劉小峰 劉帥帥

(1.山西潞安集團(tuán)常村煤礦地測(cè)科，山西 046102;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 221008)

“十三五”期間山西省加快煤層氣勘探開發(fā)，大力推進(jìn)“氣化山西”的行動(dòng)。潞安國家煤炭規(guī)劃礦區(qū)位于沁水盆地東部中段，礦區(qū)面積3629.17km2，煤層氣地質(zhì)資源量為3746.51億m3，煤層氣地質(zhì)資源豐度為1.45億m3/km2。針對(duì)其豐富的煤層氣資源量，對(duì)礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層物性進(jìn)行可靠和客觀的綜合性評(píng)價(jià)是勘探開發(fā)的基礎(chǔ)地質(zhì)工作。前人對(duì)潞安礦區(qū)煤儲(chǔ)層特征及其地質(zhì)控制因素進(jìn)行了大量研究，如構(gòu)造、地應(yīng)力、儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層裂隙、煤體結(jié)構(gòu)及吸附性等，除此之外，葉建平對(duì)影響潞安礦區(qū)煤層氣賦存和生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素進(jìn)行了分析研究，得出礦區(qū)地下水與斷層溝通形成一個(gè)完整的補(bǔ)徑排系統(tǒng)，使得地層能量釋放，煤層氣大量逸散，煤層氣壓力降低。上述研究多側(cè)總于儲(chǔ)層參數(shù)的某一方面研究，同時(shí)潞安礦區(qū)施工了一些地面煤層氣井，但開發(fā)效果不佳，因此有必要對(duì)其煤層氣儲(chǔ)層物性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

本文以潞安礦區(qū)構(gòu)造、含煤地層、水文為地質(zhì)背景，從煤巖煤質(zhì)、煤層幾何分布特征、含氣性、儲(chǔ)層壓力特征、水動(dòng)力條件和滲透率出發(fā)，系統(tǒng)分析了整個(gè)潞安礦區(qū)的儲(chǔ)層物性條件，全面評(píng)價(jià)了儲(chǔ)層物性的優(yōu)劣，為潞安礦區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供可靠的地質(zhì)理論基礎(chǔ)。

1 煤層氣地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造

潞安礦區(qū)位于華北斷塊呂梁-太行斷塊，沁水塊坳東部次級(jí)構(gòu)造單元沾尚-武鄉(xiāng)-陽城NNE向凹褶帶中段，晉獲斷裂帶西側(cè)。潞安礦區(qū)經(jīng)歷了礦區(qū)總體構(gòu)造形態(tài)為走向北北東～南北向西緩傾的單斜。在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般小于10°)，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20m的斷層和一定數(shù)量斷距小于20m的斷層及陷落柱。礦區(qū)內(nèi)較大的斷裂有西川斷層、文王山斷層、二崗山斷層、長治斷層、中華斷層、安昌斷層、安城斷層和蘇店斷層，斷裂構(gòu)造特點(diǎn)為走向平行、傾向相同或相背的剖面共軛組合關(guān)系，高角度正斷層兩兩組合，構(gòu)成地塹或地壘(圖1)。

圖1 潞安礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

1.2 含煤地層

井田內(nèi)主要含煤地層有太原組和山西組，其總厚平均為158.74m。共含煤19層，煤層總厚度14.62m。含煤系數(shù)9.21%，其中計(jì)算儲(chǔ)量煤層5層(3、9-2、12-2、15-2、15-3號(hào)煤)，平均總厚度9.44m?？刹珊合禂?shù)5.95%。

3號(hào)煤層位于山西組下部，上距K8砂巖19.80～37.41m，平均31.85m，下距9號(hào)煤50.48～73.12m，平均61.83m。煤層厚度5.13～7.25m，平均5.99m。全區(qū)穩(wěn)定厚度在5.5～6.0m之間，小于5.5m局限在西界中部，大于6.0m分布在中部及西北、東南、西南角。煤層頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖。底板為黑色泥巖、粉砂巖。含泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸0～3層，一般1層，厚0.27m，其中以距底板約1.33m的一層泥巖夾矸較為穩(wěn)定，厚0.25m，純煤厚4.75～7.25m，平均5.72m。屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單煤層?；曳趾恳?5%～25%的中灰煤為主，10%～15%的低灰煤零星分布。

1.3 水文

潞安礦區(qū)位于辛安泉域長治盆地水文地質(zhì)單元，處于強(qiáng)徑流帶分布地區(qū)，水流由北西向南東，不利于煤層氣富集成藏。與3號(hào)煤系地層相關(guān)的主要含水層組為碎屑巖類含水層組，主要包括二疊系、三疊系一套陸相，過渡相碎屑巖，由砂巖、砂質(zhì)泥巖夾煤層等組成。厚320～435m，單位涌水量為0.0003～0.82L/s.m，滲透系數(shù)為0.004～1.74m/d，水質(zhì)類型屬HCO3-及HCO3-.SO42-型。本含水層組含水空間以風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙為主，裂隙水除少部分可能沿破碎帶向深部運(yùn)動(dòng)外，以水平(沿走向)運(yùn)動(dòng)為主。由于各含水層間間隔數(shù)層主要由泥巖等塑性巖石組成的隔水層，使各含水層相對(duì)呈層狀，形成平行復(fù)合結(jié)構(gòu)，縱向水力聯(lián)系相對(duì)較弱。

2 煤層氣儲(chǔ)集特征

2.1 煤巖煤質(zhì)特征

潞安礦區(qū)主采煤層3號(hào)煤宏觀煤巖類型以半亮煤、半暗煤為主，煤質(zhì)以瘦煤、貧煤和無煙煤為主，平面上來看，煤質(zhì)變化規(guī)律為由北東到西南，由淺到深變質(zhì)程度依次增高，北部左權(quán)-武鄉(xiāng)一帶以瘦煤、焦煤為主，南部潞安-長治一帶以貧煤、無煙煤為主。垂向上來看，3號(hào)煤屬于半亮-光亮型煤，基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，平均礦物含量為9.3%，主要是黏土、方解石，煤質(zhì)為中灰、特低硫煤。

2.2 煤儲(chǔ)層幾何分布特征

區(qū)內(nèi)主要可采煤層為3號(hào)煤，礦區(qū)中部常村煤礦及其附近為煤層最厚處，厚度超過6m，向四周煤厚逐漸減薄，礦區(qū)北端為煤層最薄處(圖2)。3號(hào)煤層埋深由東向西逐漸增加，主要煤礦集中于800m以淺。在西部邊緣，埋深超過了1000m(圖3)。

2.3 含氣性

3號(hào)煤層含氣量基本在20m3/t以下，對(duì)余吾礦煤層含氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明煤儲(chǔ)層平均含氣量為9.48m3/t，含氣量較低，甲烷濃度較高，平均為87.44%，考慮到煤級(jí)高，吸附性強(qiáng)，其含氣飽和度較低。

含氣量平面上總體呈現(xiàn)出西部含量高而東部含量低的特點(diǎn)，即朝向沁水盆地中心地帶含氣量增加。潞安礦區(qū)東部方向煤層埋藏淺，部分地區(qū)為煤層露頭區(qū)，煤層氣逸散嚴(yán)重，含氣量較低。平均含氣量在10m3/t左右(圖4)。

2.4 儲(chǔ)層壓力特征

煤層氣試井資料表明(表1)：在埋深400～800m范圍內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層試井儲(chǔ)層壓力介于1.34～5.72MPa之間，儲(chǔ)層壓力梯度(儲(chǔ)層壓力/埋深)介于0.28～0.73MPa/100m之間，壓力系數(shù)(壓力梯度/靜水壓力梯度)變化范圍為0.29～0.75。儲(chǔ)層壓力總體上與埋深呈正相關(guān)關(guān)系，煤層埋深增加，儲(chǔ)層壓力、壓力系數(shù)隨之增高。

圖2 潞安礦區(qū)3號(hào)煤層煤厚等值線圖

圖3 潞安礦區(qū)3號(hào)煤層埋深等值線圖

圖4 潞安礦區(qū)3號(hào)煤含氣量等值線圖

圖5 潞安礦區(qū)3號(hào)煤壓力梯度等值線圖

圖6 潞安礦區(qū)煤儲(chǔ)層壓力梯度對(duì)比圖

表1 潞安礦區(qū)試井參數(shù)統(tǒng)計(jì)

潞安礦區(qū)壓力狀態(tài)為整體欠壓(圖5)，煤儲(chǔ)層壓力梯度較低，在0.65MPa左右，且與15煤儲(chǔ)層壓力梯度較為接近趨于統(tǒng)一(圖6)。影響煤儲(chǔ)層壓力分布的控制性地質(zhì)因素為辛安泉域地下水流場(chǎng)，泉群在濁漳河地表出露的標(biāo)高決定礦區(qū)的地下水流場(chǎng)區(qū)域規(guī)律。潞安礦區(qū)的整體低壓條件不利于煤層氣的富集成藏。煤儲(chǔ)層的低壓還影響了煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力，進(jìn)而影響了儲(chǔ)層滲透率，低壓可能是造成該區(qū)域滲透率較低的重要地質(zhì)因素之一。不僅如此，低壓儲(chǔ)層對(duì)煤儲(chǔ)層水力壓裂改造非常敏感，存在造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 水動(dòng)力條件

水化學(xué)封閉指數(shù)是評(píng)價(jià)地下水環(huán)境封閉程度的重要因素。表2為研究區(qū)內(nèi)常村礦水質(zhì)離子統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明，常村礦封閉指數(shù)相對(duì)較高，表明該礦山西組煤層水動(dòng)力環(huán)境相對(duì)較為封閉，對(duì)煤層氣的保存較為有利。

表2 常村礦水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

潞安礦區(qū)山西組水位自西北向東南逐漸降低，表明礦區(qū)向東南部徑流排泄(圖7)，同時(shí)在余吾礦及礦區(qū)東南部礦化度較高(圖8)，可能為地下水滯留區(qū)，有利于煤層氣的富集成藏，余吾礦附近的常村礦封閉指數(shù)較高，與該區(qū)附近礦化度較高相一致。

圖7 潞安礦區(qū)山西組水位圖

圖8 潞安礦區(qū)山西組礦化度圖

2.6 煤儲(chǔ)層滲透性

研究區(qū)內(nèi)屯留區(qū)塊試井滲透率介于0.02895～0.946mD，平均0.34mD，滲透率較低。

根據(jù)井下揭露處煤層觀察，潞安礦區(qū)外生裂隙發(fā)育數(shù)量較少，主要有兩組NW～NNW和NE～NEE向，大部分無充填。內(nèi)生裂隙主要發(fā)育有兩組，面割理走向?yàn)?05°～359°，端割理走向在0°～44°之間，這兩組裂隙一般以高角度斜交或正交，且大體垂直于層理面，密度介于3～22條/m之間(表3)。裂隙大多無充填，部分被黃鐵礦、方解石等礦物質(zhì)充填。

表3 潞安礦區(qū)裂隙發(fā)育特征表

綜上，潞安礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層物性具有以下特點(diǎn)：煤層變質(zhì)程度高，厚度大，埋深適中；煤層含氣量較高但含氣飽和度低，儲(chǔ)層壓力梯度低為欠壓儲(chǔ)層，部分區(qū)域地下水環(huán)境較為封閉適宜煤層氣保存，滲透性較差為低滲儲(chǔ)層。與晉城礦區(qū)相比，在煤級(jí)變化基本相似的條件下，在煤層氣含量及滲透性方面均處于劣勢(shì)。因此對(duì)于地面煤層氣開發(fā)來說，尋找圈定煤層氣的富集高滲甜點(diǎn)區(qū)，是確保地面開發(fā)成功的必要條件。

3 結(jié)論

基于潞安礦區(qū)主力煤層3號(hào)煤煤田勘探資料及煤層氣試井資料，綜合評(píng)價(jià)了其儲(chǔ)層物性。得到以下結(jié)論：

(1)潞安礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層煤層變質(zhì)程度高，厚度大，厚度在4m左右，埋深適中，大部分埋深小于1000m；煤層含氣量較高但含氣飽和度低，平均含氣量在10m3/t左右。儲(chǔ)層壓力梯度低為欠壓儲(chǔ)層，部分區(qū)域地下水環(huán)境較為封閉適宜煤層氣保存，滲透性較差為低滲儲(chǔ)層。

(2)與晉城礦區(qū)相比，在煤級(jí)變化基本相似的條件下，在煤層氣含量及滲透性方面均處于劣勢(shì)。因此對(duì)于地面煤層氣開發(fā)來說，尋找圈定煤層氣的富集高滲甜點(diǎn)區(qū)，是確保地面開發(fā)成功的必要條件。