趙石畔井田煤層氣賦存特征分析

楊東峰，蘭 琳，趙云偉

(1.陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)，陜西 榆林 719000；2.陜西煤田地質(zhì)化驗(yàn)測(cè)試有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤層氣是一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)清潔能源，是天然氣的接替能源，越來(lái)越受到人們的重視[1-3]。由于煤的孔隙比較發(fā)育，內(nèi)表面積非常大，煤層內(nèi)儲(chǔ)藏了大量的氣體。隨著壓力的降低，煤層氣解吸并釋放出來(lái)，從而為生產(chǎn)和生活所用。趙石畔井田位于橫山縣城以西直距約5.5 km處，行政區(qū)劃隸屬橫山縣城關(guān)鎮(zhèn)、雷龍灣鄉(xiāng)、靖邊縣黃蒿界鄉(xiāng)管轄。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，3#煤層為全區(qū)可采的穩(wěn)定型中厚煤層，井田范圍內(nèi)對(duì)煤層氣資源勘查較少，2012年在鉆探施工過(guò)程中，曾有過(guò)井噴現(xiàn)象，煤層氣資源才引起關(guān)注。為更好地掌握井田范圍內(nèi)的煤層氣資源，利用3#煤層自然解吸氣成果，對(duì)煤層氣賦存特征進(jìn)行研究。

1 基本地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地中部次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中南部(圖1)。陜北斜坡為一單斜構(gòu)造，巖層北西西向微傾，局部發(fā)育有寬緩的短軸狀向斜、背斜及鼻狀隆起等次級(jí)構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的褶皺、斷裂，亦無(wú)巖漿活動(dòng)痕跡。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要略圖

1.2 井田地層

地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)東勝-環(huán)縣小區(qū)。地層由老至新依次出露有三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)，新近系(N)和第四系(Q)。地表絕大部分被第四系松散沉積物覆蓋，主要有全新統(tǒng)風(fēng)積沙，現(xiàn)代河床沖、洪積層，上更新統(tǒng)馬蘭組、薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組?？辈閰^(qū)東南角、無(wú)定河、黑河則、王家灣等地白堊系下統(tǒng)洛河組基巖零星出露。

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 含煤性及煤層厚度

含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，具有對(duì)比意義的7層，自上而下編號(hào)依次為2、3、3-1、3-2、4-1、4-2、6#煤層，其中3、3-1、3-2、4-1煤層為區(qū)內(nèi)可采煤層。3#煤層厚度為1.35～6.93 m，平均厚度為2.92 m，煤層厚度總體由南向西北增大，變化規(guī)律明顯。一般不含夾矸，局部含夾矸1～2層，夾矸厚度0.16～0.72 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為全區(qū)可采的穩(wěn)定型中厚煤層。煤層底板標(biāo)高最高為780 m，最低605 m，一般在670～750 m之間，在局部形成一些寬緩的波狀起伏，波幅較小。

2.2 煤質(zhì)特征

煤的工業(yè)分析是了解煤質(zhì)特性的主要指標(biāo)，3#煤層煤質(zhì)分析結(jié)果詳見表1。

表1 3#煤層煤質(zhì)分析結(jié)果

測(cè)試表明，3#煤層原煤水分(Mad)在1.85%～4.46%之間，平均為3.11%，水分含量較低；灰分產(chǎn)率(Ad)變化在5.34%～13.55%之間，平均為9.94%，屬特低-低灰煤；揮發(fā)分(Vdaf)在37.58%～44.92%之間，平均為39.81%，屬高揮發(fā)分煤。

2.3 顯微煤巖組分及特性

3#煤層顯微煤巖鑒定結(jié)果詳見表2。

表2 3#煤層顯微煤巖鑒定結(jié)果%

3#煤層有機(jī)物含量高，在92.4%～98.8%之間，平均為96.0%。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量在46.8%～71.8%之間；其次為惰質(zhì)組，含量在21.3%～45.0%之間，鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體含量最高，其次為均質(zhì)鏡質(zhì)體及結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體；殼質(zhì)組含量在0.2%～0.9%之間，主要為小孢子體，次為角質(zhì)體。無(wú)機(jī)礦物含量在1.2%～7.6%之間，以碳酸鹽及硫化物為主，其次為粘土類，以黃鐵礦膜狀和散粒狀形態(tài)分布于裂隙中；碳酸鹽為方解石、菱鐵礦及菱鎂礦，方解石呈脈狀充填于裂隙中。

煤的鏡質(zhì)組反射率是表征煤階的重要指標(biāo)，煤巖顯微組分的反射率隨煤階的增高而增高[4-6]。3#煤在顯微光度計(jì)上的油浸反射光下所測(cè)定的鏡質(zhì)組平均最大反射率(詳見表2)在0.56%～0.62%之間，煤化程度屬I變質(zhì)階段煙煤，主要為長(zhǎng)焰煤。

3 煤層含氣性研究

3.1 含氣量

含氣量高低與煤巖煤質(zhì)和保存條件有關(guān)，是煤層氣地質(zhì)成藏條件的最終體現(xiàn)[7-8]。根據(jù)煤層氣賦存狀態(tài)，將煤層氣分為游離氣、吸附氣和溶解氣，依據(jù)《煤層氣含量測(cè)定方法》(GB/T19559-2008)中規(guī)定的自然解吸法，對(duì)3#煤層進(jìn)行游離氣(直接法)、吸附氣及溶解氣測(cè)定，計(jì)算求得樣品總的含氣量(空氣干燥基表示)詳見表3。

表3 3#煤層含氣量

含氣量測(cè)試結(jié)果表明(空氣干燥基)，3#煤層含氣量0.10～1.99 m3/t，平均為0.95 m3/t，含氣量較低。該井田煤層氣分布不均，在勘查參數(shù)井(解吸法)含氣量最大為1.99 m3/t，最小僅為0.10 m3/t。依據(jù)《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》(DZ/T0216-2002)長(zhǎng)焰煤噸煤空氣干燥基含氣量1 m3/t煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算下限要求，井田局部區(qū)域遠(yuǎn)高于儲(chǔ)量下限要求，該井田煤層氣資料較少，需進(jìn)一步進(jìn)行煤層氣勘探研究，以掌握井田的煤層氣資源量。

3.2 等溫吸附特征

等溫吸附曲線是指在某一溫度條件下，以逐步加壓的方式而建立的壓力與吸附氣量的關(guān)系曲線，反映了等溫條件下吸附量與壓力的關(guān)系(詳見表4、圖1)。蘭氏體積(VL)越高，煤的吸附能力越強(qiáng)；蘭氏壓力(PL)是VL值為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值，其大小反映了煤層氣解吸的難易程度。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3#煤層的蘭氏體積(VL)(空氣干燥基)在7.92～8.03 m3/t之間；蘭氏壓力(PL)(空氣干燥基)在2.81～3.08 MPa之間。

表4 3#煤層等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 3#煤層等溫吸附曲線圖

3.3 含氣飽和度

飽和度是實(shí)測(cè)含氣量與理論含氣量的比值。實(shí)測(cè)含氣量是煤芯依據(jù)《煤層氣含量測(cè)定方法》(GB/T19559-2008)中規(guī)定的自然解吸法實(shí)測(cè)的含氣量(包括游離氣、吸附氣和溶解氣)；理論含氣量是等溫吸附線上與地層壓力相對(duì)應(yīng)的含氣量，也可以根據(jù)朗格繆爾方程V=VL·P/(PL+P)求得，由公式和等溫吸附數(shù)據(jù)計(jì)算得出3#煤層的含氣飽和度(詳見表5)，實(shí)測(cè)飽和度為2.15%～43.83%，屬低飽和氣藏，煤層氣不容易降壓解吸。

表5 3#煤層含氣飽和度

3.4 臨界解吸壓力及地解比

臨界解吸壓力系指在等溫曲線上煤樣實(shí)測(cè)含氣量所對(duì)應(yīng)的壓力，是估算煤層氣采收率的重要參數(shù)。煤層氣臨界解吸壓力與煤儲(chǔ)層含氣量及吸附—解吸特性呈函數(shù)關(guān)系，可由公式Pcd=V實(shí)·PL/(VL-V實(shí))計(jì)算得到，3#煤臨界解吸壓力(詳見表6)在 0.04～1.03 MPa之間，平均為0.54 MPa，即儲(chǔ)層壓力必須降到0.54 MPa時(shí)，煤儲(chǔ)層中的吸附氣體才可以解吸，也可以認(rèn)為，當(dāng)儲(chǔ)層壓力降到臨界解吸壓力時(shí)，含氣飽和度達(dá)到100%，當(dāng)壓力再降低時(shí)，飽和度大于100%氣體才開始解吸。壓力繼續(xù)下降，煤層氣會(huì)持續(xù)釋放出來(lái)，直到煤層氣停止產(chǎn)出為止，此時(shí)，所對(duì)應(yīng)的壓力為廢氣壓力，所對(duì)應(yīng)的含氣量為剩余含氣量，達(dá)到廢棄壓力時(shí)，煤層中的煤層氣將不會(huì)再產(chǎn)出，剩余含氣量不會(huì)通過(guò)降壓方式被釋放。

表6 3#煤儲(chǔ)層的臨界解吸壓力

地解比是臨界解吸壓力與煤儲(chǔ)層壓力之比，決定煤層氣開采中排水降壓的難易程度，在煤層氣選取有利區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。臨界解吸壓力與原始地層壓力越接近，含氣飽和度越高。3#煤地解比(詳見表6)在0.01～0.25之間，平均為0.13，屬于低地解比，不具備煤層氣開發(fā)條件。

4 結(jié)語(yǔ)

趙石畔井田3#煤層為全區(qū)可采的中厚煤層，構(gòu)造穩(wěn)定簡(jiǎn)單，煤變質(zhì)程度低，煤層氣含量低，屬低飽和氣藏，低地解比區(qū)，不利于煤層氣勘查和獨(dú)立氣田開采，宜結(jié)合礦井生產(chǎn)進(jìn)行抽采。通過(guò)瓦斯抽采，在一定程度上降低煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出量，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)起到一定作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濃度瓦斯的利用。