鶴崗盆地煤層氣資源潛力分析

王世輝 王有智 許承武 譚寶德 李 佳

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江 1637121)

1 概況

鶴崗盆地位于黑龍江省小興安嶺東麓與三江平原的接壤處,呈近南北向分布,北起四方山菜地,南至阿凌達(dá)河,西臨永利-蔬圓一帶,東迄新華-圓頭山一線,南北長(zhǎng)約100km,東西寬約28km。鶴崗盆地煤炭資源開發(fā)較早,由北到南依次為石頭廟子、興山、新一、鳥山、南山、大陸、富力、峻德、新華等10個(gè)礦區(qū),工業(yè)儲(chǔ)量16×108t,可采儲(chǔ)量 8×108t。

2 煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

隨著美國(guó)煤層氣勘探理論和開發(fā)技術(shù)的不斷突破,帶動(dòng)了世界上30多個(gè)重要產(chǎn)煤國(guó)的煤層氣研究與發(fā)展。1989年聯(lián)合國(guó)環(huán)保署援助項(xiàng)目“中國(guó)煤層氣資源開發(fā)”的實(shí)施,正式拉開了我國(guó)煤層氣地面開發(fā)研究的序幕。通過與美國(guó)煤層氣成功開發(fā)煤層氣盆地的類比,鶴崗盆地成為重要的煤層氣勘探區(qū)之一。

鶴崗地區(qū)對(duì)礦井瓦斯的商業(yè)利用價(jià)值認(rèn)識(shí)較早,1984年開始使用抽放瓦斯作為優(yōu)質(zhì)燃料,1992年開始進(jìn)入居民實(shí)用階段至今。但是目前,僅在南山礦實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽放綜合利用。

鶴崗盆地煤層氣勘探始于1998年,中聯(lián)煤層氣公司、黑龍江省計(jì)委、鶴崗礦務(wù)局、黑龍江省煤管局、鶴崗市政府5個(gè)單位聯(lián)合,在峻德、興安地區(qū)施工了兩口煤層氣參數(shù)井兼生產(chǎn)試驗(yàn)井 (HE-01、HE-02)。2002年,中聯(lián)煤層氣公司、黑龍江計(jì)委、黑龍江省煤田地質(zhì)局在南山、新一、鳥山區(qū)進(jìn)行勘探,部署了4口煤層氣參數(shù)井兼生產(chǎn)試驗(yàn)井(鶴參3、鶴參4、鶴參5、鶴參6),先期施工了一口參數(shù)井 (鶴參3)。2009年,中聯(lián)煤層氣公司在新一地區(qū)施工了一口試驗(yàn)井,對(duì)該井進(jìn)行排采試驗(yàn),日產(chǎn)氣量達(dá)到1400m3/d。大慶油田在新一礦和鳥山礦施工三口煤層氣評(píng)價(jià)井。

隨著盆地評(píng)價(jià)的深入,對(duì)鶴崗盆地資源前景有了較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),研究認(rèn)為南山、新一和鳥山礦區(qū)為今后進(jìn)行勘探開發(fā)的重點(diǎn),但由于成藏條件較為復(fù)雜,對(duì)勘探工作是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

3 成藏條件分析

3.1 構(gòu)造特征

針對(duì)國(guó)內(nèi)煤層氣成藏的特點(diǎn),目前對(duì)煤層氣的研究重點(diǎn)主要集中在后期賦存條件的研究,構(gòu)造演化是核心問題。構(gòu)造與煤層氣從生到儲(chǔ)每一個(gè)環(huán)節(jié)有著密切的關(guān)系。因此,正確認(rèn)識(shí)煤田區(qū)域構(gòu)造特征是分析煤層氣資源賦存規(guī)律的基礎(chǔ)。

3.1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

圖1 鶴崗盆地城子河組煤層平均厚度統(tǒng)計(jì)直方圖

鶴崗盆地位于佳木斯地塊的西北部,盆地西緣為南北走向的牡丹江斷裂,盆地東南邊界為依蘭～伊通斷裂。盆地基底主要由前古生界麻山群、黑龍江群深變質(zhì)巖系及元古代混合花崗巖、華力西期花崗巖等共同組成。

3.1.2 煤田區(qū)構(gòu)造特征

鶴崗煤田為一走向近南北,向東傾斜的單斜構(gòu)造,傾角15°～35°。受基底剛性的影響,盆地內(nèi)褶皺作用較微弱,斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,以正斷裂為主,可分成南北向、東西向、北北東向、北東向、北東東向、北西向和北北西向多組。斷裂數(shù)量多、期次多,相互截切、交織在一起,造成斷裂構(gòu)造格局復(fù)雜化。

張性斷層的開放性不利于煤層氣的保存。由于受到拉張作用,斷面附近由于構(gòu)造應(yīng)力釋放而成為低壓區(qū),煤層中吸附甲烷大量解析,從斷面逸散,對(duì)煤層氣藏起到破壞作用。

3.2 含煤地層特征

3.2.1 煤層厚度

鶴崗煤田主要含煤地層為下白堊統(tǒng)城子河組,共發(fā)育40余層煤,其中可采及局部可采煤層36層,主要可采煤層包括 3#、11#、15#、17#、18#、21#、22#、30#、33#9個(gè)煤層 (圖 1),其中主力煤層為11#、15#和18#煤層 (圖2)。

從全區(qū)煤層發(fā)育情況來看,煤層厚度大連續(xù)性好,具備良好的資源潛力。整體上以新一礦為中心向南、向北逐漸變薄,其中煤層厚度大于60m的主要分布在新一、南山和鳥山礦,興安、峻德礦的只在局部地區(qū)發(fā)育 (圖3)。鶴煤1井揭示的煤層累計(jì)厚度達(dá)到116.8m,單層最大厚度為26m,3m以上的煤層為11層,新一礦顯示出較好的勘探前景。

圖2 鶴崗盆地主采煤層剖面對(duì)比分布圖

圖3 鶴崗盆地煤層累計(jì)厚度分布圖

圖4 鶴崗盆地11#寬層煤階分布圖

3.2.2 煤層埋深

鶴崗盆地煤層在西緣埋藏較淺,甚至出露地表,向東部逐漸加深,但煤層厚度變薄。依據(jù)煤田鉆井資料和鶴煤1井揭示的煤層情況,煤層最大埋深為在1000m以淺,依據(jù)地震解釋推測(cè)其最大埋深可達(dá)2000m。鶴崗盆地主力煤層埋藏在800m以淺,深度適中,利于煤層氣的勘探開發(fā)[5]。

3.2.3 煤階

相同地質(zhì)條件下,通常認(rèn)為煤層含氣量隨煤的變質(zhì)程度增大而升高。鶴崗煤田以低-中等變質(zhì)的氣煤、肥煤為主,煤階由西向東隨埋藏深度的增加煤的變質(zhì)程度增大;由于燕山期巖漿巖的侵入,使煤層發(fā)生了熱接觸變質(zhì)作用,使得煤的變質(zhì)程度由南向北煤質(zhì)逐漸增高。峻德、興安礦區(qū)以氣煤和長(zhǎng)焰煤為主,中部的富力、南山、新一礦為肥煤,鳥山區(qū)變?yōu)榻姑?興山礦東部分布有貧煤和無煙煤(圖4)。因此,鶴崗盆地煤層含氣量北部高于南部,東部高于西部。

3.3 煤層含氣量

通過分析HE-01、HE-02井的測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)各煤層含氣量均較低。HE-01井含氣量為1.14～2.41m3/t,平均為2.3m3/t。HE-02井煤層含氣量較高,1.06～5.01m3/t。

從鶴煤1井的測(cè)試結(jié)果上看,煤層氣含量較高,鶴煤1井共解析樣品23個(gè),含氣量基本大于2m3/t。620～654m井段的含氣量都在5m3/t以上,最高可達(dá)8.34m3/t,甲烷濃度在80%以上,已經(jīng)達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 煤儲(chǔ)層物性特征

物性因素主要包括孔隙、滲透率、割理、吸附能力、儲(chǔ)層壓力、解析壓力等。從前人研究的結(jié)果可知,鶴崗盆地的孔隙度和滲透率均較低。通過對(duì)鶴煤1井23塊樣品的觀測(cè)認(rèn)為新一礦地區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育,以暗煤為主,含少量亮煤,煤體結(jié)構(gòu)破碎,以粉煤為主,含少量碎塊,割理無法觀測(cè) (圖5)。表1中 651.73～652.13井段含氣量高,達(dá)到8.34m3/t,含氣飽和度為67%,儲(chǔ)層壓力和解析壓力較高,適合進(jìn)行壓裂改造進(jìn)行煤層氣解析排采。

圖5 鶴煤1井煤巖類型、割理裂縫照片

通過分析認(rèn)為,這種粉煤的形成可能有以下幾方面原因：成煤環(huán)境,鶴崗盆地粉煤較為發(fā)育,基本無法識(shí)別原生結(jié)構(gòu),可能是成煤的母質(zhì)造成這種現(xiàn)狀,與構(gòu)造無關(guān);層間滑動(dòng),鶴崗盆地?cái)嗔咽职l(fā)育,而且煤層厚度大,受構(gòu)造影響極易發(fā)生層間滑動(dòng),形成現(xiàn)今如此破碎的粉煤;取芯,鶴煤1井采用繩索取芯,在割芯的過程中對(duì)煤層會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用。

表1 鶴煤1井儲(chǔ)層物性參數(shù)表

4 煤層氣資源預(yù)測(cè)

通過分析鶴崗地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)條件、綜合前人研究結(jié)果和鶴煤1井取得的相關(guān)數(shù)據(jù),認(rèn)為新一、鳥山和南山地區(qū)是今后煤層氣勘探的最有利區(qū)?？紤]到目前的開采能力和經(jīng)濟(jì)因素,將1500m作為界限,對(duì)新一、鳥山和南山礦區(qū)的煤層氣資源量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。南山礦煤炭資源儲(chǔ)量為9.03×108t,煤層氣儲(chǔ)量為139.5×108m3/t,新一、鳥山礦區(qū)煤炭資源量為 22.32×108t,煤層氣資源量為 164.2×108m3/t(表 2)。

5 結(jié)論

(1)在充分剖析鶴煤1井的基礎(chǔ)上,對(duì)鶴崗盆地煤層埋深、厚度、變質(zhì)程度、煤層含氣性和儲(chǔ)層特征等成藏條件進(jìn)行了更為深入的研究,認(rèn)為鶴崗盆地具備成為重要煤層氣開發(fā)基地的潛力,目前制約鶴崗盆地實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵因素是基于這種破碎嚴(yán)重煤層成藏理論與勘探方法的認(rèn)識(shí)不清。

表2 鶴崗盆地各埋深 (有效煤厚)煤層氣資源量匯總表

(2)鶴崗盆地煤層以氣煤和肥煤為主,演化程度中等;含氣量和含氣飽和度相對(duì)較低,但是厚層的煤和較小的層間距可以彌補(bǔ)演化程度低導(dǎo)致的氣源不足;煤巖以粉煤為主,破碎較為嚴(yán)重,給后期壓裂改造工藝帶來了不小的挑戰(zhàn);盆地后期改造強(qiáng)烈,張性斷裂發(fā)育,對(duì)煤層氣勘探來說是一把雙刃劍,斷裂既可以成為改善煤層滲透性,又可以破壞煤層氣成藏。

(3)雖然鶴崗盆地構(gòu)造較為破碎,但是中部的南山、新一和鳥山礦區(qū)煤層氣資源豐富,儲(chǔ)量可觀,達(dá)303.75×108m3。從已鉆的煤層氣井看到鶴崗盆地資源潛力,及時(shí)調(diào)整勘探思路是前提,選擇小規(guī)模的煤層氣富集區(qū),建設(shè)實(shí)驗(yàn)區(qū),面積降壓是加速工業(yè)突破的有利方向。

[1] 楊敏芳,孫斌,張麗琳,等.鶴崗盆地煤層氣賦存特征及勘探開發(fā)潛力 [J].天然氣工業(yè),2010,30(11)：26～29.

[2] BoyerⅡC M.The Coalbed Methane Resources and the Mechanismof Gas Production[M].Chicago：GRI,989.

[3] Rightmire C T,et al.Coalbed Methane Resources of the U-nitedStates[M].AAPG Studies in Geology#17,1989.

[4] Flores R M.Coalbed methane：f rom coal2mine outbursts to a gasresource (Special Issue on Coalbed Methane)[J].InternationalJournal of Coal Geology,1998,35：1～4.

[5] Mastalerz M,G likson M,G olding S D.Coalbed Methane：Scien2tific,Environmental and Economic Evaluaion[M].Boston：K luwer Academic Publishers,1999.

[6] Scott A R.Composition and origin of coalbed gasesform selectedbasins in the United States[A].Proc 1993 CBM Symp[C].TheUniversity ofAlabama,Tuscaloosa,1993.

[7] Horner D M.In2situ st resses：a critical factor influencing hydraulic f racture performance in Aust ralia coal basins[A].Proceedings 1991 Int CBM Symp[C].1991.445-450.

[8] 劉靖陽(yáng).鶴崗礦區(qū)煤層氣利用與展望 [J].煤炭技術(shù),2002,21(11)：3～4.

[9] 趙淑榮.鶴崗煤田煤層氣利用初步評(píng)價(jià) [J].煤炭技術(shù),2009,28(3)：144～145.

[10] 張振文,高永利,代鳳紅,等.影響曉南礦未開采煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素 [J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(9)：950-954.

[11] 曹國(guó)華,田富超,郝從娜.地質(zhì)構(gòu)造對(duì)寺河礦煤層瓦斯賦存規(guī)律的影響分析 [J].煤炭工程,2009(3)：57-60.

[12] 彭金寧,傅雪海.潘謝東區(qū)塊煤層氣富集地質(zhì)控制因素研究 [J].天然氣地球科學(xué),2007,18(4)：569-571.

[13] 李小明,彭格林,席先武.淮南煤田構(gòu)造熱演化特征與煤層氣資源的初步研究 [J].礦物學(xué)報(bào),2002,22(1)：85-90.

[14] 秦勇,桑樹勛.鶴崗礦區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià) [R].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2005.

[15] 李五忠,趙慶波,吳國(guó)干.中國(guó)煤層氣開發(fā)與利用[M].北京：石油工業(yè)出版社,2008.