楊曙光 魏 敏 黃 濤 王 剛 來 鵬 張 娜

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆 830009；2.新疆烏魯木齊國盛新能源投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司，新疆 830001；3.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 830009)

在煤層氣勘探過程中，計算煤層氣資源量時，首先要確定估算范圍，其中含氣量估算邊界的確定就涉及到煤層含氣量邊界和煤層氣風(fēng)化帶邊界的問題，一般情況下確定為風(fēng)化帶以下且含氣量大于最低下限標(biāo)準(zhǔn)，這在中高煤階地區(qū)一般沒有問題，但在某些低煤階地區(qū)，比如新疆的烏魯木齊礦區(qū)、陜西彬長大佛寺礦區(qū)、鄂爾多斯盆地烏審煤田等地，風(fēng)化帶邊界和含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)確定的邊界差別很大，顯然不能簡單的以兩種邊界求交集來解決。以下將對現(xiàn)行的方法存在的問題進(jìn)行分析，并對解決方案進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)行煤層氣資源量估算中含氣量估算邊界的確定

1.1 含氣量邊界

《煤層氣資源/儲量規(guī)范(DZ/T 0216—2010)》對煤層氣資源量計算時含氣量估算邊界做出了明確的規(guī)定(表1)。其中，低煤階煤層氣的含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)為1m3/t，但對煤層氣的成分沒有明確的要求，僅規(guī)定參與資源量計算的煤層氣含量測定值中應(yīng)剔除濃度超過10%的非烴氣體成分。

表1 煤層氣資源儲量計算的含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)

1.2 風(fēng)化帶邊界

《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范(GB/T 29119—2012)》不僅對煤層氣資源量計算時含氣量估算邊界做出了規(guī)定，同時確定煤層氣風(fēng)化帶以淺的煤層不計算煤層氣資源/儲量。

由于煤儲層被風(fēng)化改造，煤中甲烷向上運(yùn)移，與此同時地面空氣向煤層中滲透，使煤層中煤層氣呈現(xiàn)出垂直分帶的特征。自上而下按瓦斯成分不同劃分為4個帶:①氮?dú)?二氧化碳帶，二氧化碳大于20%；②氮?dú)鈳?，氮?dú)獯笥?0%、甲烷小于20%；③氮?dú)?甲烷帶，甲烷為20%～80%、氮?dú)鉃?0%～20%；④甲烷帶，甲烷大于80%、氮?dú)庑∮?0%。一般把前3個帶統(tǒng)稱為甲烷風(fēng)化帶。

在實(shí)際應(yīng)用中，甲烷風(fēng)化帶下界的確定一般按以下原則來進(jìn)行：①在煤體中所含氣體的甲烷成分大于80%；②在煤層中瓦斯壓力為0.15～0.2MPa;③在相同自然條件下(如水分、溫度)與瓦斯壓力為0.15～0.20MPa相當(dāng)?shù)耐咚购?，氣煤?.5～2.0m3/t，粘結(jié)煤為2.0～2.5m3/t，瘦煤為2.5～3.0m3/t，貧煤為3.0～4.0m3/t，無煙煤為5.0～7.0m3/t;④礦井相對瓦斯涌出量大于2m3/t。

在煤層氣勘探過程中，部分新礦區(qū)并沒有煤礦開采，因此也就沒有瓦斯壓力和礦井相對瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)，所以普遍使用甲烷成分小于80%作為煤層氣風(fēng)化帶。這樣的確定方法非常簡單，而且有利于操作，因此被普遍采用。

1.3 資源量估算中的含氣量估算邊界

綜上所述，現(xiàn)行煤層氣勘查資源量估算過程中的含氣量估算邊界多數(shù)人是以含氣量達(dá)到下限標(biāo)準(zhǔn)(低煤階1m3/t；中煤階4m3/t；低煤階8m3/t)，并且甲烷含量達(dá)到80%來確定的。

2 低煤階煤層氣含氣量估算邊界確定存在的問題

在煤層氣勘探階段計算煤層氣資源量時，淺部邊界就主要以煤層氣含氣量和煤層氣風(fēng)化帶來確定。在中高煤階地區(qū)，煤層含氣量隨著深度的增加增長較快，在煤層氣成分中甲烷含量隨著深度的增加增長同樣較快，所以，以煤層氣風(fēng)化帶劃定的邊界和以含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)劃定的資源量計算邊界相差不大。但在有些低煤階地區(qū)，煤層含氣量隨著深度的變化增加相對較快，但是煤層氣成分復(fù)雜，氮?dú)夂投趸嫉暮枯^高，因此甲烷含量隨著深度的增加增長較慢。這就造成了在這些區(qū)域，雖然含氣量較高，但仍然處于煤層氣風(fēng)化帶中。

比如在烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)，煤類以不粘煤和長焰煤為主，屬于低煤階煤。根據(jù)資源量計算含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)(1m3/t)確定的含氣量估算邊界埋深在300m左右，而在WCS-X井附近，根據(jù)甲烷成分確定的煤層氣風(fēng)化帶埋深在900m左右。在860m左右含氣量較高，一般平均值會達(dá)到6.75m3/t，雖然甲烷濃度只有72.4%，但純甲烷含量也能達(dá)到4.89m3/t(表2)，同樣具有開采價值。

表2 烏魯木齊礦區(qū)WCS-X井煤層氣含量測試數(shù)據(jù)

江西省的部分煤礦，與烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)相比， 煤層氣含量更高， 最高可以達(dá)到近18.96m3/t，甲烷含量也很更高，最高可以達(dá)到12.42m3/t，但甲烷的濃度一般也都不足70%；與烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)不同的是：除去甲烷以外的其他成分中，烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)二氧化碳較高，而江西部分煤礦以氮?dú)鉃橹?表3)。

表3 江西省部分煤礦區(qū)煤層瓦斯測試成果表

也有另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，風(fēng)化帶應(yīng)該和氮?dú)夂棵芮邢嚓P(guān)，因?yàn)轱L(fēng)化作用首先有空氣的置換，而氮?dú)馐强諝獾闹饕煞?，煤層氣風(fēng)化帶的判斷，氮?dú)夂慷嗌賾?yīng)該是一個主要指標(biāo)。

除了新疆、江西以外，鄂爾多斯盆地煤層氣成分中，甲烷含量差別也較大，僅黃陵、焦坪的甲烷體積分?jǐn)?shù)在80%以上，其他樣品的 甲烷多低于 80%；彬長大佛寺4號煤層甲烷濃度最高值95.26%，一般在50%～80%左右；

在上述區(qū)域，煤層氣含量高但甲烷濃度不足80%的情況，給煤層氣資源量計算的邊界劃定帶來了不確定性。如果考慮將甲烷濃度80%(風(fēng)化帶邊界)作為含氣量估算邊界，甚至?xí)⒓兗淄楹看笥?0m3/t，具有很好資源條件的區(qū)域劃為不可采區(qū)域，這種現(xiàn)象在低煤階地區(qū)很普遍。因此，在實(shí)際工作中這個規(guī)則需要調(diào)整，才能符合實(shí)際情況。

3 儲量計算中含氣量估算邊界確定方法的探討

根據(jù)以上分析，以往儲量含氣量估算邊界的確定主要由煤層氣風(fēng)化帶邊界和煤層含氣量起算下限標(biāo)準(zhǔn)共同確定的，通過分析，這種方法在低煤階部分區(qū)域存在一定的局限性。特別是現(xiàn)有的煤層氣風(fēng)化帶確定標(biāo)準(zhǔn)劃定的含氣量估算邊界與低煤階區(qū)域煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性存在矛盾。

比如烏魯木齊礦區(qū)某區(qū)域，根據(jù)煤層氣含氣量標(biāo)準(zhǔn)確定的含氣量估算邊界含氣量為1m3/t，而在860m左右由于含氣量較高，一般會達(dá)到7m3/t左右，雖然甲烷含量只有72%左右，但純甲烷的含量也能達(dá)到近5m3/t，此時顯然不能簡單地以80%作為儲量計算邊界，這樣會使很多高含氣量的區(qū)域不能夠進(jìn)行資源量計算，與實(shí)際情況相悖。

煤層氣風(fēng)化帶邊界的確定影響因素較多，一是難以劃定，二是按照以往的劃定標(biāo)準(zhǔn)劃分的風(fēng)化帶邊界并不適用于煤層氣資源量的計算。因此建議，在劃定含氣量估算邊界時，可不考慮煤層氣風(fēng)化帶。實(shí)際影響煤層氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的邊界條件因素主要有三項(xiàng)：一是煤層氣含量；二是氣體成分(主要是甲烷含量百分比)；三是煤層埋深。另外從資源量計算的角度來說，含氣量和氣體成分才是最關(guān)鍵的因素。

3.1 低煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界

基于上述分析，提出以下幾種確定劃定儲量計算含氣量估算邊界的方案：

3.1.1 甲烷含量法

煤層氣的有效成分是甲烷，所以儲量計算含氣量估算邊界由煤層氣含量和甲烷含量百分比(甲烷濃度)共同確定：

以煤層氣含量≥2m3/t，且甲烷體積百分比≥50%來確定儲量計算含氣量估算邊界。

從現(xiàn)有的低煤階煤層氣開發(fā)區(qū)塊來看，含氣量普遍是大于2m3/t的，但有很多區(qū)域甲烷含量普遍不足80%；甲烷含量50%以上的區(qū)域含氣量普遍大于2 m3/t，特別是某些區(qū)域深部600m以深雖然甲烷含量不足80%，但含氣量高達(dá)6～8m3/t(圖1)；基于以上原因確定了本方案。本方案同樣不考慮煤層的埋深因素，優(yōu)點(diǎn)是兼顧了深部含氣量高但甲烷百分比不足80%的煤層氣資源量的計算，但與《煤層氣資源/儲量規(guī)范(DZ/T 0216—2010)》存在較大差別，如果從純甲烷含量的角度考慮，雖然含氣量標(biāo)準(zhǔn)從1m3/t提高到了2m3/t，但純甲烷的含量不小于1m3/t，與原標(biāo)準(zhǔn)0.8m3/t相差并不大。

圖1 烏魯木齊礦區(qū)煤層氣含量、甲烷含量與埋深關(guān)系圖

3.1.2 埋深、含氣量分段法

此方案考慮的因素除了含氣量、甲烷濃度外，還有埋深因素。主要考慮到煤層氣資源量受埋深的影響比較大，隨著埋深的增加，含氣量、氣成分、煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等都會發(fā)生變化，所以在此方案中考慮了埋深因素。

具體方案是，將煤層埋深劃分為三段，對不同深度段采用不同的含氣量，但隨著埋深的增加，含氣量的要求增大。甲烷含量百分比仍然采用50%，具體劃分方法見表4。

表4 分段法劃定的儲量計算含氣量估算邊界

此方案的優(yōu)點(diǎn)是考慮了煤層氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性隨著深度的增加而變差的特點(diǎn)，將含氣量的標(biāo)準(zhǔn)隨著埋深的增加而做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，更切合實(shí)際情況；缺點(diǎn)是增加了參數(shù)，規(guī)定相對復(fù)雜，不利于操作。

3.1.3 推薦方案

比較上述兩種方案，綜合考慮認(rèn)為：用煤層氣含量≥2m3/t，且甲烷體積百分比≥50%來確定低煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界更為合理。理由如下：

(1)與《煤層氣資源/儲量規(guī)范(DZ/T 0216—2010)》、《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范(GB/T 29119—2012)》雖有差別，但甲烷含量的要求差別不大；

(2)解決了很多低煤階區(qū)域雖然甲烷含量不足80%，但含氣量較高，可經(jīng)濟(jì)開發(fā)，但不能計算資源量的根本問題；

(3)借鑒其它礦種的工業(yè)品位，一般也不把埋深作為參考指標(biāo)；

(4)定義簡單，操作方便。

3.2 中高煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界

中高煤階煤層氣的特點(diǎn)與低煤階差別很大，隨著深度的增加含氣量和甲烷含量增加較快，所以中高煤階煤層氣儲量計算含氣量估算邊界建議依然采用原標(biāo)準(zhǔn)，即中煤階含氣量大于4 m3/t，甲烷濃度大于80%，高煤階含氣量大于8 m3/t，甲烷濃度大于80%。

4 結(jié)論

綜上所述，以往資源量估算中利用煤層氣(甲烷)風(fēng)化帶和含氣量共同確定含氣量估算邊界在低煤階中確實(shí)并不適合。通過綜合分析，提出了不考慮煤層氣風(fēng)化帶因素，僅用煤層含氣量和氣體成分兩項(xiàng)指標(biāo)來確定含氣量估算邊界的方案(表5)。

表5 資源量計算中含氣量估算邊界

此方案可以解決在低煤階煤層氣資源量計算時存在的問題和困擾，而且定義簡單、操作方便?？梢宰鳛橐院筚Y源量計算的參考，同時也希望能為規(guī)范的修訂提供參考。