李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 710119)

胡家河-小莊井田4號(hào)煤層煤層氣賦存特征研究

李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司，陜西 710119)

根據(jù)煤田及煤層氣勘探井資料，對(duì)研究區(qū)的煤層氣賦存特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：研究區(qū)延安組煤系含水層處于地下水徑流區(qū)，煤層氣的保存條件較差；主采4號(hào)煤儲(chǔ)層具有孔隙度低、滲透性好、儲(chǔ)層壓力小和吸附、解吸能力較強(qiáng)的特征；煤層變質(zhì)程度低，為低階煤，生氣能力較低，含氣量低，含氣量平面具有西高東低、南北上呈間隔狀分布的特征；屬埋深中等、低豐度的中型煤層氣田。

煤層氣 含氣量 資源量 賦存特征 胡家河-小莊井田

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

胡家河-小莊井田位于彬長(zhǎng)礦區(qū)東北部的涇河?xùn)|側(cè)，行政區(qū)劃隸屬彬縣北極、義門鎮(zhèn)及西坡鄉(xiāng)管轄。地理坐標(biāo)處于東經(jīng)107°55′45″～108°04′00″，北緯35°04′58″～35°12′45″之間。礦井分別與孟村煤礦、亭南煤礦、大佛寺煤礦、下溝煤礦、火石咀煤礦和文家坡煤礦毗鄰。井田東西長(zhǎng)8.1km，南北寬13.5km，面積98.7275km2。

胡家河-小莊井田在大地構(gòu)造位置上處于鄂爾多斯盆地彬縣～黃陵坳褶帶，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。區(qū)域上地處彬長(zhǎng)礦區(qū)中北部的路家-小靈臺(tái)背斜到七里鋪～西坡背斜之間的孟村向斜區(qū)。構(gòu)造整體表現(xiàn)為東南高、西北低，并伴隨著一系列波狀起伏的單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，一般小于5°，斷層稀少。

1.2 含煤地層特征

侏羅系延安組為研究區(qū)唯一含煤地層，區(qū)內(nèi)無出露。鉆孔揭露延安組地層厚度為0～139m，平均47.5m。巖性以河沼相砂泥巖沉積為主。根據(jù)沉積組合特征、物性特征及含煤性特征，延安組可劃分為2個(gè)含煤層段，上段含3號(hào)煤組，下段含4號(hào)煤組。4號(hào)煤組在井田出現(xiàn)一次分岔，編號(hào)為4-1，3煤、4-1為局部可采煤層，4號(hào)煤為主要可采煤層，基本全區(qū)可采。

1.3 蓋層條件

良好的封蓋層可以減少煤層氣的向外滲流運(yùn)移和擴(kuò)散逸失，保持較高地層壓力，維持較大的吸附量，減弱地層水對(duì)煤層氣造成的散失。一般煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖類或致密灰?guī)r時(shí)有利于煤層氣的保存。頂板巖層的巖性越疏松、顆粒及孔隙越大，越利于煤層氣的運(yùn)移和逸散。作為煤層氣賦存的第一道天然屏障，煤層頂?shù)装鍘r性及厚度分布對(duì)煤層氣的保存非常重要。研究區(qū)4號(hào)煤直接頂板以泥巖為主，次為粉砂巖、砂巖，一般厚度0.42～7.23m，封閉性能中等，底板多為泥巖、次為鋁質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，一般厚度為0.2～9.85m，封閉性能良好。

1.4 水文地質(zhì)條件

彬長(zhǎng)礦區(qū)自上而下依次發(fā)育的主要含水層有：①第四系孔隙含水層；②新近系小章組下部砂卵礫石含水層；③白堊系洛河組砂巖含水層；④白堊系宜君組礫巖含水層；⑤侏羅系安定組下部砂巖含水層；⑥侏羅系直羅組下部砂巖含水層；⑦侏羅系延安組砂巖含水層；⑧侏羅系延安組4號(hào)煤含水層；⑨三疊系胡家村組砂巖弱含水層。隔水層自上而下有：①新近系小章組上部紅粘土隔水層；②白堊系華池-環(huán)河組泥巖隔水層；③侏羅系安定組上部泥巖隔水層；④侏羅系直羅組上部泥巖隔水層；⑤侏羅系延安組頂部泥巖隔水層；⑥侏羅系延安組4號(hào)煤頂板泥巖隔水層；⑦侏羅系延安組4號(hào)煤底板泥巖隔水層；⑧侏羅系富縣組泥巖隔水層。比較各含水層的礦化度和水質(zhì)類型，易見延安組煤系含水層比洛河組、宜君組、安定組含水層的礦化度都明顯偏大，而且在水質(zhì)類型上有明顯不同(表1)。由此判斷，延安組煤系含水層與洛河組、宜君組、安定組含水層不具明顯水力聯(lián)系。根據(jù)礦區(qū)延安組含水層的水動(dòng)力相對(duì)強(qiáng)弱情況將彬長(zhǎng)礦區(qū)延安組含水層分為側(cè)向徑流補(bǔ)給區(qū)、弱徑流區(qū)和相對(duì)滯流區(qū)3個(gè)區(qū)，研究區(qū)位于彬長(zhǎng)礦區(qū)地下水徑流區(qū)，整體不利于煤層氣保存。

表1 胡家河-小莊井田水質(zhì)分析

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 煤層空間展布特征

4號(hào)煤層位于延安組下段的底部，厚度0.8～35.04m，平均16m。煤層厚度依古地貌形態(tài)差異而變化，在1-1、1-2、2-2、3-1、3-2、4-2、4-3、26、159、4-6、224、DG2等鉆孔古隆起中心地帶未沉積煤層，在古隆起邊緣煤層厚度較薄，一般小于10m，在古地形平緩區(qū)厚度穩(wěn)定，一般在15m左右，在古地形低凹區(qū)沉積厚度較大，一般在23m左右，最大厚度35.22m，總體具有由自東向西、由南北向中南部變厚的特征(圖1)。4號(hào)煤層埋深367.78～837.78m，平均埋深656.91m，整體具有向中南部埋深增大的趨勢(shì)。

圖1 胡家河-小莊井田延安組4號(hào)煤層厚度等值線圖

2.2 煤巖煤質(zhì)特征

宏觀煤巖類型在一定程度上反映了煤的生氣能力，亮煤生氣能力高于暗煤。研究區(qū)4號(hào)煤宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，夾鏡煤條帶及絲炭；宏觀煤巖類型上，上部為半亮、半暗型夾光亮型煤，下部為半暗、暗淡型煤。煤巖測(cè)試分析顯示，有機(jī)顯微組分含量較高，在77.7%～95.8%之間，以半惰+惰質(zhì)組為主；無機(jī)組分含量平均為8.0%～12.3%，以粘土類和碳酸鹽為主，硫化物和氧化物含量較小。煤巖中水分含量較低，一般為1.27%～6.99%之間；灰分產(chǎn)率在8.63%～33.24%之間，平均14.07%，屬低灰煤，平面上整體表現(xiàn)為由東向西降低，呈向西張開的半環(huán)形；揮發(fā)分分布在25.27%～36.95%之間，平均33.15%，屬中高揮發(fā)分煤，自東向西降低；硫含量變化在0.19%～2.57%之間，平均0.84%，屬低硫煤。

煤層的生氣能力直接受煤的變質(zhì)程度控制，它是煤層埋藏式、受熱史的綜合產(chǎn)物。4號(hào)煤層鏡質(zhì)組反射率為0.570%～0.728%，測(cè)試表明4號(hào)煤層屬Ⅱ煤化階段低階煙煤，熱演化程度低，目前最大埋深800m，同時(shí)在埋藏過程中經(jīng)歷了多次抬升，因此，綜合分析認(rèn)為煤儲(chǔ)層生氣能力較低。

2.3 煤儲(chǔ)層孔隙及滲透性特征

研究區(qū)煤層結(jié)構(gòu)清晰，為條帶、層狀構(gòu)造，主要為原生～碎裂結(jié)構(gòu)煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，僅在胡家河井田西南部局部地區(qū)發(fā)育碎粒結(jié)構(gòu)煤。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，4號(hào)煤層孔隙度在2.99%～6.76%間，平均為4.67%，滲透率為0.091～5.11mD，平均為1.8mD，滲透率與煤層厚度具有明顯正相關(guān)關(guān)系，煤層滲透性較好。

2.4 煤儲(chǔ)層溫度及壓力

研究區(qū)6口煤層氣參數(shù)井實(shí)測(cè)儲(chǔ)層溫度數(shù)據(jù)表明，煤儲(chǔ)層溫度介于24.59～28.06℃之間，平均為22.76℃，屬于地溫正常區(qū)，隨著煤儲(chǔ)層埋深增加，儲(chǔ)層溫度升高。

煤儲(chǔ)層壓力直接決定著煤層對(duì)甲烷等氣體的吸附和煤層甲烷的解吸，是影響煤層氣抽采的重要參數(shù)。研究區(qū)4號(hào)煤儲(chǔ)層壓力為2.65～5.70MPa，壓力梯度為0.411～0.882MPa/100m，平均0.632MPa/100m，為低壓異常狀態(tài)(表2)。根據(jù)4號(hào)煤儲(chǔ)層壓力與煤層埋深之間的關(guān)系，建立一元回歸方程式：

Y=0.0184X-9.3444

式中，Y為4號(hào)煤儲(chǔ)層壓力，MPa；X為4號(hào)煤煤層埋深，m。

經(jīng)檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)為0.9232，說明儲(chǔ)層壓力與煤層埋深相關(guān)性顯著，即儲(chǔ)層壓力隨著埋深的增加而逐漸增大(圖2)。

圖2 胡家河-小莊井田4號(hào)煤儲(chǔ)層壓力與埋藏深度關(guān)系

鉆孔埋深/m儲(chǔ)層壓力/MPa儲(chǔ)層壓力梯/(MPa/100)HJH-0375435～772194290578HJH-0480350～823905700722HJH-0561885～626355330882XZ-0270894～732554100588XZ-0377574～80437466061XZ-0465795～682762650411

2.5 煤儲(chǔ)層吸附解吸特征

等溫吸附實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了4號(hào)煤層的空氣干燥基和干燥無灰基Langmuir體積。從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，4號(hào)煤層空氣干燥基Langmuir體積在10.14～14.74m3/t之間，平均為12.8m3/t；干燥無灰Langmuir體積在13.52～17.35m3/t之間，平均為15.39m3/t。Langmuir壓力在3.38～8.17MPa間，平均為4.54MPa(圖3)。整體而言，區(qū)內(nèi)煤層吸附能力較強(qiáng)。按照依據(jù)蘭氏體積與蘭氏壓力進(jìn)行的煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)，4號(hào)煤層吸附性能屬Ⅱ類中等類型。

圖3 胡家河-小莊井田HJH-03井4號(hào)煤層等溫吸附曲線

煤層氣解吸率在44.21～86.84%之間，平均65.9%；吸附時(shí)間為0.05～6.19天，平均在1.57～2.97天之間；臨界解吸壓力為0.03～0.24MPa，平均0.46MPa；臨儲(chǔ)比為0.006～0.486之間，平均0.11，不利于煤層氣開采。

2.6 含氣性特征

從圖4可以看出，研究區(qū)煤層氣含量低，介于0.15～4.12m3/t，具有西高東低的特征，在南北向上呈間隔狀分布，存在三個(gè)含氣高值區(qū)，分別位于214及HJH-04號(hào)鉆孔附近、H2-4及H4-4號(hào)鉆孔附近和4-3及5-3號(hào)鉆孔附近。

圖4 胡家河-小莊井田延安組4號(hào)煤層含氣量等值線圖

研究區(qū)煤層含氣量的分布與構(gòu)造也呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。向斜軸部因其處于應(yīng)力擠壓狀態(tài)以及埋藏深等原因，其對(duì)煤層氣的封閉性條件較優(yōu)越，含氣量高，其次是背向斜翼部和單斜構(gòu)造。

3 煤層氣資源量計(jì)算

胡家河-小莊井田現(xiàn)有煤層氣井的排采資料不足以滿足氣藏?cái)?shù)值模擬法進(jìn)行資源量計(jì)算，論文采用含氣量法，依據(jù)《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》(DZ/T0216-2002)，取4號(hào)煤層含氣量1m3/t及有效厚度0.8m作為煤層氣資源量計(jì)算下限，4號(hào)煤密度為1.46t/m3，經(jīng)計(jì)算，含煤面積為78.09km2，煤層氣資源總量為43.4×108m3，資源量豐度為0.56×108m3/km2，為低豐度中型煤層氣田。

4 結(jié)論

(1)胡家河-小莊井田4號(hào)煤層厚度0.8～35.04m，平均16m，全區(qū)大部分可采，頂、底板封蓋性性能中等，構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，為煤層氣的賦存提供了有利的條件。但區(qū)域上與煤層氣緊密接壤的延安組含水層處于地下水弱徑流區(qū)，不利于煤層氣的保存。

(2)研究區(qū)煤巖中惰質(zhì)組含量高，煤巖演化程度較低，以低階煙煤為主，生氣能力較低，煤儲(chǔ)層具有孔隙度低、滲透性好和儲(chǔ)層壓力小的特征。

(3)研究區(qū)煤層含氣量低，吸附及解吸能力較強(qiáng)，含氣量平面具有西高東低、南北上呈間隔狀分布的特征。

(4)研究區(qū)4號(hào)煤煤層氣資源量為43.4×108m3，煤層氣資源地質(zhì)儲(chǔ)量平均豐度為0.56×108m3/km2，煤層平均埋深656.91m，屬埋深中等、低豐度的中型煤層氣田。

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Research on CBM Occurrence Features in No.4 Coal Seam of Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

LI Xiangrong, ZOU Haijiang

(Shaanxi Coalbed Methane Development Co. Ltd. Shaanxi 710119)

According to the materials of the coalfield and CBM test wells, the paper systematically analyzes the CBM occurrence features of the studied area. The results show that the aquifers of the coal measures of Yan’an Formation of the studied area locates in the groundwater runoff area, which is relatively poor condition for CBM storage. No.4 coal seam, which is the main coal seam, is featured with low porosity, good permeability, low pressure of reservoirs, and strong capability of absorption and desorption. The coal in this area belongs to low rank coal due to the low, metamorphic grade of coal seam. It has limited gas generation capacity with low gas content. The plane of gas content is higher in the west and lower in the east, and distributed at intervals from south to north, which belongs to the medium CBM gas field with medium burial depth and low resource abundances.

CBM; gas content; resources; occurrence feature; Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

李向榮，男，鉆探工程師，現(xiàn)任陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司副總工程師。