磁西勘查區主采煤層煤層氣賦存特征

權巨濤,宋志堅,劉石錚,翟振榮

(1.中國煤炭地質總局第一勘探局勘查院,河北邯鄲056004;2.冀中能源峰峰集團公司科技發展部,河北邯鄲056004)

磁西勘查區位于峰峰礦區梧桐莊、九龍、羊渠河、大淑村礦的東部深部,總體為一走向NE,傾向SE的單斜構造。區內出露地層由老到新為：奧陶系中統峰峰組;石炭系本溪組、石炭二疊系太原組;二疊系山西組、下石盒子組,上石盒子組、石千峰組;三疊系下統劉家溝組及和尚溝組。主要含煤地層為石炭二疊系太原組和二疊系山西組。含煤15～18層,煤層平均總厚15.86m,全區穩定可采為2、9號煤層,大部可采為4、6、7、8號煤層。

1 煤層氣生儲存特征

據勘探研究磁西勘查區主采煤層既是煤層氣的源巖,又是其儲集層。煤的物質組成、演化階段以及所處地質條件的不同,不僅影響煤的生烴能力,還直接影響到煤層氣的含量和賦存。一般而言,有機顯微組分中鏡質組的含量越高,煤的吸附能力、生氣量及含氣量就越高。

1.1 煤層氣烴源巖特征

從本區淺部生產礦井和勘查孔以及煤層氣參數孔等揭露,宏觀煤巖成分以半亮煤和半暗煤為主,其次為光亮煤;黑色～灰黑色,似金屬光澤、玻璃光澤;煤的結構,在半亮煤和半暗煤中以細、中寬條帶狀結構為主,在光亮煤和暗淡煤中以線理狀結構、透鏡狀結構、均一狀結構常見。煤層有機顯微組分含量以鏡質組為主,一般在74.8%～84.9%之間,平均為81.2%,惰質組在13.4%～25.2%之間,平均為18.8%(表1)。無機組分以粘土礦物為主,氧化物次之,少量碳酸鹽和硫化物,總含量7.8%～21.1%,平均為12.8%。

2號煤層的原煤的灰分介于17.58%～24.06%之間,屬中等4號煤層原煤的灰分介于11.27%～29.77%,以低灰、中灰煤為主;6號煤層原煤灰分介于12.54%～28.51%,為低灰、中灰煤?？傮w來看,各煤層均為中低灰分的優質煤層,對甲烷有較高的吸附能力。

煤的變質程度為中～高變質的煙煤～無煙煤。而且具有明顯的分帶性,即自南向北煤的變質程度逐漸增高,由肥煤～焦煤～逐漸過渡為貧煤、無煙煤。各煤層鏡煤最大反射率R0max為1.35%～1.48%之間。

表1 2、4煤層顯微組分特征表Tab.1 The maceral of 2th,4thcoal seams

1.2 煤層孔隙率、滲透率

煤層的滲透率主要取決于煤層壓實程度及煤中裂隙系統的發育程度,而裂隙系統又受構造作用的控制。煤層孔隙性一般隨煤層埋深和熱演化程度的加深,煤層孔隙半徑變小,滲透性變差。根據煤層氣參數孔32-1等煤層取樣測試成果,2號煤層孔隙率在3.42%～4.00%之間,平均為3.71%;滲透率介于0.026 2～0.372 9md;4號煤層孔隙率在2.84%～4.08%之間,平均為3.46%;滲透率0.090 6～4.000 0md;6號煤層為3.36%,具有隨埋藏深度增加下降的趨勢。

1.3 煤層儲層壓力特征

本區煤層埋藏較深,儲層壓力較高。本區4個煤層氣井參數井試井結果(表2),

由上表數據顯示,2號煤層儲層壓力為4.23～17.84MPa;4號煤層儲層壓力4.714～12.88MPa;煤儲層破裂壓力為16.87～23.20MPa,測試顯示然除36-1孔為低壓異常外,其它鉆孔的2、4號煤層均為超壓儲層;但煤層的破裂壓力與閉合壓力差值小,不利于通過壓裂產生有效延伸長度和導流能力的裂縫,因此在進行儲層壓裂時特別要保持在高壓力下的壓力穩定,確保裂隙的有效延伸。

1.4 煤層吸附等溫特征

煤層氣以吸附態存在于煤的微孔隙內表面上,而煤對氣體的吸附量與煤的比表面積、溫度和壓力有關,煤層甲烷含量隨著煤化程度及鏡質組含量增高而增高。本次對32-1等孔2、4、6號煤層分別進行等溫吸附試驗,測試結果見表3及圖1。

試驗結果表明,2號煤空氣干燥基蘭氏壓力1.81～2.99MPa,空氣干燥基蘭氏體積18.18～22.83cm3/g。4號煤空氣干燥基蘭氏壓力1.71～2.88MPa,空氣干燥基蘭氏體積19.80～23.83cm3/g。

應用蘭氏方程計算,得到2號煤層理論含氣量11.44～19.33cm3/g,含氣飽和度48.16%～78.85%,臨界解吸壓力1.25～2.92 MPa。4號煤層理論含氣量12.29～18.87cm3/g,含氣飽和度63.65%～84.54%,臨界解吸壓力2.19～3.18MPa。

從4個參數孔的等溫吸附資料看,曲線在降壓初期斜率較小,蘭氏壓力小,含氣飽和度不高,可能使得未來煤層氣孔初期排水降壓存在一定困難,煤層氣采出率不太高,單孔產能不會很大。

2 煤層含氣性

煤層氣成分測試顯示物質組成主要為：甲烷、氮氣、二氧化碳、重烴等;區內2號煤層含氣量8.98～10.16m3/t,平均9.42m3/t。以甲烷為主,平均含量8.52m3/t;次為二氧化碳,平均0.38m3/t;少量重烴和氮氣,含量分別為0.25m3/t和0.27m3/t。4號煤層的含氣總量為10.03～12.01m3/t,平均10.81m3/t。其中甲烷含量平均9.85m3/t;重烴含量平均0.26m3/t;氮氣含量平均0.39m3/t;二氧化碳含量平均0.31m3/t。6號煤層的含氣總量為9.40m3/t。

其中,甲烷含量8.37m3/t,重烴含量0.22m3/t,氮氣含量0.46m3/t,二氧化碳含量0.35m3/t。

3 煤層氣賦存特征及影響因素

3.1 煤層氣平面分布

本區位于峰峰礦區深部,鄰區生產礦井梧桐莊、九龍、羊渠河、小屯和大淑村礦自南向北分布于勘查區淺部,據權威機構鑒定,上述礦井大部分為高瓦斯礦井(表4),瓦斯涌出量呈現自南向北增高;煤層含氣量從西向東,由南向北增高。

表3 煤層氣等溫吸附測定成果及相關儲層參數表Tab.3 The parameter of coalbed methane isothermal adsorption and its reservoir

表4 鄰近生產礦井2007年度瓦斯等級鑒定表Tab.4 Scoring card of gas grade in adjacent mine in 2007

3.2 煤層埋深

煤層氣含量與煤層埋藏深度有一定關系。隨著煤層埋藏深度的增加,上覆地層逐漸加厚,加大了對煤層氣的封存作用,不利于煤層氣逸散,從而使煤層氣含量升高。同一煤層,煤層氣含量隨深度增加而增大。同一鉆孔,下部煤層煤層氣含量較上部煤層高。

3.3 煤層氣封蓋條件

對煤層氣而言,煤層本身既是生氣層,又是儲層,其上覆、下伏地層對煤層氣起到封閉作用。在整個圍巖“系統”中,煤儲層直接頂底板對煤層氣保存條件的影響比較顯著,它是封堵煤層氣的第一道屏障,對煤層氣的保存與富集起著決定性的作用。一般情況下,煤層上覆泥、頁巖等直接蓋層,平面上連續穩定分布,其上又有區域性蓋層,對煤層氣的保存最為有利。

研究證明,本區2號煤層頂板主要為泥巖、粉砂巖,巖性致密,透氣性較差,有利于煤層氣資源的保存,而下部4號煤層頂板主要為灰巖,滲透性較好,不利于煤層氣資源的保存,因此本區2號煤層煤層氣含量大于下部4號煤層。

3.4 地質構造

一般認為壓性構造有利于煤層氣資源的保存,張性構造不利煤層氣資源的保存,本區主要構造類型為壓性力場作用下張性構造,斷裂構造以正斷層為主,按照常理推斷應該是不利煤層氣源的保存。但是,本區位于峰峰礦區深部,煤層埋深在960～1 520m,雖然受斷裂構造條件的影響,使局部煤層甲烷含量偏低,但總體煤層氣含量較高。

4 結論

1)磁西勘查區主采煤層既是煤層氣的源巖,又是其儲集層,宏觀煤巖成分以半亮煤和半暗煤為主,其次為光亮煤;煤層有機顯微組分含量以鏡質組為主,無機組分以粘土礦物為主。煤的變質程度為中～高變質的煙煤～無煙煤,鏡質組最大反射率為1.35%～1.48%之間,生氣量較高。

2)本區構造類型以正斷層為主,位于峰峰礦區深部,煤層埋深在960～1 520m,煤層與泥質巖層接觸具有一定的封閉性,斷層的影響不大;主采2號煤層直接頂板為泥巖、粉砂巖,巖性致密,透氣性較差,有利于煤層氣資源的保存;下部4號煤層頂板主要為灰巖,滲透性較好,不利于煤層氣的保存。

3)本區煤層含氣量具有從西向東,由南向北增高的趨勢。

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