湘東桃水礦區(qū)煤儲(chǔ)層特征及煤層氣資源分析*

（湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

自上世紀(jì)70～80年代起，湖南省進(jìn)行了煤層氣勘探研究工作，但是，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、勘探投入有限等因素，湘東南以至整個(gè)湖南省，煤層氣勘探工作程度較低，基本處于煤層氣勘查初期階段，且煤層氣地面抽采基本上均未達(dá)到預(yù)期效果[1]。煤層氣地面開發(fā)失敗的原因較多，其中最主要的地質(zhì)原因之一是煤儲(chǔ)層滲透性極差。近年來，桃水礦區(qū)煤層氣勘探顯示，該區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率較高，遠(yuǎn)高于湖南省其它礦區(qū)，表明在該區(qū)開展煤層氣研究十分有意義。本文總結(jié)了桃水礦區(qū)煤層氣地質(zhì)條件，分析該區(qū)煤層含氣性和儲(chǔ)層特征，為煤層氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造

桃水礦區(qū)位于湘東地區(qū)，攸蘭斷坳北部，為一復(fù)式向斜構(gòu)造，向斜軸向近南北，南北長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，東西寬一般數(shù)百米。向斜西翼地層傾角50°～70°，東翼地層傾角15°左右。斷裂不發(fā)育，少數(shù)正斷層位于向斜南部，礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單-中等。

1.2 地層與含煤地層

桃水礦區(qū)由老到新發(fā)育：二疊系中統(tǒng)棲霞組（P2q）、當(dāng)沖組（P2d），上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）、大隆組（P3d），三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d），白堊系（K）和第四系（Q）。

桃水礦區(qū)含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，為一套泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖及煤等碎屑巖，厚250m，含煤10層，主要可采煤層為2、4煤層。2煤層形成于潮坪環(huán)境，厚0～6.69m，平均1.56 m。平面上從西到東，從陸到海，煤層厚度逐漸變小。4煤層（相當(dāng)區(qū)域6煤層）形成于三角洲環(huán)境，在三角洲平原和潮上帶地區(qū)煤層發(fā)育較好，4煤層厚0～8.86m，平均厚1.72 m。

1.3 煤巖特征

2煤層煤體較疏松，多呈碎粒狀、塊狀，以厘米級(jí)塊狀為主，毫米級(jí)顆粒次之。黑色，強(qiáng)玻璃光澤，宏觀煤巖類型為半亮型。2煤層樣品的鏡質(zhì)組含量為70.5%；惰質(zhì)組含量為11.2%；殼質(zhì)組含量為0.4%。礦物質(zhì)含量為18.3%，粘土礦物為主，硫化物次之。2煤層最大反射率為3.07%，為無煙煤三號(hào)見表1。

4煤層多呈碎粒狀，以厘米級(jí)塊狀為主，毫米級(jí)顆粒次之。黑色，玻璃光澤～強(qiáng)玻璃光澤，宏觀煤巖類型為半亮型。鏡質(zhì)組含量為63.3%；惰質(zhì)組含量為6.0%。礦物質(zhì)含量為30.7%，粘土礦物為主，碳酸鹽次之，再次為硫化物。4煤層最大反射率為3.34%，為無煙煤三號(hào)見表1。

表1 煤層顯微組分統(tǒng)計(jì)

1.4 煤質(zhì)

2煤層水分(Mad)為0.20%，灰分(Ad)為15.90%，揮發(fā)分(Vdaf)為5.00%。4煤層水分(Mad)為0.30%～0.41%，平均為0.37%；灰分(Ad)為11.19%～21.65%，平均為15.80%；揮發(fā)分(Vdaf)為4.99%～8.70%，平均為6.36%。

2 含氣性特征

2.1 煤層氣含量與化學(xué)組分

2煤層淺部含氣量5.79～12.96m3/t，甲烷（CH4）濃度86.71%～90.05%，平均為88.60%；二氧化碳（CO2）0.22%～0.34%；氮?dú)猓∟2）9.57～13.06%。4煤層淺部含氣量4.58～13.34m3/t，甲烷（CH4）濃度85.73%～93.91%，平均91.66%；二氧化碳（CO2）0.16%～0.48%，平均0.35%；氮?dú)猓∟2）5.74%～13.78%，平均7.98%。煤層含氣量較高。

2.2 控氣地質(zhì)因素

（1）埋深

埋深是煤層氣富集的主控因素之一。桃水礦區(qū)煤層氣富集遵循上述規(guī)律，由向斜兩翼至核部，由淺至深煤層含氣量明顯增加見圖1。

圖1 煤層氣含量與埋深關(guān)系

（2）煤的顯微組分

煤的顯微組分影響煤層含氣量，具體表現(xiàn)為灰分增加，煤層微孔和小孔含量相對(duì)減少，導(dǎo)致煤層氣吸附性下降，煤層含氣量降低；相反，鏡質(zhì)組含量增加，煤層孔裂隙越發(fā)育，吸附性越好，煤層含氣量越高[2-3]。桃水礦區(qū)煤層灰分與鏡質(zhì)組含量對(duì)煤層氣富集影響明顯，灰分產(chǎn)率增加煤層含氣量減小，鏡質(zhì)組含量增加煤層含氣量增加見圖2、圖3。

實(shí)際上，如果只是為了研究進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)、而不是為了測(cè)試水泵裝置的性能，模型試驗(yàn)裝置可以不帶模型泵，只需要幾何相似以及流量模擬即可[9]?；谶@種思想，根據(jù)某泵站要求，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)肘型進(jìn)水流道模型試驗(yàn)裝置，除用于測(cè)試進(jìn)水流道的水力損失外，同時(shí)對(duì)流道內(nèi)部的流態(tài)進(jìn)行較為全面的觀察研究。

圖2 煤層氣含量與灰分產(chǎn)率關(guān)系

圖3 煤層氣含量與鏡質(zhì)組含量關(guān)系

（3）斷層

開放性斷層不利于煤層氣富集。桃水礦區(qū)南部正斷層影響區(qū)域，2、4煤層含氣量一般為4.58～7.25m3/t，明顯低于中北部的6.46～13.34m3/t；礦井瓦斯鑒定結(jié)果，南部煤礦多為低瓦斯礦井，中北部大多為高瓦斯礦井，表明南部煤礦受斷層影響，煤層氣逸散。

3 煤儲(chǔ)層特征

3.1 煤層孔裂隙特征

煤層孔隙、裂隙是煤層氣儲(chǔ)集、運(yùn)移的重要通道，直接影響煤層氣含氣性與后期開采難易程度[2，4]。桃水礦區(qū)2煤層真密度為1.57～1.80 g/cm3，視密度1.48～1.65 g/cm3，孔隙度為5.73%～8.33%，孔隙度較大。4煤層真密度為1.52～1.72 g/cm3，視密度1.42～1.58 g/cm3，孔隙度為6.06%～11.11%，孔隙度較大，為煤層氣的富集提供了空間見表2。

桃水礦區(qū)2、4煤層多為碎粒狀，其次為碎裂狀，由于塊體較小，故層理、裂隙不便觀測(cè)。

表2 煤層孔隙度統(tǒng)計(jì)

3.2 滲透性特征

煤儲(chǔ)層滲透率是煤層氣研究和評(píng)價(jià)的重要參數(shù)[2-4]。桃水礦區(qū)煤層氣參數(shù)孔ZK706和ZK212注入/壓降試井結(jié)果顯示，2煤層滲透率為0.35～11.2 mD，4煤層滲透率為0.73～2.18 mD，為中、高滲透率儲(chǔ)層，有利于煤層甲烷排出，僅從滲透率角度分析，煤層氣開發(fā)難度相對(duì)較小。

3.3 儲(chǔ)層壓力特征

儲(chǔ)層壓力顯示地層能量，超壓、高壓儲(chǔ)層是比較理想的儲(chǔ)層，開發(fā)潛力較大，其次為常壓儲(chǔ)層，而欠壓儲(chǔ)層開發(fā)難度相對(duì)較大[3-4]。2、4煤層的儲(chǔ)層壓力分別為3.74～4.99MPa和4.38～6.10MPa，儲(chǔ)層壓力梯度分別為9.45 kPa/m和9.44～9.76 kPa/m，煤層屬常壓儲(chǔ)層。2、4煤層的閉合壓力分別為6.59～13.69MPa和10.25～11.06MPa；2、4煤層閉合壓力梯度分別為16.7～25.8 kPa/m和17.7～22.1 kPa/m，儲(chǔ)層處在正常應(yīng)力場(chǎng)中。2、4煤層儲(chǔ)層壓力和地應(yīng)力正常，較有利于煤層氣開發(fā)，見表3。

表3 注入/壓降試井參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2煤層1個(gè)等溫吸附樣品，平衡水分6.92%；空氣干燥基，Langmuir體積25.52m3/t，Langmuir壓力2.11MPa，臨界解吸壓力2.18MPa，含氣飽和度為72.26%，理論采收率51%。4煤層1個(gè)等溫吸附樣品，平衡水分9.98%；空氣干燥基，Langmuir體積29.08m3/t，Langmuir壓力2.42MPa，臨界解吸壓力2.09MPa，含氣飽和度為64.75%，理論采收率51%見圖4、表4。

圖4 煤層等溫吸附曲線

表4 煤儲(chǔ)層含氣飽和度及理論采收率

4 煤層氣資源潛力分析

4.1 煤層氣資源量

計(jì)算過程中要求：①2、4煤層分別計(jì)算資源量；②以地質(zhì)邊界或人為技術(shù)邊界劃分估算塊段；③煤層厚度大于0.6m，含氣量大于4m3/t；④計(jì)算深度為風(fēng)化帶邊界～埋深600m、600～1000 m兩個(gè)區(qū)間。

（2）計(jì)算方法

就研究區(qū)現(xiàn)狀，采用體積法計(jì)算各塊段煤層氣資源量，即：

Gi=0.01AhDC式中：Gi為第i塊段煤層氣地質(zhì)資源量，單位108m3；A為煤層含氣面積，單位km2；h為煤層凈厚度，單位m；D為煤的密度，單位t/m3；C為煤層含氣量，單位m3/t；

據(jù)上述公式，分單元對(duì)煤層氣資源量進(jìn)行計(jì)算，然后累加得到煤層氣總地質(zhì)資源量Q總：

式中：m為參加計(jì)算的煤層層數(shù)，m=2；n為計(jì)算塊段數(shù)。

（3）計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，預(yù)測(cè)桃水礦區(qū)2煤層煤層氣資源量為3.37×108m3，4煤層煤層氣資源量為3.61×108m3，總資源量為6.98×108m3，資源豐度0.60×108m3/km2，其中600 m以淺資源量為4.22×108m3，資源分級(jí)為控制，600～1000 m資源量為2.76×108m3，資源分級(jí)為預(yù)測(cè)。根據(jù)國(guó)土資源部DZ/T 0216-2010《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》，桃水礦區(qū)屬于中淺埋藏、低資源豐度、小型儲(chǔ)量規(guī)模煤層氣礦區(qū)見表6。煤層氣參數(shù)井計(jì)算的理論采收率為47.5%，煤層氣可采資源量為3.30×108m3，可采資源量中等，具有一定開發(fā)前景。

4.2 煤層氣資源潛力

為了更好研究桃水礦區(qū)煤層氣資源潛力，將其主要煤層氣地質(zhì)參數(shù)與邵陽(yáng)短陂橋礦區(qū)進(jìn)行對(duì)比，后者初步取得了穩(wěn)定的工業(yè)氣流。對(duì)比結(jié)果表明，在構(gòu)造、埋深、變質(zhì)程度、儲(chǔ)層壓力梯度四個(gè)方面，桃水礦區(qū)與短陂橋礦區(qū)相當(dāng)；在含氣量、資源量、資源豐度、儲(chǔ)層壓力梯度四個(gè)方面，桃水礦區(qū)差于短陂橋礦區(qū)；而煤層累計(jì)厚度、滲透率方面，桃水礦區(qū)優(yōu)于短陂橋礦區(qū)，尤其是滲透率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于短陂橋礦區(qū)[5]。綜上認(rèn)為，桃水礦區(qū)具有一定的煤層氣資源潛力，有必要進(jìn)行小規(guī)模煤層氣先導(dǎo)性試驗(yàn)。

表5 煤層氣地質(zhì)條件對(duì)比[5]

5 結(jié)語(yǔ)

1）桃水礦區(qū)2、4煤層為主采煤層，平均厚度分別為1.56m、1.72m，累計(jì)厚度3.28 m。

2）桃水礦區(qū)2、4煤層含氣量為4.58～13.34m3/t，含氣量較高，主要控制因素為埋深、斷層構(gòu)造與煤的顯微組分。

3）煤體結(jié)構(gòu)較破碎，煤儲(chǔ)層孔隙度大，滲透率高，含氣飽和度低，壓力適中，為中高滲透性常壓儲(chǔ)層。

4）預(yù)測(cè)地質(zhì)資源量6.98×108m3，可采資源量3.30×108m3，對(duì)比邵陽(yáng)短陂橋礦區(qū)，桃水礦區(qū)具有一定的煤層氣資源前景。