高煤級煤的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力——以沁水煤田為例

堞田地質(zhì)與勘探Vol.29 No. 6COAL GEOLOGY &. EXPLORATIONDtr. 2001文章編號:1001-1986(2001 )06 -026-05高煤級煤的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力以沁水煤田為例張群,李建武,張新民,宋生印,員爭榮,張培河(煤炭科學(xué)研究總院西安分院，陜西西安710054)摘要:通過(guò)分析研究山西省沁水煤田的煤層氣地質(zhì)條件和儲層特征,結合煤層氣開(kāi)發(fā)試驗結果,對無(wú)煙煤等高煤級煤的煤層氣資源開(kāi)發(fā)潛力進(jìn)行了評價(jià)。結果表明:無(wú)煙煤等高煤級煤只要煤儲層特征參數組合匹配良好,尤其是在較簡(jiǎn)單的構造條件下,煤體結構完整,煤中裂隙網(wǎng)絡(luò )較發(fā)育且保存較好。煤儲層滲透率較高,煤層氣資源開(kāi)發(fā)就具有良好的前景。關(guān)鍵詞:無(wú)煙煤;煤層氣;開(kāi)發(fā)潛力;沁水煤田中圖分類(lèi)號:P618. 11文獻標識碼:A1引言2地質(zhì)背景無(wú)煙煤等高煤級煤中的煤層氣資源是否有良好沁水煤田位于山西省東南部.面積23503km'.的地面開(kāi)發(fā)潛力?對此問(wèn)題,美國的勘探開(kāi)發(fā)試驗實(shí)是我國的第二大石炭一.二疊紀煤田和主要無(wú)煙煤產(chǎn)踐幾乎給出了否定的回答。據報道,美國無(wú)煙煤等高地.分布于晉城、潞安、陽(yáng)泉和沁源4個(gè)礦區。謀級煤中的割理很不發(fā)育.煤儲層滲透率極低。到目本區出露地層有太古界、震旦系、奧陶系、石炭前為止.取得煤層氣商業(yè)性地面開(kāi)發(fā)成功的煤田都屬系、二疊系、三疊系、侏羅系、第三系和第四系。主要于中.低煤級煤田。我國無(wú)煙煤等高煤級煤的煤層氣含煤地層為太原組(C;t)和山西組(Ps)。區域構造資源開(kāi)發(fā)潛力如何?本文通過(guò)分析研究山西省沁水上,沁水煤田東為太行山隆起.西為晉中斷陷和太岳媒田的媒層氣地質(zhì)條件和儲層特征.結合煤層氣開(kāi)山隆起.北有五臺山隆起,南有中條山隆起.總體構發(fā)試驗結果,對無(wú)煙煤等高煤級煤的煤層氣資源開(kāi)造形態(tài)呈一個(gè)近南北向的寬緩復式向斜.內部構造.發(fā)潛力進(jìn)行了評價(jià)。較簡(jiǎn)單.以褶皺為主.斷層稀少。收稿日期:2000-12-18作者簡(jiǎn)介:張群(1958-).男,安徽 巢湖人,煤炭科學(xué)研究總院西安分院研究員.主要從事煤巖學(xué)與煤層氣研究.需選擇塊樣鉆取柱樣,只有原生結構煤層才可滿(mǎn)足.參考文獻原生結構煤層裂隙發(fā)育.裂隙張開(kāi)度好,所以塊樣的孔滲儀測定結果偏高。但可以認為,在不受樣品限制1」 李傳亮，雙層各向異性介質(zhì)的發(fā)現及其滲透韋模型的建J的非構造煤層中.所測結果應更接近實(shí)際。這里.也.中國海上油氣,1997.(4).不排除方法造成的誤差,兩種方法盡管遵循相同的[2]李小彥。煤中裂隙研究方法阱析[]_.中國媒田地質(zhì).1998.(1);31- 36.原理.但自成體系，所以數據的些許偏差是允許的，[3]王生維等。 煤儲層孔陬裂蹴系統研兗進(jìn)展L]地質(zhì)科技情也可以說(shuō)是合理的。報.1995.(1).綜上所述.煤的孔滲性實(shí)驗室測定應該是可行1] 張勝利。煤層割理及其在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中的意義門(mén)。堞田的方法之.尤其是選擇多向流、不同圍壓條件,為地質(zhì)與勘探探.1995.<4);27-31.[5] 張慧。王小剛。煤的顯徽構造及其儲集性能.小1.謀田地質(zhì)與動(dòng)態(tài)研究媒層雙重各向異性滲透特點(diǎn)提供I可能?？碧?，1998,26(6);33-35.是其他方法所不能比擬的。但要使之成為成熟的技.[6] 謝和平.陳至達。 分形幾何與巖石斷裂[J1.力學(xué)學(xué)報、1988.(5):264-271.術(shù)手段.還需要一個(gè)過(guò)程,積累經(jīng)驗,完善操作環(huán)節，在條件具備時(shí).建立測試標準。Laboratory measurement of coal permeability in Xinji mining areaLI Xiao yan' ,DU Xin -feng' ,CH中國煤化工(1. Xi' an Branch ,CCRI,Xi' an 710054 ,China ;2. XinChina)Abstract: The laboratory measurement of coal permeability of in XinjiMHC N M H Grh fere poroityunderthesurrounding limited pressure and dynamic change lrend. The feasibility of laboratory neasurement method 18 duscussedby comparing well testresults and the avilability of measurement is provided.Key words :pressure :porosity :pcrmeability ;measurement第6期張群。李建武等:高煤級煤的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力●27●了石炭一一疊紀海陸交互相含煤沉積。到三疊紀.主.要含煤地層的埋深可達2 200~4 200 m.受上覆地層壓力及地溫影響.煤層受到深成變質(zhì)作用。三:疊紀后期.受印支運動(dòng)影響本區整體抬升.廣泛遭受剝蝕。燕山運動(dòng)期間.形成大型隆起和凹陷,沁水煤田出現雛形。強烈巖漿活動(dòng)使大地熱流值升高,煤層在平遇縣原有深成變質(zhì)作用基礎上.疊加了區域巖漿熱變質(zhì)榆杜縣左權縣作用3儲層特征)縣3.1 煤層飛源縣3.1.1煤層厚度及分布沁水煤田含煤11~20層,其中可采煤層3~8.長(cháng)治層,全區穩定發(fā)育的主要可采煤層為山西組的3號安和縣和太原組的15號煤層。煤層總厚5~16 m.厚煤區位于北部的陽(yáng)泉、中部的潞安和南部的晉城礦區?！巴泶h(圖1)3號煤層厚為0~7.7 m?？傮w變化趨勢是:南厚北薄.即在沁縣一洪水鎮一線(xiàn)以南.大部地區煤層.比例尺厚度都在4~6 m以上,且自東向西厚度逐漸變薄;h108以北地區,厚度] m左右,僅局部為2~3m。15號圖1沁水煤 田煤層總厚度等值線(xiàn)圖煤層厚度為0~8 m,厚度變化趨勢與3號煤層相反.南薄北厚.即煤層厚度在沁縣一洪水鎮-線(xiàn)以北太廈市為4~7 m;以南則多為1~3 m.且自東向西厚度亦逐漸變薄。3.1.2煤級3號煤層的鏡質(zhì)組反射率(Romx)變化范圍為1. 5%~4.5%,(圖2)在煤田南端的晉城礦區普遍較高,最高可達4.5%,屬于無(wú)煙煤;北端的陽(yáng)泉礦區次之.為1.9%~ 3.3%.以無(wú)煙煤為主;中部廣大地區,從煤層露頭到中央深部.逐漸增高,鏡質(zhì)組反，射率等值線(xiàn)平面上呈環(huán)帶狀分布。15號煤層的鏡質(zhì)組反射率略高,分布特征與3號煤層相似?！襦钢菹逶h3.1.3煤層埋藏深度3號煤層的埋深情況見(jiàn)圖3。埋深梯度變化在煤治市田東西兩翼淺部大.向深部逐漸減小.南北兩端較平緩,在沁縣-北壁-帶超過(guò)2000m.大部分地區的煤層埋深小于1 400 m?！彼岽h3.2氣含量煤層氣含量總體較高.變化范圍為0~ 35.57m'/t. -般為7~23 m/t。其中.晉城礦區為8~35.m/t.中國煤化工城礦區.由于地圖2沁水煤田 3號煤層反射率等值線(xiàn)圖形起HCN MH G層直接埋臧深度沁水煤田的基底為太古代變質(zhì)巖系,寒武紀和關(guān)系不明亞.(圖4)間與保云恍理臧深度之間存在中奧陶世接受了淺海相沉積。此后.華北地區整體抬明顯的正相關(guān)關(guān)系。(圖5)煤層視埋藏深度是指地升,遭受長(cháng)期風(fēng)化剝蝕。到中石炭世再次沉降,形成表某一等高面到煤層之間的距離?！?8●煤田地質(zhì)與勘探第29卷3.3滲透率執市-般來(lái)說(shuō).無(wú)煙煤等高煤級煤的氣含量較高.而決定煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的關(guān)鍵因素往往是煤儲層的滲透率。煤中裂隙是煤層氣運移的主要通道.其張閉程度受原地應力影響,因此煤儲層的滲透率主要受煤中裂隙特征和原地應力的影響。平縣3.3.1煤中裂隙佐權縣.據文獻報道.美國無(wú)煙煤中割理不發(fā)育.煤儲層滲透率很低。沁水煤田雖然煤級高且以無(wú)煙煤為主，但是由于地史上經(jīng)受了印支和燕山等多期構造運動(dòng)作用，在多次的地殼拾升和褶皺過(guò)程中,形成了煤中●羞州議源縣1廉垣縣裂隙,在巖石中形成了節理。煤中裂隙的基本特征是成組出現,以垂直或近于垂直煤層層理面的裂隙為安熟_'長(cháng)治市主.裂隙面多數平直,區域上有明顯的方向性;砂巖.中的節理亦以垂直層理方向的為主。按照尺寸大小將煤中裂隙劃分為巨型、大型、中型、小型和特小型5種類(lèi)型.特征見(jiàn)表1。在晉城礦區.煤中裂隙有3組,以一組SSE-比例尺NW走向為主;砂巖中節理走向以SEE-NWW為主(圖6)。在陽(yáng)泉礦區,煤中裂隙特征與晉城礦區類(lèi)圖3沁水煤田3號煤層埋深等值線(xiàn)圖似,但砂巖中節理有5組.走向變化較大。煤中大、中、小型和特小型裂隙間距在晉城礦區分別為10.0~17.0cm、3.0~5. 0cm,1.3~1.7cm和0.2~0.7cm,在陽(yáng)泉礦區分別為20 cm、3 cm.0.5cm和0.23.3.2原地應力20006D0根據目前煤層氣勘探試驗地區的試井測試數媒腿糧深/■據，沁水煤田原地應力梯度為966~2.536MPa/100圖4煤層氣含量與煤層埋深關(guān)系m.平均為1.595MPa/100m.與中國其他煤田相比較低。(圖7)2 3.02.977 2:5.5 6859 2338. 2;800.20-1.194喜1.01.630 出91701313-1595 1.488E0.0(2D61)&駒飲法人城汀東沁水凈北代南六盤(pán)水煤層有效埋豫/■煤出圖了煤層氣含 量與煤層視埋深關(guān)系圖7我國部分煤田原地應力梯度分布圖煤中裂隙潘4井水力壓裂貌隙地層右仲節理60- 9012090|2050業(yè),J180 o中國煤化工(1)2)YHCNMHGo圖6煤中裂隙.水力壓裂裂縫巖石節理走向玫瑰圖第6期張群,李建武等:高煤級煤的煤層氣開(kāi)發(fā)潛力●29.衷1煤中裂隙類(lèi)型及其特征描述巨型裂原 切穿煤層或幾個(gè)煤自然分層.也切穿夾研層,延伸長(cháng)度數十米~近百米，裂徽寬度數毫米。垂直或斜交煤層基理分布大型裂原切穿幾個(gè)宏現煤巖類(lèi)型分層的裂原,高度-般20~50 cm.延伸長(cháng)度敷米~數十米:裂縫寬度在微米級~毫米級范圈.一般垂百或近垂直媒層層理分布所續或為連續分布的裂隙,高度一般5~20 cm.延伸長(cháng)度數十厘米~數米,裂縫寬度在敞米級范小型裂隙在宏觀(guān)煤巖類(lèi)型分層中垂直分布的裂腺,高度-般<5 cm.延伸長(cháng)度數厘米~數十厘米,裂縫寬度在微米級范圍,垂直或近垂特小型裂原在健煤中垂 真分布的裂原、罕見(jiàn)斜交層理方向分布.即常指的內生裂歇，高度-般<2 cm.延伸長(cháng)度幾贈米~幾+厘米.裂縫覽注:裂徽中常見(jiàn)礦物充填.多為方解石、黃鐵礦和泥質(zhì)礦物。90[o[<0. laD■0.1--<0. 5a000.5--<1. 0mD001.0--<5.0m0■25.0mD鶴崗鐵法大城瀏東沁水淮北附雨六盤(pán)水全國煤出和礦區圖8我國部分煤田和礦區煤儲層滲透宰分布圖3.3.3試井測得的滲透率附能力大,干燥無(wú)灰基蘭格繆爾體積為28. 08 ~根據45煤層次的注人/壓降試井結果.<0.157.11 m/t,蘭格繆爾壓力為1.91~3. 47 MPa.其mD.0.1~<0.5 mD.0.5~<1.0 mD.1.0~<5.0中晉城礦區分別為42.04~57.11 m/t和2.01~mD)和≥5.0mD的測值分別為30%、20%.17%、3. 48 MPa,陽(yáng)泉礦區分別為31.55~48.36 m't和17%和16%。與我國其它煤田相比,沁水煤田煤儲2. 09~3.04 MPa。(圖9) .層的滲透率較高。(圖8)3.5儲層壓力3.4等溫吸附特性37煤層次的試井結果表明,煤儲層壓力為1.34煤的等溫吸附特性反映煤的儲氣能力和產(chǎn)氣特~6.25 MPa;壓力系數為0.286~0.965.平均為征.通常用蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力來(lái)表征,受0.658.比我國其他煤田低,(圖10)屬于欠壓煤儲多種因素影響。就煤本身性質(zhì)來(lái)說(shuō).主要受煤級以及層。其中晉城礦區分別為1. 34~5. 74 MPa和0.286媒中礦物和煤巖組成影響。沁水煤田煤的煤級高,吸~0.899,陽(yáng)泉礦區壽陽(yáng)區分別為2.71~6.25 MPa和0. 528 ~0.964。40晉城潘莊3.6煤層氣資源量和資源密度30陽(yáng)泉壽陽(yáng)沁水煤田煤層氣平均資源密度為1.38~3. 99警x 10* m/km'。采用資源密度法計算獲得的煤層氣總資源量為66 399. 81X 10* m2 ,其中200~ 600 m. .壓力/NPa600~1 000m.1 000~1 500 m和> 1 500 m埋深的煤層氣資源量分別占17. 15%、25.34% .33.91:%和圖9沁水煤田煤 的等溫吸附曲線(xiàn)圖23. 57%。.8 r1.601.51.2 t1.113↓108i1.2161. 128.1.082 1.2030.9-0907+1018-0.945+1.011 0.965-0 g280.985*1.025￥0.6t0.679 0.91 0.6790.712●0.658 0.626.796。0. 884.3 t0.286中國煤化工鶴崗鐵法大城河東沁水淮MYHCNMHG煤田圖10我國部分煤田煤儲層壓力 系數分布圖●30.煤田地質(zhì)與勘探第29卷表2沁水煤田晉城礦區潘 莊區儲層模擬參數破壞,連通性不好.煤儲層滲透率就差。3媒I5煤3媒15煤根據晉城潘莊區煤儲層參數.(表2)按照5點(diǎn)即度m6.00 2.0 I“格繆爾體積/m'°l↓1.00 抗0式布井、井網(wǎng)為460 mX340 m.選擇產(chǎn)層為3號和氣含量mo.r' 19.50 20.3| 豈格縲爾達力/MPa 3.11 2.5初始銘層壓力MPa 3.1控 4.5015號煤層.利用美國ARI公司開(kāi)發(fā)的Comet3D儲錨界解吸壓力:MPa 2.70 2.90表皮系數:mn .-1.0 -5.co層模擬軟件進(jìn)行模擬.結果是:單井平均氣產(chǎn)量為吸附時(shí)間(day_ 13.00 12.0滲遺率/mD3.4 1.553 957 m'/d,最高單井產(chǎn)氣量6 623 m'd.20年累12000積氣產(chǎn)量為31 X10^m’。 (圖11)! 289000日前,沁水煤田已施工了46口煤層氣井,建立21600014了潘莊、棗園.樊莊和壽陽(yáng)4個(gè)煤層氣試驗開(kāi)發(fā)井3000。組.分別都獲得了工業(yè)性氣流。其中棗園井組的TL-03井在連續排采的3個(gè)月里.平均日氣產(chǎn)量2000 40000 6000 8000時(shí)間1d一直穩定在3000m'以上.TL-07井的最高日氣一日產(chǎn)量一翳積護限產(chǎn)量高達16 0000 m°。圖11 TL-03 井井網(wǎng)優(yōu)化氣產(chǎn)量預測圖由此可見(jiàn)，沁水煤田煤層氣資源量大.叮采性較好,具有較好的開(kāi)發(fā)潛力。依據煤層厚度,氣含量、滲4煤層氣資源開(kāi)發(fā)潛力評價(jià).透率、埋藏深度等儲層參數分布特征.優(yōu)選的有利開(kāi)從資源條件角度出發(fā),煤層氣資源開(kāi)發(fā)潛力評發(fā)區塊是晉城的潘莊區、屯留一安澤區和陽(yáng)泉的壽價(jià)應考慮煤層氣資源量規模、密度、可采性等。由上陽(yáng)區。所述.沁水煤田是我國石炭-二疊紀第二大煤田.含5結束語(yǔ)媒面積大。煤層形成于近海型沉積環(huán)境,具有層數多、側向連續性好和厚度較大等特點(diǎn).尤其是3號和通過(guò)上述研究,得出如下認識:15號煤層.全區廣泛分布,為煤層氣的形成提供了a. 無(wú)煙煤等高煤級煤,只要煤儲層特征參數雄厚的物質(zhì)基礎。并且煤級高.煤的生氣量大.吸附組合匹配關(guān)系良好.尤其是在構造較簡(jiǎn)單煤田.煤中能力大.煤層頂板蓋層封閉性好、煤層氣含量普遍裂隙網(wǎng)絡(luò )發(fā)育且保存較好,煤儲層滲透率較高.煤層高。因而煤層氣資源非常豐富.規模巨大,總資源量氣資源開(kāi)發(fā)就有潛力。高達66399.81X108m',資源密度較高。b.以無(wú)煙煤為主的沁水煤田.煤層氣地質(zhì)條件雖然本區以無(wú)煙煤等高煤級煤為主,但是由于煤較好,尤其是在晉城潘莊區和陽(yáng)泉壽陽(yáng)區,煤層發(fā)育，層形成以后,在印支、燕山等地殼運動(dòng)中遭受到隆起氣含量大,滲透率較高.煤層氣資源開(kāi)發(fā)前景良好。抬升和擠壓等地質(zhì)改造作用，形成了較多的煤中裂參考文獻隙。由于煤田構造較簡(jiǎn)單，為大型寬緩復向斜，斷裂構造稀少。煤體結構良好,一些地區煤中裂隙網(wǎng)絡(luò )連續[I] 中聯(lián)煤層氣有限責任公司.煤炭科學(xué)研究總院西安分院.軋水.完整,保存較好.為煤層氣的運移提供了良好通道?？?盆地煤層氣評價(jià)選K及勘探部署[R] 1997.體來(lái)說(shuō).本區現今處于張性應力區,原地應力較小.有[2] 張群.馮二利.楊錫祿.試論我國煤層氣的基木儲層特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)策略[A]第三屆全國煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì )論義集C].北利于媒中裂隙的張開(kāi)。因而煤儲層的滲透率在一些地京:煤炭工業(yè)出版杜.0000區較高?？梢哉J為,像無(wú)煙煤這樣的高煤級煤,煤中裂[3! I.aw B E. The relarionship bewen coal rank and cleat隙是以地質(zhì)構造作用形成的構造裂隙為主.煤儲層滲spacing: implications for the prediton of petneablhty In透率主要來(lái)自構造裂隙滲透率的貢獻。但是.如果地coal. Predings of the 1993 International ( oalbhed MethaneSymposium, The University of ANlebama Tuselooua. 1993.質(zhì)構造作用過(guò)于強烈.煤層破碎.煤中裂隙網(wǎng)絡(luò )遭受May 17- 21.135-441.CBM development potential of high rank coal with reference to Qinshui coal frield ,ShanxiZHANG Qun.LI Jian wu ,ZHANG Xin min .SONG Sheng-yin. YUN Zheng rong .ZHA.NG Pei-he(Xi' an Branch ,China Coal Research Institue .Xi'an Z10054 .China)Ahstract:" The CBM geological condrtions and reservoir characteristics i中國煤化工resealesearched. Based onthe researeh results ,CBM potential of bigh rank coals such as anthracites indicated that highrank couls may have the good polential of CBM development . when coaYHC N M H Gnindeilly thepermeabiliy is good. The permeability of high rank roal is mainly contributed to the well preserved coal lracture nelwurk causedby struclure in a suitable geological lectonic hackground.Key words :anthracite ;CBM ;development potential ;Qinshui coalficld