關于煤層氣資源量估算中可采邊界的探討

楊曙光 魏 敏 黃 濤 王 剛 來 鵬 張 娜

(1.新疆維吾爾自治區煤田地質局煤層氣研究開發中心，新疆 830009；2.新疆烏魯木齊國盛新能源投資開發(集團)有限公司，新疆 830001；3.新疆維吾爾自治區煤田地質局一六一煤田地質勘探隊，新疆 830009)

在煤層氣勘探過程中，計算煤層氣資源量時，首先要確定估算范圍，其中含氣量估算邊界的確定就涉及到煤層含氣量邊界和煤層氣風化帶邊界的問題，一般情況下確定為風化帶以下且含氣量大于最低下限標準，這在中高煤階地區一般沒有問題，但在某些低煤階地區，比如新疆的烏魯木齊礦區、陜西彬長大佛寺礦區、鄂爾多斯盆地烏審煤田等地，風化帶邊界和含氣量下限標準確定的邊界差別很大，顯然不能簡單的以兩種邊界求交集來解決。以下將對現行的方法存在的問題進行分析，并對解決方案進行探討。

1 現行煤層氣資源量估算中含氣量估算邊界的確定

1.1 含氣量邊界

《煤層氣資源/儲量規范(DZ/T 0216—2010)》對煤層氣資源量計算時含氣量估算邊界做出了明確的規定(表1)。其中，低煤階煤層氣的含氣量下限標準為1m3/t，但對煤層氣的成分沒有明確的要求，僅規定參與資源量計算的煤層氣含量測定值中應剔除濃度超過10%的非烴氣體成分。

表1 煤層氣資源儲量計算的含氣量下限標準

1.2 風化帶邊界

《煤層氣資源勘查技術規范(GB/T 29119—2012)》不僅對煤層氣資源量計算時含氣量估算邊界做出了規定，同時確定煤層氣風化帶以淺的煤層不計算煤層氣資源/儲量。

由于煤儲層被風化改造，煤中甲烷向上運移，與此同時地面空氣向煤層中滲透，使煤層中煤層氣呈現出垂直分帶的特征。自上而下按瓦斯成分不同劃分為4個帶:①氮氣-二氧化碳帶，二氧化碳大于20%；②氮氣帶，氮氣大于80%、甲烷小于20%；③氮氣-甲烷帶，甲烷為20%～80%、氮氣為80%～20%；④甲烷帶，甲烷大于80%、氮氣小于20%。一般把前3個帶統稱為甲烷風化帶。

在實際應用中，甲烷風化帶下界的確定一般按以下原則來進行：①在煤體中所含氣體的甲烷成分大于80%；②在煤層中瓦斯壓力為0.15～0.2MPa;③在相同自然條件下(如水分、溫度)與瓦斯壓力為0.15～0.20MPa相當的瓦斯含量，氣煤為1.5～2.0m3/t，粘結煤為2.0～2.5m3/t，瘦煤為2.5～3.0m3/t，貧煤為3.0～4.0m3/t，無煙煤為5.0～7.0m3/t;④礦井相對瓦斯涌出量大于2m3/t。

在煤層氣勘探過程中，部分新礦區并沒有煤礦開采，因此也就沒有瓦斯壓力和礦井相對瓦斯涌出量的數據，所以普遍使用甲烷成分小于80%作為煤層氣風化帶。這樣的確定方法非常簡單，而且有利于操作，因此被普遍采用。

1.3 資源量估算中的含氣量估算邊界

綜上所述，現行煤層氣勘查資源量估算過程中的含氣量估算邊界多數人是以含氣量達到下限標準(低煤階1m3/t；中煤階4m3/t；低煤階8m3/t)，并且甲烷含量達到80%來確定的。

2 低煤階煤層氣含氣量估算邊界確定存在的問題

在煤層氣勘探階段計算煤層氣資源量時，淺部邊界就主要以煤層氣含氣量和煤層氣風化帶來確定。在中高煤階地區，煤層含氣量隨著深度的增加增長較快，在煤層氣成分中甲烷含量隨著深度的增加增長同樣較快，所以，以煤層氣風化帶劃定的邊界和以含氣量下限標準劃定的資源量計算邊界相差不大。但在有些低煤階地區，煤層含氣量隨著深度的變化增加相對較快，但是煤層氣成分復雜，氮氣和二氧化碳的含量較高，因此甲烷含量隨著深度的增加增長較慢。這就造成了在這些區域，雖然含氣量較高，但仍然處于煤層氣風化帶中。

比如在烏魯木齊河東礦區，煤類以不粘煤和長焰煤為主，屬于低煤階煤。根據資源量計算含氣量下限標準(1m3/t)確定的含氣量估算邊界埋深在300m左右，而在WCS-X井附近，根據甲烷成分確定的煤層氣風化帶埋深在900m左右。在860m左右含氣量較高，一般平均值會達到6.75m3/t，雖然甲烷濃度只有72.4%，但純甲烷含量也能達到4.89m3/t(表2)，同樣具有開采價值。

表2 烏魯木齊礦區WCS-X井煤層氣含量測試數據

江西省的部分煤礦，與烏魯木齊河東礦區相比， 煤層氣含量更高， 最高可以達到近18.96m3/t，甲烷含量也很更高，最高可以達到12.42m3/t，但甲烷的濃度一般也都不足70%；與烏魯木齊河東礦區不同的是：除去甲烷以外的其他成分中，烏魯木齊河東礦區二氧化碳較高，而江西部分煤礦以氮氣為主(表3)。

表3 江西省部分煤礦區煤層瓦斯測試成果表

也有另外一種觀點認為，風化帶應該和氮氣含量密切相關，因為風化作用首先有空氣的置換，而氮氣是空氣的主要成分，煤層氣風化帶的判斷，氮氣含量多少應該是一個主要指標。

除了新疆、江西以外，鄂爾多斯盆地煤層氣成分中，甲烷含量差別也較大，僅黃陵、焦坪的甲烷體積分數在80%以上，其他樣品的 甲烷多低于 80%；彬長大佛寺4號煤層甲烷濃度最高值95.26%，一般在50%～80%左右；

在上述區域，煤層氣含量高但甲烷濃度不足80%的情況，給煤層氣資源量計算的邊界劃定帶來了不確定性。如果考慮將甲烷濃度80%(風化帶邊界)作為含氣量估算邊界，甚至會將純甲烷含量大于10m3/t，具有很好資源條件的區域劃為不可采區域，這種現象在低煤階地區很普遍。因此，在實際工作中這個規則需要調整，才能符合實際情況。

3 儲量計算中含氣量估算邊界確定方法的探討

根據以上分析，以往儲量含氣量估算邊界的確定主要由煤層氣風化帶邊界和煤層含氣量起算下限標準共同確定的，通過分析，這種方法在低煤階部分區域存在一定的局限性。特別是現有的煤層氣風化帶確定標準劃定的含氣量估算邊界與低煤階區域煤層氣開發的經濟性存在矛盾。

比如烏魯木齊礦區某區域，根據煤層氣含氣量標準確定的含氣量估算邊界含氣量為1m3/t，而在860m左右由于含氣量較高，一般會達到7m3/t左右，雖然甲烷含量只有72%左右，但純甲烷的含量也能達到近5m3/t，此時顯然不能簡單地以80%作為儲量計算邊界，這樣會使很多高含氣量的區域不能夠進行資源量計算，與實際情況相悖。

煤層氣風化帶邊界的確定影響因素較多，一是難以劃定，二是按照以往的劃定標準劃分的風化帶邊界并不適用于煤層氣資源量的計算。因此建議，在劃定含氣量估算邊界時，可不考慮煤層氣風化帶。實際影響煤層氣開發經濟性的邊界條件因素主要有三項：一是煤層氣含量；二是氣體成分(主要是甲烷含量百分比)；三是煤層埋深。另外從資源量計算的角度來說，含氣量和氣體成分才是最關鍵的因素。

3.1 低煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界

基于上述分析，提出以下幾種確定劃定儲量計算含氣量估算邊界的方案：

3.1.1 甲烷含量法

煤層氣的有效成分是甲烷，所以儲量計算含氣量估算邊界由煤層氣含量和甲烷含量百分比(甲烷濃度)共同確定：

以煤層氣含量≥2m3/t，且甲烷體積百分比≥50%來確定儲量計算含氣量估算邊界。

從現有的低煤階煤層氣開發區塊來看，含氣量普遍是大于2m3/t的，但有很多區域甲烷含量普遍不足80%；甲烷含量50%以上的區域含氣量普遍大于2 m3/t，特別是某些區域深部600m以深雖然甲烷含量不足80%，但含氣量高達6～8m3/t(圖1)；基于以上原因確定了本方案。本方案同樣不考慮煤層的埋深因素，優點是兼顧了深部含氣量高但甲烷百分比不足80%的煤層氣資源量的計算，但與《煤層氣資源/儲量規范(DZ/T 0216—2010)》存在較大差別，如果從純甲烷含量的角度考慮，雖然含氣量標準從1m3/t提高到了2m3/t，但純甲烷的含量不小于1m3/t，與原標準0.8m3/t相差并不大。

圖1 烏魯木齊礦區煤層氣含量、甲烷含量與埋深關系圖

3.1.2 埋深、含氣量分段法

此方案考慮的因素除了含氣量、甲烷濃度外，還有埋深因素。主要考慮到煤層氣資源量受埋深的影響比較大，隨著埋深的增加，含氣量、氣成分、煤層氣開發的經濟性等都會發生變化，所以在此方案中考慮了埋深因素。

具體方案是，將煤層埋深劃分為三段，對不同深度段采用不同的含氣量，但隨著埋深的增加，含氣量的要求增大。甲烷含量百分比仍然采用50%，具體劃分方法見表4。

表4 分段法劃定的儲量計算含氣量估算邊界

此方案的優點是考慮了煤層氣開發的經濟性隨著深度的增加而變差的特點，將含氣量的標準隨著埋深的增加而做了適當的調整，更切合實際情況；缺點是增加了參數，規定相對復雜，不利于操作。

3.1.3 推薦方案

比較上述兩種方案，綜合考慮認為：用煤層氣含量≥2m3/t，且甲烷體積百分比≥50%來確定低煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界更為合理。理由如下：

(1)與《煤層氣資源/儲量規范(DZ/T 0216—2010)》、《煤層氣資源勘查技術規范(GB/T 29119—2012)》雖有差別，但甲烷含量的要求差別不大；

(2)解決了很多低煤階區域雖然甲烷含量不足80%，但含氣量較高，可經濟開發，但不能計算資源量的根本問題；

(3)借鑒其它礦種的工業品位，一般也不把埋深作為參考指標；

(4)定義簡單，操作方便。

3.2 中高煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界

中高煤階煤層氣的特點與低煤階差別很大，隨著深度的增加含氣量和甲烷含量增加較快，所以中高煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界建議依然采用原標準，即中煤階含氣量大于4 m3/t，甲烷濃度大于80%，高煤階含氣量大于8 m3/t，甲烷濃度大于80%。

4 結論

綜上所述，以往資源量估算中利用煤層氣(甲烷)風化帶和含氣量共同確定含氣量估算邊界在低煤階中確實并不適合。通過綜合分析，提出了不考慮煤層氣風化帶因素，僅用煤層含氣量和氣體成分兩項指標來確定含氣量估算邊界的方案(表5)。

表5 資源量計算中含氣量估算邊界

此方案可以解決在低煤階煤層氣資源量計算時存在的問題和困擾，而且定義簡單、操作方便?？梢宰鳛橐院筚Y源量計算的參考，同時也希望能為規范的修訂提供參考。