焦作煤田山西組泥頁巖含氣量分析及資源可采性評(píng)價(jià)

盧玉杰， 徐 影， 楊櫻花

(1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，鄭州 450016； 2.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，鄭州 450016；3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(非常規(guī)天然氣開發(fā)研究)，鄭州 450016； 4.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，鄭州 450000)

0 引言

頁巖氣賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段中，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源[1]。隨著國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)形勢日趨嚴(yán)峻，頁巖氣作為一種重要的天然氣資源逐漸登上了歷史舞臺(tái)[2]。我國富有機(jī)質(zhì)泥頁巖廣泛分布于不同沉積區(qū)內(nèi)，具有可觀的頁巖氣資源量基礎(chǔ)，截至2020年，我國頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量和年總產(chǎn)氣量分別突破了2.0×1012m3和200×108m3，頁巖氣產(chǎn)業(yè)能力和產(chǎn)氣量在國際上名列前茅[3]。

河南省地處華北盆地，頁巖氣資源豐富，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心2011年完成的《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選報(bào)告》顯示，河南省普遍發(fā)育石炭二疊系海陸過渡相頁巖，面積約6.8萬km2，頁巖氣可采資源量3.6萬億m3，占華北地臺(tái)頁巖氣總可采資源量5.04萬億m3的71.40%，占全國海陸過渡相頁巖氣總可采資源量8.97萬億m3的40.13%[4]，2012年國土資源部第二輪頁巖氣探礦權(quán)在河南省設(shè)立溫縣、中牟兩個(gè)區(qū)塊，先后開展了大量勘查工作。受地質(zhì)條件及開采技術(shù)等的限制，目前暫未形成規(guī)模化開發(fā)。

焦作煤田位于河南省西北部、華北晚古生代聚煤盆地南部，除蘊(yùn)含豐富的煤炭及煤層氣資源外，石炭、二疊系發(fā)育多套暗色泥頁巖，預(yù)示區(qū)內(nèi)頁巖氣資源具有較好的前景[5-7]。

以焦作煤田山西組泥頁巖為主要研究對(duì)象，在對(duì)其儲(chǔ)層發(fā)育特征、含氣性特征等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)其資源可采性，以期深化對(duì)焦作煤田泥頁巖含氣性特征及資源可采性的認(rèn)識(shí)，為省內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 交通位置

焦作煤田位于太行山南麓，東起趙固勘探區(qū)東界一1煤層露頭，西至焦作柏山，與濟(jì)源煤田接壤；北起太行山南麓一1煤層露頭，南抵武陟古隆起，以盤古寺大斷層為界(圖1)。

圖1 焦作煤田交通位置圖Figure 1 Traffic position of Jiaozuo coalfield

1.2 地層

焦作煤田地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)太行小區(qū)。除上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)及侏羅系、白堊系缺失外，從太古界到新生界均有發(fā)育。由老到新依次為前震旦系、震旦系、下古生界寒武系、奧陶系、上古生界石炭系、二疊系、中生界、新生界。

1.3 構(gòu)造

焦作煤田總體為走向北東，傾向南東的單斜構(gòu)造，地層傾角一般6°～16°，局部25°～30°。中生代以來的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，且多為高角度正斷層，分為NE向、NW向、近EW向三組(圖2)。

2 泥頁巖儲(chǔ)層特征

適合勘探開發(fā)的泥頁巖儲(chǔ)層需要滿足一定的埋深、厚度等條件[8]，通過收集焦作煤田26口井的鉆、測、錄數(shù)據(jù)，對(duì)山西組泥頁巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。

表1 焦作煤田泥頁巖發(fā)育特征

由表1可知，山西組含泥頁巖5～28層，泥頁巖累計(jì)厚度達(dá)28～115.78 m，平均厚度為56.68 m。泥地比介于0.238～0.836，平均為0.585。目標(biāo)層泥

圖2 焦作煤田構(gòu)造綱要圖Figure 2 Structural outline map of Jiaozuo coalfield

地比計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明泥地比大于50 %，表明研究區(qū)泥頁巖氣資源具有較好的賦存條件。

3 泥頁巖儲(chǔ)層含氣性

頁巖氣在暗色泥頁巖儲(chǔ)層中的賦存形式包括吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài)等。以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，其中吸附氣含量可達(dá)頁巖氣總量的85%，是評(píng)價(jià)泥頁巖儲(chǔ)層含氣性的重要參數(shù)[9-12]。

目前頁巖氣儲(chǔ)層吸附氣主要采用Langmuir方程，Langmuir從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，在研究固體吸附特征時(shí)，提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程：

(1)

式中：V為壓力為p時(shí)的吸附量，m3/t；a為Langmuir體積，表示最大吸附量，m3/t；b為Langmuir結(jié)合常數(shù)，b=1/PL，PL為Langmuir壓力，表示吸附量為最大吸附量一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力，MPa；p為壓力，MPa。

游離氣的計(jì)算方法為容積法，其所依據(jù)的計(jì)算理論方程為理想氣體狀態(tài)方程，即pV=nRT，根據(jù)研究區(qū)目的層泥頁巖儲(chǔ)層原地的溫度、壓力狀態(tài)及其孔隙孔容，進(jìn)而求得此狀態(tài)下所能容納的標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積，即為最大可容納的游離氣的體積。對(duì)于游離氣的計(jì)算常采用理想氣態(tài)方程：

(2)

式中：p為某深度時(shí)儲(chǔ)層壓力，MPa；V為某深度時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙體積， m3；T為某深度時(shí)儲(chǔ)層開氏溫度，K；p0、V0、T0為折算到0℃，101.325kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)壓力、游離氣含量及開氏溫度。

游離氣量計(jì)算模型：

(3)

式中，P為某深度時(shí)儲(chǔ)層壓力，MPa；V為某深度時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙體積，m3；T為某深度時(shí)儲(chǔ)層開氏溫度，K；η為儲(chǔ)層壓力梯度，MPa/m；h為埋深；P0、V0、T0為折算到0℃，101.325kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)壓力、游離氣含量及開氏溫度。

頁巖氣主要由吸附氣與游離氣所構(gòu)成，溶解氣及固溶氣含量極低，在國內(nèi)外頁巖氣含氣量計(jì)算中往往將溶解氣及固溶氣所忽略，本次研究中頁巖氣總含氣量取值亦是等于吸附氣量與游離氣量之和，即實(shí)際含氣量V=2V0。

通過選擇代表性鉆孔參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，焦作煤田泥頁巖含氣量見表。由表2可以看出焦作煤田泥巖含氣量介于0.99～2.81 m3/t，平均1.87 m3/t。

焦作煤田泥巖平面展布特征如圖3所示，整體上表現(xiàn)為東南高，西北低。

圖3 焦作煤田泥頁巖含氣量平面展布特征Figure 3 Argillutite gas content plane distribution features in Jiaozuocoalfield

表2 焦作煤田泥頁巖計(jì)算含氣量

4 泥頁巖氣可采性評(píng)價(jià)

根據(jù)以往研究，頁巖氣可采性控制因素主要包括： 埋深及厚度、有機(jī)質(zhì)含量、礦物組成、物性、含氣量等[13-14]。

埋深是頁巖氣藏規(guī)模開發(fā)的主要控制因素之一，埋深太淺，不利于頁巖氣的保存；埋深太大，對(duì)開發(fā)成本和開發(fā)技術(shù)要求較高[15]。

泥頁巖有效厚度需達(dá)到一定界限，才能提供足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間。

有機(jī)質(zhì)豐度決定頁巖地層的生氣能力，研究表明頁巖TOC與含氣量具有正相關(guān)性，在一定程度上決定了是否有可供開采的足夠的頁巖氣。

礦物成分研究是頁巖氣吸附儲(chǔ)存、裂縫評(píng)價(jià)、滲流運(yùn)移、壓裂造縫和工藝性能等研究的重要基礎(chǔ)；石英長石等脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素。

頁巖作為一種非常規(guī)儲(chǔ)層，具有低孔、特低滲特征?？紫抖瓤梢院饬繋r石中孔隙的發(fā)育程度，滲透率是判斷頁巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開價(jià)值的重要參數(shù)，頁巖滲透率由基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率構(gòu)成，滲透率與孔隙度具有一定的正相關(guān)性，有效的微裂縫對(duì)滲透率起著重要作用。

含氣量是決定頁巖有無經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值和進(jìn)行資源潛力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是可采性分析的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。通常從吸附氣和游離氣兩個(gè)方面來研究頁巖儲(chǔ)層的含氣性，由于吸附氣更難開采，兩種氣體的相對(duì)比例也將決定頁巖氣的開采難度。

結(jié)合研究區(qū)泥頁巖儲(chǔ)層基本地質(zhì)屬性，優(yōu)選埋深、厚度、有機(jī)質(zhì)含量、脆性以及含氣量作為其可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)(表3)。

采用專家經(jīng)驗(yàn)確定權(quán)重的方式，評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重依次為：0.15、0.15、0.25、0.15、0.3。

通過計(jì)算，焦作煤田泥頁巖平均可采指數(shù)為0.213～0.758，平均0.451，平面上表現(xiàn)為東南高西北低的趨勢，西部最低(圖4)。

圖4 焦作煤田泥頁巖氣平均綜合可采指數(shù)分布圖Figure 4 Argillutite gas average comprehensive workability indices distribution in Jiaozuo coalfield

表3 泥頁巖氣資源可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)論

1)通過對(duì)焦作煤田山西組泥頁巖平均厚度、泥地比、含氣性特征分析，表明研究區(qū)內(nèi)頁巖氣資源具有較好的賦存條件。

2)通過優(yōu)選頁巖氣可采性控制因素，建立了山西組泥頁巖氣資源可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系， 并計(jì)算了可采性指數(shù)。

3)將泥頁巖含氣性及可采性指數(shù)分別展布到平面圖上，平面上表現(xiàn)為東南高西北低的趨勢，表明研究區(qū)東南部山西組泥頁巖為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)，可為今后焦作煤田泥頁巖氣開采提供一定的借鑒和指導(dǎo)。