織納煤田紅梅煤礦煤層氣地質(zhì)特征與勘探前景

李 碧 徐陽(yáng)東

(1.貴州省煤田地質(zhì)局142隊(duì)，貴州 550011；2.貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 550018)

織納煤田紅梅煤礦面積為19.17km2，煤層氣推測(cè)地質(zhì)資源量為18.2億m3。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，水文地質(zhì)條件中等，煤層為高瓦斯含量煤層?？刹擅簩?層，分別為6、7、16、17、21、23、27號(hào)煤，煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬于中灰高硫高發(fā)熱量無(wú)煙煤。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北隆起遵義拱之納雍織金凹褶斷束，珠藏向斜北東翼中段。礦區(qū)總體上大致呈單斜構(gòu)造，向斜北東翼部較陡，南東受小褶皺構(gòu)造(老幫寨向斜、屯上背斜)影響。區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)斷層70條(包括隱伏斷層28條)，但規(guī)模較小，多集中于礦區(qū)深部和北東段，淺部構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單。礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造復(fù)雜程度類型屬中等構(gòu)造。

1.2 地層沉積特征

礦區(qū)及周邊出露的地層為第四系(Q)，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，二疊系上統(tǒng)大隆組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M、峨嵋山玄武巖組。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M分布于礦區(qū)南部呈長(zhǎng)寬帶狀，是礦區(qū)內(nèi)主要的出露地層，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤層等組成的一套海陸交替相含煤沉積地層，沉積厚度在老幫寨向斜軸部有增厚現(xiàn)象。

1.3 含煤地層與煤層

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為龍?zhí)督M，平均厚度為317.62m，含煤26～36層，一般為31層。煤層總厚13.60～25.00m，平均21.90m，含煤系數(shù)為6.90%。全區(qū)可采煤層16、23兩層，厚1.83～10.78m，平均4.08m；大部及局部可采煤層為6、7、17、21、27煤層，厚4.00～10.00m，平均6.65m?？刹煽偤穸?0.73m，可采含煤系數(shù)為3.38%。可采煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層較穩(wěn)定。

1.4 煤質(zhì)特征

礦區(qū)煤層以亮煤、暗煤為主，少量鏡煤和絲炭，煤巖類型主要為半暗～半亮型、半亮型。內(nèi)生裂隙發(fā)育，見(jiàn)方解石、鈣質(zhì)薄膜以及細(xì)脈狀黃鐵礦充填。區(qū)內(nèi)煤層鏡煤最大反射率為2.81%～3.71%，平均為3.30%，自上而下呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；煤級(jí)為高煤級(jí)煤Ⅰ，除底部27煤有局部無(wú)煙煤二號(hào)(WY2)分布外，其他均為無(wú)煙煤三號(hào)(WY3)。原煤干燥基灰分產(chǎn)率為9.38%～39.86%，平均為23.89%，屬于中灰煤；全硫含量為0.33%～11.12%，平均為4.28%，屬于高硫煤；高位發(fā)熱量(Qgr·d)為18.78MJ/Kg～34.88MJ/Kg，平均值為30.07MJ/Kg，屬于高發(fā)熱量煤。

1.5 水文地質(zhì)特征

礦區(qū)含煤地層地下水主要依靠大氣降水補(bǔ)給，但區(qū)內(nèi)地形切割嚴(yán)重，坡度和相對(duì)高差較大，有利于大氣降水的排泄，但不利于對(duì)含煤地層的補(bǔ)給；煤礦床的直接充水含水層為龍?zhí)督M，屬于基巖裂隙水類型，富水性弱；含煤地層上覆的下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組下段和下伏的峨眉山玄武巖具有良好的隔水性，含煤地層與上覆下伏含水層之間一般沒(méi)有直接水力聯(lián)系。礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件中等。

2 煤層儲(chǔ)層特征

2.1 煤層含氣量及其分布規(guī)律

礦區(qū)煤層氣含量為3.92～28.02m3/t，平均值為13.32m3/t；其中：6號(hào)煤層為6.04～16.98m3/t，平均值11.28m3/t；7號(hào)煤層為3.92～18.00m3/t，平均值12.86m3/t；16號(hào)煤層為6.76～23.78m3/t，平均值13.85m3/t；17號(hào)煤層為7.99～14.46m3/t，平均值10.67m3/t；21號(hào)煤層為8.75～21.56m3/t，平均值14.45m3/t；23號(hào)煤層為5.70～8.02m3/t，平均值12.47m3/t；27號(hào)煤層為9.56～26.12m3/t，平均值16.06m3/t，上述可采煤層均屬于富甲烷煤層。

以主采16號(hào)煤層為例分析礦區(qū)煤層氣分布規(guī)律。不同構(gòu)造部位煤層氣含量差異較大。位于老幫寨向斜軸部的2-2、2-7、183、193、203、213孔含氣量明顯高于兩翼的305、181、146孔，且在軸部附近183、193孔形成了含氣量大于20m3/t的富氣中心；向斜陡翼(南東翼)高含氣量分布范圍明顯大于緩翼(北西翼)；位于屯上背斜軸部附近的607孔含氣量?jī)H6.07m3/t，向北西珠藏向斜及南東老幫寨向斜含氣量逐漸增高?？傮w上，向斜軸部含氣量較高，向兩翼含氣量逐漸降低，且與單個(gè)向斜的規(guī)模和“坳陷”深度直接相關(guān)；背斜軸部由于裂隙較發(fā)育，煤層氣易于逸散，含氣量較低，向兩翼含氣量逐漸增高。局部地段小型斷層發(fā)育，往往是區(qū)內(nèi)煤層氣含量局部變化的重要原因。如1304、117孔(16號(hào)煤以下)隱伏逆斷層上盤(pán)的煤層氣局部降低，148孔正斷層附近煤層含氣量也局部降低。不同煤層其含氣量的區(qū)域分布規(guī)律類似，只是下部煤層含氣量略高于上部煤層。

圖1 紅梅煤礦16號(hào)煤層瓦斯等值線分布圖

2.2 煤層滲透性

礦區(qū)內(nèi)對(duì)148、1305孔的可采煤層進(jìn)行注入/壓降試井測(cè)試，獲取煤儲(chǔ)層參數(shù)值，對(duì)煤層氣勘探的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。詳見(jiàn)表1。

由表1可知，礦區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性中等，導(dǎo)流能力中等，但各可采煤層有效厚度較薄-中厚，煤層埋深較淺，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，但很少見(jiàn)外生裂隙，尤其缺少煤層長(zhǎng)距離運(yùn)移的大型裂隙系統(tǒng)，對(duì)煤層氣進(jìn)行開(kāi)采難度較大，需進(jìn)行大型壓裂后再進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

2.3 儲(chǔ)層壓力

通過(guò)對(duì)48、1305孔的可采煤層進(jìn)行原地應(yīng)測(cè)試，獲取各煤層的儲(chǔ)層壓力。由表2可以看出，礦區(qū)6、7、16號(hào)煤層屬于低異常壓力系統(tǒng)，17、21、23、27號(hào)煤層屬于正常壓力系統(tǒng)；且破裂壓力、閉合壓力均較高，表現(xiàn)為壓力主導(dǎo)型應(yīng)力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲(chǔ)層壓力可在較大范圍自由傳遞，適合于地面開(kāi)發(fā)。

2.4 采收率

煤層氣可采率也稱為采收率。在勘探初期階段，煤層氣采收率通過(guò)等溫吸附常數(shù)、實(shí)測(cè)瓦斯含量、臨界儲(chǔ)層壓力等加以換算；在缺乏等溫吸附資料的情況下，采用勘查階段煤芯解吸實(shí)驗(yàn)獲得的煤層氣解析率近似地表示煤層氣采收率。礦區(qū)煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)資料較少，目前尚無(wú)真正意義上的排采煤層氣井，故采收率的獲取主要依靠鉆孔煤芯解吸資料。

(1)基于煤芯解吸資料的煤層氣采收率

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地勘時(shí)期煤層瓦斯含量測(cè)定方法》(GB/T23249-2009)，煤層含氣量由瓦斯損失量(V1)、瓦斯解吸量(V2)、粉碎前脫氣瓦斯量(V3)和粉碎后脫氣瓦斯量(V4)四部分組成。瓦斯損失量與現(xiàn)場(chǎng)兩小時(shí)解吸量之和與總含氣量之百分比稱為解吸率。

礦區(qū)66件鉆孔煤芯解吸資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，可采煤層甲烷平均解吸量為3.75～6.10m3/t，平均為5.01m3/t；平均解吸率為26.19%～47.44%，平均為38.26%(表3)。

表3 紅梅煤礦煤芯煤層氣解吸結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

(2)基于等溫吸附特性的煤層氣采收率

基于等溫吸附常數(shù)，煤層氣采收率(η，%)可有下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Pad—枯竭壓力，MPa；PL—朗格繆爾壓力，1/b，MPa；Pcd—臨界解吸壓力，MPa。

煤層氣枯竭壓力也稱為廢棄壓力，是指現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下煤層氣井排水降壓所能達(dá)到的最低井底壓力。根據(jù)美國(guó)經(jīng)驗(yàn)，枯竭壓力在0.7MPa左右，近年來(lái)，煤層氣開(kāi)采技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，使得0.5MPa以上煤儲(chǔ)層壓力范圍能夠解吸的煤層氣都可被抽采出來(lái)。因此，采用0.5MPa作為本次計(jì)算的枯竭壓力。

基于上述理論，求得的6煤層采收率為40.34%～53.67%，平均為45.53%；16煤層為36.07%～51.74%，平均為43.91%；21煤層為35.88%～44.92%，平均為40.40%；27煤層為41.25%～42.90%，平均為42.47%，與煤芯煤層氣解吸率大致相當(dāng)，且呈現(xiàn)隨埋深增大有降低的趨勢(shì)；6煤層理論飽和度為58.19%，16煤層為42.87%；21煤層為40.57%；27煤層為38.11%，處于嚴(yán)重欠飽和狀態(tài)，說(shuō)明煤儲(chǔ)層內(nèi)不存在較多的游離態(tài)和水溶態(tài)氣體(表4)。

表4 紅梅煤礦等溫吸附法求得的煤層氣采收率

3 結(jié)論

礦區(qū)煤層氣資源較為豐富，各煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，但很少見(jiàn)外生裂隙，尤其缺少煤層長(zhǎng)距離運(yùn)移的大型裂隙系統(tǒng)；煤儲(chǔ)層具有壓力主導(dǎo)型應(yīng)力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲(chǔ)層壓力可在較大范圍自由傳遞；煤儲(chǔ)層滲透性中等，導(dǎo)流能力中等，且煤層與上覆下伏含水層沒(méi)有直接的水力聯(lián)系，均對(duì)煤層氣井排采較為有利，因此，礦區(qū)煤層氣資源在合理排采制度下有可能采用地面井技術(shù)通過(guò)降壓方式予以開(kāi)發(fā)。