialdepthandgas-contentisinpositivecorrelation.Thegascontentintheaxialpartofthesynclineisgreaterthanthatinthewings,andtherelationistheveryoppositeintheanticlines.Thegascontentisoftenlowneartheregionalfaultsorintheintersectionpartoftheregionalfaults.

Keywords:

Jiaozuocoalfield;Coalbedmethane（CBM）;Coalreservoirproperties;Gas-bearingproperties;Influencefactors.

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2研究内容和方法1

1.3技术路线2

2地质概况4

2.1地理位置与交通图4

2.2地层与含煤地层5

2.2.1地层5

2.2.2含煤地层6

2.3构造和岩浆活动9

2.3.1区域构造9

2.3.2岩浆活动14

2.4水文地质条件14

2.4.1含水岩组划分及其水文地质特征14

2.4.2地下水的补给、径流和排泄15

3煤层赋存及分布特征17

3.1煤层厚度及其变化规律17

3.1.1煤层厚度统计特征17

3.1.2煤层厚度展布特征17

3.2主要煤层顶底板的岩性特征18

3.2.1顶、底板岩性分布特征18

3.2.2顶、底板的物理力学性质18

4煤储层特征及含气性20

4.1煤岩及煤质20

4.1.1煤的岩石学特征20

4.1.2煤质特征20

4.2储层特征21

4.2.1裂隙性21

4.2.2孔隙性22

4.3煤的吸附性与含气性特征23

4.3.1吸附性23

4.3.2含气性24

4.3.3煤层含气饱和度25

4.4渗透性26

4.4.1渗透率测试结果分析26

4.4.2渗透率的实验室测定结果分析27

5煤层气富集的地质控制因素29

5.1断裂构造对煤层含气量的影响29

5.2煤变质作用对含气量的影响31

5.3煤层顶底板岩性对煤层气富集的控制32

5.4水文地质条件对煤层气富集的控制32

致谢34

参考文献35

1绪论

1.1研究背景及意义

煤层气是一种主要以吸附方式赋存于煤层中的清洁能源，我国煤炭资源非常丰富，煤层气资源量也相当可观[1]。

据2006年国土资源部的《新一轮的油气资源评价》，我国埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36.8×1012m3（埋深1500米以浅的资源量约27.3×1012m3[2]，可采资源量达10×1012m3。

煤层气势必成为常规油气资源的一个强有力的补充，对我国的能源结构及能源战略调整具有重要意义[3]。

开发煤层气资源不仅在能源方面具有重要意义，通过地面抽采煤层气，大大降低了煤层中瓦斯的含量，从根源上解决了煤矿瓦斯突出和瓦斯爆炸等瓦斯事故[4]；另外，甲烷是一种温室气体，其温室效应是C02的21倍，加大煤层气开采利用会减少甲烷向大气层的排放量，有利于保护人类生存环境[5]。

焦作煤田地处焦作市东北部，东西长60km，南北宽15km，含煤面积为970km2，是我国优质无烟煤的产出基地之一，累计探明煤炭资源储量为44.7亿t，保有煤炭资源储量为26.38亿t。

煤层气资源蕴藏丰富，据最新的河南省焦作煤田煤层气资源潜力调查报告显示[5]，研究区在2000m以浅、风化带以深、含气量在8m3/t以上的可采煤层的煤层气资源量为1583.82×108m3，资源丰度为1.27×108m3/km2[6]，具有良好的开发前景。

焦作煤田也是我国煤田瓦斯突出严重的煤田之一，现有13对矿井，其中先后有11对矿井发生过煤与瓦斯突出，自1955年以来共发生较大煤与瓦斯突出276次，随着开采深度的增加，煤与瓦斯突出危险性有增大的趋势[7]。

本文通过对煤田的地质构造及煤储层物性特征分析，系统探讨研究区内煤层含气性变化规律及其主控因素，旨在为研究区的煤层气勘探开发和瓦斯防治提供依据[8]。

1.2研究内容和方法

以在焦作煤田地区地质调查工作进展为基础，以实际可行性为前提，综合应用钻井、录井、测井、地震以及实验数据等资料，开展以下主要工作：

（1）开展焦作煤田石炭一二叠系煤层气基本地质条件研究，分析研究沉积背景，后期构造及成煤演化对煤层气成藏与富集的影响[9]；

（2）石炭一二叠系煤层气储层特征研究。

煤层发育条件，厚度展布特征，煤岩组成，结构及构造，煤质煤级特征，后期改造特征，顶底板岩性特征及水文地质特征等研究[10]；

（3）煤层含气性特征分析。

根据等温吸附一解吸试验结果、实测含气量数据、地层测试及排采数据分析焦作煤田地区煤层含气性特征，结合煤层演化、埋藏深度、顶底板及盖层特征及现今地下地质条件、温压条件的综合研究，明确煤层含气性主要影响因素[11]；

（4）提出下一步有利勘探开发目标区。

结合前人地质资料及研究成果和勘探开发动态资料，优选勘探开发的有利目标区[12]。

1.3技术路线

本论文的总体研究思路是：

以焦作煤田煤储层为储层研究对象，以综合运用野外资料、钻井资料、录井资料、测试资料、煤田地质资料、测井资料以及地震资料为研手段，综合对比周围各区块的地质条件，充分分析该地区的储层特征，从而进行储层含气性分析、确定该地区的含气性主控因素，在此基础上，确定焦作煤田煤层气资源分布及有利勘探目标。

具体研究路线如图所示[13]。

图1-1技术路线图

2地质概况

2.1地理位置与交通图

工作区位于河南省焦作市南部及东部地区，行政区划隶属焦作、修武、获嘉、辉县、新乡等县（市）管辖。

工作区东距京广铁路新乡站63km，西至陇海铁路洛阳站140km，新（乡）焦（作）铁路、焦（作）太（原）铁路和焦（作）柳（州）铁路横贯区内，不同等级的公路交织成网，四通八达，交通十分便利（见图2-1）。

2.2地层与含煤地层

2.2.1地层

焦作煤田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，其地层属于华北地层区山西分区太行山小区和华北平原分区豫北小区内，区内地层由老到新有太古界、中元古界蓟县系、下古生界寒武系和奥陶系、上古生界石炭系和二叠系、中生界三叠系、新生界新近系和第四系[14]。

现由老到新简述如下：

（1）太古界（Ar）

主要由一套经受中等区域变质作用而形成的黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩及少量斜长角闪变粒岩、角闪片岩、角闪岩和浅粒岩等组成，厚度大于2900m。

（2）中元古界蓟县系云梦山组（Pt2y）

主要为浅紫、浅黄色中厚～巨厚层状中粗粒石英砂岩。

中上部夹两层紫红色页岩，厚22.0～175.0m，平均70m。

与下伏太古界地层为角度不整合接触。

（3）下古生界（Pz1）

①寒武系（∈）：

自下而上可分为三个统，各统之间均为整合接触。

总体特征为自下而上陆源碎屑物质逐渐减少，碳酸盐岩比例增大。

与下伏中元古界蓟县系云梦山组为平行不整合接触。

下统（∈1）：

底部为砾岩，下部为灰黄色泥灰岩、泥质灰岩、紫红色页岩，上部为浅灰色石灰岩、鲕状石灰岩、泥岩、砂岩、粉砂岩、页岩等，厚度112.0～177.0m，平均140.0m。

中统（∈2）：

下部为紫红色页岩与中厚层状鲕状石灰岩互层、间夹薄层灰岩、砂岩和黄绿色页岩，上部为石灰岩、鲕状石灰岩、白云质灰岩、鲕状白云质石灰岩组成，夹薄层黄绿色页岩。

厚度291.0～349.0m，平均310.0m[15]。

上统（∈3）：

由白云岩、石灰岩（具燧石结核及条带）组成，含大量动物化石。

厚度52.0～78.0m，平均70.0m。

②奥陶系（O）：

本区发育有下统的冶里组和上统的马家沟组，主要出露于本区北部。

与下伏寒武系整合接触。

下统冶里组（O1）：

为中厚－巨厚层状层状白云岩，含燧石结核及条带状白云岩，底部为泥质条带白云岩及灰岩。

厚143.0～166.0m，平均150.0m。

中统马家沟组（O2）：

上部为青灰、灰色中厚层状石灰岩及薄层状白云质灰岩；下部为灰色中厚层状石灰岩，夹少量角砾状灰岩及黄绿色泥灰岩、泥岩和透镜状石英砂岩。

厚413.0～500.0m，平均450.0m。

由于缺失下统上部的亮甲山组，而与下统的冶里组平行不整合接触。

（4）上古生界（Pz2）

发育有石炭系中统至二叠系地层，为本区主要含煤地层。

与下伏马家沟组平行不整合接触。

①石炭系（C）：

下起奥陶系马家沟石灰岩顶，上至太原组L9石灰岩顶，下为中统的本溪组，上为上统的太原组。

②二叠系（P）：

由太原组L9石灰岩顶至三叠系二马营统底部砂岩，自下而上为下统的山西组和下石盒子组，上统的上石盒子组和石千峰组。

山西组底部的二1煤为煤层气赋存的主要储层。

（5）中生界（Mz）

工作区内仅有三叠系二马营统。

自上而下为黄绿、肉红色厚层细粒长石砂岩与紫灰色紫红色粉砂质泥岩互层，底部见有透镜状灰质砾岩，厚度60余m。

与下伏上二叠统石千峰组为整合接触。

（6）新生界（Kz）

由新生界新近系、第四系地层组成，下部为紫红色土夹砾岩；上部黄土、黄土夹砾石。

区内钻孔揭露最大厚度厚960m，煤田煤田北部薄壁预测区物探推测最厚达1600m左右。

与下伏其它各系地层均呈角度不整合接触。

2.2.2含煤地层

本区含煤地层包括有石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组。

（1）本溪组（C2b）

下起奥陶系中统马家沟组顶，上至太原组一1煤底板，厚8.0～45m，平均20.0m。

煤田西南部厚度较大，一般20m；东北部较薄，一般11m左右。

与下伏马家沟组平行不整合接触。

该组底部为灰～灰白色铝土质泥岩，局部含有大量菱铁质鲕粒及星点状或结核状黄铁矿；中部为石英砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部夹透镜状石灰岩及煤线，横向上由西南往东北逐渐变薄；上部为铝土质泥岩，呈青灰色，局部有黄铁矿结核及条带，横向上由东北向西南逐渐尖灭。

（2）太原组（C3t）

下起一1煤层底板，上至L9石灰岩（或菱铁质泥岩）顶，厚40.0～110.0，平均90.0m，与下伏本溪组整合接触。

为一套海陆交互相含煤建造，主要为灰岩～砂岩～粉砂岩～泥岩～煤层交替出现。

含煤9～12层。

根据其岩性、岩相组合特征，自下而上可分为下部灰岩段、中部砂泥岩段和上部灰岩段。

①下部灰岩段：

一1煤层底到Ｌ4石灰岩顶。

发育L1、L2、L3、L4四层石灰岩，各层石灰岩之间一般为砂岩～砂质泥岩～煤层的沉积特征。

L1和L2多合并为L1+2石灰岩，为深灰色厚层状石灰岩，夹燧石团块及条带，具风暴层理，厚2.1～16.4m，自西南往东北逐渐增厚，为本区重要标志层。

发育煤层4—6层，其中底部的一1煤层为大部可采煤层，其余均不可采。

②中部砂泥岩段：

L4石灰岩顶到L7石灰岩底。

主要为泥岩、砂质泥岩、煤层和石灰岩，夹砂岩透镜体。

胡石砂岩位于本段底部，普遍发育，为灰～灰白色中细粒石英砂岩，泥岩、砂质泥岩为灰黑色，具水平层理。

发育煤层2层，均不可采。

③上部灰岩段：

L7至L9（或菱铁质泥岩）顶。

发育三层灰岩，其中L8是本区重要的标志层之一，为深灰色中厚层状泥晶灰岩，顶部有不规则的遂石团块和丘状交错层理，厚2.1～12.2m，一般7～9m。

L9也较稳定，厚0.1～2.6m，局部相变为菱铁质泥岩，石灰岩之间为砂岩及泥岩，局部发育3—4层煤，均不可采。

（3）山西组（P1sh）

由L9石灰岩顶至砂锅窑岩底，厚40.0～90.0m，平均80.0m，与下伏石炭系太原组整合接触。

为一套碎屑岩含煤沉积,发育6层煤，其中二1煤为全区主要可采煤层。

根据其岩性组合特征，自下而上可分为二1煤段、大占砂岩段、香炭砂岩段和小紫泥岩段。

1二1煤段：

由L9石灰岩顶到大占砂岩底。

底部为深灰～灰黑色泥岩、砂质泥岩，局部夹二1煤；中下部发育2～3层菱铁质泥岩，局部夹煤线，在古汉山井田发育一层灰、深灰色中—细粒岩屑石英砂岩，呈透镜状，厚10～15m；上部为黑色泥岩或炭质泥岩和

二1煤层。

②大占砂岩段：

由大占砂岩底到香炭砂岩底。

下部大占砂岩为灰～深灰色厚层状中～细粒石英砂岩，富含白云母片及炭屑，局部见小型交错层理，厚0～20.9m，一般16～20m，但厚度在横向上变化较大，局部夹有二2煤；上部为灰色泥岩。

③香炭砂岩段：

自香炭砂岩底到冯家沟砂岩底，由香炭砂岩和黑色～深灰色泥岩、砂质泥岩组成。

香炭砂岩为灰色中～细粒（局部为粗粒）石英砂岩，厚0～28.1m，平均7.6m，局部相变为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩。

④小紫泥岩段：

位于山西组顶部，由冯家沟砂岩底到砂锅窑砂岩底。

下部冯家沟砂岩为灰～灰绿色中细粒砂岩，主要成份为石英，含菱铁矿及炭屑；上部为灰～灰黑色泥岩、砂质泥岩，具白云母碎片及植物化石，中夹一层灰色具紫斑含鲕粒铝土质泥岩（小紫泥岩），全区稳定，为山西组的重要标志层。

（4）下石盒子组（P1X）

由砂锅窑砂岩底至四煤底板砂岩底，厚110.0～140.0m，平均120.0m，与下伏山西组整合接触。

底部砂锅窑砂岩为灰绿色岩屑石英砂岩，含砾石及泥质包体，厚度2.5～23.0m，平均12.2m；中部为灰、浅灰色鲕状铝土质泥岩（大紫泥岩），具紫斑，富含菱铁质鲕粒，是本区重要标志层之一；中上部为中～细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩。

该组为本区的三煤段。

（5）上石盒子组（P2S）

由四煤底板砂岩底到平顶山砂岩底，厚420.0～513.0m，平均460.0m，按其沉积旋回，可分为四、五、六、七、八煤段。

①四煤段：

四煤底板砂岩底至五煤底砂岩底，厚49.1～94.6m，平均87.5m。

底部四煤底板砂岩为灰白～灰绿色～细粒砂岩，具泥质包体，厚20.9～26.3m，平均11.0m，为本区的辅助标志层；中上部为一套紫红、灰～深灰色泥岩、砂质泥岩，夹多层砂岩透镜体。

②五煤段：

五煤底板砂岩底至六煤底板砂岩底，厚50.2～102.7m，平均62.1m。

五煤底板砂岩为灰白色中厚层状中～粗粒砂岩，具泥质团块，平均厚8.8m；中上部为一套深灰～灰～紫红色泥岩、粉砂质泥岩，局部夹有砂岩透镜体。

③六煤段：

仅在焦南、恩村井田有保留。

六煤底板砂岩底至田家沟砂岩底，厚49.5～85.7m，平均73.1m。

六煤底板砂岩为灰白色中厚层状中粗粒砂岩，其上为灰色、深灰、紫红色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩，夹数层砂岩透镜体。

④七煤段：

由田家沟砂岩底到八煤底板砂岩底，厚84.0～112.0m，平均99.5m。

田家沟砂岩为灰白～灰绿色中～细粒砂岩，局部相变为粗粒甚至含砾，厚4.5～15.0m，平均7.9m；其上为灰～灰白色砂岩、灰～紫红色泥岩、砂质泥岩，局部发育3～5层灰褐、灰黄色硅质泥岩，是七煤段良好标志。

⑤八煤段：

由八煤底板砂岩底到平顶山砂岩底，平均厚142.0m。

八煤底板砂岩为灰、灰绿色中～细粒砂岩，厚2.9～7.1m，平均5.5m。

中上部为灰、青灰、紫红色泥岩、砂质泥岩、夹砂岩透镜体，产植物化石及黄铁质结核。

2.3构造和岩浆活动

2.3.1区域构造

（1）区域构造背景

焦作煤田大地构造位置位于华北地台山西台隆太行山断隆南段与华北凹陷汤阴断陷、济源－开封凹陷接合部位，新华夏系东西向构造体系及其复合联合，是本区构造的主要格架[16]。

区内地层总体为一走向NE—NNE、倾向SE的单斜构造形态，地层倾角5~20º，沿倾向及走向有宽缓的起伏，局部倾角可达25~30º。

区内广泛发育自燕山运动以来所生成的各种构造形迹，构造相对复杂。

主要以断裂构造为主，褶皱构造表现微弱。

断裂构造主要为高角度的正断层，整个煤田依近EW向的凤凰岭断层为界分为两个构造带：

以南为纬向构造带，构造形迹以轴向近EW的褶曲和走向近EW的断裂为主；以北为新华夏系构造带，构造形迹以走向NE的断裂为主，另有NW向断裂和罕见的NNE断裂。

依其展布方向可分为近东西向、北东向和北西向三组：

①EW向断层：

构成了本区和区内断块边界，控制着煤田范围。

主要有朱村断层（F8）、凤凰岭断层、南张门断层、前董村断层和平陵断层等，它们对北东向断层起限制作用。

②NE向断层：

该组断裂区域分布普遍，相当发育，但规模和表现形态变化较大，将煤田切割若干成条带状或透镜状断块，致使地质、水文及开采条件复杂化，形成井田划分的构造边界。

西部多组成地堑和地垒，断层密度较大；中部和东部则表现为阶梯状构造，断层密度较小。

该组断层主要有：

王封断层、三十九号断层、李庄断层、九里山断层、薄壁断层和耿黄断层等。

③NW向断层：

基本和东北向断层垂直，多为张性断裂，数量不多，但成对出现，多形成地堑构造。

如方庄断层和北碑村断层、峪河口断层和赤庄断层。

焦作煤田的分布基本受太行山隆起和武陟隆起所控制。

但煤层埋藏的深浅、井田的大小主要与近东西向或北北西向和北东向或北北东向两组断层切割破坏有关。

这些断裂构造相互交织，形成了大小不一的断块格局，也成为井田布置的主要边界。

在煤田东部和南部有较大的向斜构造，形成了控制区内煤层产出的基本构造轮廓（图2-2）。

（2）主要构造特征

①断层

朱村断层：

为焦作煤田西南部自然边界，西段为山前断裂，东段转向东南与耿黄断层相交，南翼为济源凹陷区，覆盖层达千米以上。

区内长度60km，为一走向近东西，整体倾向南，倾角约70º的正断层，落差大于1000m。

属新华夏系构造体系，力学性质为压扭性。

地质资料证实，该断层活动时代为N2～Q2。

自柏山至修武大高村，断裂隐伏于第四系下。

耿黄断层：

为本区东南部边界，南起大召营，经陈召、庙口，沿京广铁路往东北延展与鹤壁煤田的青羊口断层相当，长约40km。

区内被新生界底层所覆盖，走向北40º东，倾向南东，倾角70º的正断层，落差大于1000m。

属新华夏系构造体系，力学性质为压扭性。

薄壁断层：

为本区东北部边界，两端进入山区，是区内的一条基底断裂，南西起自方庄断层，北东到羊圈村附近，全长约30km。

为一走向北东40º，断面倾向南东，倾角70º度，落差300～1000m的正断层。

西北盘出露太古界、中元古界和下古生界地层，东南盘为上古生界和新生界地层。

在晚第三纪进活动比较强烈，近期仍有微活动的迹象。

1973年10月辉县2级地震和11月修武的2.2级地震与该断裂活动有关。

凤凰岭断层：

位于煤田中南部，从焦作、修武县城北止于耿黄断层，区内长60km，为走向东西，倾向南，倾角约70º的正断层，落差100～1200m。

凤凰岭断裂沿走向大致分为三段，各段活动性略有差异。

西石河以西，由近于平行的五条东西向断层组成，断层错断古生界地层，断距小于100m。

上新世以来断层落差约为250m，局部见有断裂错断晚上更新世—早中更新世地层，表明中更