王生全，薛 龍，馬荷雯，李 旭，吳 佩

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

大佛寺煤礦低煤階煤層氣地面開采選區(qū)評價

王生全1，薛 龍1，馬荷雯2，李 旭1，吳 佩1

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

在研究大佛寺煤礦煤層氣賦存地質(zhì)背景基礎(chǔ)上，探討了影響低煤階煤層氣開發(fā)的主要地質(zhì)因素，結(jié)合地面煤層氣井產(chǎn)氣量相關(guān)地質(zhì)因素綜合分析，優(yōu)選了大佛寺煤礦煤層氣開發(fā)的主控制地質(zhì)因素指標(biāo)及次級控制因素指標(biāo)，采用加權(quán)指數(shù)法通過計算評價對象的綜合得分，以綜合得分高低判定煤層氣開發(fā)優(yōu)劣區(qū)，研究認(rèn)為，大佛寺煤礦4#煤層煤層氣以中等有利開發(fā)區(qū)為主，主要位于井田中東部，面積約占整個煤層氣評價區(qū)面積的54%，有利開發(fā)區(qū)主要位于井田東部，面積較小，約占整個煤層氣評價區(qū)面積的7.92%，不利開發(fā)區(qū)主要位于井田西部，面積約占整個煤層氣評價區(qū)面積的42.04%.評價結(jié)果對大佛寺煤礦低煤階煤層氣地面開發(fā)有重要參考價值。

低煤階；煤層氣；選區(qū)評價；大佛寺煤礦

0 引 言

大佛寺煤礦位于陜西黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)的南部，彬縣、長武縣管轄，屬陜西煤業(yè)化工集團公司彬長公司所屬的國有重點煤礦之一。井田面積71.48 km2，礦井2007年建成投產(chǎn)，主采延安組4#煤層。開采煤層雖屬低煤階的不粘煤，但礦井屬高瓦斯礦井，絕對涌出量高達(dá)155.49 m3/min，相對瓦斯涌出量高達(dá)23.40 m3/t.為了防止瓦斯事故發(fā)生，大佛寺煤礦井采取了風(fēng)排、井下抽采兩種措施治理煤層瓦斯，其中抽采瓦斯量約占礦井總瓦斯排放量的70%左右，表明該礦井的煤層瓦斯抽采率較高，抽采效果較好。為了進(jìn)一步提高煤礦瓦斯治理的效果，實現(xiàn)瓦斯資源的有效利用，大佛寺煤礦自2009年以來實施地面煤層氣開發(fā)試驗，從已施工的多口煤層氣試驗井排采數(shù)據(jù)[1-2]，多分支水平井的最高產(chǎn)氣量達(dá)16 000 m3/d以上，直井單井產(chǎn)量也在2 000 m3/d以上，顯示大佛寺煤礦低煤階煤具有較好的產(chǎn)氣潛力。低煤階煤(鏡質(zhì)體反射率小于0.65%)煤層氣在國外已有開采成功的先例,在國內(nèi)目前正處于試驗及小規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)階段。為了確保在低煤階井田打出高產(chǎn)煤層氣井，取得良好的抽采效果，開展對低煤階煤層氣開發(fā)有利區(qū)評價顯得尤為重要。

1 礦井煤層氣賦存地質(zhì)背景

大佛寺井田地表絕大部分被第四系黃土覆蓋。鉆孔揭露煤系以上地層由老至新依次為侏羅系延安組、直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組、華池環(huán)河組，新近系及第四系。其中延安組為本區(qū)唯一含煤地層，共含煤6層(包括分煤層和分叉煤層)，從上而下依次編號為3-1，3-2，4上-1，4上-2，4上，4#煤，其中主要開采煤層為4#煤。

4#煤層厚度0～19.42 m，平均11.65 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬特厚煤層，面積可采率97.01%，埋深270～750 m，一般400～650 m.直接頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉-細(xì)砂巖，煤質(zhì)屬低變質(zhì)的不粘煤。

煤層總體構(gòu)造為一向北西傾斜的波狀起伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育了一系列北東東和北北西向的褶皺構(gòu)造。地層傾角平緩，一般3°～5°，最大17°～21°.采掘過程及地面地震勘探均有斷層發(fā)現(xiàn)，落差以5 m以下為主。

4#煤層甲烷濃度最高值95.26%，一般在50%～80%左右，空氣干燥基甲烷含量為1.00～5.57 m3/t，煤層滲透率為3.06～5.73 mD，儲層壓力2.43～3.20 MPa，平均壓力梯度0.487 MPa/100 m.臨界解吸壓力0.42～2.1 MPa，平均為1.13 MPa.

礦井煤系地層以上自上而下共發(fā)育主要含水層7層[3]，分別為第四系孔隙潛水含水層、新近系小章溝組下部砂卵礫石含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖含水層、宜君組礫巖含水層、直羅組下部砂巖含水層、延安組上段4上煤以上砂巖含水層、延安組下段4上煤～4煤間砂巖含水層。其中對煤層氣開采有直接影響的含水層主要來自距離煤層頂板很近的4上煤～4#煤間砂巖含水層水[4]。

2 影響煤層氣開發(fā)的地質(zhì)因素

選區(qū)評價是煤層氣勘探開發(fā)最基礎(chǔ)的工作，也是最為至關(guān)重要的工作[5]。在選區(qū)評價方面主要是“尋找高滲富集區(qū)”，即高含氣量、高滲透性地區(qū)[6-8]。但從我國煤層氣的分布情況看,往往是含氣量高的區(qū)域,多為高階煤分布區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，煤層滲透率普遍較低,而滲透率高的地區(qū),則多是低煤階分布區(qū)，構(gòu)造簡單，含氣量較小[9-10]，這就注定了煤層氣選區(qū)必須立足現(xiàn)實，開展綜合地質(zhì)研究與評價。

影響煤層氣資源開發(fā)的因素很多,諸如含煤性、煤層厚度、含氣量、資源量、資源豐度、埋藏深度、吸附能力、滲透性、儲層壓力、煤級、含氣飽和度、煤體破壞性、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性、地應(yīng)力、水文地質(zhì)條件等等[11-13]。這些因素并非均具有同等重要的作用，某些因素是必須具備的充分條件，如含氣量、煤層厚度、滲透性等，某些因素則僅是一種必要條件，如資源量。此外一些因素之間還存在著較為密切的相互關(guān)系，如資源量與含氣量、面積、資源豐度之間，含氣量與頂板巖性、埋藏深度之間，在一個井田內(nèi)若一些因素變化不大的情況下，可以不做為重點因素考慮，如滲透性參數(shù)等。

根據(jù)大佛寺煤礦煤層氣資源的基本特征：煤層鏡質(zhì)體發(fā)射率0.59%～0.68%，以不粘煤為主，屬低變質(zhì)作用階段，煤層埋藏深度中等(300～800 m)，煤層厚度大，變化也大，中小斷層發(fā)育，煤層含氣量低且不均一,煤層滲透率較高、變化不大,有效地應(yīng)力低(小于10 MPa)，煤層儲層壓力通常為微欠壓或低壓及水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，結(jié)合已施工的六口地面煤層氣井產(chǎn)氣量相關(guān)地質(zhì)因素綜合分析，優(yōu)選了7個評價指標(biāo)，它們是:煤層厚度、煤層氣含量、煤層氣資源豐度、儲層滲透率、儲層含氣飽和度、構(gòu)造條件(構(gòu)造部位、斷層發(fā)育程度及煤厚變化率等)、水文地質(zhì)條件(煤層距離頂板含水層距離及頂板含水層富水性等)，并將煤層厚度、含氣量確定為影響煤層氣開發(fā)的主控因素指標(biāo)，其余五個地質(zhì)因素作為次級控制因素指標(biāo)。

3 煤層氣選區(qū)綜合評價

3.1 評價方法

低煤階煤層氣有利開發(fā)區(qū)評價目前還沒有成熟的方法，文中選用加權(quán)指數(shù)法進(jìn)行評價[14-15]。加權(quán)指數(shù)法是按各評價因素參數(shù)對煤層氣開發(fā)有利及不利的程度計算出分值，同時再按每個指標(biāo)對評價對象的貢獻(xiàn)率給出權(quán)重，利用加權(quán)平均的方法算出要評價對象的綜合得分，最后以綜合得分多少判定煤層氣開發(fā)區(qū)優(yōu)劣〔16〕。

3.1.1 評價指標(biāo)有利值(G)與不利值(P)的確定

根據(jù)大佛寺煤礦單井的產(chǎn)能、煤層氣賦存地質(zhì)條件,確定各評價指標(biāo)的最有利值與最不利值(表1)。

表1 評價指標(biāo)的權(quán)重及各自有利與不利值

3.1.2 權(quán)重系數(shù)(ai)確定

依據(jù)各評審指標(biāo)對產(chǎn)能的重要性給出權(quán)值系數(shù)，權(quán)重系數(shù)越高,對煤層氣高產(chǎn)富集影響越大。依據(jù)專家經(jīng)驗及實際分別給予煤層厚度及含氣量0.25系數(shù)，其它指標(biāo)分別給予0.1系數(shù)(表1)。

3.1.3 計算單項得分(Sm)

對于參數(shù)值越大表示儲層性能越好的參數(shù)以下式來計算單項得分

式中x為鉆孔參數(shù)取值；G為有利參數(shù)值；P為不利參數(shù)值。

Sm值在0～1之間。當(dāng)Sm值大于1時，取其最大值等于1.

對于參數(shù)值越小表示儲層性能越好的參數(shù)用下式計算Sm

Sm值在0～1之間。當(dāng)Sm值大于1時，取其最大值等于1.

3.1.4 計算綜合評價指標(biāo)(REI)

將前面得到的單項得分乘以各自的權(quán)重系數(shù)求和可得出綜合評價指標(biāo)得分。

3.2 有利區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)的建立

綜合評價值REI的取值范圍在0～1之間，REI值越高,高產(chǎn)條件越好。評價級別劃分方案見表2.

表2 煤層氣有利開發(fā)區(qū)級別劃分方案

Tab.2 Level classification of favorable development area for CBM

4 煤層氣有利開發(fā)區(qū)預(yù)測結(jié)果

依據(jù)上述煤層氣有利開發(fā)區(qū)評價方法及開發(fā)區(qū)級別劃分方案，對井田4#煤層的煤層氣有利開發(fā)區(qū)進(jìn)行了預(yù)測評價(圖1)。評價結(jié)果為4#煤層以中等有利開發(fā)區(qū)為主，有利開發(fā)區(qū)主要位于井田東部，面積較小，約5.51 km2，占整個煤層氣評價區(qū)面積的7.92%，有利開發(fā)區(qū)的主要特點是煤層厚度大、煤層氣較高含量；中等有利開發(fā)區(qū)為主要位于井田中東部，面積約34.82 km2，占整個煤層氣評價區(qū)面積的50.04%，不利開發(fā)區(qū)主要位于井田西部，面積約29.25 km2，占整個煤層氣評價區(qū)面積的42.04%.

圖1 4#煤層煤層氣資源開發(fā)有利區(qū)預(yù)測圖Fig.1 Predication of favorable resource development areas for CBM of No.4 coal seam

5 結(jié) 論

1)大佛寺煤礦屬低煤階煤層氣，具有埋藏深度中等，煤層厚度大，變化大，中小斷層發(fā)育，煤層含氣量低且不均一,煤層滲透率較高、變化不大,有效地應(yīng)力低，煤層儲層壓力為微欠壓或低壓及水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點；

2)根據(jù)影響煤層氣開發(fā)的地質(zhì)因素，結(jié)合已施工的地面煤層氣井產(chǎn)氣量相關(guān)地質(zhì)因素綜合分析，優(yōu)選了七個影響煤層氣開發(fā)的地質(zhì)因素指標(biāo)；

3)選用加權(quán)指數(shù)綜合評價法，對大佛寺煤礦4#煤層的煤層氣有利開發(fā)區(qū)進(jìn)行了預(yù)測評價，圈定了開發(fā)有利區(qū)、開發(fā)中等區(qū)及開發(fā)不利區(qū)的范圍。

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《西安科技大學(xué)學(xué)報》入選RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊(A)

本刊在第四屆《中國學(xué)術(shù)期刊評價研究報告(武大版)2015—2016》中，被評為“RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊(A)”(簡稱RCCSE)?！吨袊鴮W(xué)術(shù)期刊評價研究報告(武大版)2015—2016》是中國科學(xué)評價研究中心和武漢大學(xué)圖書館等單位研發(fā)(由科學(xué)出版社出版發(fā)行)，是國內(nèi)外最重要的中國學(xué)術(shù)期刊分類分級排行榜與權(quán)威期刊、核心期刊指南之一。

Evaluation of selected target areas on CBM ground mining for low-rank coal of Dafosi coal mine

WANG Sheng-quan1，XUE Long1，MA He-wen2，LI Xu1,WU Pei1

(1.CollegeofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

On the basis of the research on CBM occurrence geological background in Dafosi coal mine，the major geological factors influencing low-rank coal CBM development were explored.Combining with the comprehensive analysis of the related geological factors for ground CBM production，we optimally selected both primary geological controlling factors and secondary control factors indexes for CBM development of Dafosi coal mine，calculated comprehensive scores for evaluated object using the weighted indexes，and determined the merits of CBM development by the comprehensive scores.Research results show that No.4 coal seam CBM in Dafosi coal mine is mainly moderate favorable zone，located mainly in the mid-eastern field，accounting for about 54% of the entire CBM evaluation area.The favorable development zone is situated in the eastern field with smaller area，which accounts for about 7.92% of the entire CBM evaluation area，and the unfavorable development zone is mainly in the western field，accounting for about 42.04% of the entire CBM evaluation area.The evaluation results are of an important reference for ground mining of the low-rank coal CBM in Dafosi coal mine.

low-rank coal;CBM;evaluation of selected target areas;Dafosi coal mine

2015-05-10 責(zé)任編輯：李克永

陜西省科學(xué)研究發(fā)展計劃項目(2014JM5215)；陜西省教育廳科研計劃項目(12JK0473)

王生全(1961-)，男，陜西岐山人，教授，E-mail:wangshq@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0405

1672-9315(2015)04-0421-05

TE 12

A