內(nèi)蒙古二道嶺礦區(qū)煤層氣資源賦存條件分析

李金濤　李恒

摘要：二道嶺礦區(qū)位于賀蘭山煤田內(nèi)，為小型含煤盆地，主要含煤地層是侏羅系中、下統(tǒng)延安組。本文通過對(duì)二道嶺礦區(qū)煤層氣資源賦存條件的系統(tǒng)分析，以及對(duì)已有地質(zhì)資料的進(jìn)一步研究，認(rèn)為該區(qū)煤層氣成藏條件優(yōu)越，煤儲(chǔ)層發(fā)育條件良好，煤變質(zhì)程度較高，含氣性高，資源比較集中，資源類級(jí)和可靠程度高，具有較好的開發(fā)利用價(jià)值。

二道嶺礦區(qū)位于賀蘭山中段、阿拉善左旗境內(nèi)，與寧夏汝箕溝礦區(qū)相鄰發(fā)育，中間隔以呼魯斯太背斜。礦區(qū)呈長軸為北東向之不對(duì)稱菱形，礦區(qū)西部、北部以小松山逆斷層為界，東部、南部以煤層露頭為界。二道嶺礦區(qū)作為內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)高瓦斯礦區(qū)之一，一直致力于煤層瓦斯利用的研究。目前該礦區(qū)內(nèi)利用煤層瓦斯發(fā)電項(xiàng)目已初具規(guī)模，多處瓦斯發(fā)電項(xiàng)目已并網(wǎng)發(fā)電。因此，加快該區(qū)的煤層氣資源研究及勘探開發(fā)工作，對(duì)改善地方經(jīng)濟(jì)及加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。

1.含煤地層與煤層

二道嶺礦區(qū)主要含煤地層是侏羅系中、下統(tǒng)延安組，煤系地層出露于賀蘭山的二道嶺、汝箕溝等地，屬陸相含煤沉積。巖性為灰、灰白、灰黑色砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，夾煤層，底部常為粗砂巖或礫巖，局部含油頁巖和菱鐵礦結(jié)核。巖性、巖相較穩(wěn)定，厚度90m～227m，與下伏延長群假整合接觸。

區(qū)內(nèi)延安組為一套河湖沼澤相沉積。沉積韻律及煤層厚度變化有序。泥炭沼澤的沉積背景和沼澤同期的碎屑活動(dòng)控制著煤層厚度的變化。厚煤層的形成與河流一三角洲體系活動(dòng)水道兩側(cè)的泛濫盆地有關(guān)，與廢棄的三角洲朵體及分流間灣有關(guān)。

區(qū)內(nèi)延安組煤層平均總厚26.42m，可采總厚18.07m。含煤面積約25.9kmz，累計(jì)探獲資源量為7.25億噸，含煤預(yù)測(cè)區(qū)面積約33.28km2，資源量約為4.77億噸。區(qū)內(nèi)可采煤層11層，煤層編號(hào)為一、二1上、二1、二2、二3、二4、三、四、五、七1、七2煤層。其中二1、二2、二3、三煤層厚度較大，且分布相對(duì)穩(wěn)定，是主力煤儲(chǔ)層。延安組平均煤層總厚26.42m，可采總厚18.07m。該組巖性、巖相較穩(wěn)定，與下伏延長群呈假整合接觸。

2.構(gòu)造特征

二道嶺向斜總體呈北東-南西走向，呈一菱形盆狀。向斜西翼被小松山逆斷層切割，奧陶系地層逆掩其上；南東翼構(gòu)造簡(jiǎn)單，含煤地層為侏羅系延安組，出露于向斜的北、東、南三面。礦區(qū)現(xiàn)代地貌為一形態(tài)完整的小型山間盆地，該盆地是汝箕溝聚煤盆地演化的產(chǎn)物，晚侏羅世末賀蘭山開始隆起，汝箕溝聚煤盆地被分割成汝箕溝和二道嶺兩個(gè)殘留盆地，早白堊世末賀蘭山進(jìn)一步隆起，基本形成了現(xiàn)代殘留盆地的面貌。新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)盆地改造微弱，阿拉善地塊的持續(xù)擠壓在盆地范圍內(nèi)發(fā)育煤層氣聚集的統(tǒng)一壓力圈閉，二道嶺殘留盆地實(shí)際上就是一個(gè)煤層氣藏。

3.煤儲(chǔ)層特征

3.1孔隙特征

二道嶺礦區(qū)煤層總孔容在0.0365cm3/g～0.1197cm3/g之間，平均0.0585cm3/g?？讖浇Y(jié)構(gòu)以大孔為主，占總孔容的56.0%。明顯高于其他地區(qū)同煤級(jí)煤的總孔容，大孔孔容所占比例也顯著偏高。煤層總比表面積介于3.647cm/g～7.653cm2/g之間，平均6.10cm2/g。以微孔的比表面為主，占總比表面積的53.4%。比表面積總體特征與其他地區(qū)同煤級(jí)煤大體相似。主煤層孔隙連通性多屬半連通（或半封閉）型孔、連通型孔。

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）許浩等采用Carlo-Erba2000型壓汞儀進(jìn)行煤層孔隙度分析，表明二道嶺礦區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙度較高，達(dá)到5.2%～20.2%。煤儲(chǔ)層孔隙具雙峰分布特點(diǎn)，以微孔一小孔和大孔為主，尤以微孔-小孔占優(yōu)勢(shì)，一般約占孔隙體積的70%左右；大孔多變化在18%～30%之間。

根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造形態(tài)分析，二道嶺礦區(qū)南部和北部構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)，煤滲透性差，礦區(qū)中段裂隙發(fā)育較好，滲透性較好，但局部大裂隙內(nèi)充填煤粉，對(duì)煤層氣開發(fā)帶來一定的負(fù)面影響。

3.2力學(xué)特征與儲(chǔ)層可改造性分析

煤巖及圍巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)試表明：煤的抗壓強(qiáng)度低于砂巖，與泥巖相當(dāng)，但煤的抗拉強(qiáng)度明顯低于圍巖，在原地應(yīng)力相似的條件下，破裂煤層的壓力低于圍巖；煤的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于圍巖，對(duì)控制縫高有利，但煤的抗壓強(qiáng)度、泊松比與粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖相差不大，又不利于控制縫高的擴(kuò)展；煤彈性模量低于砂巖，與泥巖相當(dāng)，在壓裂作用下，裂隙寬度變化大；煤的抗拉強(qiáng)度明顯低于圍巖，壓裂時(shí)，水平裂隙至垂直裂隙的轉(zhuǎn)變深度更淺。主力煤層二1、二2、二3號(hào)煤儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)與圍巖（砂巖）相差較大，儲(chǔ)層壓裂較為有利。

3.3吸附特征

二道嶺礦區(qū)主力煤層最大吸附量（V1）介于16.4m3/t～29.35m3/t之間，平均為24.01m3/t，在礦區(qū)的西北部和南部較低，中部興泰煤礦附近較高；Langmuir壓力（PL）介于0.41MPa-0.86MPa之間，平均為0.586MPa。最突出特征是蘭氏壓力低，說明在低壓條件下，煤儲(chǔ)層的吸附效率非常高，可能與淺埋高溫?zé)嶙冑|(zhì)造成的大、中孔等發(fā)育的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)；這一突出特征是造成埋深幾十米的煤層有很好的氣顯示、煤層氣風(fēng)化帶下限深度平均含氣量高達(dá)7m3/t的原因。

3.4煤巖特征

礦區(qū)內(nèi)各煤呈油脂-金屬光澤，貝殼狀-不規(guī)則狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，煤的內(nèi)生裂隙較發(fā)育。深部煤的原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造保存完好，呈細(xì)條帶及線理狀構(gòu)造，煤的硬度較大。宏觀煤巖類型總體以光亮一半亮煤為主，約占80%～90%，半暗一暗淡煤約占10%～20%。顯微煤巖組分中，以鏡質(zhì)組為主，占85%～90%。惰性組次之，占8%～10%。無機(jī)組分占5%左右，以粘土、碳酸巖為主。煤類以無煙煤為主，部分為貧煤。鏡質(zhì)組最大反射率Rmax=1.63%～2.88%，平均值為2.27%。煤級(jí)的區(qū)域變化呈現(xiàn)南高北低、東高西低的規(guī)律。

3.5封蓋特征

煤層頂板作為煤儲(chǔ)層的直接蓋層，對(duì)煤層氣的保存具有重要的控制作用。直羅組作為一套繼延安組之上的一套內(nèi)陸河流環(huán)境為主的碎屑巖沉積，巖性為灰綠、黃綠、褐黃色砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖不等厚互層，地層厚度一般約300m。直羅組下部多為深灰色、黃灰色泥巖，上部多為黃綠色紫紅色泥巖，一般含粉砂質(zhì)。泥巖礦物多為高嶺石、水云母等，碎屑物多為石英、長石、巖屑等。以水平層理為主。直羅組的巖石垂向組合層序總體表現(xiàn)為多旋回的向上變細(xì)的“砂泥二元結(jié)構(gòu)”層序。因此，從巖性及其分布來看，煤層氣保存的條件比較有利。

3.6水動(dòng)力條件

礦區(qū)淺部水文地質(zhì)特征為地下水水頭壓力大，水量小，補(bǔ)給來源缺乏，地表徑流排泄良好，屬水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單類型，對(duì)煤層氣的保存影響不大。

4.煤層氣含量

二道嶺礦區(qū)煤層氣含量分布總體呈中部高、兩端低，且有隨著埋深的增加，含氣量逐漸增大的趨勢(shì)。礦區(qū)南部平均含氣量為4.5m3/t，中部平均含氣量為12.6m3/t，北部平均含氣量為8.2m3/t。礦區(qū)淺部煤層含氣性：煤田瓦斯孔測(cè)試煤層深度50m～656m，測(cè)得煤層瓦斯含量8m3/t～20m3/t，平均11.76m3/t。主要生產(chǎn)礦井全部為高瓦斯礦井，相對(duì)瓦斯涌出量為11m3/t～23m3/t。煤層氣風(fēng)化帶下限的煤層氣甲烷濃度取80%，對(duì)應(yīng)的平均含氣約7m3/t，即煤層氣風(fēng)化帶下限平均含氣量為7m3/t。二道嶺礦區(qū)煤層氣風(fēng)化帶平均深度為100m。煤層氣風(fēng)化帶以下至勘探深度656m范圍，煤層氣甲烷濃度為80.1%～100.0%，平均值為89.6%，對(duì)應(yīng)的煤儲(chǔ)層平均埋深約255m。對(duì)主要煤層采取了瓦斯樣品，研究了瓦斯成分及絕對(duì)含量。測(cè)定的結(jié)果表明：在12勘探線以北，煤層的淺部垂深250m～300m（標(biāo)高+1850～+1800）以上為氮?dú)庹託鈳В^對(duì)含量3.35m3/噸·可燃物～8.94m3/噸·可燃物，以下為沼氣帶，絕對(duì)含量9.92m3/噸·可燃物～13.24m3/噸·可燃物。12勘探線以南均屬沼氣帶，絕對(duì)含量甚高，如19號(hào)孔在171米二，號(hào)煤測(cè)得絕對(duì)含量15.10m3/噸·可燃物，7號(hào)孔在67米（標(biāo)高+2000）二1號(hào)煤測(cè)得絕對(duì)含量15.71m3/噸·可燃物。

5.煤層氣資源評(píng)價(jià)

二道嶺礦區(qū)煤層氣成藏類型為高生、中儲(chǔ)、強(qiáng)封蓋型，形成了高質(zhì)量的煤層氣成藏。根據(jù)2002年內(nèi)蒙古太西煤集團(tuán)公司與中國礦業(yè)大學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果，礦區(qū)煤層氣總資源量約為112.4×10m3，平均資源豐度為2.11×10m3/km2。通過最新煤炭資源儲(chǔ)量核查工作，二道嶺礦區(qū)面積為43km2，煤炭資源量為7億噸，預(yù)計(jì)煤層氣總資源量為150×10m3。煤層氣資源豐度向斜東翼高于西翼、中北部高于南部，向斜東翼中北部煤儲(chǔ)層埋深600m～1000m范圍內(nèi)煤層氣資源豐度最高，高達(dá)3.60×10m3/km2。預(yù)計(jì)煤層氣采收率為35%～45%。煤層氣總可采資源量為38.99×10m3。

6.結(jié)論

通過對(duì)二道嶺礦區(qū)煤層氣資源賦存條件的研究及調(diào)查工作表明，區(qū)內(nèi)煤層厚度較大且穩(wěn)定，煤體結(jié)構(gòu)完整，埋深適中。雖然含煤面積不大，但區(qū)塊含煤系數(shù)高，主采煤層單層厚度大且分布穩(wěn)定，煤變質(zhì)程度高，鏡質(zhì)組含量高，具備良好的生氣潛力，煤層氣含量高，具備“小而肥”的資源優(yōu)勢(shì)。其中二道嶺向斜構(gòu)造簡(jiǎn)單，保有煤炭資源量相對(duì)較大，受小松山斷裂和木呼魯背斜所限，呈箕狀凹陷，東翼2號(hào)煤層厚度變化范圍為10m～15m，埋深900m左右，且煤層孔裂隙發(fā)育，是煤層氣開發(fā)的最有利區(qū)帶。