內(nèi)蒙包頭石拐礦區(qū)煤儲(chǔ)層巖石物理特征研究

周 敏

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

內(nèi)蒙包頭石拐礦區(qū)煤儲(chǔ)層巖石物理特征研究

周 敏

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

以五當(dāng)溝礦區(qū)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，綜合分析了煤儲(chǔ)層的空間展布、巖石物理、煤體結(jié)構(gòu)、孔隙、構(gòu)造裂隙、封閉性、資源量等特征，闡明了研究區(qū)煤層氣的賦存條件，研究認(rèn)為本區(qū)煤層氣開發(fā)潛力巨大。

傾斜煤儲(chǔ)層，巖石,煤層氣,石拐礦區(qū)

1 地質(zhì)概況

內(nèi)蒙包頭石拐礦區(qū)位于大青山煤田西段。石拐礦區(qū)南部構(gòu)造復(fù)雜，逆斷層及倒轉(zhuǎn)褶曲較發(fā)育，局部地層成S形褶曲，主要包含五當(dāng)溝礦區(qū)、河灘溝礦區(qū)、白狐溝礦區(qū)和康包礦區(qū)。本次研究以五當(dāng)溝礦區(qū)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，地層產(chǎn)狀變化較大，從北部往南，地層傾角有減小的趨勢，到煤層露頭處傾角又變大。

2 煤層氣賦存特征

煤層氣主要賦存于煤儲(chǔ)層中，以吸附態(tài)為主，游離態(tài)為輔，少量溶解態(tài)，因此研究煤儲(chǔ)層的空間分布規(guī)律、巖石物性、煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造裂隙、孔隙特征有助于闡明研究區(qū)的煤層氣賦存特征[1,2]，并為煤層氣的開發(fā)提供理論依據(jù)。

2.1 煤儲(chǔ)層的空間分布規(guī)律

研究區(qū)的主要含煤地層為中下侏羅統(tǒng)的五當(dāng)溝組(J1-2w)。在五當(dāng)溝礦區(qū)南部，L煤層底板標(biāo)高高于1 200 m，煤層構(gòu)造整體為寬緩向斜造翼部，地層傾向正北方向。L煤組構(gòu)造低部位位于研究區(qū)北部，低于400 m。在五當(dāng)溝礦區(qū)內(nèi)，L煤組煤在富煤帶內(nèi)累計(jì)厚度約為3 m，單層煤厚在1 m左右，含煤面積約為1 km2，在富煤中心內(nèi)部煤層累計(jì)厚度普遍大于5 m，含煤面積約為0.5 km2，煤層厚度可達(dá)10 m，但分布面積零星。J組煤在五當(dāng)溝井田構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，為寬緩向斜構(gòu)造翼部，地層傾向那林溝區(qū)塊內(nèi)為北東向，五當(dāng)溝井田內(nèi)變?yōu)楸蔽飨?，煤層在走向上變化起伏較輕，煤儲(chǔ)層空間變化相對(duì)穩(wěn)定。J煤組厚0.09 m～30.51 m，平均7.70 m。

2.2 煤儲(chǔ)層巖石物理特征

五當(dāng)溝組L煤層，鏡質(zhì)組和半鏡質(zhì)組占71.2%～85.3%，絲質(zhì)組含量14.7%～28.8%，穩(wěn)定組含量為0。鏡質(zhì)組反射率1.271 4%～1.428 1%，變質(zhì)階段為Ⅳ。J煤層，鏡質(zhì)組和半鏡質(zhì)組占72.5%～86.9%，絲質(zhì)組含量13.1%～24.8%，穩(wěn)定組含量0%～2.7%。鏡質(zhì)組反射率0.992 7%～1.115 1%，變質(zhì)階段為Ⅲ。煤田煤巖顯微組分統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 煤田煤巖顯微組分統(tǒng)計(jì)表 %

中下侏羅紀(jì)石拐群五當(dāng)溝組中的J,L煤組的煉焦煤，屬中灰、原煤灰分平均在15.0%～30.0%之間，空氣干燥基水分平均在1.0%左右，原煤硫分均小于0.5%，揮發(fā)分平均在20%～30%左右。五當(dāng)溝組煤層為低中—中灰分、特低—低硫分、中高—高熱值的氣煤、肥煤、焦煤。

2.3 煤儲(chǔ)層煤體結(jié)構(gòu)特征

通過實(shí)地測量發(fā)現(xiàn)煤儲(chǔ)層中主要發(fā)育兩組外生節(jié)理245°∠55°，160°∠56°，在局部可看到從頂?shù)装逖由斓矫簩又械墓?jié)理。內(nèi)生裂隙發(fā)育，其中面割理的產(chǎn)狀為245°∠55°，15條/10 cm，長度約10 cm～20 cm；端割理為132°∠70°，18條/10 cm，長度約1 cm～3 cm。煤體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)—碎粒結(jié)構(gòu)，在頂板上主要發(fā)育275°∠85°，110°∠60°兩組裂隙；底板上主要發(fā)育300°∠70°，210°∠10°兩組裂隙，見圖1。

2.4 煤儲(chǔ)層構(gòu)造裂隙特征

煤層氣運(yùn)移、產(chǎn)出的通道是煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)，包括微裂隙、內(nèi)生裂隙、外生(構(gòu)造)裂隙的裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了煤層氣解吸—擴(kuò)散—滲流的通道，構(gòu)造裂隙是煤層氣滲流的主干通道[3,4]。

通過對(duì)煤層氣開發(fā)區(qū)塊高精度構(gòu)造裂隙填圖，得到煤層與圍巖構(gòu)造裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征、構(gòu)造裂隙發(fā)育優(yōu)勢方向、密度等參數(shù)，預(yù)測地下煤層中構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度，從而預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)，為煤層氣布井服務(wù)。

在五當(dāng)溝礦區(qū)中部選取了一個(gè)剖面進(jìn)行實(shí)測，測量各種巖性中節(jié)理的產(chǎn)轉(zhuǎn)、密度和巖層厚度，可以直觀的觀察煤儲(chǔ)層與圍巖節(jié)理裂隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該剖面上發(fā)育粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖以及煤層，可以直觀對(duì)比不同巖性、不同層厚構(gòu)造裂隙的發(fā)育特征，如表2所示。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為：五當(dāng)溝礦區(qū)構(gòu)造裂隙的走向集中在兩個(gè)優(yōu)勢方向：0°～30°，271°～300°，即構(gòu)造節(jié)理發(fā)育的優(yōu)勢方向?yàn)镹NE向和NWW向，密度過度發(fā)育。河灘溝礦區(qū)節(jié)理發(fā)育的優(yōu)勢方向是：10°～40°，320°～350°，即NE向和NW向，密度發(fā)育中等；白狐溝礦區(qū)的節(jié)理發(fā)育優(yōu)勢方向是：270°～300°，330°～360°，NWW向和NNW向；康包礦區(qū)節(jié)理發(fā)育的優(yōu)勢方向是：270°～300°，310°～340°，NWW向和NW向，密度發(fā)育中等。

表2 五當(dāng)溝礦區(qū)中部構(gòu)造裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.5 煤儲(chǔ)層孔隙特征

通過鏡下觀察，L煤組中孔隙的發(fā)育特征為：大、中孔發(fā)育，部分菌類體、絲質(zhì)體孔隙被無機(jī)礦物充填，但整體看孔隙度較高且孔隙連通性較好。其BET比表面積0.021 5 m2/g，平均孔徑132.968 7 nm(見圖2)。

等溫吸附曲線圖中脫附曲線可以看出在相對(duì)壓力0.5處出現(xiàn)拐點(diǎn)的特點(diǎn)，說明孔隙類型為墨水瓶型孔及連通孔，孔容主要是大于10 nm的小孔貢獻(xiàn)的。

2.6 煤儲(chǔ)層封閉保存

本區(qū)L組煤儲(chǔ)層上部巖性封閉以灰綠色粗砂巖和灰白色長石砂巖為主，下部巖性封閉為一層礫石成分復(fù)雜的礫巖層，雖然巖性封閉厚度較大，且無沉積間斷，但因頂?shù)装宥酁樯皫r的蓋層條件不利，封閉能力較差。煤層氣開發(fā)對(duì)水文地質(zhì)條件要求苛刻，一方面煤系地層內(nèi)部水文條件相對(duì)滯緩，能夠保證煤儲(chǔ)層系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，有利于煤層甲烷氣保存，從而提升煤層氣藏含氣飽和度及成藏滲透性；同時(shí)，要求地層水在垂向上不發(fā)生溝通，即上覆含水層水不通過開放性斷層、節(jié)理等通道向煤儲(chǔ)層內(nèi)部倒灌，從而在后期煤層氣井排水降壓中能夠保障煤儲(chǔ)層壓力穩(wěn)定下降。

2.7 煤層氣資源量

利用塊段法計(jì)算研究區(qū)煤層氣資源量，經(jīng)過計(jì)算：0 m～300 m埋深的煤層氣資源量為4 222.9×104m3，300 m～500 m的資源量為18 813×104m3，500 m～700 m的資源量為27 644×104m3，大于700 m的資源量為11 518×104m3，本區(qū)的煤層氣總資源量為62 198×104m3，資源量豐富。

3 認(rèn)識(shí)與討論

內(nèi)蒙包頭石拐礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的主力煤組為中下侏羅統(tǒng)的五當(dāng)溝組(J1-2w)煤層，其中L煤層厚度大，煤儲(chǔ)層分布較為穩(wěn)定；煤體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)—碎粒結(jié)構(gòu)；煤儲(chǔ)層孔隙發(fā)育；煤儲(chǔ)層構(gòu)造裂隙系統(tǒng)主要發(fā)育為NNE向、NE向、NNW向、NW向；煤儲(chǔ)層封閉保存條件分為2個(gè)方面，頂?shù)装宸忾]性較差，水文地質(zhì)條件封閉性較好；煤層氣資源量為62 198×104m3，資源量豐富。因此從研究區(qū)煤儲(chǔ)層的空間分布規(guī)律、巖石物性、煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造裂隙、孔隙特征、封閉性特征、煤層氣資源量分析，認(rèn)為該區(qū)煤層氣具有開發(fā)潛力。

[1] 王生維,段連秀,張 明,等.煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)原理、技術(shù)方法及應(yīng)用[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2012.

[2] 秦 勇,傅雪海,葉建平,等.中國煤儲(chǔ)層巖石物理學(xué)因素控氣特征及機(jī)理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,28(1):14-19.

[3] 張 洲，王生維，粟冬梅,等.新疆庫拜煤田煤儲(chǔ)層孔—裂隙系統(tǒng)及有利儲(chǔ)層優(yōu)選[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016,16(9)：160-165.

[4] 張 洲，王生維，陳安東,等.新疆庫拜煤田煤儲(chǔ)層與圍巖裂隙對(duì)應(yīng)關(guān)系研究[J].新疆地質(zhì)，2016(3)：428-431.

The research of petrophysics of coal reservoir of Baotou-Shiguai mining area Neimeng

Zhou Min

(SchoolofResourceandEnvironment,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

Taking Wudanggou mine as the major research object, the content of the study include petrophysical characteristics of coal reservoir, pores characteristics, structural fracture characteristics, coalbed methane closed, quantity of resource. It clarified the occurrence conditions of the coalbed methane in the study area and suggested that coalbed methane development in this area has huge potential.

inclined coal reserver, rock, coalbed methane, Shiguai mining area

1009-6825(2017)20-0082-03

2017-04-19

周 敏(1979- )，女，碩士，講師

P618.1

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