韩城北区煤层围岩封闭性评价

　　
(a)　　　　(b)　　　　(c)

图2　韩城北区3号煤层围岩剖面结构示意图
　　a——桑树坪井田，b——下峪口井田，c——燎原井田

　　桑树坪井田：顶板岩石迭置方式以泥质岩＋砂岩型与粉砂岩＋砂岩型两种形式为主，分别占井田面积的35%及36%，次为砂岩型，占25%，局部有少量泥岩型，占4%。
　　底板岩层迭置方式以泥岩＋砂岩与砂岩型为主，分别占井田面积的43.8%及36.2%，次为粉砂岩＋泥岩型，占井田面积17.1%。
　　下峪口井田：顶板岩层迭置方式有泥岩＋砂岩型、砂岩型及粉砂岩＋砂岩型3种，分别占井田面积37%、31%及32%。
　　底板岩层迭置方式以泥质岩＋砂岩型为主，占井田面积64.5%，粉砂岩＋砂岩型及细砂岩型分别占19.6%及15.9%。
　　燎原井田：顶板岩层迭置方式以泥质岩＋砂岩型为主，占井田面积51.3%，次为粉砂岩＋砂岩型及中细砂岩型，分别占25.5%及23.1%。
　　底板岩层迭置方式主要表现为泥质岩＋砂岩型，占井田面积81.6%，局部为粉砂岩＋砂岩型，占18.4%。

4　煤层围岩的孔隙结构特征

　　本区山西组煤层围岩的岩石类型分为泥质岩类、粉砂岩类和砂岩类。泥质岩类主要包括碳质泥岩、泥岩、砂质泥岩；粉砂岩类主要包括泥质粉砂岩、石英粉砂岩；砂岩类包括细粒、中粒石英杂砂岩、粗粒石英杂砂岩及长石石英杂砂岩。按照围岩的基本岩石类型，我们采集了3号煤层顶底板泥岩、泥质粉砂岩、各种粒度长石石英杂砂岩分别进行了微孔隙结构参数测试。(表1)现将主要参数分析如下：
4.1　岩石孔隙大小
　　岩石孔隙大小是评价盖层及围岩最常用、也是最有效的参数。因为孔径大小既是计算排驱压力的最重要参数，也是限制油、气扩散的重要参数^［2］。
　　据涅斯捷洛夫(1975)研究，盖层可按岩石的孔径大小(孔径集中范围大小)分为3个等级：
　　a.　孔径小于5×10^-6cm，可作为油或气层的盖层；
　　b.　孔径在5×10^-6～2×10^-4cm之间，只能作油层的盖层；
　　c.　孔径大于2×10^-4cm时，油气均可逸散，一般不能成为盖层。
　　本区3号煤层围岩的孔径均以微孔、小孔为主，仅粒度较粗的岩石含有少量的中孔及微量的大孔隙，但孔径也在5×10^-6cm之下。因此从孔隙大小来看，本区各类岩石均可作储气层的盖层。从岩样中的那些互相连通，且在一般压力条件下可以允许流体在其中流动的有效孔隙度来看，目前普遍确认的透气层岩层有效孔隙度临界值下限最大值不超过5%。说明本区各类岩石都具备做储气层盖层的条件。
4.2　岩石的渗透性
　　岩石的渗透率是直接反映围岩封闭能力大小的参数。渗透率越高的岩石，其封闭性越差。从各类岩石的测定结果看，岩石粒度越细，渗透率越低，粒度越粗，渗透率越高。粉砂岩渗透率值最小，为1.76×10^-7μm²，粗砂岩最大，为3.67×10^-5μm²。各类岩石渗透率大小排序为：粗砂岩＞中粒砂岩＞细粒砂岩＞粉砂岩，泥岩样未测。
4.3　排驱压力
　　排驱压力是指非湿润性流体进入最大孔隙之毛细管压力，其值越大，围岩的封闭性越高。从本区各类岩石的测定结果看，排驱压力最大值属泥岩，为23.05MPa，最小值属于粗砂岩，为0.2927MPa。同岩样的渗透率一样，排驱压力也与岩石的粒度大小表现出明显的相关性。各类岩石排驱压力大小排序与岩样渗透率大小排序相一致，即泥岩＞粉砂岩＞细砂岩＞中粒砂岩＞粗砂岩。

5　围岩的封闭类型

5.1　不同岩石的封闭性能
　　在相当长时期内，人们对围岩的封闭性能只按岩性、厚度、埋深等作定性评价，现在已逐步用孔隙结构参数进行定量评价所代替^［3］。但至今对天然气(包括煤层气)盖层的评价尚无统一标准。笔者进行煤层甲烷围岩封闭性能评价时，主要参考了王少昌等人(1987)的研究成果。(表2)

表2　泥质岩和泥质粉砂岩、细砂岩封闭能力评价等级表

(据王少昌等，1987简化，引自陈荣书，1989)

　　按照王少昌等人以气体绝对渗透率及气体通过饱含空气岩样时的排驱压力两项指标对岩石封闭能力划分结果，将本区煤层围岩各类岩石封闭性能确定如下：
　　泥质岩、粉砂岩、细砂岩封闭性能良好，属Ⅱ类；中粒砂岩封闭性能一般，属Ⅲ类；粗砂岩封闭性差，属Ⅳ类。
5.2　煤层围岩的封闭类型
　　本区3号煤层直接顶底板以泥质岩、粉砂岩及细砂岩为主，平均厚度在4～5m以上，横向分布稳定，裂隙发育稀少，仅局部地段发育条带状中粒砂岩，因此其封闭类型以良好为主，一般为次。这也是韩城北区3号煤层之所以瓦斯赋存条件好、含量高、涌出量大、煤与瓦斯突出严重的主要原因之一。

煤炭青年科学基金资助项目部分成果

作者简介：王生全　男　36岁　副教授　瓦斯地质

作者单位：王生全　王晓刚　西安矿业学院地质系　710054