鄧韜

摘要:分析了低變質(zhì)程度煤層煤層氣生成、保存、富集的一般條件,簡述了各種因素對煤層氣儲存的影響,預(yù)測了本煤礦的煤層氣資源量。

關(guān)鍵詞:準(zhǔn)東煤層氣生成富集資源評價

中圖分類號:P618 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0050-02

1 概況

準(zhǔn)東煤田某煤礦位于新疆阜康市天山北麓黃草溝一帶,井田面積3.94km2,屬丘陵地帶,總體地勢南高北低,區(qū)內(nèi)無地表水體。構(gòu)造位置屬白楊河—南阜康背斜的中段之小龍口背斜北翼,F2和F3斷層以北,井田構(gòu)造形態(tài)為向南陡傾的單斜構(gòu)造,發(fā)育次級逆斷層。

井田內(nèi)出露的地層有上三疊統(tǒng)郝家溝組(T3h)、下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、第三系中—上新統(tǒng)昌吉河群(Nch)及第四系;含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)。含煤地層平均厚700.57m,含多層煤層、煤線。全區(qū)發(fā)育較好的煤層12層,煤層總厚平均44.73m;可采煤層5層,自上而下依次編號為A1、A5、A61、A62和A10,可采煤層總厚平均27.70m。各煤層均為低灰分,高熱值、高揮發(fā)分、中硫、特低磷的長焰煤-不粘煤(如圖1)。

2011年,在煤礦勘探施工ZK207鉆孔和ZKB208鉆孔的過程中,ZK207鉆進(jìn)至499.66m,ZKB208鉆孔鉆進(jìn)至240m時發(fā)生涌氣現(xiàn)象,由于氣體壓力較大,出現(xiàn)頂鉆現(xiàn)象,最終導(dǎo)致鉆孔無法繼續(xù)施工而報廢(如圖2）。

2 煤層氣生成條件

2.1 煤巖組分對生氣條件的影響

煤巖研究結(jié)果表明,煤的顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組主要生成天然氣,亦可生成少量石油;惰質(zhì)組一般在煤化過程中可生成少量的氣;煤系的生烴潛力和殼質(zhì)組含量密切相關(guān),但生氣能力與鏡質(zhì)組分的含量有密切關(guān)系。

在低煤級煤層中,隨煤級的增長,煤層中的氣態(tài)烴—煤層氣也會相應(yīng)增加;隨鏡質(zhì)組含量的增加,其所吸附的煤層氣也會相應(yīng)增加,二者大致呈正相關(guān)關(guān)系。因而,煤層的顯微組分含量及其演化程度(煤級)的不同,不僅影響煤的生烴能力,還影響著煤層對甲烷的吸附能力。

煤礦區(qū)煤層的顯微組分均以富鏡質(zhì)組為特征,鏡質(zhì)組含量在53.90%～75.50%之間,是煤儲層產(chǎn)氣的最大貢獻(xiàn)者,也是吸附甲烷的主要參與者。

2.2 煤的變質(zhì)作用與煤層氣的生成

隨著煤的變質(zhì)程度升高,煤化作用過程中不斷有各種氣體生成,主要包括甲烷、二氧化碳等氣體,總體來說,隨著煤的變質(zhì)程度的不斷提高,煤層氣含量有明顯變高的趨勢。

煤礦區(qū)侏羅系地層中沒有巖漿侵入活動,煤的變質(zhì)作用類型主要為深成變質(zhì)作用。準(zhǔn)噶爾盆地地溫梯度一般小于2℃/100m,煤的深成變質(zhì)作用也較弱。因此,隨著煤層埋深的加大,煤的反射率增加但不很明顯,煤的總體變質(zhì)程度偏低。

根據(jù)煤質(zhì)化驗資料,煤礦區(qū)煤層鏡質(zhì)組最大反射率為0.56%～0.59%,平均為0.57%,煤的變質(zhì)程度屬低變質(zhì)階段的I段,與其相應(yīng)的煤類為長焰煤。

煤中有機(jī)質(zhì)的演化具有階段性,各階段之間的劃分點為煤化作用過程中存在的四次躍變,第一次躍變發(fā)生在長焰煤后期階段,鏡質(zhì)組反射率在0.6%左右。第二次躍變發(fā)生在焦煤初期階段,鏡質(zhì)組反射率在1.3%左右。第三次躍變發(fā)生在貧煤與無煙煤的分界線附近,鏡質(zhì)組反射率在2.5%左右。第四次躍變發(fā)生在低級無煙煤階段末期,鏡質(zhì)組反射率在3.7%左右。

煤礦區(qū)煤層的有機(jī)質(zhì)演化過程為第一階段,即長焰煤后期階段,鏡質(zhì)組反射率在0.6%左右。此時,煤中有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中的含氧基團(tuán)大量脫落,導(dǎo)致酸性下降,腐植酸逐漸演變成腐殖質(zhì),脫落的羧基和甲氧基是生成二氧化碳?xì)怏w的主要物質(zhì)來源。同時,在上覆地層壓實作用及古地溫場的共同作用下,煤中水分不斷排出,導(dǎo)致氧含量降低和發(fā)熱量增高。此時油氣演化進(jìn)入生油門限,鏡質(zhì)組由于吸附了石油烴類,氫含量開始明顯降低,煤層氣含量開始顯著增高。

3 煤層氣含量及成分

通過對煤礦區(qū)鉆孔采取瓦斯樣,現(xiàn)場解吸和實驗室測試獲得煤層氣含量和氣體成份。

4 煤層氣的分布及變化規(guī)律

一般而言,煤層埋藏深度增大,煤層中甲烷的濃度隨之增高,氮氣和二氧化碳的濃度隨之降低,因此從地表至煤層風(fēng)化帶下限深度,會依次形成二氧化碳—氮氣帶、氮氣—沼氣帶和沼氣帶。其中二氧化碳—氮氣帶、氮氣—沼氣帶通稱為煤層氣風(fēng)化帶。一般將甲烷含量80%的深度定義為煤層氣風(fēng)化帶下限。

通過對煤礦區(qū)鉆孔實測甲烷含量和煤層埋深的統(tǒng)計分析,建立甲烷含量與埋深的關(guān)系,對煤層甲烷含量與煤層埋深進(jìn)行線性回歸,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型,來反映煤層埋深與甲烷含量的關(guān)系。通過回歸曲線可以得知,勘查區(qū)內(nèi)煤層氣風(fēng)化帶下限為煤層埋深320m處。依據(jù)所瓦斯樣品的化驗資料,繪制了走向立面煤層氣含量等值線圖,從等值線圖中也反映出煤層氣含量隨煤層埋深的增加而增大。

5 煤層氣保存條件

5.1 構(gòu)造類型與煤層氣富集

煤礦區(qū)總體構(gòu)造為一向南陡傾的單斜構(gòu)造(見圖1),為背斜的一翼,構(gòu)造對煤層氣的富集起到控制作用。

小龍口背斜呈北西西向延伸,為一沿軸部發(fā)生斷裂的不對稱的倒轉(zhuǎn)背斜。煤礦區(qū)南部邊界的F2斷層為背斜軸部,背斜南翼為正常翼,傾向190°～220°,傾角50°～60°,近斷層部位傾角80°;北翼為倒轉(zhuǎn)翼,地層走向100°左右,走向在1～2線間穩(wěn)定,2線以東有緩波狀彎曲,倒轉(zhuǎn)產(chǎn)狀要素為:2線處傾向190°,傾角80°～84°,深部局部有波狀擺動;2線以東,傾向在180°～210°之間,傾角變化較大,淺部80°～55°,深部較穩(wěn)定在70°左右;1線以西傾向180°～210°,傾角60°～85°。背斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以下表現(xiàn)為壓應(yīng)力,煤層氣在背斜的兩翼能較好地封存,在軸部中和面以上煤層氣易散,中和面以下煤層氣容易聚集。

F2斷層為一逆掩斷層,橫穿全區(qū),總體走向近東西,傾向南偏西,傾角80°左右,造成小龍口背斜北翼上三疊統(tǒng)郝家溝組地層全部和八道灣組底部地層缺失,垂直斷距超過300m,控制了含煤地層的產(chǎn)狀和分布。F3斷層是在F2斷層總的應(yīng)力作用下形成的次級斷裂,為一扭性的平(推)逆斷層,總體傾向南偏東、傾角80°左右,它切斷了井田煤、巖層的東延。

斷層與最小主應(yīng)力方向一致,擠壓作用形成的逆斷層多屬于阻氣斷層,這種斷層所產(chǎn)生的裂隙通常處于閉合狀態(tài),斷層面兩側(cè)的巖層被緊壓;另一方面,斷層的位移往往使致密的泥質(zhì)巖層與煤層相接觸,從而阻斷了氣體沿煤層自下而上的運移。這兩種作用結(jié)合起來在很大程度上使煤層保存了較高的含氣量。

在2勘探線西部發(fā)育一平推正斷層,走向南北,傾向東,傾角約75°,施工ZK207鉆孔和ZKB208鉆孔的過程中,ZK207鉆進(jìn)至499.66m,ZKB208鉆孔鉆進(jìn)至240m時發(fā)生涌氣現(xiàn)象,顯然是斷層的影響使得該地段含氣量增高的原因。在斷層位置由于構(gòu)造作用使煤層氣聚集,當(dāng)鉆進(jìn)至斷層下盤時,壓力釋放產(chǎn)生噴氣現(xiàn)象。

5.2 煤層圍巖及蓋層與煤層氣富集

(1)圍巖封閉類型

通過對區(qū)內(nèi)鉆孔的巖性進(jìn)行統(tǒng)計,泥巖在圍巖中所占比例為34.5%～79.46%,平均57.32%,故圍巖組合為泥巖型。

泥巖型的圍巖,通常具有良好的封閉性,具有較高的突破壓力,在裂隙不發(fā)育的情況下,泥質(zhì)含量大于40%的泥巖和泥質(zhì)粉砂巖對煤層氣的保存有利。

(2)頂?shù)装宓姆忾]類型

煤礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性從封閉性能上,粒度越細(xì),封閉性越好。通過對煤礦區(qū)主要煤層的頂?shù)装鍘r性按粗碎屑巖(礫巖、粗砂巖、中砂巖)、細(xì)碎屑巖(細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖)作了統(tǒng)計,煤層頂?shù)装寮?xì)碎屑巖均占70%以上,因此單從巖性角度來講,對煤層氣的保存比較有利。

5.3 煤層本身的封閉條件

厚度相對較大的煤層對煤層氣的封閉極為有利。本區(qū)A61煤層厚度最大可達(dá)30.25m,平均12.11m。A62煤層厚度最大可達(dá)45.13m,平均14.95m。這些巨厚煤層生成的氣體賦存在煤的孔隙表面,一般情況下不易發(fā)生運移,構(gòu)成了煤層氣保存的有利場所。

5.4 水文地質(zhì)條件與煤層氣富集

煤礦水文地質(zhì)條件屬簡單類型,煤系地層上部和下部之間水力聯(lián)系不密切,存在良好的隔水層,煤系地層含水性微弱,滲透系數(shù)低,地下水徑流運移不暢,含水層的補給僅源于大氣降水或冰雪融水,補給量較小,地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動方式流動,運移不暢的地下水對煤層氣有封閉作用,利于煤層氣的保存。

5.5 煤層氣埋藏深度與煤層氣富集

煤層埋藏深度是決定煤層瓦斯含量大小的重要因素。對同一煤田或煤層,在瓦斯風(fēng)化帶以下,煤層瓦斯壓力隨深度加大線性增大,故煤層瓦斯含量隨深度增大而增大。

根據(jù)對煤礦區(qū)鉆孔實測瓦斯含量和煤層埋深的統(tǒng)計分析,對A5、A61、A62煤層整體瓦斯含量與煤層埋深進(jìn)行線性回歸,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型,來反映煤層埋深與煤層瓦斯含量的關(guān)系,通過回歸曲線不難發(fā)現(xiàn),煤層瓦斯含量隨煤層埋深的增加而增大。

6 煤層氣資源量估算

依照《煤層氣資源/儲量規(guī)范》DZ/T0216－2002,估算的煤層氣資源量為內(nèi)蘊經(jīng)濟(jì)的、預(yù)測的。

在煤層氣風(fēng)化帶內(nèi)的煤層氣資源,缺乏開發(fā)利用價值,不列入資源估算。本區(qū)煤層氣風(fēng)化帶深度為320m(標(biāo)高700m以上)。估算的煤層為主要可采煤層A1、A5、A61、A62、A10煤層。

6.1 估算方法

資源量估算采用體積法。直接利用煤炭資源量估算結(jié)果,不單獨考慮面積、煤層厚度和煤的密度,因此估算公式如下:

——煤層氣資源量,108m3;

Ｍ——煤炭資源量,104t;

——煤的干燥基含氣量,m3/t;

6.2 煤炭資源量

煤炭資源量直接利用勘探估算結(jié)果。按照分煤層、分水平對計算的煤炭資源量進(jìn)行統(tǒng)計。

6.3 煤層氣含量

估算煤層氣風(fēng)化帶底(700m)～600m、600～500m、500～400m,400～300m,300m～200m五個標(biāo)高段,各標(biāo)高段以其中值為預(yù)測深度,即標(biāo)高650m、550m、450m、350m和250m處。依照回歸方程估算。

6.4 估算結(jié)果

根據(jù)上述的煤層氣資源量估算方法以及確定的各種參數(shù),分別估算出煤礦區(qū)各煤層的煤層氣資源量,煤層氣資源總量為6.47×108m3。煤礦區(qū)含煤面積3.16km2;預(yù)測的煤層氣資源量5.88×108m3;煤層氣資源豐度為1.86×108m3/km2。因地層傾角較大,單位平面積的資源量明顯偏高。

7 結(jié)語

瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)最大威脅之一。新疆近年來也發(fā)生過不少的瓦斯爆炸事故,在2006年以后,隨著礦井開采深度的增加,逐漸開采到瓦斯風(fēng)化帶以下,瓦斯含量和瓦斯壓力隨著開采深度增加而增長較快,高瓦斯礦井?dāng)?shù)量也在不斷增加,瓦斯突出事故時有發(fā)生。本文要傳達(dá)的一個信息就是,不論何種變質(zhì)程度的煤層,當(dāng)其在埋深、構(gòu)造環(huán)境適宜的情況下,瓦斯含量都會隨著深度的增加而增加,特別壓扭性斷裂存在的井田,這種現(xiàn)象尤為明顯。局部地段高瓦斯含量的存在,會對煤、石巷的掘進(jìn)帶來不安全因素,無論是井下監(jiān)測還是鉆孔泄壓的方式都不能很好的解決這一難題。因此,在煤礦勘探過程中,做好煤層氣資源的評價工作,在條件許可的前提下做到資源的綜合利用,變害為利,真正做到資源的最大化利用。

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