胡家河-小莊井田4號煤層煤層氣賦存特征研究

李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開發利用有限公司，陜西 710119)

胡家河-小莊井田4號煤層煤層氣賦存特征研究

李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開發利用有限公司，陜西 710119)

根據煤田及煤層氣勘探井資料，對研究區的煤層氣賦存特征進行了系統分析。結果表明：研究區延安組煤系含水層處于地下水徑流區，煤層氣的保存條件較差；主采4號煤儲層具有孔隙度低、滲透性好、儲層壓力小和吸附、解吸能力較強的特征；煤層變質程度低，為低階煤，生氣能力較低，含氣量低，含氣量平面具有西高東低、南北上呈間隔狀分布的特征；屬埋深中等、低豐度的中型煤層氣田。

煤層氣 含氣量 資源量 賦存特征 胡家河-小莊井田

1 地質背景

1.1 區域構造特征

胡家河-小莊井田位于彬長礦區東北部的涇河東側，行政區劃隸屬彬縣北極、義門鎮及西坡鄉管轄。地理坐標處于東經107°55′45″～108°04′00″，北緯35°04′58″～35°12′45″之間。礦井分別與孟村煤礦、亭南煤礦、大佛寺煤礦、下溝煤礦、火石咀煤礦和文家坡煤礦毗鄰。井田東西長8.1km，南北寬13.5km，面積98.7275km2。

胡家河-小莊井田在大地構造位置上處于鄂爾多斯盆地彬縣～黃陵坳褶帶，構造運動相對穩定。區域上地處彬長礦區中北部的路家-小靈臺背斜到七里鋪～西坡背斜之間的孟村向斜區。構造整體表現為東南高、西北低，并伴隨著一系列波狀起伏的單斜構造，地層傾角平緩，一般小于5°，斷層稀少。

1.2 含煤地層特征

侏羅系延安組為研究區唯一含煤地層，區內無出露。鉆孔揭露延安組地層厚度為0～139m，平均47.5m。巖性以河沼相砂泥巖沉積為主。根據沉積組合特征、物性特征及含煤性特征，延安組可劃分為2個含煤層段，上段含3號煤組，下段含4號煤組。4號煤組在井田出現一次分岔，編號為4-1，3煤、4-1為局部可采煤層，4號煤為主要可采煤層，基本全區可采。

1.3 蓋層條件

良好的封蓋層可以減少煤層氣的向外滲流運移和擴散逸失，保持較高地層壓力，維持較大的吸附量，減弱地層水對煤層氣造成的散失。一般煤層頂板為砂質泥巖、泥巖類或致密灰巖時有利于煤層氣的保存。頂板巖層的巖性越疏松、顆粒及孔隙越大，越利于煤層氣的運移和逸散。作為煤層氣賦存的第一道天然屏障，煤層頂底板巖性及厚度分布對煤層氣的保存非常重要。研究區4號煤直接頂板以泥巖為主，次為粉砂巖、砂巖，一般厚度0.42～7.23m，封閉性能中等，底板多為泥巖、次為鋁質泥巖或炭質泥巖，一般厚度為0.2～9.85m，封閉性能良好。

1.4 水文地質條件

彬長礦區自上而下依次發育的主要含水層有：①第四系孔隙含水層；②新近系小章組下部砂卵礫石含水層；③白堊系洛河組砂巖含水層；④白堊系宜君組礫巖含水層；⑤侏羅系安定組下部砂巖含水層；⑥侏羅系直羅組下部砂巖含水層；⑦侏羅系延安組砂巖含水層；⑧侏羅系延安組4號煤含水層；⑨三疊系胡家村組砂巖弱含水層。隔水層自上而下有：①新近系小章組上部紅粘土隔水層；②白堊系華池-環河組泥巖隔水層；③侏羅系安定組上部泥巖隔水層；④侏羅系直羅組上部泥巖隔水層；⑤侏羅系延安組頂部泥巖隔水層；⑥侏羅系延安組4號煤頂板泥巖隔水層；⑦侏羅系延安組4號煤底板泥巖隔水層；⑧侏羅系富縣組泥巖隔水層。比較各含水層的礦化度和水質類型，易見延安組煤系含水層比洛河組、宜君組、安定組含水層的礦化度都明顯偏大，而且在水質類型上有明顯不同(表1)。由此判斷，延安組煤系含水層與洛河組、宜君組、安定組含水層不具明顯水力聯系。根據礦區延安組含水層的水動力相對強弱情況將彬長礦區延安組含水層分為側向徑流補給區、弱徑流區和相對滯流區3個區，研究區位于彬長礦區地下水徑流區，整體不利于煤層氣保存。

表1 胡家河-小莊井田水質分析

2 煤儲層特征

2.1 煤層空間展布特征

4號煤層位于延安組下段的底部，厚度0.8～35.04m，平均16m。煤層厚度依古地貌形態差異而變化，在1-1、1-2、2-2、3-1、3-2、4-2、4-3、26、159、4-6、224、DG2等鉆孔古隆起中心地帶未沉積煤層，在古隆起邊緣煤層厚度較薄，一般小于10m，在古地形平緩區厚度穩定，一般在15m左右，在古地形低凹區沉積厚度較大，一般在23m左右，最大厚度35.22m，總體具有由自東向西、由南北向中南部變厚的特征(圖1)。4號煤層埋深367.78～837.78m，平均埋深656.91m，整體具有向中南部埋深增大的趨勢。

圖1 胡家河-小莊井田延安組4號煤層厚度等值線圖

2.2 煤巖煤質特征

宏觀煤巖類型在一定程度上反映了煤的生氣能力，亮煤生氣能力高于暗煤。研究區4號煤宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，夾鏡煤條帶及絲炭；宏觀煤巖類型上，上部為半亮、半暗型夾光亮型煤，下部為半暗、暗淡型煤。煤巖測試分析顯示，有機顯微組分含量較高，在77.7%～95.8%之間，以半惰+惰質組為主；無機組分含量平均為8.0%～12.3%，以粘土類和碳酸鹽為主，硫化物和氧化物含量較小。煤巖中水分含量較低，一般為1.27%～6.99%之間；灰分產率在8.63%～33.24%之間，平均14.07%，屬低灰煤，平面上整體表現為由東向西降低，呈向西張開的半環形；揮發分分布在25.27%～36.95%之間，平均33.15%，屬中高揮發分煤，自東向西降低；硫含量變化在0.19%～2.57%之間，平均0.84%，屬低硫煤。

煤層的生氣能力直接受煤的變質程度控制，它是煤層埋藏式、受熱史的綜合產物。4號煤層鏡質組反射率為0.570%～0.728%，測試表明4號煤層屬Ⅱ煤化階段低階煙煤，熱演化程度低，目前最大埋深800m，同時在埋藏過程中經歷了多次抬升，因此，綜合分析認為煤儲層生氣能力較低。

2.3 煤儲層孔隙及滲透性特征

研究區煤層結構清晰，為條帶、層狀構造，主要為原生～碎裂結構煤，內生裂隙發育，僅在胡家河井田西南部局部地區發育碎粒結構煤。實驗測試結果表明，4號煤層孔隙度在2.99%～6.76%間，平均為4.67%，滲透率為0.091～5.11mD，平均為1.8mD，滲透率與煤層厚度具有明顯正相關關系，煤層滲透性較好。

2.4 煤儲層溫度及壓力

研究區6口煤層氣參數井實測儲層溫度數據表明，煤儲層溫度介于24.59～28.06℃之間，平均為22.76℃，屬于地溫正常區，隨著煤儲層埋深增加，儲層溫度升高。

煤儲層壓力直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附和煤層甲烷的解吸，是影響煤層氣抽采的重要參數。研究區4號煤儲層壓力為2.65～5.70MPa，壓力梯度為0.411～0.882MPa/100m，平均0.632MPa/100m，為低壓異常狀態(表2)。根據4號煤儲層壓力與煤層埋深之間的關系，建立一元回歸方程式：

Y=0.0184X-9.3444

式中，Y為4號煤儲層壓力，MPa；X為4號煤煤層埋深，m。

經檢驗相關系數為0.9232，說明儲層壓力與煤層埋深相關性顯著，即儲層壓力隨著埋深的增加而逐漸增大(圖2)。

圖2 胡家河-小莊井田4號煤儲層壓力與埋藏深度關系

鉆孔埋深/m儲層壓力/MPa儲層壓力梯/(MPa/100)HJH-0375435～772194290578HJH-0480350～823905700722HJH-0561885～626355330882XZ-0270894～732554100588XZ-0377574～80437466061XZ-0465795～682762650411

2.5 煤儲層吸附解吸特征

等溫吸附實驗分別測試了4號煤層的空氣干燥基和干燥無灰基Langmuir體積。從測試數據中可以看出，4號煤層空氣干燥基Langmuir體積在10.14～14.74m3/t之間，平均為12.8m3/t；干燥無灰Langmuir體積在13.52～17.35m3/t之間，平均為15.39m3/t。Langmuir壓力在3.38～8.17MPa間，平均為4.54MPa(圖3)。整體而言，區內煤層吸附能力較強。按照依據蘭氏體積與蘭氏壓力進行的煤層氣選區評價，4號煤層吸附性能屬Ⅱ類中等類型。

圖3 胡家河-小莊井田HJH-03井4號煤層等溫吸附曲線

煤層氣解吸率在44.21～86.84%之間，平均65.9%；吸附時間為0.05～6.19天，平均在1.57～2.97天之間；臨界解吸壓力為0.03～0.24MPa，平均0.46MPa；臨儲比為0.006～0.486之間，平均0.11，不利于煤層氣開采。

2.6 含氣性特征

從圖4可以看出，研究區煤層氣含量低，介于0.15～4.12m3/t，具有西高東低的特征，在南北向上呈間隔狀分布，存在三個含氣高值區，分別位于214及HJH-04號鉆孔附近、H2-4及H4-4號鉆孔附近和4-3及5-3號鉆孔附近。

圖4 胡家河-小莊井田延安組4號煤層含氣量等值線圖

研究區煤層含氣量的分布與構造也呈現出明顯的相關性。向斜軸部因其處于應力擠壓狀態以及埋藏深等原因，其對煤層氣的封閉性條件較優越，含氣量高，其次是背向斜翼部和單斜構造。

3 煤層氣資源量計算

胡家河-小莊井田現有煤層氣井的排采資料不足以滿足氣藏數值模擬法進行資源量計算，論文采用含氣量法，依據《煤層氣資源/儲量規范》(DZ/T0216-2002)，取4號煤層含氣量1m3/t及有效厚度0.8m作為煤層氣資源量計算下限，4號煤密度為1.46t/m3，經計算，含煤面積為78.09km2，煤層氣資源總量為43.4×108m3，資源量豐度為0.56×108m3/km2，為低豐度中型煤層氣田。

4 結論

(1)胡家河-小莊井田4號煤層厚度0.8～35.04m，平均16m，全區大部分可采，頂、底板封蓋性性能中等，構造活動相對較弱，為煤層氣的賦存提供了有利的條件。但區域上與煤層氣緊密接壤的延安組含水層處于地下水弱徑流區，不利于煤層氣的保存。

(2)研究區煤巖中惰質組含量高，煤巖演化程度較低，以低階煙煤為主，生氣能力較低，煤儲層具有孔隙度低、滲透性好和儲層壓力小的特征。

(3)研究區煤層含氣量低，吸附及解吸能力較強，含氣量平面具有西高東低、南北上呈間隔狀分布的特征。

(4)研究區4號煤煤層氣資源量為43.4×108m3，煤層氣資源地質儲量平均豐度為0.56×108m3/km2，煤層平均埋深656.91m，屬埋深中等、低豐度的中型煤層氣田。

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(責任編輯 黃 嵐)

Research on CBM Occurrence Features in No.4 Coal Seam of Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

LI Xiangrong, ZOU Haijiang

(Shaanxi Coalbed Methane Development Co. Ltd. Shaanxi 710119)

According to the materials of the coalfield and CBM test wells, the paper systematically analyzes the CBM occurrence features of the studied area. The results show that the aquifers of the coal measures of Yan’an Formation of the studied area locates in the groundwater runoff area, which is relatively poor condition for CBM storage. No.4 coal seam, which is the main coal seam, is featured with low porosity, good permeability, low pressure of reservoirs, and strong capability of absorption and desorption. The coal in this area belongs to low rank coal due to the low, metamorphic grade of coal seam. It has limited gas generation capacity with low gas content. The plane of gas content is higher in the west and lower in the east, and distributed at intervals from south to north, which belongs to the medium CBM gas field with medium burial depth and low resource abundances.

CBM; gas content; resources; occurrence feature; Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

李向榮，男，鉆探工程師，現任陜西省煤層氣開發利用有限公司副總工程師。