沁水盆地高家莊井田煤層氣賦存特征及資源潛力評(píng)價(jià)

尹偉強(qiáng)

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司地質(zhì)辦，山西 長(zhǎng)治 046200）

沁水盆地為太行山塊隆，整體為中生代以來(lái)先褶后斷的抬升區(qū)，相對(duì)周邊構(gòu)造單元，沁水盆地較為穩(wěn)定，變形強(qiáng)度由盆緣向盆內(nèi)減弱，邊緣斷層多為逆沖性質(zhì)，尤其是東西兩側(cè)邊緣分別向外逆沖，顯示了水平擠壓的特征。研究區(qū)位于沁水盆地東部邊緣，主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）和二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)，可采煤層分別為山西組中部3#煤層和太原組下部15#煤層。

研究區(qū)內(nèi)共施工煤層氣參數(shù)井6 個(gè)，采集煤層氣樣品44 個(gè)。在先期開(kāi)采地段，3#煤的采樣密度為0.68 點(diǎn)/km2，15#煤的采樣密度為1.6 點(diǎn)/km2。本文基于勘探資料對(duì)井田煤層氣賦存特征及資源潛力進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)，可為該井田煤層氣資源的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)特征

1.1 煤厚

3#煤層厚度在0～2.47 m，平均厚0.93 m，屬大部可采較穩(wěn)定薄煤層；15#煤層厚度在2.02～9.90 m，平均厚5.92 m，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。依據(jù)各個(gè)煤層的煤層氣含氣量等值線圖及含氣量計(jì)算結(jié)果，煤層厚度與煤層氣含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。15#煤層是研究區(qū)主要含氣地層。

1.2 灰分

3#煤灰分11.80%～47.19%，平均24.51%，標(biāo)準(zhǔn)差8.15，變化較大，為低灰～高灰煤；15#煤灰分14.39%～47.03%，平均22.05%，標(biāo)準(zhǔn)差5.17，變化中等，中灰煤占樣品總數(shù)的84.7%。

1.3 煤巖組成特征

研究區(qū)各煤層宏觀煤巖成分多為半亮煤，少數(shù)為暗煤。均一及條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀或?qū)訝顦?gòu)造，較硬。參差狀、棱角狀斷口，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。顯微煤巖特征中，有機(jī)組分為64.3%～92.8%，以鏡質(zhì)體、惰質(zhì)體為主，殼質(zhì)組為0～0.05%，是有利的烴源條件[1]。

1.4 鏡質(zhì)組含量及變質(zhì)程度

各煤層的鏡質(zhì)組平均最大反射率（R0max）在1.657%～2.655%之間，由3#至15#煤層，鏡質(zhì)組平均最大反射率逐步遞增，煤化程度同步遞增。各煤層的變質(zhì)階段屬于Ⅴ~Ⅶ階段，屬高變質(zhì)煙煤（貧煤）～無(wú)煙煤，煤化程度較高，有利于煤層氣的生成、富集。

1.5 蓋層條件

蓋層條件決定煤層氣的保存與富集。蓋層對(duì)煤層氣形成的具體影響因素為：斷裂構(gòu)造發(fā)育特性、煤層埋深、頂?shù)装鍘r性、地下水運(yùn)移作用等。3#煤層以及15#煤層的含氣量與CH4含量等值線見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 3#煤層含氣量與CH4含量等值線

圖2 15#煤層含氣量與CH4含量等值線

圖3 3#煤等溫吸附曲線

圖4 15#煤等溫吸附曲線

1）研究區(qū)總體呈一走向NNE、傾向NWW 的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育次一級(jí)的向斜、背斜，地層傾角0～25°，一般向斜緊密而背斜較寬緩，集中分布于井田中部及東部邊緣?？碧劫Y料顯示發(fā)育3個(gè)陷落柱及17條落差大于20 m 高角度正斷層，密集分布于井田中部及東部邊界附近，多為NS或近NS走向，分布及走向與褶皺軸部高度一致重合，研究區(qū)中部斷層尤為密集，存在落差達(dá)100～130 m 的張性斷層，與褶皺斷裂作用相互疊加，造成煤層氣大面積逸散，表現(xiàn)為井田中西部煤層氣含氣量及煤層氣中CH4比例明顯下降。

2）3#煤層埋深294～1 136 m，15#煤層埋深483～1 281 m，中西部埋深較大，超過(guò)800 m。井田中西部較大的埋深不利于煤層氣的形成與賦存[2]。埋深對(duì)煤層氣賦存的作用主要體現(xiàn)在對(duì)儲(chǔ)層物性特征的影響，具體為對(duì)孔隙度、滲透率、溫度、最大水平主應(yīng)力的影響，較大的埋深條件下地層壓實(shí)作用增強(qiáng)，煤巖孔隙受壓閉合，煤儲(chǔ)層孔隙度隨上覆應(yīng)力的增加而減小，煤儲(chǔ)層溫度上升幅度明顯減小，煤儲(chǔ)層最大水平主應(yīng)力在井田中軸部呈階躍式變化。

3）煤層頂?shù)装辶严都翱紫兜陌l(fā)育程度直接決定著蓋層的封閉性。3#煤層頂板以細(xì)砂巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖、泥巖底板砂質(zhì)泥巖、泥巖；15#煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。細(xì)砂巖為主的頂板導(dǎo)致3#煤層頂板的封閉性較差。

4）水文地質(zhì)條件以水力封閉控氣作用為主。井田地處娘子關(guān)泉域的補(bǔ)給區(qū)，水流沿地層走向方向移動(dòng)，運(yùn)移速度慢、路經(jīng)長(zhǎng)、地下水對(duì)煤層氣的沖洗作用不強(qiáng)，且在傾向上地下水補(bǔ)給方向與煤層氣運(yùn)移方向相反，有利于封堵作用[3]。

綜合各個(gè)因素，研究區(qū)氣藏條件中等。煤質(zhì)變質(zhì)程度高，煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，局部區(qū)域煤層內(nèi)生裂隙較發(fā)育，局部含氣量較高，陷落柱較少，東部邊緣及中軸部大斷層密集。從保存條件差異角度，研究區(qū)內(nèi)15#煤層的煤層厚度及其頂板巖性更有利于煤層氣的富集、賦存；研究區(qū)西部煤層埋深較大，中部斷裂構(gòu)造密集發(fā)育，不利于煤層氣的賦存?？傮w上表現(xiàn)為東部蓋層條件較好，區(qū)域含氣量及CH4較高，向斜軸部較背斜軸部的含氣量高。

2 煤層氣測(cè)試

2.1 含氣量測(cè)試

根據(jù)鉆孔及樣品測(cè)試成果，3#煤CH4含量0.10～19.64 ml（/g·daf）,平均5.254 ml（/g·daf）；15#煤CH4含量0.32～28.37 ml/（g·daf）,平均5.97 ml/（g·daf）。

各煤層氣體均以CH4為主，含少量N2及CO2，各煤層中甲烷成分由東南向西北逐漸降低，CH4成分≥80%的甲烷帶分布在井田東南部，西北部為瓦斯風(fēng)化帶。煤層氣在縱向上的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著深度的增加，甲烷成分逐步增大。上部3#煤甲烷成分83.63%～93.24%，平均88.44%；下部15#煤的甲烷成分81.73%～94.89%，平均88.31%。

考慮到現(xiàn)有煤層氣參數(shù)井集中于井田東南部首采區(qū)，現(xiàn)有研究區(qū)含氣量資料存在局限性，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)西北部區(qū)域煤層氣賦存的研究。

2.2 試井測(cè)試

采用pansytem v2.6試井分析軟件進(jìn)行分析解釋。

3#煤層滲透率0.04～10.70 md，滲透性很差～很好；儲(chǔ)層壓力1.25～4.12 MPa，屬很好級(jí)別；儲(chǔ)層壓力梯度0.27～0.88 MPa/100 m，煤層為欠壓地層；閉合壓力4.48～11.19 MPa；破裂壓力梯度1.86～3.43 MPa/100 m；儲(chǔ)層溫度為15.92～18.45 ℃。

15#煤層滲透率0.0021～1.97 md，滲透性很差～較好；儲(chǔ)層壓力1.20～3.50 MPa，屬很好級(jí)別，儲(chǔ)層壓力梯度0.20～0.53 MPa/100 m，煤層為欠壓地層；閉合壓力7.67～18.00 MPa；破裂壓力梯度1.32～2.38 MPa/100 m；儲(chǔ)層溫度為17.80～23.28 ℃。

3 儲(chǔ)層物性特征

3.1 儲(chǔ)層孔滲物性

1）孔隙特征。根據(jù)煤的真密度、視密度值換算，3#煤孔隙度為4.65%，15#煤孔隙度為4.67%。

2）煤體結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況。均一及條帶狀結(jié)構(gòu)，較硬，參差狀、棱角狀斷口，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，缺少具體的割理裂縫發(fā)育描述，依據(jù)太原組15#煤層中存在大量鐵礦石結(jié)核及薄膜，應(yīng)認(rèn)為裂隙密度較高，有利于煤層氣滲透?？紤]到取樣集中于東部先期開(kāi)發(fā)地段，認(rèn)為裂隙發(fā)育情況局限于東部。

3）3#煤層滲透率為0.04～10.70 md，滲透率較差；15#煤層滲透率為0.0021～1.97 md，滲透率較差～較強(qiáng)?？紤]到取樣區(qū)域的局限，應(yīng)認(rèn)為局部15#煤層受埋深較大、地應(yīng)力作用及裂隙較發(fā)育等作用，導(dǎo)致較強(qiáng)的滲透性。

3.2 吸附及解吸特征

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)瓦斯樣進(jìn)行了等溫吸附試驗(yàn)，等溫吸附試驗(yàn)參照《GB/T 19560-2008 煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。蘭氏體積VL代表煤的理論最大吸附量，蘭氏壓力為吸附量等于蘭氏體積的一半時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值。測(cè)試結(jié)果：3#煤層蘭氏體積VL為21.05 m3/t，蘭氏壓力為2.74 MPa；15#煤層蘭氏體積VL為24.02 m3/t，蘭氏壓力為3.023 MPa。

3.3 儲(chǔ)層壓力

3#、15#煤層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在無(wú)斷裂構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，儲(chǔ)層壓力與煤層埋深有著顯著的相關(guān)性[4]。儲(chǔ)層壓力隨著埋深的增加而增大，預(yù)測(cè)井田西部的儲(chǔ)層壓力大于井田東部。3#煤層儲(chǔ)層壓力1.25～4.12 MPa，平均2.76 MPa，15#煤層儲(chǔ)層壓力1.20～3.50 MPa，平均2.23 MPa，多為低壓狀態(tài)。15#煤不同深度含氣量見(jiàn)表1。

表1 15#煤不同深度含氣量

4 資源量與潛力評(píng)價(jià)

1）儲(chǔ)層的物性特征依據(jù)《煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)(NB/T 10256-2019)》予以評(píng)價(jià)。研究區(qū)煤層氣資源評(píng)價(jià)已達(dá)到富集區(qū)階段，儲(chǔ)層物性特征為Ⅱ～Ⅰ類(lèi)，在不同區(qū)域有一定的變化。有開(kāi)發(fā)價(jià)值區(qū)域面積有限，3#煤層可開(kāi)發(fā)區(qū)域面積約為19.8 km2，分布于井田東南部，15#煤層可開(kāi)發(fā)區(qū)域面積約為30.1 km2，分布于井田東部。

依據(jù)《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范（DZ/0216-2020）》，煤層氣資源量估算的含氣量下限為空氣干燥基8 m3/t，煤層最低可采厚度邊界0.8 m。采用體積法進(jìn)行估算，估算公式為：Gi=0.01AhDadCad。

經(jīng)估算，3#煤層的煤層氣資源量為1.25×108m3，資源量豐度為0.063×108m3/km2；15#煤層的煤層氣資源量為13.04×108m3，資源量豐度為0.43×108m3/km2。全井田煤層氣預(yù)測(cè)的資源量總計(jì)14.29×108m3。

2）研究區(qū)3#煤層滲透率偏低，15#煤滲透率較高；蘭氏體積均大于21 m3/t，表明各煤層具備良好的吸附能力。主要可采煤層埋深294～1 281 m，3#煤厚0～2.47 m，平均0.93 m；15#煤厚2.02～9.90 m，平均5.92 m。15#煤層厚度較大，割理發(fā)育，煤質(zhì)變質(zhì)程度高，總體上儲(chǔ)層物性條件為中等。

井田所在的區(qū)域構(gòu)造單元沁水塊坳?yáng)|西兩側(cè)邊緣向外側(cè)逆沖，水平擠壓造成構(gòu)造單元整體具備較好的封閉條件。井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度區(qū)域差異性明顯，局部構(gòu)造程度復(fù)雜。中部及東部邊緣發(fā)育高角度斷裂構(gòu)造和少量陷落柱，尤其是中部存在若干條落差≥50 m斷層，疊加背斜軸部及向斜兩翼對(duì)巖層的破碎作用，上覆巖層裂隙發(fā)育導(dǎo)致煤層氣大面積逸散，煤層氣富集區(qū)面積及資源豐度較為有限，限制了資源開(kāi)發(fā)價(jià)值。井田東北及東南部等局部區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)單、圍巖封閉效果較好，形成含氣量較高區(qū)域。

5 結(jié)論

1）15#煤是研究區(qū)主要含氣煤層。斷裂構(gòu)造、滲透率是研究區(qū)各煤層含氣量的主要控制因素，可采資源局限于井田東南部?？紤]到參數(shù)井及地質(zhì)孔主要分布于井田東部，尚需進(jìn)一步加強(qiáng)勘探，查清全井田煤層氣資源賦存情況。

2）各個(gè)煤層局部滲透率較低，需要采取儲(chǔ)層壓裂改造措施，改善煤儲(chǔ)層滲透性。

3）井田屬中等埋藏深度的小型煤層氣田，地質(zhì)儲(chǔ)量規(guī)模及地質(zhì)儲(chǔ)量豐度較低，需要綜合考慮煤層氣抽采對(duì)礦井瓦斯治理作用，同時(shí)可為礦井運(yùn)行提供能源供給，提高資源綜合利用效率。