伊 偉 熊先鉞 卓 瑩 季 亮 王 客 耿 虎 劉 清

( 中石油煤層氣有限責(zé)任公司 )

韓城礦區(qū)煤儲層特征及煤層氣資源潛力

伊 偉 熊先鉞 卓 瑩 季 亮 王 客 耿 虎 劉 清

( 中石油煤層氣有限責(zé)任公司 )

為了加強韓城礦區(qū)煤層氣資源的系統(tǒng)評價工作,以覆蓋全區(qū)的煤層氣探井獲取的原始資料為基礎(chǔ),對韓城礦區(qū)地質(zhì)條件、煤儲層特征、煤層含氣性等方面進行了研究,并運用逐步回歸分析的數(shù)學(xué)方法建立了煤層氣資源量的計算模型,最終對煤層氣資源量進行計算.研究結(jié)果表明:該區(qū)主要的含煤地層為二疊系山西組和太原組,主力煤層3號、5號和11號煤層分布穩(wěn)定,鏡質(zhì)組含量較高,煤變質(zhì)程度高,吸附煤層氣的潛力較大;影響煤層含氣量的主控因素為埋藏深度、構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件、鏡質(zhì)組反射率、灰分含量、顯微組分及蓋層條件;煤層含氣量較高且含氣飽和度高,但煤層滲透率相對較低,小于0.5mD,后期開發(fā)需要加強對煤儲層的改造.煤層氣資源量預(yù)測結(jié)果表明:該區(qū)煤層氣總資源量為858.25X108m3,資源豐度為0.93X108m3/km2,其中煤層埋深小于1200m的煤層氣資源量為672.32X108m3,資源豐度為1.08X108m3/km2.

煤層氣;含氣量;資源量;變質(zhì)程度;勘探開發(fā)潛力;韓城礦區(qū)

韓城礦區(qū)煤炭資源豐富,據(jù)詳查埋藏深度小于800m的煤炭預(yù)測儲量為76.0X108t,20世紀90年代開始進行煤層氣的勘探開發(fā)試驗,試采資料顯示該區(qū)煤層氣資源豐富,具有較大的開發(fā)潛力.自2009年以來,中國石油在該區(qū)進行大規(guī)模的煤層氣勘探開發(fā),目前已成為中國中-高階煤層氣勘探開發(fā)的重點地區(qū).查閱文獻發(fā)現(xiàn),許多學(xué)者對韓城礦區(qū)的煤層氣成藏條件和煤儲層特征方面進行了研究[1-8],但僅限于東部的示范區(qū),且對煤層氣資源量評價沒有進行深入的研究.陳振宏[3]等從煤層厚度、煤階、埋藏深度和保存條件等4個方面對示范區(qū)的成藏條件進行了評價,認為煤層厚度大、煤變質(zhì)演化程度高、保存條件好,易形成良好、富集的高產(chǎn)煤層氣藏;薛光武等分析了該區(qū)煤儲層地質(zhì)條件、煤儲層物性特征,認為該區(qū)地質(zhì)條件和煤儲層特征參數(shù)有利于煤層氣富集和高產(chǎn).受勘探進度和探井基礎(chǔ)資料的限制,前人對該區(qū)煤儲層地質(zhì)條件和資源方面的研究僅利用了示范區(qū)的資料,并且大多數(shù)只進行了定性研究,定量方面的研究較少.煤儲層具有很強的非均質(zhì)性,所以僅利用示范區(qū)資料進行研究存在一定的局限性,嚴重制約了煤層氣的進一步高效開發(fā).目前,該區(qū)的勘探工作已基本完成,探井遍布全區(qū),所以獲取的地質(zhì)資料更為全面和豐富.本文在全區(qū)煤層氣探井的地質(zhì)資料和煤巖測試資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合前人研究成果,系統(tǒng)研究了煤儲層特征和含氣性特征,明確了含氣量主控因素,并建立了基于地質(zhì)主控因素約束的煤層含氣量計算模型和基于煤層水分含量影響的煤層氣資源量計算模型,進而對該區(qū)的煤層氣資源量進行了定量評價,為鄂爾多斯盆地其他地區(qū)中-高階煤層氣的研究提供指導(dǎo)和參考.

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

韓城礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地渭北煤田的東北緣(圖1),渭北煤田的構(gòu)造位置隨不同地質(zhì)歷史時期的區(qū)域大地構(gòu)造背景的演化而變化.韓城礦區(qū)整體為一走向北東、傾向北北西的單斜構(gòu)造,在單斜構(gòu)造之內(nèi),受后期伸展斷裂切割破壞,其軸部及東南翼沉降歸并于汾渭地塹中,西北翼局部殘存,形成現(xiàn)今的單斜構(gòu)造[3-9](圖1).礦區(qū)內(nèi)斷層以小斷層為主,主要為3級斷層和4級斷層,正斷層多,逆斷層少;礦區(qū)中部發(fā)育一條由東西向逐漸過渡到北東向展布的正斷層,規(guī)模較大,將礦區(qū)大體分為北區(qū)與南區(qū)兩部分.北區(qū)斷層發(fā)育較少,主要發(fā)育3條小斷層,斷裂多呈北西向展布;南區(qū)構(gòu)造相對復(fù)雜,斷層構(gòu)造較為發(fā)育,除礦區(qū)西南部發(fā)育一條近南北走向的逆斷層外,其余斷裂均呈東西向展布.

圖1 韓城礦區(qū)位置(左)及構(gòu)造綱要(右)圖

1.2 煤層分布特征

韓城礦區(qū)的主要含煤地層為二疊系山西組和太原組.

韓城礦區(qū)東北部邊緣煤層出露地表,向西南方向逐漸加深,受成煤環(huán)境影響,局部地區(qū)煤層尖滅.地質(zhì)資料顯示,韓城礦區(qū)煤層最大埋深可達2100m,其中東北部和東南部邊緣埋藏淺,西南部埋藏最深,西北部次之.整體上主力煤層的埋藏深度有利于煤層氣的生成和富集.

對韓城礦區(qū)27口井煤層厚度的統(tǒng)計表明,煤層累計厚度為4.5～16.1m,其中主力煤層3號、5號和11號煤層的累計厚度為5.5～13.3m.從全區(qū)煤層發(fā)育情況來看(圖2),受成煤時期地面環(huán)境的影響,由東部邊緣桑樹坪地區(qū)、板橋地區(qū)向薛峰地區(qū)、林源地區(qū),煤層發(fā)育厚度逐漸增大;厚度大于6m的煤層主要分布在林源地區(qū)、薛峰地區(qū)和喬子玄地區(qū),桑樹坪地區(qū)和板橋南部地區(qū)煤層發(fā)育相對較差,厚度一般小于4m.3套主力煤層的發(fā)育略有差異,3號煤層在板橋地區(qū)最為發(fā)育,最厚可達5.6m,向西北部和西南部逐漸變薄至尖滅;5號煤層和11號煤層在全區(qū)范圍內(nèi)均有發(fā)育,受物源影響,平面上煤層厚度由東北部和西南部向中部逐漸變薄;3套煤層的頂?shù)装寰鶠楹穸仍?0m以上的泥巖、碳質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖,尤其是11號煤層頂部的石灰?guī)r,致密堅硬、厚度大且全區(qū)分布.

1.3 煤巖煤質(zhì)特征

韓城礦區(qū)煤巖顯微組分包括鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和礦物質(zhì)三部分,其中礦物質(zhì)以黏土礦物為主.主力煤層煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主,含量為46.47%～87.54%,平均為76.94%;其次為惰質(zhì)組,含量為6.54%～35.21%,平均為15.39%(表1).從垂向上看,鏡質(zhì)組隨煤層埋深的增加有減小的趨勢,3號、5號、11號煤層的鏡質(zhì)組含量分別為77.98%、77.59%、75.83%;而惰質(zhì)組含量隨煤層埋深增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,3號、5號、11號煤層的惰質(zhì)組含量分別為14.50%、14.10%、16.87%.

圖2 韓城礦區(qū)煤層累計厚度等值線圖

表1 韓城礦區(qū)煤巖特征分析數(shù)據(jù)

對韓城礦區(qū)煤層氣井煤質(zhì)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明:區(qū)內(nèi)各煤層的水分含量分布具有較好的一致性,以0.3%～1.0%為主;各煤層的灰分含量分布范圍較寬,為9.87%～39.79%,平均為19.94%,3號煤層和11號煤層主要為中灰煤,5號煤層主要為低灰煤和中灰煤;各煤層的揮發(fā)分含量主要分布在8.59%～15.19%之間.煤巖灰分含量和水分含量在平面上呈現(xiàn)南高北低的趨勢,而揮發(fā)分含量則呈現(xiàn)北高南低的趨勢;縱向上,灰分含量和揮發(fā)分含量隨煤層埋深增加而增加,水分含量則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.由此可以看出韓城礦區(qū)的煤主要為低含水低揮發(fā)分的低-中灰煤.煤巖鏡質(zhì)組反射率介于1.83%～3.05%之間(表1),煤階變化較大,全區(qū)分布有瘦煤、貧煤和無煙煤,主要以貧煤為主(圖3).從煤層的鏡質(zhì)組反射率來看,韓城礦區(qū)主要分布中-高煤階煤,這有利于煤層氣的生成.

1.4 煤巖滲透性

煤儲層滲透率是進行煤層氣滲流分析的重要參數(shù)[10],在煤層氣資源已查明的前提條件下,煤儲層滲透率又是制約煤層氣資源開發(fā)成效的關(guān)鍵因素之一.

圖3 韓城礦區(qū)煤階分布圖

韓城礦區(qū)注入壓降法[11]試井滲透率為0.02～0.48mD(表2),平均為0.1425mD,為低滲透儲層.W7井5號煤層滲透率為0.48mD,而W9井11號煤層滲透率為0.02mD,可見不同煤層滲透率高低變化懸殊.在區(qū)域方面,W7井所在的板橋地區(qū)滲透率較好,可達0.48mD;而W9井所在的林源地區(qū)滲透率較差,只有0.02mD,由此推測雖然西北部地區(qū)煤層氣含量占優(yōu)勢,但是由于受滲透率限制,后期開發(fā)難度可能較大.

表2 韓城礦區(qū)參數(shù)井測試參數(shù)統(tǒng)計表

2 煤層含氣性

2.1 含氣量分布特征

據(jù)煤心解吸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(表3),韓城礦區(qū)煤層含氣量介于5.87～19.73m3/t之間,平均為13.43m3/t,主要分布在9～13m3/t和15～17m3/t區(qū)間,其中3號煤層含氣量最高,其次為11號煤層,5號煤層最低.

在平面分布上,區(qū)內(nèi)3套主力煤層的含氣量分布特征類似,本文以11號煤層為例來研究煤層含氣量的平面分布規(guī)律.整體上,受水文地質(zhì)條件的影響,11號煤層含氣量由礦區(qū)邊緣向中部呈現(xiàn)增高的趨勢,在北部和南部地區(qū)分布兩個煤層含氣量的高值區(qū)域,煤層含氣量均大于16m3/t,表明該礦區(qū)煤層氣儲量具有一定的規(guī)模(圖4).縱向上,煤層含氣量和深度沒有明確的線性關(guān)系,這可能與煤層含氣量除了受埋深影響外,還受水文地質(zhì)及圍巖條件等影響有關(guān).

表3 韓城礦區(qū)煤層氣吸附特征數(shù)據(jù)

等溫吸附實驗結(jié)果顯示,韓城礦區(qū)不同煤階煤的吸附能力差別較大,無煙煤的吸附能力大于瘦煤和貧煤,煤層朗格繆爾體積為10.07～32.11m3/t,平均為23.12m3/t,朗格繆爾壓力為1.07～3.51MPa,煤巖朗格繆爾體積普遍較大,反映吸附能力較強.

韓城礦區(qū)煤層氣含氣飽和度介于32.00%～92.97%之間,平均為63.84%;臨界解吸壓力為0.59～6.64MPa,平均為2.59MPa(表3).

2.2 含氣量控制因素

圖4 韓城礦區(qū)11號煤層含氣量等值線圖

煤層含氣量不但是評價煤層含氣性的主要地質(zhì)依據(jù),而且是煤層氣資源量計算的重要參數(shù).影響煤層含氣量的因素很多,包括難以量化的構(gòu)造形態(tài)、圍巖條件和水動力強弱等因素,以及可以量化的煤層埋深、灰分含量、煤巖鏡質(zhì)組反射率、水分含量、鏡質(zhì)組含量、儲層壓力、儲層溫度、儲層滲透率等參數(shù)[12-26].為了保證分析結(jié)果的客觀性,通過分析它們的相關(guān)性關(guān)系,最后選擇煤層埋深、灰分含量、鏡質(zhì)組含量和鏡質(zhì)組反射率相關(guān)性顯著的4個參數(shù)作為自變量,逐步回歸分析煤層含氣量.

2.2.1 煤層埋深

煤層的埋深在一定程度上影響煤層的含氣量,通過韓城礦區(qū)煤層的含氣量與埋深關(guān)系圖(圖5a)可以看出,埋深在400～1100m范圍之內(nèi),煤層含氣量與埋深呈很好的正相關(guān)變化關(guān)系;埋深超過1100m后,煤層含氣量隨著埋深的加大而降低.理論上,隨著煤層埋深的增加,儲層壓力會增加,煤巖的吸附能力變強,吸附量有所增加;但另一方面,隨著埋深的增加,煤巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會被壓實得更厲害,所以到一定埋深時,煤巖基質(zhì)的吸附量達到飽和后不會再增加,相反隨著煤巖的進一步壓實,煤巖孔隙會變小,一些存在孔隙中的游離氣會被擠出.所以煤巖含氣量不會隨埋深的增加而一直增加,存在一個極限深度,韓城礦區(qū)的極限深度大約為1100m左右.

2.2.2 灰分含量

灰分作為煤巖的一種重要組成成分,其含量的多少必然會影響煤巖的含氣量,韓城礦區(qū)煤巖灰分含量介于9.87%～39.79%之間(表1).由煤層含氣量與灰分含量關(guān)系圖(圖5b)可以發(fā)現(xiàn),含氣量與灰分含量具有線性關(guān)系,煤層含氣量隨著灰分含量的增高呈下降趨勢.灰分含量影響煤層的吸附性能,灰分含量愈低,煤質(zhì)愈好,鏡質(zhì)組含量就會相應(yīng)增多,而鏡質(zhì)組是煤巖中主要吸附煤層氣的物質(zhì),所以氣體吸附量會愈高.

2.2.3 鏡質(zhì)組含量

煤巖鏡質(zhì)組既是生成煤層氣的物質(zhì),又可以吸附煤層氣,所以其含量的高低直接決定了煤巖含氣量的能力.韓城礦區(qū)煤巖鏡質(zhì)組含量變化較大,所以煤巖的吸附能力差別也比較大,韓城礦區(qū)煤巖鏡質(zhì)組含量介于46.47%～87.54%之間(表1).由煤層含氣量與鏡質(zhì)組含量關(guān)系圖(圖5c)可以發(fā)現(xiàn),含氣量與鏡質(zhì)組含量也具有線性關(guān)系,煤層含氣量隨著鏡質(zhì)組含量的增高呈上升趨勢.

2.2.4 鏡質(zhì)組反射率

鏡質(zhì)組反射率可以反映出煤巖的變質(zhì)程度,鏡質(zhì)組反射率不同,煤的吸附量也不同.根據(jù)韓城礦區(qū)煤巖特征分析數(shù)據(jù)(表1)可以看出鏡質(zhì)組反射率介于1.83%～3.05%之間.由煤層含氣量與鏡質(zhì)組反射率關(guān)系圖(圖5d)可以看出,煤層含氣量與鏡質(zhì)組反射率呈正相關(guān)線性關(guān)系.煤巖隨變質(zhì)程度的增加,一方面煤巖的溫度升高,煤化作用加強,生氣能力增強;另一方面,變質(zhì)作用越高,煤巖中的原生孔隙數(shù)量越多,增加對煤層氣的吸附能力.

圖5 韓城礦區(qū)煤層含氣量與主控因素關(guān)系圖

2.3 含氣量預(yù)測模型

煤層含氣量的主控因素中,只有煤層埋深、鏡質(zhì)組反射率、灰分含量、鏡質(zhì)組含量這4項地質(zhì)參數(shù)是可以定量化的,所以在建立模型時選取它們作為自變量,結(jié)合煤巖分析測試數(shù)據(jù),利用逐步回歸分析的方法建立煤層含氣量數(shù)學(xué)模型.

運用SPSS統(tǒng)計軟件對上述相關(guān)參數(shù)進行逐步回歸,得到如下公式:

式中 C--含氣量,m3/t;

H--埋藏深度,m;

Ro--鏡質(zhì)組反射率,%;

Aad--灰分含量,%;

V--鏡質(zhì)組含量,%.

利用上述公式對主力煤層含氣量進行預(yù)測,并與煤巖測試含氣量進行對比(表4),發(fā)現(xiàn)除了W3井11號煤層和W6井3號煤層實測值與預(yù)測值相差較大外,差值分別為4.56m3/t和-4.38m3/t,其余井實測值與預(yù)測值的差值的絕對值小于4m3/t.可見利用上述公式計算的含氣量與實測含氣量的誤差較小,是一種較為合理的預(yù)測方法,該模型可以用于鄂爾多斯盆地其他地區(qū)的中-高階煤的含氣量預(yù)測.

表4 韓城礦區(qū)煤層含氣量預(yù)測值與實測值對比表

3 煤層氣資源量預(yù)測

3.1 煤層氣資源量計算模型

國內(nèi)外資料調(diào)研顯示,煤層氣資源量的計算方法主要有類比法、體積法、成因法、數(shù)值模擬法及遞減曲線分析法等[27-28],綜合考慮韓城礦區(qū)已有的資料,選擇體積法作為該區(qū)煤層氣資源量計算的方法.為了提高資源量計算精度,考慮了煤巖中的水分含量對煤層含氣量的影響,本文對常用的體積法公式進行優(yōu)化修改如下:

式中 G--煤層氣資源量,m3;

A--含氣面積,m2;

H--煤層厚度,m;

ρ--煤層密度,t/m3;

Qw--煤層水分含量,%.煤儲層在平面上具有很強的非均質(zhì)性,所以本文建立基于體積法的煤層氣地質(zhì)儲量的網(wǎng)格化算法模型.一般步驟如下:①繪制各單一參數(shù)的平面分布圖;②在平面上按均勻法建立固定的網(wǎng)格;③在各參數(shù)分布圖上讀取網(wǎng)格中心點上參數(shù)具體數(shù)值;④按照公式(3),計算各網(wǎng)格內(nèi)的煤層氣資源量,然后累計得到整個礦區(qū)的煤層氣資源量.

3.2 煤層氣資源量計算

韓城礦區(qū)煤層氣資源量計算結(jié)果(表5)表明:總資源量為858.25X108m3,資源豐度為0.93X108/km2;其中,煤層埋深小于等于1200m煤層氣資源量為672.32X108m3,埋深大于1200m煤層氣資源量為185.93X108m3.

表5 韓城礦區(qū)煤層氣資源量統(tǒng)計表

4 結(jié)論

(1)韓城礦區(qū)主要以瘦煤為主,無煙煤次之,受成煤環(huán)境的影響,煤受到不同程度的變質(zhì),由東南部向西北部煤階逐漸變高,主要為低含水低揮發(fā)分的低-中灰煤,有利于煤層氣的生成和賦存;煤巖分析表明該區(qū)主要煤層鏡質(zhì)組含量高,煤層含氣量大、含氣飽和度高、吸附能力較強,但煤儲層滲透率較低,屬于低滲透儲層.

(2)研究了煤層含氣量的空間分布特征,3套煤層的含氣量賦存狀態(tài)類似,且主要呈北北西走向,由東向西逐漸增高;分析了煤層含氣量的主控因素,利用可以定量化的主控因素參數(shù),運用逐步回歸分析的方法,建立了該區(qū)含氣量預(yù)測模型,通過對比預(yù)測值和實測值的結(jié)果,該模型比較合理,可以用于鄂爾多斯盆地其他地區(qū)的中-高階煤儲層的含氣量預(yù)測;

(3)首次建立了基于煤層水分含量影響下的煤層氣資源量計算模型,并對該區(qū)煤層氣資源量進行了計算,該區(qū)總資源量為858.25X108m3,資源豐度為0.93X108m3/km2.

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Coal reservoirs and CBM potentials in Hancheng mining area

Yi Wei, Xiong Xianyue, Zhuo Ying, Ji Liang, Wang Ke, Geng Hu, Liu Qing
( PetroChina Coalbed Methane Company Limited )

To improve comprehensive evaluation of coalbed methane (CBM) resources in Hancheng mining area, the paper studied the geological conditions, coal reservoirs and gas-bearing properties of coal seams in Hancheng mining area based on the original data obtained from CBM wells distributed in the whole area, and established a calculation model using stepwise regression method, based on which calculated coalbed methane resources. The study results show that, in this area: (1) primary coal-bearing strata are the Permian Shanxi Formation and the Taiyuan Formation where No.3, No.5 and No.11 coal seams are primary and distributed stably, and show high vitrinite content, high metamorphism of coal, and great potential of adsorbed coalbed methane; (2) main controlling factors on gas content in the coal seams are buried depth, structure, hydrogeology, vitrinite reflectance, ash content, macerals and caprock; (3) both gas content and gas saturation are high, but the permeability of the coal seams are relatively low (<0.5 mD), which should be stimulated in later coal development.The prediction of coalbed methane resources in this area shows that the total CBM resource is 858.25X108m3, and the resource abundance is 0.93X108m3/km2, of which, the coalbed methane resource in the coalbeds shallower than 1200 m is 672.32X108m3, and the resource abundance is 1.08X108m3/km2.

coalbed methane, gas content, resource abundance, metamorphic degree, exploration and development potential, Hancheng mining area

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.06.009

國家科技重大專項"中高煤階煤層氣富集規(guī)律與有利區(qū)塊預(yù)測"(2011ZX05033-001);中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項"煤層氣資源潛力研究與甜點區(qū)評價"(2013E-2201).

伊偉(1983-),男,山東蒙陰人,碩士,2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東),工程師,現(xiàn)從事煤層氣地質(zhì)、煤層氣資源評價及勘探開發(fā)綜合研究工作.地址:陜西省韓城市新城區(qū)民德里東四巷8號,郵政編碼:715400.E-mail: yiwei01@petrochina.com.cn

2016-10-23;修改日期:2017-09-08