胡家河-小莊井田4號(hào)煤層含氣量主控因素分析及建模預(yù)測(cè)

李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 710119)

胡家河-小莊井田4號(hào)煤層含氣量主控因素分析及建模預(yù)測(cè)

李向榮 鄒海江

(陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 710119)

本文依據(jù)煤田勘探地質(zhì)資料和煤層氣井鉆孔測(cè)試資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景特征，從沉積建造與后期改造等方面分析了胡家河-小莊井田4號(hào)煤層含氣量的控制作用；通過(guò)相關(guān)分析及多元統(tǒng)計(jì)方法，得出4號(hào)煤層含氣量的主要控制因素為煤層頂面至安定組范圍內(nèi)泥巖和粉砂巖的厚度與4號(hào)煤層厚度，構(gòu)建了4號(hào)煤層含氣量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)全井田4號(hào)煤含氣量開(kāi)展了預(yù)測(cè)，研究成果對(duì)指導(dǎo)礦井煤層氣(瓦斯)抽采與防治具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

含氣量 控氣因素 建模預(yù)測(cè) 4號(hào)煤層 胡家河-小莊井田

1 地質(zhì)概況

胡家河-小莊井田(以下簡(jiǎn)稱研究區(qū))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(mén)鎮(zhèn)及西坡鄉(xiāng)管轄，屬溝間黃土侵蝕地貌。井田東西長(zhǎng)8.1km，南北寬13.5km，面積98.7275km2。

研究區(qū)屬于隱伏煤田，鉆孔及井巷揭露地層從老自新有：三疊系銅川組、胡家村組、侏羅系富縣組、延安組、直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組、華池環(huán)河組，新近系及第四系，其中含煤地層為侏羅系延安組，含3號(hào)、4-1號(hào)及4號(hào)三層可采煤層，4號(hào)煤為主要可采煤層，平均厚度23m左右，最大厚度35.22m，基本全區(qū)可采，以不粘煤為主，其余煤層均為局部可采煤層。研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造上地處彬長(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)為一東南高、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。全區(qū)共發(fā)育北東向背向斜5個(gè)，北西向背向斜3個(gè)，在研究區(qū)中部存在復(fù)合疊加現(xiàn)象(圖1)。

圖1 胡家河-小莊井田延安組4號(hào)煤底板等高線圖

2 含氣量分布特征

研究區(qū)地面煤層氣井較少，多數(shù)煤層氣數(shù)據(jù)來(lái)源于煤田勘探，含氣量 0.15～4.12m3/t，平面展布情況變化較大，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。

3 含氣量主控因素分析

3.1 含煤巖系沉積環(huán)境演化

延安組下段沉積期，粗粒沉積物供給不足，廣泛發(fā)育沖積平原環(huán)境下的泥炭沼澤，形成厚度較大、面積廣的4號(hào)煤層，至延安組上段沉積期，碎屑供給充足，聚煤結(jié)束，廣泛發(fā)育粗碎屑河流相沉積，沉積序列組合整體不利于煤層氣保存。

3.2 煤層埋深及厚度

(1)煤層埋深

理論上，煤層中的儲(chǔ)層壓力隨著埋藏深度的增加而增大，隨著儲(chǔ)層壓力的增加，煤中游離氣體含量所占比例增大，同時(shí)煤中的吸附氣逐漸趨于飽和。因此，從理論上分析，在一定的深度范圍內(nèi)，煤層氣含量也隨埋藏深度的增大而增加。

研究區(qū)4號(hào)煤層上覆巖層厚度變化在400～850m間，表現(xiàn)出井田東北部厚、西南部薄的規(guī)律，煤層埋深具有與此相似的規(guī)律。整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)，4號(hào)煤含氣量與埋深的相關(guān)性并不明顯，與第一個(gè)不整合面厚度表現(xiàn)出微弱的相關(guān)性(圖2)。

圖2 4號(hào)煤層含氣量與埋深關(guān)系圖

(2)煤層厚度

煤層既是生氣層，也是儲(chǔ)集層，在相同的保存條件下，一般煤層越厚，含氣量越高。研究區(qū)內(nèi)煤層氣含量與煤層厚度間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，即隨著煤層厚度的總體增大，煤層氣含量有緩慢增大的趨勢(shì)(圖3)。

圖3 4號(hào)煤層含氣量與煤層厚度關(guān)系圖

3.3 煤質(zhì)

(1)揮發(fā)分

煤層變質(zhì)程度對(duì)煤層氣含量的影響，主要是通過(guò)對(duì)煤的生氣量和煤的吸附能力的控制作用而體現(xiàn)的。大量研究已證明，煤的生氣量隨著煤變質(zhì)程度的增加而增大，在相同保存條件和煤儲(chǔ)層壓力條件下，變質(zhì)程度愈高，煤中吸附的甲烷愈多。研究區(qū)煤的變質(zhì)程度較低， 4號(hào)煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率在28.01～38.03%之間，變化相對(duì)較小。圖4看出，4號(hào)煤層含氣量與煤的揮發(fā)分之間無(wú)明顯的相關(guān)性。

圖4 4號(hào)煤含氣量與浮煤揮發(fā)分關(guān)系圖

(2)灰分

灰分是指煤經(jīng)過(guò)完全燃燒后殘留的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，其主要成分是氧化物。甲烷在煤層中是以吸附狀態(tài)存在于有機(jī)組分的孔隙中，而無(wú)機(jī)礦物質(zhì)基本上不能吸附甲烷。煤中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)(灰分)的增加，導(dǎo)致煤巖變差，儲(chǔ)氣性能變差，吸附甲烷能力降低。

研究區(qū)4號(hào)煤層灰分產(chǎn)率平均值在2.17%～42.16%之間，變化較大。從圖5看出，隨著灰分含量增加，含氣量具有逐漸減小的趨勢(shì)。

圖5 4號(hào)煤層含氣量與灰分產(chǎn)率關(guān)系圖

3.4 頂?shù)装鍑鷰r特征

(1)煤層直接頂?shù)装鍘r性

煤層頂?shù)装鍑鷰r對(duì)于煤層氣的保存與富集具有十分重要作用。理論上良好的封蓋層可以減少煤層氣的向外滲流運(yùn)移和擴(kuò)散散失，保持較高地層壓力，維持最大的吸附量，減弱地層水對(duì)煤層氣造成的散失。

通過(guò)分析頂?shù)装鍘r性與煤層含氣量的關(guān)系可以看出(圖6)，頂板為炭質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖的煤層含氣量高，底板為炭質(zhì)泥巖、泥巖和鋁質(zhì)泥巖的煤層含氣量高，基本上煤層氣含量與頂?shù)装鍘r性的泥質(zhì)含量呈正相關(guān)。

圖6 4號(hào)煤含氣量與頂?shù)装鍘r性關(guān)系圖

(2)煤層頂?shù)装迥鄮r厚度

通過(guò)統(tǒng)計(jì)煤層頂?shù)装迥鄮r厚度與含氣量的關(guān)系可以看出(圖7)，煤層頂?shù)装迥鄮r厚度與氣含量具一定的正相關(guān)關(guān)系。在頂板泥巖厚度大于0.6m時(shí)，含氣量含量大于2m3/t，當(dāng)泥巖厚度大于1m時(shí)，含氣量大于4m3/t；在底板泥巖厚度大于2m時(shí)，含氣量大于2.5m3/t，當(dāng)泥巖厚度大于4m時(shí)，含氣量大于4m3/t。

圖7 4號(hào)煤層含氣量與頂?shù)装迥鄮r厚度關(guān)系圖

(3)煤層頂板蓋層特征

砂泥巖比是指煤層上覆一定層段地層內(nèi)砂巖厚度總和與泥巖厚度總和的比值，其值越高，代表透氣性砂巖所占比例越高，煤層氣保存越差，反之煤層氣保存條件越好。本次研究，分別統(tǒng)計(jì)了4號(hào)煤直接頂板5m、10m和20m范圍內(nèi)泥巖厚度、泥巖和粉砂巖(致密巖層)厚度、砂巖與泥巖和粉砂巖(致密巖層)的比值與含氣量的關(guān)系，4號(hào)煤層頂面分別到延安組、直羅組、安定組、宜君組、洛河組、華池組頂面層段泥巖厚度、泥巖和粉砂巖(致密巖層)厚度、砂巖與泥巖和粉砂巖(致密巖層)的比值與含氣量的關(guān)系。結(jié)果表明，4號(hào)煤層頂面到安定組頂面層段內(nèi)泥巖和粉砂巖(致密巖層)厚度大小與4號(hào)煤層含氣量呈正相關(guān)性，說(shuō)明其對(duì)煤層氣的保存起到非常重要作用(圖8)。4號(hào)煤層頂面到安定組頂面層段內(nèi)泥巖和粉砂巖最小厚度26.59m，最大88.06m，平均57.285m，其中泥巖最小厚度14.03m，最大83.5m，平均47.102m。

圖8 4號(hào)煤含氣量與4煤頂板至安定組內(nèi)泥巖和粉砂巖厚度關(guān)系圖

3.5 構(gòu)造

本區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，以褶皺為主，斷層發(fā)育較少，而且規(guī)模小，上下切層范圍局限，煤層與上覆或下伏巖層的聯(lián)通性差，不構(gòu)成煤層氣逸散的的主要通道。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析(圖9)，發(fā)現(xiàn)褶曲構(gòu)造類(lèi)型和褶曲構(gòu)造的不同部位對(duì)煤層氣的封存與逸散起著顯著的控制作用。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，含氣量最高，其次是背向斜翼部和單斜構(gòu)造，背斜軸部因受拉張作用往往會(huì)產(chǎn)生大量的張性裂隙，一般不利于煤層氣的保存。

3.6 水文地質(zhì)

水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的富集及運(yùn)移起重要作用。比較各含水層的礦化度和水質(zhì)類(lèi)型，易見(jiàn)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(lèi)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。

(注：向斜賦值1；翼部賦值2；背斜賦值3)圖9 胡家河-小莊煤礦井田構(gòu)造與含氣量關(guān)系

地層單元單位涌水量/(L/s·m)富水性水質(zhì)類(lèi)型礦化度/(g/L)延安組0.000046～0.1036弱SO4·Cl-Na型為主,SO4-Na型3.60～18.20直羅組0.000022～0.0026極弱SO4-Na型為主,Cl-Na型5.531～20.45安定組0.000037～0.000076微弱SO4-Na型2.37～3.38宜君組0.0088～0.145極弱-弱SO4-Na型2.59～5.39洛河組0.0182～1.1303中-強(qiáng)SO4-Na型0.93～5.10

4 含氣量建模預(yù)測(cè)

4.1 含氣量建模方法

煤層氣含量受多種地質(zhì)因素的控制，很難用單一地質(zhì)因素準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。根據(jù)煤層氣地質(zhì)相關(guān)因素分析，經(jīng)相關(guān)系數(shù)比較，選取反映建造特征的4號(hào)煤頂面至安定組范圍內(nèi)泥巖和粉砂巖的厚度、頂?shù)装鍘r性、頂?shù)装搴穸取?號(hào)煤層的厚度和反映后期改造的煤層埋深和褶曲構(gòu)造類(lèi)型等8個(gè)因素與煤層含氣量進(jìn)行了逐步回歸分析，其中4號(hào)煤頂面至安定組范圍內(nèi)泥巖和粉砂巖的厚度與4號(hào)煤層厚度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。因此，得出如下關(guān)系式：

圖10 胡家河-小莊井田延安組4號(hào)煤層含氣量等值線圖

式中:Y為4號(hào)煤層含氣量，m3/t；X1為4號(hào)煤厚度，m；X2為4號(hào)煤頂面至安定組范圍內(nèi)泥巖和粉砂巖的厚度，m。

復(fù)相關(guān)系數(shù)0.82，經(jīng)檢驗(yàn)，在0.01水平高度顯著，剩余標(biāo)準(zhǔn)差0.79，證明回歸效果好。

由逐步回歸模型看出，影響研究區(qū)4號(hào)煤層含氣量的主要控制因素為4號(hào)煤頂面至安定組范圍內(nèi)泥巖和粉砂巖的厚度與4號(hào)煤層厚度，相比之下，地質(zhì)構(gòu)造因素居于次要位置。

4.2 含氣量預(yù)測(cè)

利用上述預(yù)測(cè)公式，對(duì)研究區(qū)4號(hào)煤層含氣量未知區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)含氣量資料一起，繪制了研究區(qū)4號(hào)煤層含氣量預(yù)測(cè)圖(圖10)。從中看出，4號(hào)煤層含氣量總體具有從井田北東向西南逐漸增大的變化規(guī)律，同時(shí)含氣量高低還受到煤層厚度的控制，表現(xiàn)在煤層厚度大于16m的地方含氣量較高，其它部位含氣量較低。

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(責(zé)任編輯 劉 馨)

Analysis of Main Controlling Factors of Gas Content for No.4 Coal Seam in Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field and Modeling Prediction

LI Xiangrong, ZOU Haijiang

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

Based on the characteristics of low rank coal and the geological data of coalfield exploration and testing materials of CBM well drilling , the paper features and analyzes the control effect of the gas content of No.4 coal seam in Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field from the aspects of sedimentary formation and late reformation. According to relevant analysis and multivariate statistical methods, it proposes that the major controlling factors of the the gas content of No.4 coal seam includes the thickness of the mudstone and siltstone within the scope of the top surface of coal seam to Anding Formation and the thickness of No.4 coal seam. The paper also build the mathematical model to predict the gas content for No.4 coal seam, and conduct the gas content prediction for No.4 coal seam of the whole coalfield, which will provide significant guidance to the gas drainage and prevention of the coal mines.

Gas content;controlling factor of gas content;modeling prediction;No.4 coal seam;Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

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