沁水盆地長平3#煤煤層氣賦存特征及潛力評價

姚秋卉

(山東省煤田地質局第三勘探隊， 山東泰安 271000)

0 引言

沁水盆地是中國一個重要的含煤盆地，同時含有豐富的煤層氣資源，是我國重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地。沁水盆地南部是我國高階煤層氣主力開發(fā)區(qū)塊，也是全國煤層氣開發(fā)的重點、熱點區(qū)塊[6-7]。前人對沁水盆地南部煤層氣的研究主要集中在區(qū)域成藏條件、基礎地質條件、煤儲層以及初步的煤層氣形成條件與分布規(guī)律的認識上[8]，對其煤層氣潛力資源評價研究較少。在總結前人[9-10]研究成果的基礎上，以沁水盆地南部長平區(qū)塊為例，通過分析研究區(qū)煤層氣基本地質條件，從構造演化、儲層物性條件、含氣性特征等多方面探討煤層氣賦存特征和資源潛力，為長平區(qū)塊下一步煤層氣勘探開發(fā)指明方向，也為類似區(qū)塊勘探開發(fā)提供思路和方法。

1 區(qū)域地質概況

1.1 地質構造

沁水盆地是華北晚古生代在成煤期之后由斷塊差異性抬升形成的山間斷陷盆地[11]，古構造上屬于華北地臺中帶，在晚古生代主要呈現(xiàn)出海陸交互的古地理背景。晚古生代末期，隨著古蒙古洋的閉合，海水向南退出，華北板塊內部轉化成大型的內陸湖泊沉積環(huán)境[12]。

研究區(qū)處于晉獲褶斷帶南部、沁水盆地南緣東西-北東向斷裂帶的北東部，區(qū)內構造形態(tài)與周圍構造密切相關(圖1)。燕山運動早期，由于東西向主壓應力作用，構造變動在形態(tài)上主要為大型開闊褶皺，如太行山復式背斜隆起，霍山南北向背斜及沁水復式向斜。燕山運動中期，是北北東向構造形成的主要時期。地塊在南北向扭力和東西向擠壓力聯(lián)合作用下發(fā)生構造變動，主壓應力方向由早期的東西向轉變?yōu)楸蔽魑?南東東方向，由此而形成了北北東向的線型擠壓帶，如晉城-獲鹿褶斷帶和武鄉(xiāng)-陽城凹褶帶。燕山期晚期—喜馬拉雅期，區(qū)域構造應力方式發(fā)生了改變，主壓應力方向為北東-南西向，主張應力方向為北西-南東向，相應的構造變動以改造先期變形為主，其構造類型以斷裂為主，褶皺次之。在沁水盆地南緣，有一組主要由東西向-北東向斷層組成的弧形斷裂帶，主要斷層有沁水正斷層、南賈莊逆斷層、上沃泉-羊泉正斷層、寺頭正斷層、土沃正斷層等。

圖1 研究區(qū)構造位置Figure 1 Tectonic location of the study area

1.2 地層

本區(qū)位于沁水盆地東南部，區(qū)域地層自東而西由老至新為古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新生界新近系及第四系。主要出露地層為上二疊統(tǒng)上石盒子組，上二疊統(tǒng)石千峰組及下三疊統(tǒng)劉家溝組。研究區(qū)含煤地層位于石炭系—二疊系，主要沉積地層為太原組和山西組。太原組位于K1砂巖底至K7砂巖底，與下伏地層呈整合接觸，為主要含煤地層之一。地層厚81.88～109.41m，平均97.67m。由深灰-灰黑色砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、煤層及石灰?guī)r組成。本組含煤6～13層，一般8～10層。煤層自上而下編號為5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、13#、14#、15#和16#。其中15#煤層為穩(wěn)定煤層，位于本組下部一段。8#煤層為不穩(wěn)定煤層，位于本組上部三段。山西組位于K7砂巖底至K8砂巖底，與下伏地層呈整合接觸，是主要含煤地層之一。厚43.23～65.17m，平均53.62m。由灰—深灰色中—細粒砂巖、粉砂巖和灰黑色泥巖及煤層組成。一般含煤2～3層，煤層由上而下編號為1#、2#、3#。3#煤層穩(wěn)定，位于本組下部。2#煤層不穩(wěn)定，位于本組中上部。

2 煤層

2.1 煤層厚度與分布

據(jù)已有的勘查成果資料可知，本煤礦內共含4層全區(qū)可采或局部可采煤層，全區(qū)主要可采煤層有山西組3#煤層及太原組15#煤層，局部可采煤層有山西組2#煤層及太原組8#煤層(表1)。2#煤層位于山西組中上部，可采面積12.35km2，煤層厚度0.30～4.12m，平均1.04m，結構簡單。2#煤層東部厚度在0.8～1m；西部小于0.8m，絕大部分不可采，僅局部大于0.8m，為不穩(wěn)定局部可采煤層。3#煤層位于山西組下部，煤層厚度3.17～6.35m，平均厚5.48m，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。3#煤層厚度總體穩(wěn)定，煤層凈厚度介于3.17～6.23m。8#煤層位于太原組三段，厚度0～2.85m，平均1.22m。厚度大于0.8m的煤層分布在礦區(qū)中西部；其余區(qū)域不可采，屬不穩(wěn)定的局部可采煤層。15#煤層位于太原組一段，煤層穩(wěn)定、厚度較大，為全區(qū)主要可采煤層之一。煤層厚度2.20～5.90m，平均4.38m。

表1 研究區(qū)可采煤層Table 1 Mining coal seam in the study area

2.2 煤質特征

2.2.1 水分(Mad)

2#煤層原煤水分兩極值0.36%～2.04%，平均1.03%，浮煤水分兩極值0.30%～1.68%，平均0.77%。3號煤層原煤水分兩極值0.57%～2.85%，平均1.21%，浮煤水分兩極值0.38%～2.75%，平均1.07%。8#煤層原煤水分兩極值0.78%～1.35%，平均1.08%，浮煤水分兩極值0.92%～1.20%，平均1.05%。15#煤層原煤水分兩極值0.32%～2.64%，平均1.40%，浮煤水分兩極值0.42%～2.07%，平均1.00%。

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2.2.2 灰分(Ad)

2#煤層原煤灰分兩極值8.26%～22.90%，平均15.46%，以低灰煤為主。浮煤灰分兩極值5.69%～9.21%，平均7.40%。3#煤層原煤灰分兩極值9.86%～31.99%，平均15.59%，以低灰煤為主。4#孔附近為特低灰煤。浮煤灰分兩極值4.41%～10.15%，平均7.20%。8#煤層原煤灰分兩極值14.70%～21.73%，平均18.09%，為低灰煤。浮煤灰分兩極值8.08%～10.73%，平均9.45%。15#煤層原煤灰分兩極值15.65%～31.60%，平均21.78%；以中灰煤為主。浮煤灰分兩極值5.61%～9.80%，平均7.58%。

2.2.3 揮發(fā)分(Vdaf)

2#煤層原煤揮發(fā)分兩極值9.69%～14.44%，平均11.11%；浮煤揮發(fā)分兩極值7.93%～12.04%，平均9.34%，為特低揮發(fā)分—低揮發(fā)分煤。3#煤層原煤揮發(fā)分兩極值8.43%～12.18%，平均 9.95%；浮煤揮發(fā)分兩極值7.15%～9.99%，平均8.28%，為特低揮發(fā)分—低揮發(fā)分煤。8#煤層原煤揮發(fā)分兩極值10.36%～11.62%，平均10.87%；浮煤揮發(fā)分兩極值8.17%～9.95%，平均 8.93%，為特低揮發(fā)分—低揮發(fā)分煤。15#煤層原煤揮發(fā)分兩極值9.76%～15.02%，平均11.93%；浮煤揮發(fā)分兩極值7.96%～9.87%，平均8.84%，為特低揮發(fā)分煤。

2.3 顯微煤巖特征

煤巖組分是煤的基本成分，是煤層氣的生氣母質，所以是影響煤層氣組成的首要因素[13-14]。殼質組通常相對富氫，是煤成氣的主要顯微組分，具有很高的產(chǎn)烴率，產(chǎn)物主要為氣態(tài)烴和部分液態(tài)烴[15]。三種煤巖組分的烴氣產(chǎn)率，以殼質組最高，其次是鏡質組，惰質組最低[16-18]。在煤的顯微組成中，鏡質組不僅是重要的生氣組分，也是重要的吸附組分，對煤層氣的儲集具有絕對的控制影響[19]。

研究區(qū)可采煤層煤巖有機顯微組分特征顯示，3#煤層有機組分以鏡質組為主，其次為惰質組，殼質組未見。無機組分以黏土類為主，其次為硫酸鹽類，硫化鐵類及氧化硅等。有機組分中鏡質組含量72.3%～93.1%(表2)，惰質組含量6.9%～27.7%。無機組分黏土礦物含量變化在1.7%～21.8%，多為分散狀和浸染狀黏土，部分充填狀，少見脈狀方解石。15#煤層有機組分以鏡質組為主，其次為惰質組，未見殼質組。無機組分以黏土礦物為主，次為硫化鐵類。有機組分中鏡質組含量 84.5%～87.5%，惰質組含量12.5%～17.7%。無機組分以黏土礦物為主，含量7.4%～17.9%，常見有分散狀和條帶狀黏土，少量透鏡狀，有少量黃鐵礦結核。

表2 可采煤層顯微組分特征Table 2 Maceral characteristics of mineable coal seam %

3 煤層儲層物性

3.1 儲層溫度和壓力

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[20]。煤儲層壓力直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附能力和煤層氣的解吸能力，是影響煤層氣開發(fā)的重要參數(shù)。

根據(jù)井田內2004年補充勘探鉆孔簡易井溫測試資料，3#煤層最低地溫為18.6℃，最高地溫為23.05℃，地溫梯度小于3℃/100m，屬于正常地溫區(qū)。試井測試結果顯示，2012ZX-DX-12井在674.58m深度，3#煤層儲層壓力1.97MPa，壓力梯度0.292MPa/100m(表3)，鄰近趙莊煤礦0.46～0.86MPa/100m，煤儲層整體處于欠壓狀態(tài)。沁水盆地南部煤層氣勘探測試的儲層壓力數(shù)據(jù)較多，儲層壓力規(guī)律性明顯，測試數(shù)據(jù)顯示，煤儲層壓力受煤層埋藏深度影響顯著，煤儲層壓力隨著煤層埋藏深度的增加而增大，呈正相關關系(圖2)。

表3 研究區(qū)3#煤層試井測試結果Table 3 Well test results of No.3 coal seam in the study area

圖2 沁水盆地南部煤儲層壓力與深度關系Figure 2 Relationship between coal reservoir pressure anddepth in southern Qinshui Basin

3.2 煤的吸附性

煤對甲烷具有較強的吸附性，而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[21]。煤的等溫吸附曲線反映了在一定儲層溫度、不同壓力下煤層通過吸附存儲甲烷的能力[22]。本區(qū)3#煤層空氣干燥基Langmuir體積32.31～39.27cm3/g，平均35.73cm3/g(表4，圖3)；干燥無灰基Langmuir體積37.91～43.19cm3/g，平均40.55cm3/g；Langmuir壓力1.65～2.25MPa，平均1.94MPa。

表4 3#煤層等溫吸附實驗數(shù)據(jù)Table 4 Isothermal adsorption experimental data of No.3 coal seam

圖3 研究區(qū)儲層溫度下的3#煤層等溫吸附曲線Figure 3 Isothermal adsorption curve of No.3 coal seam at reservoirtemperature in the study area

3.3 滲透性

滲透性是煤儲層評價以及勘探開發(fā)的一項重要內容，煤層的滲透性也受到煤體結構以及裂隙特征等因素的控制[23]。因此，對煤層滲透性的研究具有非常重要的意義。裂隙是煤化作用或構造應力作用過程中的產(chǎn)物，其在煤層中是普遍存在的[24]。裂隙是煤層氣在煤儲層中運移的主要通道，是煤儲層具有滲透性的先決條件[25]。

煤層氣井3#煤層裂隙微觀統(tǒng)計結果表明：煤中裂隙發(fā)育，多呈短裂紋狀、階梯狀，近垂直于層理，裂隙走向大體一致；發(fā)育少量順層裂隙及低角度裂隙。測試結果顯示3#煤層滲透率(0.055～2.31)×10-3μm2，屬低滲透率儲層(表3)，但根據(jù)沁水盆地東南部十多年間煤層氣井良好的產(chǎn)氣情況來看，該區(qū)的煤儲層滲透性較好。

4 煤層氣儲層含氣性特征

4.1 氣體成分

從成分上看，長平井田煤層氣屬于純度高的優(yōu)質天然氣，煤層氣成分均以甲烷為主，據(jù)參數(shù)井實測數(shù)據(jù)分析，3#煤層CH4濃度為93.88%～97.96%，平均96.09%(表5)；CO2濃度為0.20%～0.34%，平均 0.28%；N2濃度為1.56%～5.90%，平均3.54%；含微量重烴。

表5 3#煤煤層氣成分測試結果Table 5 Composition test results of coalbed methane of No.3 coal seam

4.2 含氣量

煤層氣含量是儲量估算中的一個重要指標。通過煤層氣井采樣測試測得的含氣量資料顯示申報面積內：CP-017、CP-019、CP-023、CP-085井3#煤層實測含氣量(空氣干燥基)為10.21～12.71m3/t，平均11.11m3/t(表1)。研究區(qū)含氣量東部低、西部高，與埋深變化趨勢基本一致(圖4)，CP-167井儲層深度775m，所測含氣量3.68m3/t，且與其鄰近鉆孔含氣量9m3/t，故將此值作為異常值剔除。煤田勘探測試煤層含氣量測值稍低，為7.17m3/t。

圖4 研究區(qū)3#煤層含氣量等值線Figure 4 Contour plot of gas content in No.3 coal seam in the study area

5 煤層氣資源潛力評價

煤層氣發(fā)育有利區(qū)預測對煤層氣勘探來說，煤層氣有利區(qū)優(yōu)選參考因素較多，包括煤層埋深、凈厚度、含氣量、滲透率、含氣飽和度、灰分含量等，對于煤層埋深適中、凈厚度大、熱、含氣量高、滲透率高、含氣飽和度高、灰分含量低，則有利于煤層氣生成[26]。對研究區(qū)煤層氣可采性地質條件綜合分析的基礎上，確定煤層氣資源相對有利區(qū)及較有利區(qū)評價參數(shù)和評價標準(表6)。

表6 煤層瓦斯資源有利區(qū)評價參數(shù)及標準Table 6 Evaluation parameters and standards for favorable areaof gas resources in coal seam

通過分析研究和勘探，基本掌握了區(qū)內的控氣地質條件和煤層氣分布規(guī)律，本次儲量計算層位為3#煤層。申報面積內，鉆孔揭露3#煤層埋深為256.63～809.30m，平均孔深為586.46m；3#煤層厚度總體穩(wěn)定，煤層凈厚度介于3.17～6.23m，平均5.4m。埋藏深度淺—中，適合進行煤層氣開采。

研究區(qū)范圍內煤層含氣量較高，鉆孔3#煤層測試含氣量范圍為5.94～14.19m3/t，平均12.0m3/t。該區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)及礦井瓦斯涌出情況表明，各煤層具有較好的產(chǎn)氣能力。

總體評價結果：從地質條件、煤巖煤質、煤儲層參數(shù)、含氣性等方面考慮，區(qū)內具備煤層氣富集成藏的條件，有開發(fā)的潛力。本區(qū)為小型儲量、中豐度、中產(chǎn)能、埋深中的煤層氣田(表7)。

表7 長平區(qū)塊煤層氣儲量綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation table of coalbed methanereserves in Changping Block

6 結論

1)長平煤礦煤層發(fā)育良好，可采和局部可采煤層4層，可采煤厚平均厚度10.86m。煤巖有機顯微組分均以鏡質組為主，惰質組次之，利于煤層氣產(chǎn)生。

2)研究區(qū)3#煤層儲層溫度為正常地溫區(qū)，儲層整體處于欠壓狀態(tài)，煤儲層壓力受煤層埋藏深度影響顯著，煤儲層壓力隨著煤層埋藏深度的增加而增大，呈正相關關系，煤層屬低滲透率儲層。

3)研究區(qū)范圍內煤層含氣量較高，3#煤層測試含氣量范圍為5.94～14.19m3/t，平均12.0m3/t。該區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)及礦井瓦斯涌出情況表明，各煤層具有較好的產(chǎn)氣能力。

4)通過多參數(shù)綜合評價，研究區(qū)內具備煤層氣富集成藏的條件，有開發(fā)的潛力。本區(qū)為小型儲量、中豐度、中產(chǎn)能、埋深中的煤層氣田。