劉復(fù)焜

（福建省196地質(zhì)大隊(duì)，福建漳州 363000）

0 引言

隨著常規(guī)油氣、煤炭資源開發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境和安全問題的加劇，煤層氣作為一種新型清潔能源，在西方一些發(fā)達(dá)國家已成為天然氣資源的主要組成部分［1-2］。張群等提出了今后煤礦區(qū)煤層氣開采研究應(yīng)著重關(guān)注三個(gè)方向：①穿淺部采空區(qū)或采動區(qū)的深部煤層氣與煤炭資源協(xié)調(diào)開發(fā)利用；②低煤階低含氣量厚煤層礦區(qū)煤層氣與煤炭資源協(xié)調(diào)開發(fā)利用；③廢棄/關(guān)閉礦井煤層氣開發(fā)利用等［3］。胡曉兵對榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊深部煤層氣地質(zhì)特征進(jìn)行了較為深入的分析，并利用可改造指數(shù)和有利區(qū)產(chǎn)量指數(shù)分別對其有利區(qū)實(shí)施了定量評價(jià)，由此揭示儲層物性對煤層氣可改造性的影響［4］。

云南大河煤礦區(qū)分布于滇東-黔西富煤區(qū)之宣威市-富源縣賦煤條帶，位于恩洪礦區(qū)北部，沉積環(huán)境為陸相和濱海沼澤相［5］。經(jīng)前期工作查明，區(qū)內(nèi)賦存豐富的煤炭資源，煤類以焦煤為主；經(jīng)煤層氣參數(shù)井工作查明可采煤層的煤層氣資源總量近50億m3，屬中等規(guī)模、中等豐度、中等—深度埋深煤層氣資源，具備較好的開采條件和開采價(jià)值。

1 地質(zhì)概況

區(qū)域構(gòu)造位置位于揚(yáng)子板塊西南部，濱太平洋系與古特提斯構(gòu)造系北北東構(gòu)造的交接復(fù)合帶［6］。出露地層主要有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系、第四系；經(jīng)受多期次的構(gòu)造形變，造成區(qū)域內(nèi)不同方向、不同規(guī)模、不同性質(zhì)、不同時(shí)期的構(gòu)造形跡廣泛發(fā)育，并控制了區(qū)域成煤盆地的空間展布。評價(jià)區(qū)位于富源-彌勒斷裂與平關(guān)-阿崗斷裂之間，恩洪復(fù)向斜中北段的格宗向斜內(nèi)，總體構(gòu)造形態(tài)為一較寬緩的向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，且具多期活動特點(diǎn)，主要分布于邊緣，構(gòu)成邊界斷層。受格宗向斜的影響，還發(fā)現(xiàn)不同程度的次級小褶曲或微波狀起伏，延伸范圍較小。區(qū)內(nèi)巖漿活動較弱。（圖1）

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為上二疊統(tǒng)長興組（P3c）與龍?zhí)督M（P3l）（圖2），地層總厚201.64～284.62m，平均厚度252.25m，屬近海陸過渡相的上三角洲平原沉積。含煤31～54 層，可編號煤層26 層；含煤一般總厚度20.25～48.84m，平均總厚度28.35m，含煤系數(shù)11.58%。斷裂構(gòu)造發(fā)育，與褶皺構(gòu)造屬同期產(chǎn)物，但對開采煤層影響普遍較?。▓D3）；含煤地層中未發(fā)現(xiàn)后期巖漿巖侵入，而峨眉山玄武巖在含煤地層沉積前已形成，故巖漿巖對開采煤層無影響。

圖3 大河礦區(qū)中深部斷裂構(gòu)造對開采煤層影響統(tǒng)計(jì)Figure 3 Statistics of the influence of the middle and deep fault structure to the mining coal seam in Dahe coal mine area

2 煤質(zhì)、煤巖特征

區(qū)內(nèi)煤層宏觀煤巖組分以亮煤為主，暗煤次之，宏觀煤巖類型以半暗型-半亮型煤為主，夾有少量的暗煤。據(jù)鏡下鑒定，煤巖顯微組分主要由鏡質(zhì)組（63.90%）、殼質(zhì)組（24.40%）、惰質(zhì)組（11.70%）組成，礦物組成以黏土礦物類為主，含量一般5.6%～64.5%，平均24.5%，次為碳酸鹽類和氧化硅類，硫化物類少量。煤層經(jīng)歷深成變質(zhì)作用，主要受地溫作用，變質(zhì)程度以低煤級的肥煤為主，隨著埋藏深度的增加，地溫隨之上升，深部煤層變質(zhì)程度以中、高煤級的焦煤、瘦煤為主。因其沉積、聚煤環(huán)境的差異，不同組段所含煤層煤質(zhì)、煤巖特征也相差較大。

2.1 長興組

煤層以不可采薄煤為主，發(fā)育可采煤層1層，厚度0.39～3.19m，平均0.98 m，可采含煤系數(shù)1.40%；煤類以1/3 焦煤為主，屬低硫—特低硫煤，鏡質(zhì)組含量53.4%～73.4%，平均為64.6%，對應(yīng)反射率1.01%～1.24%，平均1.10%。

2.2 龍?zhí)督M

含煤15～39 層，煤層總厚13.25～38.35m，平均22.24m，含煤系數(shù)12.60%，含煤性較好；其中二段為低灰分、低硫-特低硫煤，一段為中高-高硫煤。鏡質(zhì)組含量49.1%～81.1%，平均63.9%，對應(yīng)反射率為1.02%～1.18%，平均1.11%。

本組段見煤層數(shù)多，可采煤層14 層，多為薄煤層（表1）。選擇控制程度高的M7和M9主要可采煤層說明區(qū)內(nèi)煤層厚度變化情況，M7煤層厚0.2～3.20m，平均1.38m，礦區(qū)南部厚度明顯比北部大（圖4）；M9煤層厚0.73～13.79m，平均3.66m，礦區(qū)西部厚度遠(yuǎn)大于東部（圖5）。

表1 大河礦區(qū)中深部鉆孔煤層厚度統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of coal seam thickness of the middle and deep wells in Dahe coal mine area

圖4 大河礦區(qū)中深部M7煤層厚度等值線Figure 4 Contour map of the thickness of M7 coal seam in the middle and deep part of Dahe coal mine area

圖5 大河礦區(qū)中深部M9煤層厚度等值線Figure 5 Contour map of the thickness of M9 coal seam in the middle and deep part of Dahe coal mine area

3 煤儲層特征

煤層為煤層氣的形成提供了源泉，同時(shí)也是煤層氣的存儲介質(zhì)。煤層的幾何形態(tài)及煤層的孔隙性、滲透性、儲層壓力等特性控制著煤儲層的含氣性，直接影響煤儲層滲透性能和煤層氣的開采潛能。

3.1 含氣性及成分

對區(qū)內(nèi)9 個(gè)煤層氣參數(shù)測試井的M2+1、M4、M7等10 層可采煤層進(jìn)行含氣量測定，結(jié)果顯示各煤層空氣干燥基含氣量為1.07～9.42m3/t（表2）。

由表2 可知，各煤層氣成分均以CH4為主，平均濃度達(dá)82.18%；次為N2，平均濃度為13.98%；CO2和重?zé)N少量（具有濕氣特征），平均濃度分別為1.32%、2.51%。煤層含氣量為7.23～10.60 m3/t，且有隨埋深增加而增加的規(guī)律。

3.2 含氣飽和度

含氣飽和度是實(shí)測含氣量與實(shí)測儲層壓力投影到吸附等溫線上所對應(yīng)的理論含氣量的比值［7］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國單井日產(chǎn)氣超過1 000m3的煤層氣井煤層含氣飽和度均大于60%；產(chǎn)氣效果較好的地區(qū)，煤層含氣飽和度大于80%。大河煤礦區(qū)各煤層氣含氣飽和度14.17%～68.91%，差異較大（表3），M7、M9、M11、M13等4層煤層含氣飽和度接近60%，達(dá)到國內(nèi)日產(chǎn)超過1000m3的煤層氣井煤層吸附飽和度最低指標(biāo)。

表3 大河礦區(qū)中深部各煤儲層含氣飽和度Table 3 Gas saturation of each coal reservoir in the middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3 煤儲層的物理特征

3.3.1 吸附性

在一定的煤儲層壓力條件下，煤的吸附-解吸能力決定了煤層單位含氣量的高低［8］，解吸能力則極大影響到煤層氣井的產(chǎn)能。據(jù)老書桌煤礦M9煤層等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，煤層的朗格繆爾體積介于5.16～6.75m3/t，朗格繆爾壓力介于1.32～2.78MPa，煤層吸附量隨壓力增大而增大［9］，煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試曲線如圖6所示。

圖6 大河礦區(qū)中深部M9煤層等溫吸附曲線Figure 6 Isothermal adsorption curve of M9 coal seam in middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3.2 滲透率

煤層滲透率是煤層氣井產(chǎn)能的重要影響因素，滲透率越高，煤層氣產(chǎn)出能力越強(qiáng)，潛在產(chǎn)能就越高，煤層氣可采性就越好。對區(qū)內(nèi)9 口煤層氣參數(shù)井進(jìn)行注入/壓降試驗(yàn)，大部分可采煤層滲透率＜1mD（表4），符合我國煤的滲透率普遍較低、且非均質(zhì)性高的特點(diǎn)［10-12］；其中M7、M9、M19等煤層滲透率接近1mD，M20煤層滲透率甚至達(dá)到1.53mD，結(jié)合其煤巖特性，認(rèn)為該4層煤層的滲透性為好。

表4 大河礦區(qū)中深部煤層氣參數(shù)井滲透率測量Table 4 Permeability of each coalbed methane in parameter wells in middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3.3 存儲壓力

煤儲層壓力決定了煤層氣儲集能力和有效驅(qū)動能量持續(xù)作用時(shí)間［13］。壓力越高、臨界解吸壓力越低，煤層氣的解吸-擴(kuò)散-滲流過程越徹底，氣井產(chǎn)能越大［8-10］。煤儲層壓力一般指氣體壓力、地應(yīng)力和靜水壓力的總稱；大河煤礦區(qū)各煤層氣含氣飽和度14.17%～68.91%，均屬于不飽和煤儲層，其氣體壓力可以忽略，因此，大河煤礦區(qū)煤儲層壓力實(shí)際由地應(yīng)力和靜水壓力組成。地應(yīng)力是控制煤層滲透率的關(guān)鍵因素，與煤層滲透率基本呈指數(shù)反比關(guān)系，大河煤礦區(qū)各煤存儲壓力6.40～12.30 MPa；儲層壓力梯度0.62～1.07 MPa/100m，大多屬于欠壓儲層。煤層臨界解吸壓力越接近原始地層壓力，高產(chǎn)富集條件也越優(yōu)越［14-15］，根據(jù)該區(qū)9 口煤層氣參數(shù)井實(shí)測含氣量及對應(yīng)的等溫吸附數(shù)據(jù)計(jì)算得出各煤儲層臨界解吸壓力為0.26～3.03 MPa。

4 含氣量影響因素分析

4.1 聚煤環(huán)境與保存條件

大河煤礦區(qū)為二疊紀(jì)近海三角洲濱海平原泥炭沼澤聚煤環(huán)境，有利于聚煤后煤層氣的生成及保存。泥巖類巖層及上部地層厚度大、完整性較好，地下水活動微弱，煤層氣封存條件好，加之煤變質(zhì)程度較高，煤層氣生成條件好，形成高煤層氣含量［16］。

4.2 埋藏深度

煤層氣含量隨煤層埋深增加而增大。大河煤礦區(qū)煤層埋深為1 000～1 200m，井田內(nèi)煤層氣含量普遍較高。

4.3 煤層厚度

由于煤層的沉積厚度差異，其煤層氣含量亦有變化，一般為正相關(guān)，即煤層厚度大，煤層氣含量高。

4.4 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，斷層主要分布于南部及東部邊緣。按力學(xué)成因機(jī)制可分為北北東向和近東西向主干斷裂、“人”字形派生斷裂、“X”型共軛扭性斷裂三類。大河煤礦區(qū)上部巖層及下伏巖層厚度大，較堅(jiān)硬、完整，而煤系地層軟巖層較多，且呈軟、硬巖層相間分布，在上部巖層及下伏巖層兩個(gè)硬巖板塊的夾持下，褶皺和斷裂構(gòu)造作用造成煤系地層間的泥巖層、煤層的層間擠壓錯(cuò)動、滑動較為普遍。小斷層發(fā)肓，煤層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，局部發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形而形成一定厚度的構(gòu)造煤。區(qū)內(nèi)煤層氣含量與地質(zhì)構(gòu)造分布密切相關(guān)，因褶曲和斷層的影響，同一煤層在不同地點(diǎn)的煤層氣含量也會發(fā)生變化［17］。在向斜翼部至靠近煤層露頭區(qū)域，煤層氣含量會減少；在靠近向斜軸部的區(qū)域，煤層氣含量會增加；在一些壓性、壓扭性斷層附近，受斷層封閉的影響，煤層氣含量會有所增加，在一些張性斷層的附近，會使煤層氣易于逸散，故含量會有所降低；此外受構(gòu)造影響，在局部受擠壓和小斷層影響形成的“厚煤包”區(qū)域，煤層氣含量也會增加，厚煤層形成的“煤層氣包”和厚煤帶的煤層氣含量也相對較大［18］。

5 結(jié)論

1）大河煤礦區(qū)煤層宏觀煤巖組分以亮煤為主，暗煤次之。煤巖顯微組分主要由鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、惰質(zhì)組組成。淺部煤層變質(zhì)程度以低煤級的肥煤為主，深部變質(zhì)程度以中、高煤級的焦煤、瘦煤為主。大部分可采煤層滲透率＜1mD，滲透性低、非均質(zhì)性高。

2）煤層氣參數(shù)測試井含氣量測定數(shù)據(jù)顯示，煤層含氣量為7.23～10.60 m3/t；據(jù)老書桌煤礦M9煤層等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，煤層的朗格繆爾體積介于5.16～6.75m3/t，朗格繆爾壓力介于1.32～2.78MPa；大河煤礦區(qū)各煤層含氣飽和度14.17%～68.91%，儲層壓力梯度0.62～1.07 MPa/100m，大多屬于欠壓儲層，各煤儲層臨界解吸壓力0.26～3.03MPa。

3）煤層氣含氣量受聚煤環(huán)境與保存條件影響，與埋藏深度、煤層厚度呈正相關(guān)關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)及分布的特征，可使煤層氣含量發(fā)生較大變化。