鄉(xiāng)寧礦區(qū)聚煤規(guī)律及控氣作用研究

孫國忠

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040）

鄉(xiāng)寧礦區(qū)是我國重要的煉焦煤產(chǎn)地之一，礦區(qū)東南以10 號煤層露頭為界，東部以紫荊山斷裂帶為界，北部與石隰礦區(qū)為界，西北部以山西組煤層埋深1 200 m（太原組煤層埋深1 300 m） 等深線為界，西部以黃河保護(hù)煤柱為界。南北長約100 km，東西寬約55 km，面積約4 203 km2（圖1）。近年來，隨著國家開發(fā)利用清潔能源戰(zhàn)略調(diào)整，有巨大發(fā)展?jié)摿Γ_發(fā)利用好煤層氣資源，有助于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，保障煤礦生產(chǎn)安全。鄂爾多斯盆地地質(zhì)條件好，資源豐富，具備產(chǎn)能依據(jù)，儲量基礎(chǔ)和技術(shù)條件。通過研究這一地區(qū)聚煤規(guī)律及控氣特征，對指導(dǎo)該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)具有重要意義。

圖1 鄉(xiāng)寧礦區(qū)范圍Fig.1 Scope map of Xiangning mining area

1 地質(zhì)背景

鄉(xiāng)寧礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向西，走向近南北的單斜，位于鄂爾多斯盆地東部邊緣，地層平緩，傾角平均5°，發(fā)育少量寬緩、規(guī)模不大的褶皺，對煤層、煤質(zhì)變化影響較小。煤系地層主要為太原組和山西組地層。

太原組地層厚度27～75 m，一般45 m 左右，含煤層6 層（5 號、6 號、7 號、8 號、10 號、11號），煤層平均總厚為3.20 m，含煤系數(shù)7.1%，含全區(qū)可采煤層1 層（10 號），可采總厚平均2.60 m，可采含煤系數(shù)5.8%。10 號煤層厚度0.80～4.70 m，平均厚度2.59 m，煤厚變異系數(shù)0.27，為較穩(wěn)定煤層。

山西組地層厚33～56 m，平均厚度44 m，含煤4 層（1上號、1 號、2 號、3 號）。煤層平均總厚6.40 m，含煤系數(shù)14.5%，可采煤層平均總厚5.90 m，可采含煤系數(shù)為13%。2 號煤煤層厚度2.30～7.20 m，平均厚度為5.20 m，煤厚變異系數(shù)0.15，為穩(wěn)定煤層。

據(jù)鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤質(zhì)資料顯示，區(qū)內(nèi)煤層鏡質(zhì)組（Romax） 最大反射率在1.65%～2.30%，有焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤，以貧煤為主。其中2 號煤介于1.65%～2.20%，平均2.01%；10 號煤層最大反射率一般為2.15%，極值區(qū)間1.80%～2.28%，變質(zhì)階段產(chǎn)物為IV～VI。總體變化趨勢是隨埋深的增加而略有增加，變化不大，梯度為0.007 8%左右。

鄉(xiāng)寧礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，地層平緩，水力聯(lián)系弱，富水性弱，地下水流向自東向西，基本沿傾向，運(yùn)移速度平緩，滯流帶形成于西部中心，對富集氣體成藏是有利條件。

2 聚煤環(huán)境

煤由在沼澤中的植物遺體堆積轉(zhuǎn)變而成，該地區(qū)發(fā)育有泥炭沼澤地貌單元，有利于植物遺體堆積。泥炭沼澤發(fā)育的沉積環(huán)境主要是海濱或湖泊沿岸、三角洲平原、沖積平原、沖積扇前緣等。

太原組聚煤環(huán)境為濱海平原上的潮坪、潟湖-潮坪三角洲沉積體系，晚石炭世后期由于環(huán)境變遷頻繁，泥炭沼澤化時間較短，海水時而直接進(jìn)入泥炭沼澤，在研究區(qū)形成的煤層薄而不穩(wěn)定，潟湖相和淺海相灰?guī)r直接覆于煤層之上構(gòu)成煤層直接頂板，為一套海、陸交互相含煤沉積。

太原組10 號煤層是晚石炭系世中期形成，是在潟湖、潮坪長期拓展夷平沼澤化后開始形成，潮坪泥炭沼澤化后氣候適宜，植物繁茂，成煤物質(zhì)豐富，沉積補(bǔ)償作用均衡，從而形成全區(qū)普遍發(fā)育10號煤層。上部發(fā)育有一套長石砂巖，顏色灰白色，為潮道沉積，沉積沖刷造成有的地段煤層變薄。

山西組地層的沉積相以河流三角洲相為主，巖性主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層組成，顏色呈白色、灰白色、灰黑色為主。在淺水三角洲分流澗灣地帶形成煤層，是有利的聚煤場所。煤層聚積期地殼相對穩(wěn)定，成煤物質(zhì)充分，堆積與補(bǔ)償均衡，河流作用微弱，形成全區(qū)普遍發(fā)育、厚度較大的2 號煤層。

3 煤層氣生儲層特征分析

3.1 烴源巖特征

烴源巖依據(jù)烴類有機(jī)起源說，具備烴源巖的條件是環(huán)境要有利于有機(jī)質(zhì)大量繁殖和保存，有機(jī)質(zhì)（即干酪根） 含量豐富，門限溫度（即埋藏深度）要適宜干酪根轉(zhuǎn)化成油氣。盆地干酪根特征具有Ⅲ類特征，含有生氣有機(jī)母質(zhì)，以陸生植物為主。本區(qū)烴源巖為區(qū)內(nèi)所沉積的海陸交互相地層，主要本溪組、太原組、山西組地層。

2 號煤層和10 號煤層是主要生氣層，山西組和太原組含煤系數(shù)13%、7.1%。煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量46%～88%，惰質(zhì)組含量12%～54%，無機(jī)組分含量6%～14%。煤層顯微煤巖類型為微鏡惰煤（表1）。貧煤階段變質(zhì)程度為主，煤層自身的吸附能力小于煤層生氣量。氣源豐富，有利于砂巖儲層富集。

表1 煤層顯微煤巖組分含量Table 1 Coal seam maceral content

3.2 儲層特征

煤層是煤層氣的主要富集場所，是主要的自生自儲儲層。

煤儲層內(nèi)大孔孔隙不太發(fā)育，主要小孔和微孔發(fā)育，有時見中孔，煤層氣滲流、擴(kuò)散相對較困難。

根據(jù)部分實(shí)驗(yàn)鉆孔煤層氣試井資料，山西組2號煤層孔隙度為1.3%～5.0%，平均3.0%；3 號煤層為3.3%～4.0%，平均3.5%；10 號煤層為2.6%～4.3%，平均4.0%，均屬低孔隙度煤層。

觀察煤芯可見內(nèi)生裂隙和外生裂隙在煤層內(nèi)均有發(fā)育，有部分裂隙充填泥鈣質(zhì)，煤巖類型以半亮型煤居多，少量半暗型煤，裂隙發(fā)育。觀測表明（圖2），主要為剪性裂隙和張性裂隙，有的裂隙已被碳酸鹽巖礦物。

孔隙的形成成因不同，通過掃描電鏡觀察煤樣，發(fā)育有組織孔孔隙、氣孔孔隙、胞腔孔孔隙、溶蝕孔孔隙和晶間孔孔隙。少量組織孔被2 μm的裂隙連通；胞腔孔孔隙有的被充填黏土，分布均勻；觀察到氣孔孔隙分布密集，形狀呈圓形，氣孔窩φ200 nm 左右；晶間孔孔隙發(fā)育在煤中礦物質(zhì)晶體間；溶蝕孔孔隙，大小和形態(tài)不同，連通性差。

根據(jù)煤儲層發(fā)育特征，在實(shí)驗(yàn)鉆孔進(jìn)行注入壓降和原地應(yīng)力測試。對10 號煤層、2+3 號煤層進(jìn)行了注入壓降和原地應(yīng)力測試，并利用專用測試分析軟件對測試資料進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。從結(jié)果看，10 煤層的滲透率為為0.007 4 mD，2+3 煤層的滲透率為0.020 8 mD，主要可采煤層的滲透率均小于0.1 mD，說明本區(qū)煤層屬于低滲透率煤層，10號煤層和2+3 號煤層屬于低- 中滲透性煤儲層。

表2 煤層注入/壓降數(shù)據(jù)Table 2 Coal seam injection/pressure drop data

礦區(qū)原地應(yīng)力測試結(jié)果表明，2+3 號煤層破裂壓力為12.82 MPa，閉合壓力為12.03 MPa，閉合壓力梯度為1.38 MPa/100 m；10 號煤層破裂壓力為14.95 MPa，閉合壓力為11.32 MPa，閉合壓力梯度為1.24 MPa/100 m，說明本區(qū)地應(yīng)力變化較大，局部較高。

從表2 可以看出，研究區(qū)2+3 號煤層儲層壓力為3.69 MPa，儲層壓力梯度為0.42 MPa/100 m。10號煤層儲層壓力為4.58 MPa，儲層壓力梯度為0.5 MPa/100 m，均屬欠壓煤儲層。

對研究區(qū)進(jìn)行等溫吸附特征測試，結(jié)果見表3，其中2 號煤層樣3 個，3 號煤層樣3 個，10 號煤層3 個，測試依據(jù)《煤的高壓等溫吸附方法》(GB/T 19560-2008)。等溫吸附測試數(shù)據(jù)顯示，2+3號煤層最大吸附量（空氣干燥基） 蘭氏體積VL為27.55 cm3/g，蘭氏壓力PL為2.01 MPa，10 號煤層最大吸附量（空氣干燥基） 蘭氏體積VL為29.71 cm3/g，蘭氏壓力PL為2.00 MPa，說明本區(qū)各可采煤層對煤層氣的吸附能力較低。

表3 等溫吸附試驗(yàn)成果Table 3 Isothermal adsorption test results

煤層氣含氣飽和度是利用Langmuir 吸附方程計(jì)算出儲層壓力條件下的理論吸附量，然后再用理論吸附量及實(shí)測含氣量求得煤層氣的含氣飽和度，測試結(jié)果見表4。

表4 含氣飽和度等參數(shù)Table 4 The table of gas saturation and other parameters

由表4 測試成果說明，本區(qū)各可采煤層煤層氣含量變化幅度大，煤層氣風(fēng)化帶埋藏較深，煤層滲透率、含氣飽和度及地解比低。

4 含氣性特征

2 號煤層煤層氣含量為0.20～19.40 mL/g，平均4.97 mL/g，CH4濃度為21.35%～96.40%，平均55.45%；3 號煤層煤層氣含量為0.41～16.52 mL/g，平均5.85 mL/g，CH4濃度為19.66%～98.37%，平均61.08%；10 號煤層煤層氣含量為0.46～26.56 mL/g，平均7.94 m L/g，CH4濃度為13.80%～96.20%，平均67.44%。

從實(shí)驗(yàn)鉆孔測得的煤層氣（瓦斯） 含量數(shù)據(jù)來看，甲烷含量總體上較低。煤層氣含量隨煤層埋深增加，含氣量也有增加趨勢，和煤層埋深總體上一致。在縱向分布上顯示，太原組煤儲層含氣性高于山西組煤儲層。

5 結(jié) 論

（1） 鄉(xiāng)寧礦區(qū)總體構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，煤層埋深適中，儲層厚度大，裂隙較發(fā)育，以小孔和微孔孔隙為主，含氣飽和度偏低，但煤的吸附性強(qiáng)。

（2） 煤儲層屬于欠壓儲層，隨煤層埋深的增加最小主應(yīng)力和壓力增大。

（3） 主要煤儲層滲透率較低，不利于開發(fā)煤層氣。研究該區(qū)儲層特征及控氣規(guī)律，有利于指導(dǎo)該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)。