織納煤田紅梅煤礦煤層氣地質(zhì)特征與勘探前景

李 碧 徐陽東

(1.貴州省煤田地質(zhì)局142隊，貴州 550011；2.貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 550018)

織納煤田紅梅煤礦面積為19.17km2，煤層氣推測地質(zhì)資源量為18.2億m3。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，水文地質(zhì)條件中等，煤層為高瓦斯含量煤層。可采煤層7層，分別為6、7、16、17、21、23、27號煤，煤層較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，屬于中灰高硫高發(fā)熱量無煙煤。

1 地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置屬于揚子準(zhǔn)地臺黔北隆起遵義拱之納雍織金凹褶斷束，珠藏向斜北東翼中段。礦區(qū)總體上大致呈單斜構(gòu)造，向斜北東翼部較陡，南東受小褶皺構(gòu)造(老幫寨向斜、屯上背斜)影響。區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)斷層70條(包括隱伏斷層28條)，但規(guī)模較小，多集中于礦區(qū)深部和北東段，淺部構(gòu)造相對較簡單。礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造復(fù)雜程度類型屬中等構(gòu)造。

1.2 地層沉積特征

礦區(qū)及周邊出露的地層為第四系(Q)，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組，二疊系上統(tǒng)大隆組、長興組、龍?zhí)督M、峨嵋山玄武巖組。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M分布于礦區(qū)南部呈長寬帶狀，是礦區(qū)內(nèi)主要的出露地層，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r、煤層等組成的一套海陸交替相含煤沉積地層，沉積厚度在老幫寨向斜軸部有增厚現(xiàn)象。

1.3 含煤地層與煤層

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為龍?zhí)督M，平均厚度為317.62m，含煤26～36層，一般為31層。煤層總厚13.60～25.00m，平均21.90m，含煤系數(shù)為6.90%。全區(qū)可采煤層16、23兩層，厚1.83～10.78m，平均4.08m；大部及局部可采煤層為6、7、17、21、27煤層，厚4.00～10.00m，平均6.65m?？刹煽偤穸?0.73m，可采含煤系數(shù)為3.38%。可采煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層較穩(wěn)定。

1.4 煤質(zhì)特征

礦區(qū)煤層以亮煤、暗煤為主，少量鏡煤和絲炭，煤巖類型主要為半暗～半亮型、半亮型。內(nèi)生裂隙發(fā)育，見方解石、鈣質(zhì)薄膜以及細(xì)脈狀黃鐵礦充填。區(qū)內(nèi)煤層鏡煤最大反射率為2.81%～3.71%，平均為3.30%，自上而下呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；煤級為高煤級煤Ⅰ，除底部27煤有局部無煙煤二號(WY2)分布外，其他均為無煙煤三號(WY3)。原煤干燥基灰分產(chǎn)率為9.38%～39.86%，平均為23.89%，屬于中灰煤；全硫含量為0.33%～11.12%，平均為4.28%，屬于高硫煤；高位發(fā)熱量(Qgr·d)為18.78MJ/Kg～34.88MJ/Kg，平均值為30.07MJ/Kg，屬于高發(fā)熱量煤。

1.5 水文地質(zhì)特征

礦區(qū)含煤地層地下水主要依靠大氣降水補(bǔ)給，但區(qū)內(nèi)地形切割嚴(yán)重，坡度和相對高差較大，有利于大氣降水的排泄，但不利于對含煤地層的補(bǔ)給；煤礦床的直接充水含水層為龍?zhí)督M，屬于基巖裂隙水類型，富水性弱；含煤地層上覆的下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組下段和下伏的峨眉山玄武巖具有良好的隔水性，含煤地層與上覆下伏含水層之間一般沒有直接水力聯(lián)系。礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件中等。

2 煤層儲層特征

2.1 煤層含氣量及其分布規(guī)律

礦區(qū)煤層氣含量為3.92～28.02m3/t，平均值為13.32m3/t；其中：6號煤層為6.04～16.98m3/t，平均值11.28m3/t；7號煤層為3.92～18.00m3/t，平均值12.86m3/t；16號煤層為6.76～23.78m3/t，平均值13.85m3/t；17號煤層為7.99～14.46m3/t，平均值10.67m3/t；21號煤層為8.75～21.56m3/t，平均值14.45m3/t；23號煤層為5.70～8.02m3/t，平均值12.47m3/t；27號煤層為9.56～26.12m3/t，平均值16.06m3/t，上述可采煤層均屬于富甲烷煤層。

以主采16號煤層為例分析礦區(qū)煤層氣分布規(guī)律。不同構(gòu)造部位煤層氣含量差異較大。位于老幫寨向斜軸部的2-2、2-7、183、193、203、213孔含氣量明顯高于兩翼的305、181、146孔，且在軸部附近183、193孔形成了含氣量大于20m3/t的富氣中心；向斜陡翼(南東翼)高含氣量分布范圍明顯大于緩翼(北西翼)；位于屯上背斜軸部附近的607孔含氣量僅6.07m3/t，向北西珠藏向斜及南東老幫寨向斜含氣量逐漸增高?？傮w上，向斜軸部含氣量較高，向兩翼含氣量逐漸降低，且與單個向斜的規(guī)模和“坳陷”深度直接相關(guān)；背斜軸部由于裂隙較發(fā)育，煤層氣易于逸散，含氣量較低，向兩翼含氣量逐漸增高。局部地段小型斷層發(fā)育，往往是區(qū)內(nèi)煤層氣含量局部變化的重要原因。如1304、117孔(16號煤以下)隱伏逆斷層上盤的煤層氣局部降低，148孔正斷層附近煤層含氣量也局部降低。不同煤層其含氣量的區(qū)域分布規(guī)律類似，只是下部煤層含氣量略高于上部煤層。

圖1 紅梅煤礦16號煤層瓦斯等值線分布圖

2.2 煤層滲透性

礦區(qū)內(nèi)對148、1305孔的可采煤層進(jìn)行注入/壓降試井測試，獲取煤儲層參數(shù)值，對煤層氣勘探的適應(yīng)性進(jìn)行評價。詳見表1。

由表1可知，礦區(qū)煤儲層滲透性中等，導(dǎo)流能力中等，但各可采煤層有效厚度較薄-中厚，煤層埋深較淺，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，但很少見外生裂隙，尤其缺少煤層長距離運移的大型裂隙系統(tǒng)，對煤層氣進(jìn)行開采難度較大，需進(jìn)行大型壓裂后再進(jìn)一步評價。

2.3 儲層壓力

通過對48、1305孔的可采煤層進(jìn)行原地應(yīng)測試，獲取各煤層的儲層壓力。由表2可以看出，礦區(qū)6、7、16號煤層屬于低異常壓力系統(tǒng)，17、21、23、27號煤層屬于正常壓力系統(tǒng)；且破裂壓力、閉合壓力均較高，表現(xiàn)為壓力主導(dǎo)型應(yīng)力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲層壓力可在較大范圍自由傳遞，適合于地面開發(fā)。

2.4 采收率

煤層氣可采率也稱為采收率。在勘探初期階段，煤層氣采收率通過等溫吸附常數(shù)、實測瓦斯含量、臨界儲層壓力等加以換算；在缺乏等溫吸附資料的情況下，采用勘查階段煤芯解吸實驗獲得的煤層氣解析率近似地表示煤層氣采收率。礦區(qū)煤的等溫吸附實驗資料較少，目前尚無真正意義上的排采煤層氣井，故采收率的獲取主要依靠鉆孔煤芯解吸資料。

(1)基于煤芯解吸資料的煤層氣采收率

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》(GB/T23249-2009)，煤層含氣量由瓦斯損失量(V1)、瓦斯解吸量(V2)、粉碎前脫氣瓦斯量(V3)和粉碎后脫氣瓦斯量(V4)四部分組成。瓦斯損失量與現(xiàn)場兩小時解吸量之和與總含氣量之百分比稱為解吸率。

礦區(qū)66件鉆孔煤芯解吸資料的統(tǒng)計結(jié)果顯示，可采煤層甲烷平均解吸量為3.75～6.10m3/t，平均為5.01m3/t；平均解吸率為26.19%～47.44%，平均為38.26%(表3)。

表3 紅梅煤礦煤芯煤層氣解吸結(jié)果統(tǒng)計表

(2)基于等溫吸附特性的煤層氣采收率

基于等溫吸附常數(shù)，煤層氣采收率(η，%)可有下式進(jìn)行計算：

式中：Pad—枯竭壓力，MPa；PL—朗格繆爾壓力，1/b，MPa；Pcd—臨界解吸壓力，MPa。

煤層氣枯竭壓力也稱為廢棄壓力，是指現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下煤層氣井排水降壓所能達(dá)到的最低井底壓力。根據(jù)美國經(jīng)驗，枯竭壓力在0.7MPa左右，近年來，煤層氣開采技術(shù)得到了長足發(fā)展，使得0.5MPa以上煤儲層壓力范圍能夠解吸的煤層氣都可被抽采出來。因此，采用0.5MPa作為本次計算的枯竭壓力。

基于上述理論，求得的6煤層采收率為40.34%～53.67%，平均為45.53%；16煤層為36.07%～51.74%，平均為43.91%；21煤層為35.88%～44.92%，平均為40.40%；27煤層為41.25%～42.90%，平均為42.47%，與煤芯煤層氣解吸率大致相當(dāng)，且呈現(xiàn)隨埋深增大有降低的趨勢；6煤層理論飽和度為58.19%，16煤層為42.87%；21煤層為40.57%；27煤層為38.11%，處于嚴(yán)重欠飽和狀態(tài)，說明煤儲層內(nèi)不存在較多的游離態(tài)和水溶態(tài)氣體(表4)。

表4 紅梅煤礦等溫吸附法求得的煤層氣采收率

3 結(jié)論

礦區(qū)煤層氣資源較為豐富，各煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，但很少見外生裂隙，尤其缺少煤層長距離運移的大型裂隙系統(tǒng)；煤儲層具有壓力主導(dǎo)型應(yīng)力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲層壓力可在較大范圍自由傳遞；煤儲層滲透性中等，導(dǎo)流能力中等，且煤層與上覆下伏含水層沒有直接的水力聯(lián)系，均對煤層氣井排采較為有利，因此，礦區(qū)煤層氣資源在合理排采制度下有可能采用地面井技術(shù)通過降壓方式予以開發(fā)。