滇東北地區鎮雄—威信煤田（以下簡稱鎮威煤田）上二疊統煤層氣總資源量為765×108 m3，具有良好的煤層氣勘探開發潛力[1]。近20 年來，研究人員對滇東—黔西地區進行了深入的煤層氣地質研究工作，認識到煤層氣富集區主要位于以復向斜、向斜為主的聚煤構造單元中，煤層氣資源潛力受到煤層厚度、埋深、含氣量、煤巖組分、頂底板巖性和水動力條件等因素的綜合影響[2]。滇東—黔西地區上二疊統海陸過渡相含煤巖系中甲烷含量及含氣量梯度在垂向上呈波動式變化，可劃分為多個相對獨立的含煤層氣系統[3-4]，隔水阻氣層主要為最大海泛面附近的海相泥巖及低滲巖層，其平面展布受到沉積環境的顯著控制，靠陸地偏氧化沉積環境中巖層封堵性則較差，往往形成結構簡單的單一含煤層氣系統[5]。數學建模表明新莊礦區觀音山勘探區煤層含氣量的3個關鍵因素分別是煤層埋藏深度、煤層頂板5 m 內砂巖厚度和頂板巖性，此外構造條件和地下水動力條件對煤層含氣性均有顯著影響[6]。雖然眾多學者都對滇東地區進行過煤層氣選區評價工作[1, 7-8]，但目前尚缺乏對滇東北地區各含煤向斜進行系統的煤層氣選區評價研究。本文通過研究煤層含氣量、甲烷濃度與煤層厚度、埋藏深度、煤巖煤質及頂底板巖性等參數之間的關系，分析研究區煤層氣富集的控制因素，在此基礎上建立了基于模糊數學的多層次煤層氣選區評價標準[9-10]，并對該區煤層氣進行選區評價，以期為鎮威煤田下一步的煤層氣勘探開發工作提供地質依據。
1 區域地質背景
鎮威煤田地理位置位于云南省東北部，北接川南煤田，東臨黔西北煤田，東西長約125 km，南北寬約120 km，面積約為10 800 km2（圖1）。大地構造位置位于古揚子板塊西南緣，中二疊世末期上揚子地區在東吳運動中結束茅口期陸表海環境，再次整體抬升為陸地，中二疊統茅口組石灰巖遭受風化作用形成廣泛分布的殘積平原[11]。中、晚二疊世之交峨眉山玄武巖大規模噴溢[12]，向東波及至小江斷裂帶，其厚度整體由西向東逐漸變薄，形成了滇東—黔西地區上二疊統含煤巖系的沉積基底。后期燕山運動和喜馬拉雅運動使得現今煤田構造以北東—北東東向隔擋式褶皺為主要特征，向斜較寬緩，背斜較緊密，各向斜構造幾乎均具北西翼陡而南東翼緩的特點。斷裂構造相對發育較差，以北東向為主，北西、北北西向次之，擠壓逆沖斷層占主導地位[13]（圖1）。
圖1 滇東北鎮威煤田區域位置及地質概況圖
晚二疊世研究區西側康滇古陸隆起，自西向東發育山麓沖積扇帶、河流沖積平原帶、三角洲平原及濱海平原帶，上二疊統含煤巖系覆蓋了陸相、過渡相及海相沉積環境，包括西部陸相宣威組以及東部海陸過渡相龍潭組和海相長興組[14]，龍潭組大致對應宣威組中下部，長興組大致對應宣威組上部。含可采煤層5 ～ 10 層，自東向西由下向上遷移，自上而下編號C1 ～ C10。吳家坪期早期，主要以陸相沉積為主，僅東部少數地區受到海水影響，發育若干薄煤層；吳家坪期晚期則主要以三角洲平原沉積為主，泥炭沼澤發育，末期發育全區可采的C5 煤層。長興期區域海平面上升，河流沖積平原向西退縮，逐漸過渡為三角洲沉積環境和濱海、淺海沉積環境，泥炭沼澤隨之向西遷移[15]（圖2）。
圖2 鎮威煤田上二疊統沉積相及煤層分布示意圖
2 煤層氣富集特征及影響因素
2.1 煤層含氣量的分布特征
鎮威煤田煤層含氣量橫向上總體表現為東高西低的特征，彝良和廟壩礦區含氣量較低，一般不超過15 m3/t ；新莊礦區西部、馬河礦區、牛場—以古礦區和鎮雄礦區西北部煤層含氣量較高，一般介于9 ～ 18m3/t ；東部石坎礦區、母享—則底礦區及新莊礦區東部含氣量變化較大，一般介于5 ～ 20 m3/t，最大含氣量可達40 m3/t（圖3）。
圖3 鎮威煤田可采煤層含氣量平面分布圖
鎮威煤田煤層含氣量在各礦區垂向變化趨勢各不相同（表1）。為了避免煤層淺層風化帶的影響，表1 中的含氣量排除了埋深小于200 m 且甲烷濃度小于70% 的數據。煤田東部石坎、鎮雄、母享—則底、新莊及馬河礦區含氣量由深至淺逐漸降低，煤層甲烷濃度飽和時，龍潭組底部C9 煤層含氣量多超過20 m3/t，龍潭組頂部C5 及C6 煤層含氣量則多介于5 ～ 20 m3/t ；長興組頂部C1 煤層含氣量普遍小于10 m3/t。煤田西部興隆礦區含氣量自上向下增加，但最大含氣量不超過5 m3/t，可能與封蓋條件較差有關，煤層埋深超過600 m 時甲烷濃度仍小于50%。煤田中部彝良、廟壩及牛場—以古礦區含氣量變化趨勢相對復雜，以C5 煤層為界可劃分為下含氣系統（龍潭組及宣威組中下段）和上含氣系統（長興組及宣威組上段），下含氣系統總體含氣量大于上含氣系統，各含氣系統內含氣量自下而上逐漸增加。該規律在牛場—以古礦區尤為顯著，龍潭組平均含氣量由C6煤層的10.1 m3/t 增加到C5 煤層的12.5 m3/t，長興組平均含氣量由C3 煤層的8.6 m3/t 增加到C2、C1 煤層的超過 10 m3/t（表1）。
表1 鎮威煤田可采煤層含氣量統計表
2.2 煤層分布
2.2.1 煤層厚度
鎮威煤田以龍潭組上段C5 煤層為主要可采煤層，全區穩定分布，局部可采煤層主要為C1、C6、C7 和C9 煤層，煤層總厚度由東向西方向先變厚再變薄（圖2、4）。龍潭組下部C9 煤層分布穩定，結構簡單，在鎮威煤田東部為可采煤層。C6 煤層主要分布在研究區東部，向西至廟壩礦區逐漸變薄尖滅。C1 煤層在中部新莊、馬河、牛場—以古礦區可采，向東西兩側變薄尖滅。C2、C3、C4 煤層在煤田東部及西部局部可采。
圖4 鎮威煤田可采煤層總厚度分布圖
含氣量與煤厚大體上呈正相關關系，部分礦區含氣量與煤厚呈較明顯的線性正相關關系，如石坎礦區（相關系數R 為0.6）。較常見的情況是含氣量與煤層厚度之間存在一定的離散性，但其中煤層厚度與含氣量上限及含氣量下限同時存在較明顯的線性關系，如馬河礦區（圖5-a）。甲烷濃度的下限與煤厚普遍表現為正相關關系，反映煤層厚度的增加有助于煤層氣的保存（圖5-b）。總之，煤層厚度不僅控制了煤儲層的生氣潛力，對煤層氣保存也有一定影響，在煤層頂底板保存條件不理想的情況下，煤層厚度對含氣量的影響更為顯著。
圖5 鎮威煤田煤層厚度與含氣量、甲烷濃度的關系圖
2.2.2 煤層埋深
鎮威煤田各礦區向斜構造中煤層埋深由南向北呈深淺相間的分布特征，整體上煤田東南部煤層埋深較淺，包括母享—則底、鎮雄、牛場—以古礦區，一般不超過1 000 m。煤田中部各礦區向斜軸部煤層埋藏較深，深度超過1 500 m，煤層氣保存條件較好，包括石坎、馬場、新莊、洛旺及彝良礦區。而煤田西北部僅鹽津礦區埋藏較深，可達1 500 m，其余礦區埋深均未超過1 000 m（圖6）。
圖6 鎮威煤田C5 煤層埋深分布圖
含氣量上限與煤層埋深關系呈正相關關系，含氣量下限則受煤層埋深影響較小，如馬河礦區和新莊礦區等（圖7-a），各礦區最大含氣量對應的埋藏深度自西向東增加，可能由于西部較高的地熱梯度使臨界深度變淺[16]。甲烷濃度下限與煤層埋深呈正相關關系，甲烷濃度下限受埋深影響的顯著程度可能受到煤層厚度、煤變質程度和頂底板保存條件的綜合約束（圖7-b）。
圖7 鎮威煤田煤層埋深與含氣量、甲烷濃度的關系圖
2.3 煤巖煤質特征
2.3.1 煤變質程度
鎮威煤田煤變質程度相對較高，煤類以瘦煤、貧煤和無煙煤為主，揮發分含量介于2% ～ 28%，鏡質組最大反射率介于1.95% ～ 2.74%。受構造作用影響[13]，最大變質程度分別達到貧煤與無煙煤的礦區表現為近東西向條帶在南北方向相間分布，無煙煤主要分布于母享—則底、鎮雄、牛場—以古以及兩河、廟壩礦區，貧煤主要分布在石坎、新莊、馬河、彝良、洛旺以及興隆、炭場灣、芭蕉礦區（圖8）。
圖8 鎮威煤田煤類分布圖
含氣量與煤變質程度（揮發分含量）的關系相對復雜，揮發分含量小于10% 時與最大含氣量基本為正相關關系，揮發分含量大于15% 時與最大含氣量則主要為負相關關系，不同礦區最大含氣量對應的揮發分含量介于10% ～ 17%，揮發分含量超過17% 時含氣量普遍小于15 m3/t。以無煙煤為主的牛場—以古礦區含氣量最大值對應較低的揮發分，而以貧煤為主的馬河、石坎、新莊礦區最大含氣量則對應于較高的揮發分。
2.3.2 煤巖組分及煤巖類型
鎮威煤田上二疊統煤的顯微煤巖組成以鏡質組為主，平均含量介于42% ～ 79% ；惰質組次之，平均含量介于14% ～ 15% ；受煤變質程度影響，殼質組成分難以識別。宏觀煤巖類型總體以半暗煤及半亮煤為主、暗淡型次之，個別為光亮煤。區內含氣量與鏡質組含量大致為正相關關系（相關系數R 為0.5），可能與鏡質組生氣潛力大、吸附能力強有關[10]。
2.3.3 灰分含量
鎮威煤田煤層灰分含量自北西向東南逐漸降低（3% ～ 45%）。煤田東南部可采煤層灰分含量一般小于20%，僅局部地區出現高值區（灰分大于25%），如鎮雄礦區西部及石坎礦區中部；煤田中部多為中—低灰煤（灰分含量小于20%），如馬河礦區南部與石坎礦區西部；煤田西部及北部多為中—高灰煤（灰分含量大于30%），如彝良礦區及興隆礦區北部。龍潭組下段、上段及長興組煤層的平均灰分含量分別為22.54%、18.53% 和29.72%。
含氣量與煤層灰分含量的關系相對復雜，但最大含氣量與煤層灰分含量整體呈二次函數關系，即中低灰煤（灰分含量小于15%）及高灰煤（灰分含量大于30%）中最大含氣量分別不超過10 m3/t、15 m3/t，灰分介于20% ～ 30% 的中灰煤最大含氣量達24 m3/t。這與普遍認為的含氣量隨灰分含量增高而降低的關系并不完全相符[17-18]，由于煤層灰分含量受到物源供給或距河流遠近的影響，灰分含量與含氣量的關系反映了沉積環境對含氣量的控制作用[5, 19]。甲烷濃度下限與含氣量關系進一步證實這種關系，東部鎮雄及新莊礦區C5 煤層頂板多為海相石灰巖，甲烷濃度下限與灰分含量呈正相關關系，而中部牛場—以古礦區C5 煤層頂板多為過渡相粉砂巖，甲烷濃度下限與灰分含量呈負相關關系，反映不同沉積相帶及不同沉積環境下煤層頂板封蓋能力的差異[20]。
2.4 頂底板巖性
龍潭組主要為海陸過渡相沉積，包括三角洲平原、潮坪沉積相。長興組主要為海相沉積，以碳酸鹽潮下帶為主，煤層頂底板巖性組合包括沖積平原中的粉砂巖＋泥巖＋煤層＋細砂巖、碳酸鹽局限臺地中的石灰巖＋厚煤層＋泥巖、三角洲間灣中的泥質粉砂巖＋厚煤層＋厚層泥巖以及潮坪中的薄層煤層＋泥巖＋粉砂巖＋細砂巖（表2）。總體上，海陸過渡相沉積封蓋能力較強，陸相沉積封蓋能力較弱，符合常見沉積體系與封蓋體系之間的關系[20-21]。
表2 滇東北地區C5煤層頂底板巖性組合及封蓋條件統計表
2.5 構造及水文地質條件
含煤巖系上覆下三疊統飛仙關組多為泥巖、粉砂巖和砂巖互層，為裂隙弱含水層或相對隔水層；二疊系—三疊系過渡段卡以頭組主要為砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖與薄層石灰巖，為裂隙弱—中含水層，為煤層間接充水含水層；長興組石灰巖巖溶不發育，但裂隙較為發育，隨深度增加，巖層節理裂隙逐漸減少，富水性減弱，為煤層頂板直接充水含水層；龍潭組碎屑巖中含裂隙水，泥巖和煤層為相對隔水層，淺部接受大氣降水補給，向深部節理裂隙逐漸減少，富水性減弱，為煤層直接充水含水層。含煤巖系下伏茅口組石灰巖為強巖溶含水層，但對煤層影響較小。總體而言，鎮威煤田上二疊統微弱的地下水動力條件有利于煤層的保存[22-23]。
3 煤層氣勘探開發有利區優選
3.1 多層次模糊數學評價模型
本研究基于多層次模糊數學方法建立煤層氣選區評價模型[9,24]，以定量化復雜的煤層氣評價參數，更全面地對煤層氣勘探潛力進行評價。
3.1.1 評價參數優選及權重計算
利用層次分析法對鎮威煤田各礦區中的煤層氣選區的關鍵要素進行定量排序， 將研究區煤層氣資源、儲集條件、保存條件和煤層氣開發基礎條件作為4 個二級評價指標，每個二級評價指標對于煤層氣開發的影響又受多個三級參數的影響，包括可采煤層總厚、含氣量、資源豐度、揮發分含量、鏡質組含量、煤層穩定性、灰分含量、頂底板巖性、水文地質條件、煤層埋藏深度、地形地貌及交通條件（表3）。
表3 鎮威煤田煤層氣選區評價參數及權重參數表
滇東北地區以煤變質程度較高、含氣量高、煤層薄而分布穩定、滲透性低和構造條件復雜為特征[17,21,25]，煤層氣富集成藏受到煤層厚度、煤層埋深、巖相組合特征和水文條件等因素的綜合控制[6,8]，此外，不利的山地地形和交通條件一定程度制約了煤層氣的勘探開發。根據前面研究的相關定性及定量分析成果，結合相關煤層氣選區評價標準[1,2,6-8,10,26-27]，建立同級別參數指標之間的兩兩比較判別矩陣，計算判別矩陣的最大特征根及其對應特征向量[9]，即可得到各二級指標和三級評價參數的權重（表3），為保證計算結果的可信度和相對準確性，避免一些不合理的判別矩陣可能引起的失誤，還對判別矩陣進行一致性檢驗[9,25]，最后綜合二級指標權重與三級參數權重可獲得各三級評價參數對于滇東北地區煤層氣選區評價的重要性（表4）。
表4 鎮威煤田煤層氣評價參數隸屬度賦值標準表
3.1.2 評價參數隸屬度計算及賦值
通過建立各三級參數隸屬函數，確定各礦區三級參數的隸屬度取值方案[7-10]。三級參數的性質可分為定量參數和定性參數，定量參數包括可采煤層總厚、含氣量、煤變質程度、鏡質組含量、煤層傾角、灰分含量、煤層埋深，其隸屬度主要通過分段線性函數的方法確定[9]，即在參數范圍內先分段再線性擬合出隸屬函數；定性參數包括煤層頂底板巖性、水文地質條件、地形地貌和交通條件，可分好、中、差3個層次，其隸屬度劃分標準及對應賦值如表4 所示。
3.1.3 數學評價模型的建立
通過多層次模糊數學評價模型對煤層氣勘探潛力指數（U）進行評價，U 越高表示煤層氣勘探潛力越大。
式中U 表示煤層氣勘探潛力指數；Aij 表示第i 個二級指標的第j 項評價參數的權重；Xij 表示第i 個二級指標的第j 項評價參數的隸屬度（表3、4）。
3.2 煤層氣有利區優選
根據表4 建立的評價參數權重體系對鎮威煤田中新莊、石坎、母享—則底、鎮雄等10 個礦區的煤層氣勘探潛力指數U 進行計算，結果表明有4 個礦區具有較好的勘探潛力（U ＞ 0.5），其中新莊礦區煤層氣開發潛力最好，其次為洛旺礦區、牛場—以古礦區和馬河礦區，其他礦區開發潛力相對較差，如表5 所示。
表5 鎮威煤田煤層氣評價參數及選區結果表
4 結論
1）滇東北地區煤層氣資源潛力主要受到煤層厚度和含氣量的影響，保存條件主要受到煤層埋深、頂底板巖性和聚煤沉積環境的影響，煤變質程度及煤巖煤質對煤層氣富集亦具有一定影響。
2）從資源條件、儲集條件、保存條件和開發條件4 個方面優選出可采煤層總厚、平均含氣量、煤變質程度、鏡質組含量、煤層傾角、灰分含量、頂底板巖性、水文條件、煤層埋深、地形地貌、交通條件等11 個煤層氣勘探開發影響因素作為評價參數，建立基于多層次模糊數學方法的煤層氣選區評價模型。
3）優選滇東北鎮威煤田開發潛力最高的4 個礦區由高到低依次為新莊礦區、洛旺礦區、牛場—以古礦區和馬河礦區，4 個礦區在鎮威煤田中從東北向西南呈帶狀分布，該條帶與聚煤期海陸過渡相沉積環境的分布大致平行，反映了沉積環境對煤層氣成藏的重要控制作用，包括聚煤作用和頂底板封蓋性能。
參考文獻：
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