寧夏銀川市紅墩子礦區(qū)紅三井田煤層氣賦存特征研究

王建華，梁永平

(1.寧夏煤炭勘察工程有限公司，銀川 750000；2.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質局，銀川 750001)

寧夏銀川市紅墩子礦區(qū)紅三井田行政隸屬興慶區(qū)管轄，井田呈近南北向展布，東西寬約5.2km，南北長約9.6km，總面積約46.32km2，含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭二疊系太原組，全井田、大部及局部可采煤層6層，屬較穩(wěn)定煤層，煤類以氣煤為主，煤質特征為中灰、中—中高硫、特低磷—低磷和低—中熱值、中等水分、中黏結性煤的動力煤，是良好的動力用煤和化工用煤之一，探明資源量47 633萬t，高硫煤9 729萬t。

1 含煤地層及煤層

含煤地層為石炭二疊系太原組(C2P1t)和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，地層總厚167.03～286.01m，平均176.36m，可采煤層6層，依次為2、4、9-1、9-2、10、11煤，平均總厚9.17m，可采含煤系數(shù)5.33%。沉積范圍內全部可采煤層3層(9-1、9-2、10)，大部可采煤層3層(2、4、11)。

2 煤儲層特征

煤層既是煤層氣生成的物質基礎，又是煤層氣富集的載體。煤儲層特征包括煤的物質組成、煤層氣含量、吸附性、滲透性、儲層壓力以及煤體結構及孔隙特征等方面，這些因素直接影響到煤層氣開發(fā)氣井產出能力，關系到煤層氣開發(fā)的可行性，因此對煤層氣儲層特征的研究具有重要意義。

2.1 煤的吸附性

煤對甲烷具有較強的吸附性。煤吸附能力的大小不僅取決于煤的顯微組分、變質程度以及孔隙特征等內在因素，而且還受控于儲層壓力、儲層溫度及含水飽和度等外在條件。煤的等溫吸附曲線反映了在一定溫度(通常為煤儲層溫度)、不同壓力下煤層通過吸附存儲甲烷的能力。因此，煤層對甲烷氣體的吸附能力，決定了煤層氣在煤儲層中的賦存狀態(tài)、儲集能力和煤層氣產出過程。通常用Langmuir體積和Langmuir壓力來描述煤的吸附特性，這兩個參數(shù)可通過等溫吸附實驗得出。

勘探階段在1111、712鉆孔兩口煤層氣參數(shù)井中，分別采集了4號、5號及9號煤層的煤樣，進行了高壓等溫吸附實驗(表1)。繪制了3個煤層的等溫吸附曲線圖(圖1至圖3)。實驗結果表明，該區(qū)煤的吸附性具有如下特點：

圖1 紅三井田4號煤層等溫吸附曲線Figure 1 Coal No.4 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

圖2 紅三井田5號煤層等溫吸附曲線Figure 2 Coal No.5 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

圖3 紅三井田9號煤層等溫吸附曲線Figure 3 Coal No.9 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

表1 煤層等溫吸附實驗數(shù)據(jù)Table 1 Coal seam isothermal adsorption tested data

1)區(qū)內各煤層的吸附能力中等，與國內同變質程度煤的吸附能力相比較略低。一般情況，煤的吸附性主要受煤變質程度的控制，因此，煤級的分布基本上反映了在區(qū)域上煤的吸附特性。由于各煤層煤的變質程度基本相當，區(qū)內縱向上煤吸附能力變化較小。各煤層的空氣干燥基Langmuir體積(VL)為12.85～17.11m3/t，干燥無灰基Langmuir體積(VL)為16.84～20.80m3/t，Langmuir壓力(pL)為3.28～5.41MPa。

2)煤中灰分含量對其吸附性能有顯著的影響。圖4顯示隨著煤中灰分含量的增加，煤的空氣干燥基吸附量明顯降低。

圖4 煤中灰分與空氣干燥基吸附量關系Figure 4 Relationship between coal ash and air dried basis adsorptive capacity

2.2 煤層氣含量

含氣量是制定煤層氣勘探計劃、進行資源評價不可缺少的參數(shù)，它直接控制著煤層氣資源量的大小，對煤層氣可采性的預測有直接影響。因此，獲取準確的氣含量數(shù)據(jù)就顯得尤其重要。

從表2測試數(shù)據(jù)在平面上的分布情況來看，難以反映整個勘探區(qū)氣含量分布的情況；對勘探階段布置的瓦斯含量測試孔數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析(表3)。兩種方法測得數(shù)據(jù)存在一定的差異，但總體上，通過這些數(shù)據(jù)可以反映出井田內煤層氣含量的基本變化趨勢，為井田的氣含量和資源量預測提供了依據(jù)。從表2和表3測試結果可以看出：井田內各煤層氣含量普遍較低，平均甲烷含量均小于1.00 m3/t。各煤層氣含量與煤層埋藏深度無明顯規(guī)律，煤層氣含量在下部煤層有所增加，水平方向上同一煤層其深度變化較大、但煤層氣含量變化不大。但在雙井梁斷層與石門坎背斜狹長區(qū)域，甲烷含量相對偏高，甲烷含量達1.13 m3/t，結合以往勘探瓦斯測試資料，表明在井田背斜軸部及斷層破碎帶可能存在較高煤層氣聚集點。

表2 2口煤層氣參數(shù)井主要煤層氣含量結果統(tǒng)計Table 2 Statistics of main coal seam CBM content results from 2 CBM stratigraphic wells m3/t

表3 紅三井田各煤層瓦斯測試結果Table 3 Coal seams tested gas results in Hongsan minefield m3/t

2.3 氣成分

兩口煤層氣參數(shù)井無法采集氣成分樣，通過對涵蓋全區(qū)的地勘階段所獲取的氣成分分析結果(表4)表明，N2濃度多高于80%，最高可達99.29%；CH4濃度都低于80%，最高為72.90%，普遍低于10%；CO2濃度從0.34%～16.55%，一般低于10%，具有瓦斯風化帶的特征，即井田各主采煤層基本處于瓦斯風化帶內。

表4 鉆孔瓦斯氣成分分析結果Table 4 Analyzed results of borehole gas composition analysis %

2.4 含氣飽和度

含氣飽和度是反映煤層含氣的飽滿程度，指煤樣實測氣含量與按該煤層實際儲層壓力下確定的理論吸附量的比值。對井田兩口煤層氣參數(shù)井4煤、5煤和9煤實測數(shù)據(jù)計算出的含氣飽和度結果表5可以看出，該區(qū)煤儲層的含氣飽和度普遍偏低，含氣飽和度為1%～7%，均處于欠飽和狀態(tài)。

表5 煤儲層含氣飽和度計算結果Table 5 Computed results of coal reservoir gas saturation

2.5 煤層滲透率

煤層滲透率是煤儲層評價的最為關鍵的參數(shù)，通常描述的煤儲層滲透率是指煤層裂隙滲透率，通過注入/壓降試井方法測得。煤層滲透率的高低直接決定著煤層氣的運移和產出性。通過對井田內實施的兩口煤層氣參數(shù)井采用注入/壓降法試井，測得2號煤層滲透率為94.50mD，由于測試層段較長，滲透率偏高不能完全代表煤儲層情況；4號煤層滲透率為0.12mD，滲透性較差；9號煤層滲透率為0.30～2.32mD，平均為1.31mD，滲透性相對較好(表6)。參考相鄰紅四井田煤層滲透率測定結果，與國內其它地區(qū)煤層普遍低滲的特點相比，井田測試各煤層的滲透性相對較好。

表6 煤儲層參數(shù)測定結果Table 6 Tested results of coal reservoir parameters

2.6 儲層壓力

煤儲層壓力直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附和煤層氣的解吸，是影響煤層氣開發(fā)的重要參數(shù)。在氣井排采時，煤儲層壓力越高，越容易降壓排采，越有利于煤層氣開發(fā)。井田兩口煤層氣參數(shù)井測試的煤儲層壓力數(shù)據(jù)見表6，由測試結果可以看出，該區(qū)實測各煤層儲層壓力為8.09～9.30MPa，壓力梯度為0.78～1.09MPa/100m，多高于靜水壓力梯度，多屬于常壓至高壓儲層。

2.7 地應力

地應力是煤層滲透率非常敏感的控制因素。隨地應力的增加，煤層滲透率會顯著降低。煤層氣勘探開發(fā)的實踐表明：有效地應力越高，煤層滲透性越差；反之，煤層滲透性越好。據(jù)1111和712鉆孔試井測得數(shù)據(jù)(6)，煤層地應力為11.48～17.73MPa，地應力梯度為1.48～1.78MPa/100m，同國內其它地區(qū)的煤層相比，其應力梯度屬于正常范圍。

2.8 儲層溫度

儲層溫度是煤層氣富集能力的敏感條件，溫度直接影響到煤對煤層氣的吸附能力和解吸速度。從儲氣角度來看，溫度越低，吸附量越大；而從開采角度來說，溫度的升高有利于煤層氣的解吸。該井田以往地質勘查成果表明，該區(qū)恒溫帶深度為50～70m，恒溫帶溫度為14.68℃；垂深小于1 300m以淺，地溫值最高56.46℃，低溫梯度變化為2.38～4.34℃/100m，平均地溫梯度為3.40℃/100m，屬于地溫異常區(qū)。結合本次施工兩口井煤層氣參數(shù)井主要煤層儲層溫度測量結果分析(表7)，4煤儲層溫度變化范圍34.94～51.73℃，平均為44.41℃；9煤儲層溫度變化范圍36.42～54.00℃，平均為46.19℃。

表7 煤層儲層溫度測試結果Table 7 Tested results of coal reservoir temperature

3 煤層含氣量控制因素分析

煤層氣含量的大小主要受埋藏深度、地質構造、煤的變質程度、煤的物質組成等多種因素控制，對不同地區(qū)各種因素的影響程度不同。從已經掌握的資料看，紅三井田煤層含氣量主要受地質構造和圍巖封閉條件的控制。

3.1 煤層生氣條件

煤的生氣能力是煤層含氣的基礎，煤的生氣能力由煤的變質程度決定，同時，煤層氣的生成又受到煤的物質組成的控制。下面針對煤的物質組成和煤的變質程度對煤的生氣影響進行分析。

煤的有機顯微組分是生氣組分，而無機組分不是產氣組分。由井田施工鉆孔采集煤樣測試結果可知，各煤層煤的有機質含量為72.9%～98.6%，有機顯微組分多在80%以上。因此，各煤層均具有大規(guī)模生氣的物質條件。

由井田內各煤層采集煤樣鏡質組反射率測試結果可知，長焰煤階段煤的總生氣量41～93m3/t，氣煤階段為48～122m3/t。而從井田范圍內所有測試點的煤層氣(瓦斯)含量測試結果來看，煤層甲烷含量最大的點也只有1.13m3/t，遠低于該階段煤的生氣量。因此，煤的生氣能力不是影響該區(qū)煤層氣分布主要因素。

3.2 煤的儲氣能力

90%以上的煤層氣是以吸附狀態(tài)吸附在煤基質表面，煤的儲氣能力大小主要表現(xiàn)在其吸附能力強弱，可用等溫吸附常數(shù)來表示。井田主要煤層由于熱演化程度較低，煤的孔隙發(fā)育、孔隙度高、連通性較好，從煤的生、儲氣能力來看，煤層在整個煤演化階段中屬“少生中儲”類型。根據(jù)等溫吸附試驗參數(shù)測試的結果可知，各主要煤的Langmuir體積常數(shù)為16.84～20.80m3/t，遠遠高于各煤層實際煤層氣含量，因此煤的儲氣能力不是影響該區(qū)煤層氣分布主要因素。

3.3 煤層埋藏深度

煤層氣含量具有隨著煤儲層埋藏深度和壓力的增加而增大的分布規(guī)律。通過對井田內已有鉆孔瓦斯資料看，埋深1 200m以淺煤層，隨煤層埋深變化煤層氣含量無明顯分布規(guī)律，也從側面反映出，該井田煤層氣含量主要受控于其他地質因素。

3.4 地質構造

構造運動不僅控制了煤的演化和煤層氣的生成過程，而且還影響到煤層氣的保存條件。區(qū)域地質構造演化表明，聚煤期后，煤系地層被抬升，上覆地層遭到大量剝蝕，煤層氣保存條件變差，大量氣體在此期間逸散丟失。尤其是燕山期間的抬升運動，煤層氣生氣條件和保氣條件均已惡化，這是造成本區(qū)煤層氣含量低主要原因；井田地層總體向東傾伏，本區(qū)西北邊界為黃河斷裂，這就對煤層氣逸散提供了良好的逸散通道。

3.5 煤層圍巖封蓋條件

煤層頂板巖性對于煤層氣的保存與富集具有十分重要作用。良好的封蓋層可以減少煤層氣的向外滲流運移和擴散散失，保持較高地層壓力，維持最大的吸附量，減弱地層水對瓦斯造成的散失。一般煤層頂板為砂質泥巖、泥巖類或致密灰?guī)r時有利于煤層氣的保存，頂板巖層的巖性越疏松、顆粒及孔隙越大，則越利于煤層氣的運移和逸散。

井田各主要可采煤層頂板多為細砂巖、粉砂巖，其次為灰?guī)r、中砂巖及粗砂巖，井田煤層頂?shù)装鍘r性及分布對煤層氣的保存較為不利。

3.6 水文地質條件

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中，地下水系統(tǒng)通過地層壓力對煤層氣吸附聚集起控制作用，地下水的流動對煤層氣起溶解、逸散作用。因此，水文地質條件對煤層氣的賦存和運移影響很大。紅三井田煤系地層含水層富水性弱，地下水補給、徑流和排泄條件都比較差，攜帶煤層瓦斯運移逸散的程度極低；地下水沿巖層傾向由淺部向深度徑流，煤層中向上擴散的氣體將被封堵，致使煤層氣聚集，對煤層瓦斯的保存和富集有利。煤系地層上覆的下石盒子組砂巖含水層富水性差，屬極弱含水層，地下水徑流排泄條件差，對從煤系地層中逸散出來的煤層氣起到了有效的隔離作用，對煤層氣的保存有利。

4 結論

從煤層氣參數(shù)井的測試結果分析，井田各煤層基本處于瓦斯風化帶內，各煤層空氣干燥基氣含量均小于1.00 m3/t。按照《煤層氣資源/儲量規(guī)范》(DZ/T0216—2010)的要求，煤層氣資源量計算氣含量下限值為1.00 m3/t；煤層氣參數(shù)井煤層氣含量測試結果：各煤層空氣干燥基總氣含量為0.12～0.62 m3/t，均小于1.00 m3/t，綜合測試結果表明各主要可采煤層氣含量均較小。

對紅三井田煤層氣形成的地質條件系統(tǒng)分析認為，井田內地質構造是控制氣含量的最關鍵性因素，其次為煤層頂?shù)装宓姆馍w條件，而煤的物質組成等其它因素對氣含量的影響相對較小，這是造成井田煤層氣含量低的主要原因，就煤層含氣性而言，不具備進行地面煤層氣開采條件。