內(nèi)蒙古黑山煤田煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)

于東方 姚海鵬

（1.內(nèi)蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

黑山煤田地理上位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗騰格里額里斯蘇木西部，行政區(qū)劃隸屬于阿拉善左旗溫都爾勒圖蘇木。歷經(jīng)50余年的煤炭勘查，煤炭地質(zhì)相關(guān)資料較為豐富，但尚未開展過煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作[1]。黑山煤田作為內(nèi)蒙古中煤階煤發(fā)育區(qū)的典型代表，分析其煤層氣的基本地質(zhì)條件和資源潛力，優(yōu)選目標(biāo)勘查區(qū)塊，可以為黑山煤田煤層氣勘查開發(fā)的早日突破提供參考。

1 地質(zhì)背景

黑山煤田北接阿拉善臺(tái)塊，東鄰賀蘭臺(tái)向斜，南靠北祁連褶皺帶，位于三大構(gòu)造單元的交匯部位。本次煤層氣資源評(píng)價(jià)范圍即是黑山煤田范圍，總面積約1 100 km2。黑山煤田出露地層由下而上分別為寒武系香山群（∈2x）、奧陶系米缽山組（O1-2mb）、泥盆系石峽溝組（D2s）和中寧組（D3zh）、石炭系前黑山組（C1q）、臭牛溝組（C1c）和太原組（C2t）、二疊系大黃溝組（P1dh）和窯溝組（P2yg）、三疊系二斷井組（T1-2er）和珊瑚井組（T2sh）、古近系寺口子組（E2s）和第四系（Q）。黑山煤田的主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組（C2t），地層受構(gòu)造控制。煤炭鉆孔揭示該層屬海陸交互相含煤建造，厚度介于194.36～341.08 m，共發(fā)育7個(gè)煤組、15層煤，煤類主要為焦煤和肥煤。依據(jù)巖性、含煤性、沉積韻律特征可把該套地層劃分為下、中、上3個(gè)巖性段（圖1）：①下段（C2t1）。該巖性段下部為細(xì)砂巖、粉砂巖，見團(tuán)塊狀或星散狀黃鐵礦結(jié)核，中—上部為黑灰色泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，發(fā)育數(shù)層薄煤層及煤線，煤層均不可采，穩(wěn)定性差。②中段（C2t2）。該段為主力煤層發(fā)育段。巖性以泥巖、煤層中砂巖、粉砂巖為主，主要發(fā)育8層煤，其中4-1煤層為區(qū)內(nèi)的主要可采煤層之一，煤層割理發(fā)育，較穩(wěn)定，是煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)工作的主要目標(biāo)煤層。③上段（C2t3）。該段巖性主要為中砂巖、泥巖、粉砂巖，含假希瓦格蜓類化石，發(fā)育3層煤，其中1-3煤層為區(qū)內(nèi)的主力煤層之一，煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度大，穩(wěn)定性好，對(duì)比可靠，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)。

2 資源選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 黑山煤田含煤地層綜合柱狀圖

《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范：GB/T 29119-2012》針對(duì)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[2]，主要從煤層累計(jì)厚度、煤層單層厚度、埋深、含氣量、含氣飽和度、滲透性、儲(chǔ)層壓力等方面做出了相應(yīng)的規(guī)范要求，見表1。

中國石化華北石油局在總結(jié)國內(nèi)外煤層氣資源優(yōu)選評(píng)價(jià)資料的基礎(chǔ)上提出了包括基礎(chǔ)參數(shù)、儲(chǔ)量參數(shù)、物性參數(shù)3種類型和12個(gè)要素[3-7]的煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表1 煤層氣選區(qū)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

研究區(qū)內(nèi)沒有施工過煤層氣參數(shù)井和探井，含氣飽和度、儲(chǔ)層壓力、吸附性、臨儲(chǔ)比等參數(shù)暫時(shí)難以獲得，本次評(píng)價(jià)暫不考慮，但增加了頂（底）板泥巖厚度這個(gè)封蓋指標(biāo)。根據(jù)上述規(guī)范和前人總結(jié)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)研究區(qū)的中煤階煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件，初步制定了中煤階煤層氣資源選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。構(gòu)造特征、水文地質(zhì)條件及孔裂隙特征也是煤層氣成藏的重要因素，本次評(píng)價(jià)僅作定性說明。

3 資源條件評(píng)價(jià)

黑山煤田的主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組，早石炭世為淺海—濱海平原類型古地理環(huán)境，局部發(fā)育有數(shù)層不可采的薄煤層或煤線。晚石炭世則是以海陸交互相為主的沉積環(huán)境，海水進(jìn)退頻繁，泥炭沼澤多次發(fā)育，形成太原組各可采煤層[8-9]，在煤田南部呈北西—南東向連續(xù)出露，在煤田北部呈條帶狀出露。石炭系太原組共發(fā)育煤層15層，其中可采煤層2層（1-3煤層大部可采、4-1煤層局部可采），相對(duì)于4-1煤層，1-3煤層厚度大，分布穩(wěn)定。因此，黑山煤田煤層氣資源條件評(píng)價(jià)以主力煤層1-3煤層為主。

表2 中國石化華北石油局煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

表3 黑山煤田中煤階煤層氣資源選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

3.1 煤層厚度及埋深

煤層厚度是煤層氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)，亦是煤層氣地質(zhì)選區(qū)優(yōu)先考慮的主要地質(zhì)條件[3-7]。煤層埋藏深度是煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，也是煤層氣資源評(píng)價(jià)的邊界條件之一[8-9]。煤層埋藏深度不能過深，也不能太淺。如果煤層埋藏深度過深，一是煤巖壓實(shí)作用增強(qiáng)，煤儲(chǔ)層物性變差，二是在當(dāng)前勘探開發(fā)條件下煤層氣開發(fā)成本增加，經(jīng)濟(jì)效益差。若煤層埋藏深度過淺（小于300 m），煤層位于甲烷風(fēng)化帶，煤層氣保存條件差，含氣量低[10-15]。

研究區(qū)主要煤層（1-3煤層）位于太原組上段中部，分布于整個(gè)煤田，厚度范圍為0.70～12.31 m，總體表現(xiàn)為西薄向東逐漸增厚的特征（圖2），在煤田東部ZKP11井以東形成一條煤層厚度大于5 m的富集帶。黑山煤田1-3煤層的埋藏深度均小于1 200 m，一般介于600～1 000 m，適宜煤層氣的富集成藏和勘查開發(fā)，整體上呈現(xiàn)出中部埋藏淺、向東西兩側(cè)逐漸加深的趨勢（圖3），但在中部可能由于次級(jí)構(gòu)造的存在，導(dǎo)致局部埋藏深度急劇增大。僅以煤層埋深而言，非常有利于煤層氣的富集，達(dá)到了煤層氣資源目標(biāo)區(qū)的要求。

圖2 黑山煤田主力煤層厚度分布圖

圖3 黑山煤田主力煤層埋深等值線圖

3.2 煤巖煤質(zhì)特征

1）宏觀煤巖類型。1-3煤層的宏觀煤巖成分以亮煤、半亮煤為主，次為暗煤、鏡煤，含少量絲炭。宏觀煤巖類型以光亮—半亮型為主，半亮型次之，含少量暗淡型，煤巖類型達(dá)到了煤層氣資源目標(biāo)區(qū)的指標(biāo)。

2）顯微煤巖組分。煤類主要為焦煤和肥煤，鏡質(zhì)組含量介于45.45%～83.20%，平均值為71.00%，達(dá)到了煤層氣資源有利區(qū)的指標(biāo)。

3）灰分。1-3煤層的原煤灰分產(chǎn)率介于11.81%～35.95%，平均值為22.49%，屬于中灰煤，反映出煤儲(chǔ)層有較好的吸附性能。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，灰分達(dá)到了煤層氣資源有利區(qū)的要求。

4）煤變質(zhì)程度。評(píng)價(jià)區(qū)煤層變質(zhì)作用類型為深層變質(zhì)作用，煤類主要為焦煤和肥煤及少量1/3焦煤。1-3煤層最大Ro介于1.09%～1.46%，達(dá)到了煤層氣資源目標(biāo)區(qū)的指標(biāo)。

3.3 煤儲(chǔ)層物性特征

1）煤的含氣性。黑山煤田青嶺煤礦坑底見氣泡溢出，點(diǎn)火可燃，火焰長6～8 cm。在煤田鉆孔ZKX8-4孔埋深910 m采取瓦斯樣，經(jīng)現(xiàn)場解吸8 h，含氣量為3.79 m3/t，折算含氣量為5 m3/t，達(dá)到了煤層氣資源有利區(qū)的要求。在不經(jīng)過煤層解吸樣繩索取心的采集條件下，含氣量出現(xiàn)高值，表明本區(qū)煤層氣含氣量具有富集的可能性。

2）煤儲(chǔ)層的孔隙特征。通過密度法計(jì)算出黑山煤田煤層的孔隙度分布在3.57%～13.16%，孔容分布在0.024 983～0.099 681 mL/g。通過核磁共振成像技術(shù)測試，煤層平均孔隙度為7.44%，分布在通過密度法測定的孔隙度范圍內(nèi)。整體上黑山煤田中煤儲(chǔ)層的孔隙度較高，煤儲(chǔ)層中具備充足的孔隙空間，有利于煤層氣的富集成藏。

3）儲(chǔ)層滲透性。中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院對(duì)黑山煤田煤的滲透性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示該煤田煤儲(chǔ)層滲透率為0.38 mD，整體上煤儲(chǔ)層滲透性較好。

3.4 保存條件

1）頂?shù)装鍡l件。1-3煤層頂板巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r為主，底板巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，局部發(fā)育砂巖。頂板泥巖厚度最大達(dá)40 m，一般大于5 m，有較強(qiáng)的封蓋能力。

2）構(gòu)造特征。黑山煤田總體上是一個(gè)近東西向的復(fù)式褶皺，由B1背斜，B2背斜、B3背斜、B4背斜及X1向斜、X2向斜、X3向斜等一系列褶皺組成，并由一系列近南北走向的斷層切割（圖4）。北部區(qū)發(fā)育壓性逆沖斷裂，褶皺寬緩，是煤層氣最有利的富集區(qū)。

圖4 黑山煤田構(gòu)造綱要圖

3）水文地質(zhì)條件。根據(jù)鄰區(qū)147號(hào)孔抽水資料顯示，太原組上段含水層單位涌水量為0.001 96～0.002 13 L/（S·M），滲透系數(shù)為0.006 72 M/C，透水性弱。二疊系和太原組地層中泥巖厚度大，分布廣，形成穩(wěn)定的隔水層。根據(jù)中高煤階煤層氣成藏規(guī)律，這種弱水動(dòng)力的水文環(huán)境是有利的煤層氣富集區(qū)。

通過對(duì)黑山煤田構(gòu)造特征、煤層厚度、煤儲(chǔ)層物性、煤巖煤質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件的分析，黑山煤田中東部煤層發(fā)育穩(wěn)定、厚度較大，埋藏適中、次級(jí)褶皺和擠壓逆斷層發(fā)育，屬于煤層氣富集區(qū)域。

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本次研究將黑山煤田各有利因素進(jìn)行了疊加，圈定了煤層氣富集的遠(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)和目標(biāo)區(qū)（圖5），主要分布在黑山煤田中部地區(qū)，煤層氣資源富集遠(yuǎn)景區(qū)面積為187 km2，有利區(qū)面積為500 km2，目標(biāo)區(qū)面積為120 km2。

圖5 黑山煤田主力煤層煤層氣選區(qū)綜合評(píng)價(jià)圖

3.6 資源量預(yù)測

黑山煤田主要可采煤層厚度變化規(guī)律性明顯，采用地質(zhì)塊段法進(jìn)行煤炭資源量估算，用體積法估算煤層氣資源量。黑山煤田最大含煤面積約830 km2，煤層平均總厚度約13 m，預(yù)測煤炭資源量約162×108t，煤層含氣量取5 m3/t。初步預(yù)測煤層氣資源量約810×108m3，煤層氣資源豐度約0.98×108m3/km2。

4 結(jié)論及建議

1）黑山煤田主煤層較厚，平均累計(jì)厚度達(dá)18 m，單層厚度一般大于5 m。宏觀煤巖類型以光亮—半亮型為主，煤類以肥煤、焦煤為主，鏡質(zhì)組含量最大達(dá)83.20%，顯示出良好的生烴潛力，為煤層氣的富集奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）黑山煤田主煤層埋深一般在600～1 000 m，既保證了煤層氣較好的保存條件，又有利于煤層氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

3）黑山煤田中煤儲(chǔ)層的孔隙度介于3.57%～13.16%，平均值為6.97%，為煤層氣提供了較大的儲(chǔ)集空間。裂隙系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力的作用下比較發(fā)育，煤儲(chǔ)層滲透率為0.38 mD，有利于煤層氣的開發(fā)。

4）黑山煤田主要煤層頂?shù)装鍘r性以細(xì)粒的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，厚度較大，有較強(qiáng)的封蓋能力。目的層段透水性弱，水動(dòng)力環(huán)境處于相對(duì)滯留狀態(tài)，有利于煤層氣富集。

5）初步預(yù)測黑山煤田煤層氣資源量約810×108m3，煤層氣資源豐度約0.98×108m3/km2。

6）建議在黑山煤田圈定的目標(biāo)區(qū)內(nèi)施工煤層氣參數(shù)井，以獲得實(shí)測含氣量、儲(chǔ)層壓力、壓力梯度、含氣飽和度、煤儲(chǔ)層滲透性等關(guān)鍵參數(shù)，為進(jìn)一步開展煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。