李金龍，李 倩，蔡益棟，陳 偉，陳志柱，王 堅(jiān)，薛曉輝

(1.云南省煤田地質(zhì)局，云南 昆明 650034；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；3. 北京福瑞寶能源科技有限公司，北京 100176；4. 云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司，云南 昆明 650034)

0 引 言

我國煤層氣資源豐富，地質(zhì)資源量約為36.8×1012m3，占世界煤層氣總量的12%[1]。煤層氣作為非常規(guī)能源體系中的重要組成部分，其勘探開發(fā)對保障國家能源安全、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)均有重要意義[2-5]。云南老廠礦區(qū)煤儲層面積514.41 km2，各煤層甲烷含量 5.40～38.74 m3/t，一般在10 m3/t 以上。全區(qū)煤層氣869.62 億m3，資源豐度1.69 億m3/km2，其中淺部含氣豐度 0.21～1.34 億m3/km2[6]。前人針對老廠礦區(qū)煤層氣賦存地質(zhì)條件[7]、儲層特征及孔裂隙結(jié)構(gòu)[8]、水文地質(zhì)特征[9]、煤層氣成藏條件[10]、煤層氣可動性、氣井產(chǎn)能特征及其影響因素[11-12]、氣水成因[13]等開展了研究，但針對區(qū)域資源特征仍缺乏系統(tǒng)性的研究；因此，本文擬針對老廠礦區(qū)煤層發(fā)育、煤巖特征、物性特征、煤層吸附性及含氣性等富集采出關(guān)鍵要素開展分析，評價(jià)區(qū)內(nèi)煤層氣地質(zhì)條件和資源潛力，為該區(qū)煤層氣選區(qū)、井位部署和后期優(yōu)化開發(fā)方案提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

老廠礦區(qū)是我國西南地區(qū)重要的煤炭及煤層氣富集區(qū)之一[8]，構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶曲靖臺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[14](圖1)。老廠礦區(qū)為滇東各礦區(qū)中受海侵影響最大、海陸交互相沉積最明顯的礦區(qū)。礦區(qū)地層下部為海相灰?guī)r夾碎屑巖，中部為潟湖潮坪濱海湖沼沉積相富煤沉積地層，上部為濱海平原到短期海侵交替沉積環(huán)境下的含煤沉積地層[15-16]。沉積期間構(gòu)造快速沉降，煤系地層厚度大，上覆地層也較厚。受區(qū)域地溫異常等因素的影響，本區(qū)煤變質(zhì)程度較高。

圖1 老廠礦區(qū)勘查區(qū)位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Laochang block

區(qū)內(nèi)出露地層有古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系及新近系、第四系地層。缺失震旦系上統(tǒng)、奧陶系上統(tǒng)及下統(tǒng)、志留系下統(tǒng)及中統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)、侏羅系、白堊系等地層。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，含煤地層平均總厚461.41 m，層數(shù)較多，且大多可采。一般含煤27～42層，含煤總厚36.02 m，其中含可采或局部可采煤層15層，平均總厚27.61 m。其中，C7+8、C13、C16、C194個煤層是區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)層段。此外，含煤地層由泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層及菱鐵巖等互層交替組成。煤層頂?shù)装宥酁楹穸炔坏鹊哪鄮r或炭質(zhì)泥巖，具有較好的封閉性，煤層氣生儲蓋疊置分布(圖2)[17]，有利于煤層生氣后的富集和保存[2, 5]。

圖2 老廠礦區(qū)雨汪區(qū)塊含煤地層綜合柱狀圖[13]Fig.2 Stratigraphy for coalbeds in the Laochang Block[13]

2 煤儲層特征

2.1 煤層特征

老廠礦區(qū)內(nèi)部分煤層有向深部變薄、分叉合并的變化趨勢。煤層總體變化規(guī)律為：(1)煤層結(jié)構(gòu)在垂向上，自下而上由復(fù)雜到簡單；(2)煤層層間距變化大，平均間距多在3～10 m之間，部分煤層層間距較小，有分叉合并現(xiàn)象；(3)煤層厚度穩(wěn)定性在垂向上，自下而上有從不穩(wěn)定→較穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定變化的規(guī)律。目標(biāo)煤層C7+8厚度介于0～9.50 m之間，平均厚2.72 m，在全區(qū)平均厚度最大，屬穩(wěn)定可采的中厚煤層；C13煤層厚度為0～13.34 m，平均厚2.28 m，層位穩(wěn)定，屬較穩(wěn)定的全區(qū)大部可采的薄-中厚煤層；C16煤層厚度在0～9.16 m之間，平均厚1.74 m，屬穩(wěn)定的全區(qū)基本可采的中厚煤層；C19煤層厚度為0～12.52 m，平均厚2.68 m，屬全區(qū)基本可采、較穩(wěn)定的薄-中厚煤層。煤層厚度不僅會影響煤層氣的資源量，還會影響其逸散和保存作用[18]。煤儲層中有機(jī)質(zhì)含量隨煤層厚度增加而增多，因而煤層越厚，生氣量也會隨之增加[19]，并且當(dāng)構(gòu)造較為穩(wěn)定時(shí)，相同煤階的煤層越厚，含氣量就越高[20]。

2.2 煤巖特征

老廠礦區(qū)煤巖以構(gòu)造煤為主。各煤層裂隙較為發(fā)育，易破碎成塊粒煤或粉粒煤。宏觀煤巖類型主要有光亮型、半亮型和半暗型。4套主采煤層中，C7+8、C13、C16煤層以半亮型為主， C19煤層為半暗-暗淡型。有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，殼質(zhì)組次之，含少量惰質(zhì)組。鏡質(zhì)組含量普遍大于60%，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)體次之。其中無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體以均質(zhì)和基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，少見團(tuán)塊鏡質(zhì)體。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較差，其中細(xì)胞腔少數(shù)中空，多填充有黏土礦物及碳酸鹽礦物和其他顯微組分。而殼質(zhì)組以變碎屑?xì)べ|(zhì)體、變樹脂體、變樹皮體、變角質(zhì)體為主。惰質(zhì)組在煤巖組分中含量較少，以半絲質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體較多，其次為絲質(zhì)體，粗粒體所占比例很少。煤巖組分中無機(jī)礦物含量差異較大，介于1.90%～60.70%之間，平均為20.28%。主要類型有黏土、硫化鐵、碳酸鹽、氧化硅4大類，以黏土為主。大部分礦物都與有機(jī)質(zhì)混生，常被基質(zhì)鏡質(zhì)體“膠結(jié)”，部分充填于細(xì)胞腔或裂隙當(dāng)中。各煤層原煤灰分產(chǎn)率介于8.13%～57.22%之間，平均為22.53%，屬于中灰煤。煤層灰分產(chǎn)率在垂向上總體表現(xiàn)為由上往下增大的趨勢，到C19煤層達(dá)到最大。各煤層原煤全硫含量介于0.05%(C2煤層)～12.78%(C17煤層)之間，平均值一般在1%～2%之間，以中-高硫煤為主。各煤層全硫含量在垂向上總體表現(xiàn)為從上至下增加的趨勢，至C17煤層最高(達(dá)4.49%)。上部(C2—C16)煤層全硫平均值為1.06%～2.53%，下部(C18—C19)煤層為1.88%～4.46%，其中C18、C19煤層全硫大于3%(表1)?？傮w來看上部煤層煤質(zhì)較好，而下部煤層煤質(zhì)較差，煤層受外力擾動易碎，導(dǎo)致煤層滲透性變差[21]。

表1 老廠礦區(qū)可采煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 老廠礦區(qū)各煤層微觀裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)

2.3 物性特征

我國不同區(qū)域煤巖變質(zhì)作用類型差異較大，但總體表現(xiàn)為：中低階煤多經(jīng)歷深成變質(zhì)作用，而高煤階則是在深成變質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)多期次和多熱源變質(zhì)作用疊加形成[22-24]。研究區(qū)各煤層鏡質(zhì)組最大反射率在2.54%～2.80%之間，平均值為2.64%，屬于高階煤。煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育程度主要與構(gòu)造應(yīng)力的后期改造破壞緊密相關(guān)，近斷層處和褶皺擠壓較強(qiáng)部位節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層主裂隙與次裂隙近直角相交，近垂直層理，裂隙走向大體一致，并且多被方解石、黃鐵礦、氧化物等物質(zhì)充填。4套主力煤層當(dāng)中，C13煤層的微觀裂隙發(fā)育程度最好，但由于受礦物填充影響，連通性變化較大，C14煤層的微觀裂隙發(fā)育程度最差(表2)。

總體而言，上部煤層裂隙較為發(fā)育，但長度和密度較小，部分裂縫被方解石脈或黃鐵礦所充填，裂隙連通性可能較差，會影響煤層滲透率的發(fā)育[25-26]。中部煤層裂隙發(fā)育，密度較大，連通性相對較好。下部煤層裂隙發(fā)育程度和連通性變化較大，裂縫同樣有被礦物充填的現(xiàn)象。

研究區(qū)的煤層孔隙度介于1.30%～16.75%之間，平均4.96%；C7+8、C13、C16、C194個目標(biāo)煤層的孔隙度介于1.30%～11.98%之間，平均4.85%，其中C7+8煤層的孔隙度最小，C16煤層的孔隙度最大(圖3)。

圖3 老廠礦區(qū)各煤層孔隙度層位分布圖 Fig.3 Porosity distribution map of each coal seam inLaochang block

基于試井滲透率測試，研究區(qū)內(nèi)煤層滲透率相對較低(表3)，介于0.005 6～0.780 0 mD之間，平均0.135 4 mD，以中低滲儲層為主。試井滲透率隨層位降低無明顯規(guī)律性變化的趨勢，可能是試井過程中煤層結(jié)構(gòu)被破壞，或是由于煤儲層自身具有的強(qiáng)各向異性[27]和非均質(zhì)性[28]所致。C7+8煤層試井滲透率介于0.005 6～0.136 0 mD之間，平均為0.070 8 mD；C13煤層試井滲透率為0.016 0～0.023 0 mD，平均值是0.019 5 mD；C16煤層試井滲透率為0.200 0～0.780 0 mD，平均為0.490 0 mD；C19煤層試井滲透率為0.025 0～0.080 0 mD，平均為0.052 5 mD。4套主力煤層，C16煤層滲透性最好，屬中滲儲層；C13煤層最差，屬低滲儲層；C7+8煤層和C19煤層介于兩者之間，屬中低滲儲層。總體上具有隨煤層埋深增加滲透率呈現(xiàn)變小的趨勢。

研究區(qū)主要煤儲層壓力介于1.21～12.41 MPa之間，平均為8.34 MPa；儲層壓力梯度處于0.65～2.73 MPa/hm范圍內(nèi)，平均為1.07 MPa/hm(圖4)。煤儲層壓力隨埋深增加而增大，壓力梯度隨埋深增加逐漸減小。煤儲層的壓力系統(tǒng)決定煤層氣產(chǎn)出的能量大小及有效驅(qū)動能量持續(xù)作用時(shí)間[29-30]。

表3 老廠礦區(qū)煤層氣井試井部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)各儲層能量總體上處于正常偏高，臨近正常壓力狀態(tài)，部分煤層為高壓儲層。4個目的煤層的儲層壓力在1.21～12.41 MPa內(nèi)，平均為7.26 MPa；壓力梯度為0.65～2.73 MPa/hm，平均值是1.07 MPa/hm。4個目的煤層處于正常儲層壓力狀態(tài)，為常壓儲層，地層能量較好。

圖4 目標(biāo)煤層儲層壓力與埋深關(guān)系 Fig.4 Relationship between reservoir pressure and burialdepth of target coal seams

3 煤層吸附性與含氣性

煤層含氣性與吸附性是計(jì)算煤層氣資源量和預(yù)測煤層氣井產(chǎn)能的重要參數(shù)之一，也是進(jìn)行煤層氣勘探與開發(fā)地質(zhì)選區(qū)的重要依據(jù)[31-32]。區(qū)內(nèi)主采煤層空氣干燥基蘭氏體積介于6.37～52.90 m3/t之間，平均為34.14 m3/t；干燥無灰基蘭氏體積處于15.21～52.55 m3/t范圍內(nèi)，平均值是34.55 m3/t；蘭氏壓力在0.51～3.53 MPa內(nèi)，平均值為1.60 MPa；吸附時(shí)間處于0.12～28.01 d之間，平均3.98 d。主采煤層吸附能力較強(qiáng)，并且隨煤層埋深增加而增強(qiáng)(圖5)，其可能是由于埋深影響下的儲層壓力和變質(zhì)程度增強(qiáng)了儲層吸附能力。

圖5 老廠礦區(qū)煤層蘭氏體積隨深度變化Fig.5 Curves of coal seam VL with depth in Laochang block

圖6 含氣飽和度與儲層壓力、實(shí)測含氣量、埋深關(guān)系Fig.6 Relationship between gas saturation and reservoir pressure, measured gas content and burial depth

區(qū)內(nèi)空氣干燥基含氣飽和度為7.44%～94.57%，平均34.51%；干燥無灰基含氣飽和度2.28%～97.89%，平均30.71%；同煤層空氣干燥基和干燥無灰基含氣飽和度的加權(quán)平均值為2.28%～96.23%，平均30.49%。整體表現(xiàn)為低含氣飽和度特征，其中C2煤層、C3煤層以及C9煤層的含氣飽和度均在10%以下。對研究區(qū)區(qū)各煤層含氣飽和度、儲層壓力、含氣量、埋深等因素展開分析，在區(qū)內(nèi)埋深504.64～1 225.39 m范圍內(nèi)，各煤層儲層壓力與埋深呈正相關(guān)。儲層含氣飽和度與實(shí)測含氣量的相關(guān)度較高，具體表現(xiàn)為含氣飽和度隨實(shí)測含氣量的增加而增大(圖6)，而儲層含氣飽和度同儲層壓力總體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7)。

圖7 儲層含氣飽和度與儲層壓力關(guān)系圖 Fig.7 Relationship between reservoir gas saturation andreservoir pressure

4 煤層資源潛力評價(jià)

本次研究采用體積法計(jì)算煤層氣資源量。經(jīng)計(jì)算，老廠礦區(qū)(道班房+雨汪)埋深2 000 m以淺含煤面積335.25 km2，煤層氣地質(zhì)資源量為1 395.10億m3，煤層氣資源豐度高達(dá)4.16 億m3/ km2。從平面分布來看，50%以上的煤層氣資源集中賦存在道班房區(qū)塊德黑向斜和箐口向斜，地質(zhì)資源量為727.55 億m3；道班房區(qū)塊南部煤層氣地質(zhì)資源量為396.62 億m3，占整個老廠礦區(qū)的28.43%；雨汪區(qū)塊地質(zhì)資源量270.93 億m3，占整個老廠礦區(qū)的19.42%。盡管道班房區(qū)塊的地質(zhì)資源量更多，但雨汪區(qū)塊的煤層氣資源均賦存于埋深1 000 m以淺，更有利于煤層氣開發(fā)。因此，雨汪區(qū)塊可作為煤層氣勘探開發(fā)首選區(qū)。

表4 老廠礦區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

表5 老廠礦區(qū)主要煤層煤層氣地質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)

從縱向分布來看，整個老廠礦區(qū)(道班房區(qū)塊+雨汪區(qū)塊)埋深1 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為422.82 億m3，占30.31%；埋深1 000～1 500 m煤層氣地質(zhì)資源量343.36 億m3，占24.61%；埋深1 500～2 000 m煤層氣地質(zhì)資源量628.91 億m3，占45.08%(表4)。

4套主采煤層中，C13煤層煤層氣地質(zhì)資源量為174.75 億m3，平均資源豐度0.53 億m3/km2，對全區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量貢獻(xiàn)率為12.53%；C19煤層煤層氣地質(zhì)資源量為136.18 億m3，平均資源豐度0.44 億m3/km2，對全區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量貢獻(xiàn)率為9.76%(表5)。經(jīng)計(jì)算，C7+8煤層煤層氣地質(zhì)資源量約190 億m3，C16煤層煤層氣地質(zhì)資源量約110 億m3。全礦區(qū)4套主采煤層的煤層氣地質(zhì)資源量總計(jì)超過600 億m3。各目的煤層預(yù)測煤層氣資源量均大于100 億m3，但平均地質(zhì)資源豐度屬中-低豐度，單一煤層煤層氣資源富集程度相對較低，需要采用合層開采的方式生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)云南老廠礦區(qū)煤層宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型和半暗型為主。煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，多為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體次之。煤層頂?shù)装寰心鄮r、粉砂巖等封閉性良好的蓋層，有助于煤層氣的保存。

(2)目標(biāo)煤層屬于高階煤，煤層孔隙度介于1.30%～11.98%之間，平均4.85%，各層裂縫均較為發(fā)育，受充填作用影響，滲透率具有隨煤層埋深增加而變小的趨勢，為中低滲儲層。

(3)目標(biāo)煤層整體上屬于常壓儲層，吸附能力較強(qiáng)，并且隨煤層埋深增加而增強(qiáng)；含氣飽和度整體偏低，呈現(xiàn)出與含氣量呈正相關(guān)、儲層壓力負(fù)相關(guān)的特征。

(4)老廠礦區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，煤層氣資源豐富。雨汪區(qū)塊范圍內(nèi)埋藏深度小于1 000 m的煤層氣資源量為270.93億m3，資源豐度為3.20億m3/km2，開采條件優(yōu)越，可作為后續(xù)煤層氣勘探開發(fā)首選區(qū)。