滇東北地區(qū)鎮(zhèn)雄—威信煤田（以下簡稱鎮(zhèn)威煤田）上二疊統(tǒng)煤層氣總資源量為765×108 m3，具有良好的煤層氣勘探開發(fā)潛力[1]。近20 年來，研究人員對滇東—黔西地區(qū)進行了深入的煤層氣地質(zhì)研究工作，認識到煤層氣富集區(qū)主要位于以復向斜、向斜為主的聚煤構(gòu)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?shù)装鍘r性和水動力條件等因素的綜合影響[2]。滇東—黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)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(tǒng)[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(huán)境的顯著控制，靠陸地偏氧化沉積環(huán)境中巖層封堵性則較差，往往形成結(jié)構(gòu)簡單的單一含煤層氣系統(tǒng)[5]。數(shù)學建模表明新莊礦區(qū)觀音山勘探區(qū)煤層含氣量的3個關(guān)鍵因素分別是煤層埋藏深度、煤層頂板5 m 內(nèi)砂巖厚度和頂板巖性，此外構(gòu)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(qū)進行過煤層氣選區(qū)評價工作[1, 7-8]，但目前尚缺乏對滇東北地區(qū)各含煤向斜進行系統(tǒng)的煤層氣選區(qū)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(zhì)及頂?shù)装鍘r性等參數(shù)之間的關(guān)系，分析研究區(qū)煤層氣富集的控制因素，在此基礎上建立了基于模糊數(shù)學的多層次煤層氣選區(qū)評價標準[9-10]，并對該區(qū)煤層氣進行選區(qū)評價，以期為鎮(zhèn)威煤田下一步的煤層氣勘探開發(fā)工作提供地質(zhì)依據(jù)。
1 區(qū)域地質(zhì)背景
鎮(zhèn)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(gòu)造位置位于古揚子板塊西南緣，中二疊世末期上揚子地區(qū)在東吳運動中結(jié)束茅口期陸表海環(huán)境，再次整體抬升為陸地，中二疊統(tǒng)茅口組石灰?guī)r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(guī)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(qū)上二疊統(tǒng)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(xiàn)今煤田構(gòu)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(gòu)造幾乎均具北西翼陡而南東翼緩的特點。斷裂構(gòu)造相對發(fā)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(zhèn)威煤田區(qū)域位置及地質(zhì)概況圖
晚二疊世研究區(qū)西側(cè)康滇古陸隆起，自西向東發(fā)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(tǒng)含煤巖系覆蓋了陸相、過渡相及海相沉積環(huán)境，包括西部陸相宣威組以及東部海陸過渡相龍?zhí)督M和海相長興組[14]，龍?zhí)督M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(shù)地區(qū)受到海水影響，發(fā)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(fā)育，末期發(fā)育全區(qū)可采的C5 煤層。長興期區(qū)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(huán)境和濱海、淺海沉積環(huán)境，泥炭沼澤隨之向西遷移[15]（圖2）。
圖2 鎮(zhèn)威煤田上二疊統(tǒng)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(zhèn)威煤田煤層含氣量橫向上總體表現(xiàn)為東高西低的特征，彝良和廟壩礦區(qū)含氣量較低，一般不超過15 m3/t ；新莊礦區(qū)西部、馬河礦區(qū)、牛場—以古礦區(qū)和鎮(zhèn)雄礦區(qū)西北部煤層含氣量較高，一般介于9 ～ 18m3/t ；東部石坎礦區(qū)、母享—則底礦區(qū)及新莊礦區(qū)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(zhèn)威煤田可采煤層含氣量平面分布圖
鎮(zhèn)威煤田煤層含氣量在各礦區(qū)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(shù)據(jù)。煤田東部石坎、鎮(zhèn)雄、母享—則底、新莊及馬河礦區(qū)含氣量由深至淺逐漸降低，煤層甲烷濃度飽和時，龍?zhí)督M底部C9 煤層含氣量多超過20 m3/t，龍?zhí)督M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(qū)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(guān)，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(qū)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(tǒng)（龍?zhí)督M及宣威組中下段）和上含氣系統(tǒng)（長興組及宣威組上段），下含氣系統(tǒng)總體含氣量大于上含氣系統(tǒng)，各含氣系統(tǒng)內(nèi)含氣量自下而上逐漸增加。該規(guī)律在牛場—以古礦區(qū)尤為顯著，龍?zhí)督M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(zhèn)威煤田可采煤層含氣量統(tǒng)計表
2.2 煤層分布
2.2.1 煤層厚度
鎮(zhèn)威煤田以龍?zhí)督M上段C5 煤層為主要可采煤層，全區(qū)穩(wěn)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?。▓D2、4）。龍?zhí)督M下部C9 煤層分布穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，在鎮(zhèn)威煤田東部為可采煤層。C6 煤層主要分布在研究區(qū)東部，向西至廟壩礦區(qū)逐漸變薄尖滅。C1 煤層在中部新莊、馬河、牛場—以古礦區(qū)可采，向東西兩側(cè)變薄尖滅。C2、C3、C4 煤層在煤田東部及西部局部可采。
圖4 鎮(zhèn)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(guān)關(guān)系，部分礦區(qū)含氣量與煤厚呈較明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，如石坎礦區(qū)（相關(guān)系數(shù)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(guān)系，如馬河礦區(qū)（圖5-a）。甲烷濃度的下限與煤厚普遍表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，反映煤層厚度的增加有助于煤層氣的保存（圖5-b）?？傊簩雍穸炔粌H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?shù)装灞４鏃l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(zhèn)威煤田煤層厚度與含氣量、甲烷濃度的關(guān)系圖
2.2.2 煤層埋深
鎮(zhèn)威煤田各礦區(qū)向斜構(gòu)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(zhèn)雄、牛場—以古礦區(qū)，一般不超過1 000 m。煤田中部各礦區(qū)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(qū)。而煤田西北部僅鹽津礦區(qū)埋藏較深，可達1 500 m，其余礦區(qū)埋深均未超過1 000 m（圖6）。
圖6 鎮(zhèn)威煤田C5 煤層埋深分布圖
含氣量上限與煤層埋深關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系，含氣量下限則受煤層埋深影響較小，如馬河礦區(qū)和新莊礦區(qū)等（圖7-a），各礦區(qū)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(guān)關(guān)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(zhì)程度和頂?shù)装灞４鏃l件的綜合約束（圖7-b）。
圖7 鎮(zhèn)威煤田煤層埋深與含氣量、甲烷濃度的關(guān)系圖
2.3 煤巖煤質(zhì)特征
2.3.1 煤變質(zhì)程度
鎮(zhèn)威煤田煤變質(zhì)程度相對較高，煤類以瘦煤、貧煤和無煙煤為主，揮發(fā)分含量介于2% ～ 28%，鏡質(zhì)組最大反射率介于1.95% ～ 2.74%。受構(gòu)造作用影響[13]，最大變質(zhì)程度分別達到貧煤與無煙煤的礦區(qū)表現(xiàn)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(zhèn)雄、牛場—以古以及兩河、廟壩礦區(qū)，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(qū)（圖8）。
圖8 鎮(zhèn)威煤田煤類分布圖
含氣量與煤變質(zhì)程度（揮發(fā)分含量）的關(guān)系相對復雜，揮發(fā)分含量小于10% 時與最大含氣量基本為正相關(guān)關(guān)系，揮發(fā)分含量大于15% 時與最大含氣量則主要為負相關(guān)關(guān)系，不同礦區(qū)最大含氣量對應的揮發(fā)分含量介于10% ～ 17%，揮發(fā)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(qū)含氣量最大值對應較低的揮發(fā)分，而以貧煤為主的馬河、石坎、新莊礦區(qū)最大含氣量則對應于較高的揮發(fā)分。
2.3.2 煤巖組分及煤巖類型
鎮(zhèn)威煤田上二疊統(tǒng)煤的顯微煤巖組成以鏡質(zhì)組為主，平均含量介于42% ～ 79% ；惰質(zhì)組次之，平均含量介于14% ～ 15% ；受煤變質(zhì)程度影響，殼質(zhì)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(qū)內(nèi)含氣量與鏡質(zhì)組含量大致為正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R 為0.5），可能與鏡質(zhì)組生氣潛力大、吸附能力強有關(guān)[10]。
2.3.3 灰分含量
鎮(zhèn)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(qū)出現(xiàn)高值區(qū)（灰分大于25%），如鎮(zhèn)雄礦區(qū)西部及石坎礦區(qū)中部；煤田中部多為中—低灰煤（灰分含量小于20%），如馬河礦區(qū)南部與石坎礦區(qū)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(qū)及興隆礦區(qū)北部。龍?zhí)督M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(guān)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(shù)關(guān)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(guān)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(guān)系反映了沉積環(huán)境對含氣量的控制作用[5, 19]。甲烷濃度下限與含氣量關(guān)系進一步證實這種關(guān)系，東部鎮(zhèn)雄及新莊礦區(qū)C5 煤層頂板多為海相石灰?guī)r，甲烷濃度下限與灰分含量呈正相關(guān)關(guān)系，而中部牛場—以古礦區(qū)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(guān)關(guān)系，反映不同沉積相帶及不同沉積環(huán)境下煤層頂板封蓋能力的差異[20]。
2.4 頂?shù)装鍘r性
龍?zhí)督M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?shù)装鍘r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?guī)r＋厚煤層＋泥巖、三角洲間灣中的泥質(zhì)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）?？傮w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(guān)系[20-21]。
表2 滇東北地區(qū)C5煤層頂?shù)装鍘r性組合及封蓋條件統(tǒng)計表
2.5 構(gòu)造及水文地質(zhì)條件
含煤巖系上覆下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)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(zhì)泥巖與薄層石灰?guī)r，為裂隙弱—中含水層，為煤層間接充水含水層；長興組石灰?guī)r巖溶不發(fā)育，但裂隙較為發(fā)育，隨深度增加，巖層節(jié)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?zhí)督M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(jié)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?guī)r為強巖溶含水層，但對煤層影響較小。總體而言，鎮(zhèn)威煤田上二疊統(tǒng)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(fā)有利區(qū)優(yōu)選
3.1 多層次模糊數(shù)學評價模型
本研究基于多層次模糊數(shù)學方法建立煤層氣選區(qū)評價模型[9,24]，以定量化復雜的煤層氣評價參數(shù)，更全面地對煤層氣勘探潛力進行評價。
3.1.1 評價參數(shù)優(yōu)選及權(quán)重計算
利用層次分析法對鎮(zhèn)威煤田各礦區(qū)中的煤層氣選區(qū)的關(guān)鍵要素進行定量排序， 將研究區(qū)煤層氣資源、儲集條件、保存條件和煤層氣開發(fā)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(fā)的影響又受多個三級參數(shù)的影響，包括可采煤層總厚、含氣量、資源豐度、揮發(fā)分含量、鏡質(zhì)組含量、煤層穩(wěn)定性、灰分含量、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)條件、煤層埋藏深度、地形地貌及交通條件（表3）。
表3 鎮(zhèn)威煤田煤層氣選區(qū)評價參數(shù)及權(quán)重參數(shù)表
滇東北地區(qū)以煤變質(zhì)程度較高、含氣量高、煤層薄而分布穩(wěn)定、滲透性低和構(gòu)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(fā)。根據(jù)前面研究的相關(guān)定性及定量分析成果，結(jié)合相關(guān)煤層氣選區(qū)評價標準[1,2,6-8,10,26-27]，建立同級別參數(shù)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(shù)的權(quán)重（表3），為保證計算結(jié)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(quán)重與三級參數(shù)權(quán)重可獲得各三級評價參數(shù)對于滇東北地區(qū)煤層氣選區(qū)評價的重要性（表4）。
表4 鎮(zhèn)威煤田煤層氣評價參數(shù)隸屬度賦值標準表
3.1.2 評價參數(shù)隸屬度計算及賦值
通過建立各三級參數(shù)隸屬函數(shù)，確定各礦區(qū)三級參數(shù)的隸屬度取值方案[7-10]。三級參數(shù)的性質(zhì)可分為定量參數(shù)和定性參數(shù)，定量參數(shù)包括可采煤層總厚、含氣量、煤變質(zhì)程度、鏡質(zhì)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(shù)的方法確定[9]，即在參數(shù)范圍內(nèi)先分段再線性擬合出隸屬函數(shù)；定性參數(shù)包括煤層頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)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(shù)學評價模型的建立
通過多層次模糊數(shù)學評價模型對煤層氣勘探潛力指數(shù)（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(shù)；Aij 表示第i 個二級指標的第j 項評價參數(shù)的權(quán)重；Xij 表示第i 個二級指標的第j 項評價參數(shù)的隸屬度（表3、4）。
3.2 煤層氣有利區(qū)優(yōu)選
根據(jù)表4 建立的評價參數(shù)權(quán)重體系對鎮(zhèn)威煤田中新莊、石坎、母享—則底、鎮(zhèn)雄等10 個礦區(qū)的煤層氣勘探潛力指數(shù)U 進行計算，結(jié)果表明有4 個礦區(qū)具有較好的勘探潛力（U ＞ 0.5），其中新莊礦區(qū)煤層氣開發(fā)潛力最好，其次為洛旺礦區(qū)、牛場—以古礦區(qū)和馬河礦區(qū)，其他礦區(qū)開發(fā)潛力相對較差，如表5 所示。
表5 鎮(zhèn)威煤田煤層氣評價參數(shù)及選區(qū)結(jié)果表
4 結(jié)論
1）滇東北地區(qū)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?shù)装鍘r性和聚煤沉積環(huán)境的影響，煤變質(zhì)程度及煤巖煤質(zhì)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(fā)條件4 個方面優(yōu)選出可采煤層總厚、平均含氣量、煤變質(zhì)程度、鏡質(zhì)組含量、煤層傾角、灰分含量、頂?shù)装鍘r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(fā)影響因素作為評價參數(shù)，建立基于多層次模糊數(shù)學方法的煤層氣選區(qū)評價模型。
3）優(yōu)選滇東北鎮(zhèn)威煤田開發(fā)潛力最高的4 個礦區(qū)由高到低依次為新莊礦區(qū)、洛旺礦區(qū)、牛場—以古礦區(qū)和馬河礦區(qū)，4 個礦區(qū)在鎮(zhèn)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(huán)境的分布大致平行，反映了沉積環(huán)境對煤層氣成藏的重要控制作用，包括聚煤作用和頂?shù)装宸馍w性能。
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