蔣天國,　馬櫻燕,　劉勝彪

(云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司, 昆明 650031)

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云南老廠礦區(qū)煤層氣地質(zhì)條件

蔣天國,馬櫻燕,劉勝彪

(云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司, 昆明 650031)

在分析礦區(qū)地質(zhì)條件、煤巖及煤儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上,探討研究區(qū)煤層氣地質(zhì)條件。結(jié)果表明:老廠礦區(qū)龍?zhí)督M和長興組含煤性好,煤層厚度大并且分布穩(wěn)定,煤質(zhì)以無煙煤為主,生烴量大,生烴能力強(qiáng);煤巖組分穩(wěn)定,鏡質(zhì)組含量高,對甲烷吸附性強(qiáng);煤層孔隙度較低,滲透率中等;解吸率和儲(chǔ)層壓力偏高,中等含氣性,含氣量在6.02～18.95 m3/t。研究區(qū)構(gòu)造類型和水文地質(zhì)條件相對簡單,圍巖封蓋及地下水封堵作用強(qiáng),利于煤層氣的富集成藏。綜合分析認(rèn)為,老廠礦區(qū)屬中型富甲烷煤層氣目標(biāo)區(qū),煤層氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越,煤層氣資源豐富,開采條件優(yōu)越。

煤層氣； 老廠礦區(qū)； 地質(zhì)條件； 煤儲(chǔ)層物性

0　引　言

煤層氣是一種自生自儲(chǔ)型的非常規(guī)天然氣,主要以吸附態(tài)賦存在煤層孔隙表面[1]。煤層氣成藏受煤層及其上下巖層所構(gòu)成的含煤層氣系統(tǒng)及該系統(tǒng)所經(jīng)受的多種地質(zhì)作用因素控制[2-3]。研究表明,影響煤層氣富集成藏的地質(zhì)因素包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、煤層厚度與埋深、煤階、煤層含氣性、滲透性、煤儲(chǔ)層壓力及水文條件等[4-10]。老廠礦區(qū)位于云南省東部富源縣,是我國西南地區(qū)重要的煤炭及煤層氣富集區(qū)之一。地理坐標(biāo)位于東經(jīng)104°17′48″～104°36′06″、北緯25°7′25″～25°15′,礦區(qū)面積約201 km2。含煤地層為二疊系龍?zhí)督M和長興組,煤層變質(zhì)程度較高,含氣性好,是煤層氣勘探開發(fā)的有利地區(qū)。筆者在分析礦區(qū)地質(zhì)條件、煤巖及煤儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上,探討煤層氣地質(zhì)條件,為煤層氣開采提供了基礎(chǔ)資料。

1　煤層氣賦存地質(zhì)條件

老廠礦區(qū)構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)滇東臺(tái)褶帶曲靖臺(tái)褶束與華南褶皺系滇東褶皺帶羅平—師宗褶斷束的接觸過渡區(qū),以彌勒—師宗斷裂為界,在師宗以北向東彎曲拐向NE,經(jīng)羅平向NE延至黃泥河,此段即為礦區(qū)東部邊界。

因基底上隆,以老廠背斜為中心,形成一個(gè)長軸 NE向的橢圓形基本格架,區(qū)內(nèi)斷褶構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)造線以NE向?yàn)橹?局部出現(xiàn) NW向和近EW向的次級(jí)斷裂和褶曲,褶皺組合多為背斜窄、向斜寬。隆起的基底四周形成小規(guī)模環(huán)狀次級(jí)斷裂,這些斷裂對原NE向主斷裂進(jìn)行改造,使之被破壞、切割,所有構(gòu)造線和地層線均為橢圓形,致使構(gòu)造架形成一個(gè)較完整的橢圓形旋扭構(gòu)造(圖1)[11]。

研究區(qū)構(gòu)造中等至簡單,主體構(gòu)造為NE向的老廠背斜,一較寬緩的不對稱短軸背斜。老廠背斜南東翼地層傾角8°～20°,較小,為一寬闊平緩的單斜構(gòu)造,地層保存較完好,構(gòu)造簡單。老廠背斜的北西翼地層傾角為30°～50°,發(fā)育較多斷層,煤儲(chǔ)層破壞較為嚴(yán)重。因此,老廠背斜南東翼較北西翼更有利于煤層氣的富集,背斜緩翼部比軸部更有利于煤層氣的富集。南東翼發(fā)育7條正、逆斷層及一些斷距小于20 m的斷層,其中,逆斷層對煤層氣影響較大,因逆斷層封閉作用,煤層氣富集保存。同時(shí)在該區(qū)域內(nèi),斷層以小斷層居多,對煤儲(chǔ)層影響不大,有利于煤層氣富集。

圖1　老廠礦區(qū)構(gòu)造綱要Fig. 1　Structure outline map of Laochang mining area

根據(jù)鉆測井資料確定研究區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及粉砂巖,泥質(zhì)含量高。這種巖性組合對煤層氣的封蓋能力較好[12-13],能夠有效地減少煤層氣的逸散,因此,利于煤層氣的富集成藏。

研究區(qū)發(fā)育碳酸巖類含水層、滑坡松散巖類含水層、碎屑巖類含水層和第四紀(jì)松散巖類含水層,富水中等。強(qiáng)徑流區(qū)位于礦區(qū)邊緣,斷裂發(fā)育,水化學(xué)指標(biāo)和礦化度均較低,徑流條件強(qiáng),煤層氣含量普遍較低。中等徑流區(qū)位于南東部斜坡區(qū),受次級(jí)斷裂和次級(jí)褶曲的影響,徑流條件中等,地下水處于承壓狀態(tài),鉆孔單位涌水量0.009～0.350 L/(s·m),水質(zhì)類型為重碳酸鉀鈉型,煤層氣含量普遍較高。弱徑流區(qū)位于德黑向斜軸部、東南部龍灘環(huán)狀斷裂區(qū)深部,煤層氣含量普遍較高,但由于煤層埋深大,預(yù)測滲透率受埋深影響會(huì)變低[14]。

2　煤層與煤巖特征

2.1煤層特征

老廠礦區(qū)含煤地層為上二疊統(tǒng)長興組與龍?zhí)督M,其中龍?zhí)督M為主要含煤地層,含煤地層總厚度為415.00～475.41 m,平均厚度為460.13 m;含煤20～53層,煤層總厚度為40.75 m,含煤系數(shù)8.86%;含可采煤層10～20層,總厚度為32.28 m,含煤系數(shù)7.02%。煤層自上而下編號(hào)為C1、C1+1、C2、C3、C4、C7+8、C8+1、C9、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19。

2.2煤巖特征

2.2.1顯微組分分布

宏觀煤巖特征分析結(jié)果表明,研究區(qū)煤巖顏色以深灰-灰黑色及塊狀為主;主要呈似金屬光澤,其次呈玻璃光澤,也可見瀝青光澤和金剛石光澤;各煤層裂隙較發(fā)育-發(fā)育,易破碎成塊粒煤或粉粒煤;結(jié)構(gòu)主要以中-細(xì)條帶狀為主;各煤層硬度較堅(jiān)硬。煤巖組分以亮煤與暗煤為主;煤巖構(gòu)造主要為塊狀構(gòu)造,少量粉粒狀構(gòu)造;煤巖類型為半亮-半暗煤。

還可以利用多媒體將一些破壞環(huán)境的圖片或視頻播放出來，將環(huán)境受到破壞的情境展現(xiàn)出來，如水污染、土地沙化、臭氧層空洞等。通過這些觸目驚心的圖片，讓學(xué)生明白環(huán)境保護(hù)的重要性。同時(shí)給出一些利用化學(xué)知識(shí)保護(hù)環(huán)境的方法，如，盡量減少塑料袋的使用、少用或不用一次性筷子等?；蚴墙M織學(xué)生討論化工廠選址問題，通過親自參與活動(dòng)的方式，加深對化學(xué)知識(shí)的理解，樹立起可持續(xù)發(fā)展理念，完成傳統(tǒng)文化元素的滲透，提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

對煤樣進(jìn)行顯微組分分析,結(jié)果如圖2所示。圖2表明,該礦區(qū)煤中鏡質(zhì)組含量最高,其次為惰質(zhì)組,殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)一般不超過5%。

圖2　老廠礦區(qū)煤巖顯微組分分布Fig. 2　Diagram of coal macerals in Laochang mining area

鏡質(zhì)組是煤巖的主要組分,體積分?jǐn)?shù)為79.50%～94.90%,平均86.56%,以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主;結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體亦常出現(xiàn),但二者(結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體)所占比例不大。惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為3.00%～20.50%,平均10.24%,以半絲質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體較多,其次為絲質(zhì)體、粗粒體及分泌體,但所占比例不大,微粒體在部分樣品中偶有出現(xiàn)。殼質(zhì)組是煤巖中次要組分,體積分?jǐn)?shù)為0～13.4%,平均3.20%,以變碎屑角質(zhì)體、變樹脂體、變樹皮體、變角質(zhì)體為主。煤樣中鏡質(zhì)組反射率(表1)主要分布在2.60%～3.08%之間,平均2.90%,表明煤層在地質(zhì)埋藏時(shí)期經(jīng)歷了較高的熱演化。

表1　老廠礦區(qū)主采煤層鏡質(zhì)組反射率Table 1　Vitrinite reflectance of main coal seam in Laochang mining area

2.2.2無機(jī)礦物組分分布

煤中無機(jī)礦物的含量影響煤裂隙發(fā)育程度和煤對氣體的吸附能力,黏土礦物由于具有巨大的比表面積,能夠吸附大量的氣體,脆性礦物易于壓裂造縫,利于氣藏的運(yùn)移聚集。老廠礦區(qū)煤巖無機(jī)礦物分布如圖3所示。

圖3　老廠礦區(qū)煤巖無機(jī)礦物分布Fig. 3　Diagram of inorganic mineral in Laochang mining area

圖3表明,老廠礦區(qū)煤巖中無機(jī)礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.90%～31.20%,平均12.79%,主要包括黏土類、硫化鐵類、碳酸鹽類、氧化硅類四大類。其中，黏土礦物是該區(qū)煤巖無機(jī)礦物中的主要礦物成分,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.20%～22.40%,平均8.08%;硫化鐵類以黃鐵礦為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～10.20%,平均2.24%,黃鐵礦多呈微粒狀、星點(diǎn)狀、粒狀、團(tuán)塊狀,粒狀集合體也多見;碳酸鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～9.60%,平均1.43%,以菱鐵礦和方解石為主;氧化硅類以石英為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～6.30%,平均1.27%。

2.3煤質(zhì)特征

煤的化學(xué)性質(zhì)主要包括水分(M)、灰分(Ad)、揮發(fā)分(Vdaf)、發(fā)熱量(Q)、硫分(St,d)及其他元素組分?？刹擅簩拥拿嘿|(zhì)分析結(jié)果如圖4所示。該區(qū)煤中揮發(fā)分(Vdaf)平均值為6.54%,煤的干燥無灰基氫(Hdaf)含量平均值為3.44%，煤的鏡質(zhì)組最大反射率(R0,max)平均值為2.90%。依據(jù)GB5751—86《中國煤炭分類國家標(biāo)準(zhǔn)》,可確定本區(qū)煤類屬于無煙煤3號(hào)(WY03),煤變質(zhì)程度高,生氣性質(zhì)優(yōu)越?？刹擅簩泳鶎僦谢颐?全硫含量變化較大,屬特低硫-高硫,發(fā)熱量屬高熱值煤,煤炭品質(zhì)好。

3　煤儲(chǔ)層物性

據(jù)傅雪海等[12]的研究,煤儲(chǔ)層的孔裂隙系統(tǒng)是由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的?？紫妒敲簩託獾闹饕獌?chǔ)集場所,宏觀裂隙是煤層氣運(yùn)移的通道,而顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的通道。因此,孔隙性和滲透性不僅影響煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣性能,而且對煤層氣開發(fā)是否成功起著決定性的作用。筆者依據(jù)老廠礦區(qū)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計(jì)可采煤層的裂隙發(fā)育程度,如表2所示。

圖4　老廠礦區(qū)煤質(zhì)分析Fig. 4　Coal analysis in Laochang mining area表2　老廠礦區(qū)主要可采煤層裂隙發(fā)育程度Table 2　Fracture degree of main coal seam in Laochang mining area

煤層高度/cm密度/條·(5cm)-1張開度/mm填充物C21.010～150.1～0.3方解石脈C31.511～140.1～0.3致密方解石C7+80.55(局部)致密無填充物C91.011～120.2方解石C131.1100.2方解石脈C162.010～160.1方解石脈C190.68致密無填充物

由表2可知,研究區(qū)煤儲(chǔ)層的裂隙以中裂隙及小裂隙為主,裂隙較為發(fā)育,有利于煤層氣的運(yùn)移。

研究區(qū)煤巖孔隙發(fā)育情況如表3所示。表3顯示,煤的孔隙率為4.49%～16.75%,平均6.94%,屬于低孔隙度儲(chǔ)層,有利于煤層氣的開發(fā)。同時(shí),據(jù)實(shí)驗(yàn)得出,研究區(qū)總孔容為0.14 cm3/g,比表面積為227 cm2/g,亦有利于煤層氣開發(fā)。

表3　主要可采煤層密度與孔隙率Table 3　Density and porosity of main coal seam in Laochang mining area

3.2儲(chǔ)層滲透性

據(jù)老廠礦區(qū)煤層氣井的注入/壓降試井實(shí)驗(yàn),經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析,可得C2的滲透率為0.050 mD;C3的滲透率為0.243 mD;C7+8的滲透率為0.256 mD。從數(shù)值上來看,C2煤層滲透率較低,偏低原因?yàn)榭紫堕g隙小或裂隙有充填物。C3和C7+8煤層滲透率位于0.1～1.0 mD范圍,相對我國煤儲(chǔ)層滲透率[10]而言屬中等水平,較有利于煤層氣地面開采和煤礦瓦斯抽放[15]。一般來說,大部分屬中-高滲透率儲(chǔ)層,有利于煤層氣的開發(fā)。

3.3儲(chǔ)層吸附-解析特征

對老廠礦區(qū)4103-3和4117-2兩口煤層氣井采集的煤芯樣品進(jìn)行平衡水高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)(24～28 ℃),得到C2、C3、C7+8的等溫吸附曲線,結(jié)合煤層氣參數(shù)井實(shí)測含氣量、儲(chǔ)層壓力等數(shù)據(jù),可計(jì)算出主要煤層的含氣飽和度,如表4所示。

表4　煤儲(chǔ)層含氣飽和度Table 4　Gas saturation of coal reservoir

由表4可知,煤層氣實(shí)測飽和度變化平均為43.65%,屬于欠飽和儲(chǔ)層,接近全國44%的水平[6]。一般來說,解吸量由殘余氣量、解吸氣量與逸散氣量三部分組成,其中,損失氣量與解吸氣量的和與總含氣量的比值稱為解吸率,是評(píng)價(jià)解吸性最重要的參數(shù)。根據(jù)解吸實(shí)驗(yàn)確定解吸率為86.69%～95.17%,平均93.35%,數(shù)值偏高,說明煤層氣封閉條件較好,有利于煤層氣的富集[8]。

3.4儲(chǔ)層壓力特征

儲(chǔ)層的壓力特征采用儲(chǔ)層壓力梯度和壓力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)表征。據(jù)老廠礦區(qū)煤層氣井的注入/壓降試井實(shí)驗(yàn),儲(chǔ)層壓力梯度C2煤層為14.71 kPa/m、C3煤層為12.64 kPa/m、C7+8煤層為6.52 kPa/m。計(jì)算得煤儲(chǔ)層壓力,如表5所示。

表5　煤儲(chǔ)層壓力特征參數(shù)Table 5　Characteristics parameters of coal reservoir pressure

由表5可知,C2和C3兩煤層均屬高異常壓力煤儲(chǔ)層,C7+8煤為低異常壓力煤儲(chǔ)層。該區(qū)儲(chǔ)層壓力偏高,對煤層氣的富集有益。

3.5煤層含氣性

運(yùn)用MT/T 77—94《煤層氣測定方法》(解吸法),并結(jié)合煤層氣試井資料和等溫吸附曲線等資料,對各主要可采煤層的含氣量進(jìn)行計(jì)算。煤層含氣量為6.02～18.95 m3/t,一般在9.2 m3/t以上。煤層氣含氣量等高線分布如圖5所示,研究區(qū)含氣性較好。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),屬中等含氣性。

圖5　老廠礦區(qū)煤層含氣量等值線Fig. 5　Isoline of coalbed methane content in Laochang mining area

4　煤層氣資源量

根據(jù)現(xiàn)有資料,采用容積法計(jì)算研究區(qū)煤層氣資源量,結(jié)果如表6所示。由表6可以看出,老廠礦區(qū)煤層氣資源量為869.61×108m3,其中,預(yù)測資源量232.87×108m3,占27%,屬中型富氣區(qū)。

表6　老廠礦區(qū)煤層氣資源量Table 6　Coalbed methane resource of Laochang mining area

該地區(qū)煤炭資源豐富,煤層氣資源同樣豐富。全區(qū)煤層氣869.61×108m3,資源豐度1.69×108m3/km2,其中,淺部含氣豐度為0.21×108～1.34×108m3/km2,平均0.79×108m3/km2,主要受風(fēng)化與逸散影響而減小;深部勘查區(qū)豐度 1.56×108～3.33×108m3/km2,平均1.63×108m3/km2；預(yù)測區(qū)豐度達(dá)1.85×108m3/km2。從煤層氣資源量、煤層氣豐度及含氣量評(píng)價(jià)方面進(jìn)行評(píng)價(jià),老廠礦區(qū)屬中型富甲烷煤層氣目標(biāo)區(qū),有進(jìn)一步勘探價(jià)值。

5　結(jié)　論

(1)老廠礦區(qū)含煤地層為龍?zhí)督M和長興組,含煤地層平均厚460.13 m。含煤20～53層,煤層總厚度40.75 m,含煤系數(shù)8.86%;含可采煤層一般15層,可采煤層總厚度32.28 m,可采含煤系數(shù)7.02%。

(2)煤熱演化程度高,煤類單一,均為無煙煤3號(hào)。顯微組分以鏡質(zhì)組為主,其次為惰質(zhì)組,殼質(zhì)組很少。無機(jī)組分以黏土為主,其次為石英、黃鐵礦等?？刹擅簩泳鶎僦谢颐?全硫含量變化較大,屬特低硫-高硫,發(fā)熱量屬高熱值煤，煤炭品質(zhì)好。煤層生烴能力強(qiáng),有機(jī)質(zhì)豐富,具有良好的煤層氣生成條件。

(3)老廠礦區(qū)構(gòu)造及水文條件均屬簡單類型,煤層埋藏深度適中,煤儲(chǔ)層物性較好,煤孔隙度低,滲透性中等,解吸率和儲(chǔ)層壓力偏高,中等含氣性,含氣量為6.02～18.95 m3/t,具有良好的儲(chǔ)氣條件。

(4)全區(qū)煤層氣資源量為869.61×108m3,資源豐度1.69×108m3/km2。煤炭資源量1 088 885萬t。從煤層氣資源量、煤層氣豐度及含氣量方面進(jìn)行評(píng)價(jià),老廠礦區(qū)屬中型富甲烷煤層氣目標(biāo)區(qū),煤層氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越,煤層氣資源豐富,開采條件優(yōu)越。

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(編輯荀海鑫)

Geological conditions of coalbed methane in Laochang mining area in Yunnan Province

JIANGTianguo,MAYingyan,LIUShengbiao

(Yunnan CBM Exploration & Development Co.Ltd., Kunming 650031, China)

This paper is motivated by the need to explore the geological conditions of coal bed gas found in the Laochang mining area, an important coalbed methane (CBM) production target area in Yunnan Province. The exploration is best obtained by comprehensively analyzing the geological characteristics as well as the property of coal and coalbed reservoir. The results show that Longtan and Changxin formations in the Laochang mining area are blesses with better-developed conditions for CBM: such as a better coal bearing property, a coal higher thickness and more stable distribution, coal quality dominated by anthracite, greater hydrocarbon generation, stronger hydrocarbon generation ability; more stable coal macerals, higher vitrinite content, stronger adsorption of methane; lower coal seam porosity, medium permeability; higher desorption rate and reservoir pressure, medium gas-bearing properties ranging between 6.02 and 18.95 m3/t。The target area has relatively simple tectonic background and hydrology geological condition, along with a better-developed sealing capability of surrounding rock and hydraulic trapping, thus facilitating coalbed methane reservoir. The comprehensive analysis finds that Laochang mining area occurs as a medium-sized CBM target area with superior geological conditions for coalbed methane reservoir, abundant coalbed gas resources, and favorable exploitation conditions.

Laochang mining area; coalbed methane(CBM); geology conditions; coal reservoir physical property

2014-10-11

蔣天國(1966-),男,云南省昆明人,高級(jí)工程師,研究方向:煤田地質(zhì)與煤層氣勘查,E-mail:164318174@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.006

P618

2095-7262(2015)01-0026-05

A