安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田煤層氣可采潛力分析

摘 要

摘要：河南省安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田有望成為豫北地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的理想靶區(qū)。在分析雙全井田地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)系統(tǒng)計(jì)算、分析了影響該區(qū)煤層氣可采潛力的煤層氣可采資源量，儲(chǔ)層能
摘要：河南省安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田有望成為豫北地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的理想靶區(qū)。在分析雙全井田地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)系統(tǒng)計(jì)算、分析了影響該區(qū)煤層氣可采潛力的煤層氣可采資源量，儲(chǔ)層能勢(shì)和滲流能力3個(gè)因素。結(jié)果顯示：①雙全井田煤層氣地質(zhì)資源量為35×108m3，可采資源量為19×108m3，可采資源豐度為0.89×108m3/km2，具有資源量大的特點(diǎn)；②煤層氣壓力狀態(tài)接近正常，煤層氣含氣飽和度高，平均為86.26%，有望成為高產(chǎn)氣田；③滲透率極差是制約該區(qū)煤層氣開(kāi)采的最為不利因素，但該區(qū)具有成煤時(shí)代多，煤層分布范圍廣，厚度大，含氣量高等有利條件，在一定程度上可以彌補(bǔ)煤層滲透率低的缺陷。結(jié)論認(rèn)為：雙全井田具有很好的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力。
關(guān)鍵詞：安陽(yáng)礦區(qū)；雙全井田；煤層氣；可采潛力；地質(zhì)特征；含氣飽和度；滲透率；儲(chǔ)層能勢(shì)
    當(dāng)前，中國(guó)煤層氣商業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代已經(jīng)開(kāi)始[1]。安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田煤層氣含量高，資源豐度大[2]，在當(dāng)前開(kāi)發(fā)煤層氣的熱潮中，有望成為豫北地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的理想靶區(qū)。而以往安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田多為地方煤礦開(kāi)采，關(guān)于煤層氣方面的研究幾乎為空白[3～5]。筆者旨在結(jié)合當(dāng)前的勘探，試井實(shí)測(cè)資料，系統(tǒng)分析本區(qū)煤層氣的可采潛力，為煤層氣的成功開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。
1 地質(zhì)背景
1.1 構(gòu)造
    安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田位于河南省安陽(yáng)市西北部，中心與安陽(yáng)市的直線距離為22km，與鶴壁市的直線距離為27km。南北走向長(zhǎng)1.80～7.00km，東西傾向?qū)?～3.70km，面積約21.33km2。為礦區(qū)內(nèi)少有的沒(méi)有被采礦活動(dòng)影響的井田。
    雙全井田為地層走向近NS、傾向近90°的單斜構(gòu)造，傾角3°～34°，褶皺、斷層較發(fā)育。地層局部起伏較大，形成多個(gè)褶皺，地層走向、傾向、傾角均隨之發(fā)生較大的變化。主要構(gòu)造形跡為NNE-NE向高角度正斷層，該方向斷層為勘探區(qū)邊界和井田劃分的主要依據(jù)。共有斷層45條，斷層密度為2.11條/km2，在井田以北地區(qū)有陷落柱分布。
1.2 煤層特性
本區(qū)煤層眾多，含煤地層總厚760.53m，為中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組和上二疊統(tǒng)上石盒子組，分為9個(gè)含煤組段；含煤15層，煤層總厚9.48m，可采煤層總厚7.94m。各煤組段含煤性及煤層發(fā)育狀況見(jiàn)表1。太原組和山西組為主要含煤地層，其中山西組二，(以下簡(jiǎn)稱二1煤層)煤層為井田可采煤層，一11煤層為局部可采煤層，所采煤樣均來(lái)自二1煤層。其主要特征如下：二1煤層賦存于山西組下部，位于太原組菱鐵質(zhì)泥巖與山西組大占砂巖之間，上距大占砂巖0～17.96m，平均7.10m，距砂鍋窯砂巖51.99～84.10m，平均67.51m；下距L8石灰?guī)r25.76～44.62m，平均34.62m。在雙全井田，埋深525～1400m，標(biāo)高為-370～-1175m，煤層厚度4.91～8.66m，平均6.53m。煤層總體上呈西厚東薄，南厚北薄的趨勢(shì)，是主要的研究煤層。
表1 含煤地層含煤性表
區(qū)段
地層
煤組段
煤層
可采煤層
名稱
厚度(m)
層數(shù)
總厚(m)
含煤系數(shù)(%)
層數(shù)
總厚(m)
含煤系數(shù)(%)
雙全井田
上石盒子組
七～八
271.49
1
0.01
 
 
0
 
下石盒子組
三～六
286.38
 
0
 
1
0
 
山西組
二煤組
83.07
3
6.53
7.86
1
6.49
7.81
太原組
一煤組
113.19
11
2.94
2.60
 
1.45
1.27
本溪組
零煤組
6.40
0
0
 
 
0
 
小計(jì)
 
760.53
15
9.48
1.25
 
7.94
1.04
1.3 二1煤層水文動(dòng)力學(xué)特征
    雙全井田山西組二，煤層的頂?shù)装寰鶠殇X質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖等組成的隔水層，正常情況下能有效阻隔二。煤層與上下含水層之間的水力聯(lián)系，使二。煤層成為獨(dú)立的煤層氣藏。但在斷層影響的范圍內(nèi)及薄弱地帶，可能失去隔水作用，或形成獨(dú)立的補(bǔ)給條件不同的次一級(jí)水文地質(zhì)單元。沿太行山補(bǔ)給的地下水總體向東運(yùn)移，進(jìn)入雙全井田基本處于弱徑流和滯留狀態(tài)。煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，地下水的弱徑流帶和滯留區(qū)是煤層氣富集的有利場(chǎng)所，這也是造成本區(qū)煤層氣含量東高西低的主要原因，是本區(qū)煤層氣富集的主要因素之一。
2 可采潛力分析
    煤層氣可采性可從可采資源量、滲流能力、儲(chǔ)層能勢(shì)3個(gè)方面加以衡量[6]。其中：可采資源量由采收率求得，在獲得臨界解吸壓力后，進(jìn)一步考慮通用的枯竭壓力(0.7MPa)[7]，估算出煤層氣理論最大采收率，滲流能力一般以滲透率作為標(biāo)志，儲(chǔ)層能勢(shì)則可從儲(chǔ)層壓力系數(shù)和含氣飽和度兩方面進(jìn)行分析。
2.1 可采資源量
早期煤炭勘探結(jié)果共取的含氣量數(shù)據(jù)24組，顯示：整個(gè)雙全井田二1煤層的含氣量較高，為10～33.5m3/t(圖1)。在埋深664.13～1201.19m內(nèi)，煤層氣中CH4平均含量為21.68m3/t，CO2為0.49m3/t，N2為0.58m3/t，重?zé)N為0.08～1.21m3/t，該深度范圍為原生含氣帶。用蒙特卡羅數(shù)據(jù)分析法得出了5%、50%、95%3種概率下的煤層氣含量結(jié)果(圖2)所示。
 
    新近在該區(qū)施工的3口煤層氣參數(shù)井，結(jié)果如表2所示。煤層氣含量同樣很高，這更加證明了本區(qū)煤層氣含量高的特點(diǎn)。采用容積法計(jì)算煤層氣地質(zhì)資源量為：5%概率時(shí)為64×108m3，50%概率時(shí)為35×108m3，95%概率時(shí)為22×108m3。綜合考慮取50%概率時(shí)的煤層氣地質(zhì)資源量作為本區(qū)煤層氣的地質(zhì)資源量，由儲(chǔ)量規(guī)范分類屬于中型氣田(DZ/T 0216—2002)。采收率由3口參數(shù)井的采收率取平均值，那么可采資源量為19×108m3?？刹少Y源豐度為0.89×108m3/km2，可采資源豐度高。
表2 3口煤層氣參數(shù)井實(shí)測(cè)參數(shù)表
煤樣鉆孔編號(hào)
實(shí)測(cè)含氣量(干燥無(wú)灰基)
理論含氣量(m3/t)
蘭氏體積
蘭氏壓力
臨界解吸壓力(MPa)
儲(chǔ)層壓力(MPa)
滲透率(10-3μm2)
采收率(%)
壓力系數(shù)
含氣飽和度(%)
1
27.15
27.01
34.14
1.63
6.33
6.18
0.157
62.3
0.9174
100.52
2
16.668
27.45
31.42
1.52
1.72
10.51
17.489
40.6
0.9705
60.77
3
24.04
24.66
29.63
1.66
7.14
8.23
2.954
63.4
0.9797
97.49
2.2 儲(chǔ)層能勢(shì)
    煤儲(chǔ)層壓力是地層能量的體現(xiàn)，儲(chǔ)層壓力梯度越大，越有利于煤層氣的開(kāi)發(fā)。壓力系數(shù)是實(shí)測(cè)地層壓力與同深度靜水壓力之比值[8]。由表2知，3口井的壓力系數(shù)小于1，為低異常壓力，但很接近1。不排除在雙全井田，存在有特殊的水文地質(zhì)條件的層位，壓力系數(shù)大于或等于1，為正常壓力或高異常壓力。美國(guó)圣胡安盆地儲(chǔ)層壓力類型包括欠壓、常壓、超壓3種類型，粉河盆地為欠壓類型；黑勇士盆地為欠壓和常壓類型[9]。顯然，這些盆地煤層氣成功開(kāi)發(fā)的實(shí)踐證明，儲(chǔ)層壓力類型為常壓和超壓最好，但儲(chǔ)層壓力類型并非是決定一個(gè)媒層氣盆地成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。
含氣飽和度是反映在地質(zhì)時(shí)期煤層氣散失的一個(gè)量。煤層氣飽和度通常小于100%，通常煤層為欠飽和的。統(tǒng)計(jì)資料表明[10]：含氣飽和度在40%～60%時(shí)，煤層氣井為低產(chǎn)井，產(chǎn)量小于500m3/d；含氣飽和度在78%～93%時(shí)，煤層氣井為高產(chǎn)井。三全井田3口參數(shù)井的平均飽和度為86.26%，高于沁水盆地平均飽和度51.6%，顯然雙全井田具有高的煤層氣飽和度，有望成為高產(chǎn)井。
2.3 滲流能力
    煤層滲透性受煤體結(jié)構(gòu)、煤層裂隙發(fā)育狀況和地應(yīng)力等方面的影響，這些因素是煤層氣可采性的重要因素。煤層滲透率越高，煤層氣的可采性就越好。雙全井田由于構(gòu)造的影響，煤體破壞嚴(yán)重，原生結(jié)構(gòu)煤很少，大部分為構(gòu)造煤(碎粒煤和糜棱煤)。因而滲透性極差。以往測(cè)井解釋滲透率(0.010～0.912)×10-3μm2，平均為0.157×10-3μm2。這與參數(shù)井1所測(cè)滲透率相等。而參數(shù)井2和3很可能是誤測(cè)所引起的，因?yàn)檫@兩口井所取煤巖結(jié)構(gòu)大部分為破壞嚴(yán)重的碎粒煤，不可能具有如此高的慘透率，因而不具有參考價(jià)值。顯然，滲透率極差是本區(qū)最不利的因素。
    雖然據(jù)美國(guó)ARI公司煤層氣開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有可采性的煤儲(chǔ)層滲透率大都大于0.981×10-3μm2[11]。而且到現(xiàn)在在構(gòu)造煤地區(qū)還無(wú)成功的先例。但本區(qū)具有成煤時(shí)代多，煤層分布范圍廣，厚度大，氣含量高等有利條件，在一定程度上可以彌補(bǔ)煤層滲透率低的缺陷，同時(shí)有利的地質(zhì)條件的匹配，也可以降低滲透率不利因素的影響。
3 結(jié)論
    1) 安陽(yáng)礦區(qū)雙全井田煤層氣含量高，由蒙特卡羅法計(jì)算獲得的概率為50%時(shí)煤層氣含量為16.52m3/t。以此計(jì)算獲得的地質(zhì)資源量為35×108m3，可采資源量為19×108m3，可采資源豐度為0.89×108m3/km2。
    2) 煤層氣壓力類型接近正常壓力狀態(tài)。煤層氣含氣飽和度高，平均為86.26%，有望成為高產(chǎn)氣田。
    3) 滲透率極差是制約本區(qū)煤層氣開(kāi)采的最為不利的因素，但本區(qū)具有成煤時(shí)代多，煤層分布范圍廣，厚度大，含氣量高等有利條件，在一定程度上可以彌補(bǔ)煤層滲透率低的缺陷。
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(本文作者：楊兆彪 秦勇 陳潤(rùn) 王國(guó)玲中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院)