李明1,2 姜波1,2 蘭鳳娟1,2 張貴山3
基金項目:國家自然科學重點基金項目(40730422);國家自然科學基金項目(40672101);國家科技重大專項項目(2008ZX05034)。
作者簡介:李明,1987年生,男,安徽宿州人,博士研究生。Tel:13151981375,Email:cumtmingli@hot-mail.com
(1.中國礦業大學資源與地球科學學院 江蘇徐州 2211162.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室 江蘇徐州 2210083.貴州發耳煤業有限公司 貴州六盤水 553017)
摘要:通過發耳煤礦地質背景和含氣性數據的分析,對煤層氣的賦存特征及其在層序和空間上的分布規律進行了研究。結合等溫吸附實驗、壓汞實驗和煤儲層變形特征觀測,進步探討了煤儲層物性。結果表明,發耳煤礦煤層氣具有較高的甲烷濃度、甲烷含氣量和含氣量梯度。含氣量和含氣量梯度具有層序上的波動性變化,主要為各煤層吸附性的差異和煤層氣儲層壓力系統的分布所致。受楊梅樹向斜和地形發育的影響,現今煤層含氣量呈“北高南低,NE向展布”的分布格局。煤層裂隙系統多受到構造改造,其發育和連通程度均有所改善,同時也促進了煤中大孔和中孔的發育。煤儲層理論含氣飽和度多低於60%,處於欠飽和狀態。發耳煤礦具有良好的煤層氣開采前景。
關鍵詞:發耳煤礦煤層氣成藏特征含氣量儲層物性
Characteristics of Coalbed Methane Reservoirs in Faer Coal Mine, Southwest China
LI Ming1,2 JIANG Bo1,2 LAN Fengjuan1,2 ZHANG Guishan3
( 1. School of Resource and Earth Science, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China 2. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir-forming Process, China Ministry of Education, Xuzhou 221008, China 3. Guizhou Faer Coal Co., LTD, Liupanshui, Guizhou 553017, China)
Abstract: Based on analysis of the geological background and gas content data in Faer coal mine, we dis- cussed the occurrence characteristics of coalbed methane (CBM) and its distribution along the stratigraphic se- quence and in coal seams. We analyze the methane adsorption isotherm experiments, reservoir deformations and mercury intrusion porosimetry (MIP), and further discuss the reservoir physical properties. The results show that CBM in the Faer coal mine is high in gas content, methane concentration and gas content gradient. Its gas content and gas content gradient fluctuate with the stratigraphic sequence that mainly caused by the difference in absorption capacity of each coal seam and distributions of CBM reservoir pressure systems. The Yangmeishu synclinorium and topography are the main controlling factors that affect the current distribution pattern of CBM, which is higher in the north than in the south and has a northeastern trend. The gas saturation is generally lower than 60%, mainly undersaturated CBM reservoirs. Combined with well-developed brittle fractures, macropores, and mesopores, which formed by structural modification. The exploration prospect of Faer CBM is good.
Keywords: Faer coal mine; coalbed methane; occurrence characteristics; gas content; reservoir physical properties
黔西煤田煤層層數多、累計厚度大,煤層含氣量高,煤層氣資源豐度高、資源儲量大,其開發利用有利於緩解我國南部能源需求的壓力和減少煤礦生產事故的發生(秦勇等,2008;Gao et al.,2009;姜波等,2009)。
發耳煤礦位於貴州省六盤水市南部,面積約92km2,可采煤層19層。煤層含氣量較高,經估算本煤礦埋深1000m以上的煤層氣資源總量達43.29×108m3。本文對該區煤層氣的賦存、分布及其成藏特征進行了系統研究,為進壹步的煤層氣開發和礦井瓦斯災害的防治提供了壹定理論依據和指導意義。
1 煤層氣賦存地質條件
1.1 地層和含煤地層
井田內出露地層有上二疊統峨眉山玄武巖組(P3β)、龍潭組(P3l)、下三疊統飛仙關組(T1f)、永寧鎮組(T1yn)及第四系(Q)。上二疊統龍潭組為礦區主要含煤地層,厚344~487m,含煤47~78層,平均煤層總厚45.28m。其中,可采煤層19層,為1、3、5-2、5-3、7、10、12、13-1、13-2、14、15-2、16、17、21、23-1、23-2、29-1、29-3、33煤層,平均厚度為26.82m。可采煤層的煤巖類型及其煤質特征如表1所示。
表1 發耳煤礦煤層和煤質特征統計表
續表
1.2 構造
發耳煤礦地處上揚子地臺黔北隆起六盤水斷陷普安旋扭構造變形區的北段(王鐘堂,1990),緊鄰北部威寧NW向構造變形區。位於NE向延伸的楊梅樹復向斜的SE翼(徐彬彬等,2003)。研究區北部NWW向格目底向斜、南部NWW向土城向斜、西部NNE向的寶山向斜以及東部NNE向格所河背斜***同構成了發耳菱形構造(樂光禹等,1991,1994)。其中,NE-SW向展布的寶山向斜、大寨背斜、楊梅樹復向斜和格所河背斜表現為緊閉背斜與寬緩箱狀向斜平行發育的隔檔式褶皺組合特征。而受邊界斷裂發育的影響,北部威寧-紫雲斷裂SW盤的格目底向斜與臺沙壩背斜、南部照子河斷裂NE盤的照子河向斜與土城向斜均表現為較為緊閉的、不對稱褶皺,褶皺軸面均指向邊界斷裂,背斜表現為緊陡、尖頂,甚至被核部發育的逆斷層所破壞,也表現為隔檔式褶皺組合;中部的楊梅樹復向斜和哈箐地背斜則較為平緩寬廣,呈不對稱箱狀,地層傾角壹般為10°~20°,跨度17km左右。區內斷裂構造以走向NE30°左右的正斷層為主,其次為走向NW20°~30°左右的逆斷層,其他方向的斷層也有所發育。研究區菱形構造邊緣帶的構造變形要強於內部區域、NW向構造較NE向構造變形強烈,變形較強的構造呈條帶狀線性產出,而變形較弱的則表現為區塊狀,整體表現出“帶塊相間,菱形組合”的構造格局。
楊梅樹復向斜為影響井田地層分布的主要褶曲,同時井田內還發育有NW向的馬龍向斜和芭蕉塘背斜以及NE向的老發耳背斜(圖1)。地層走向總體上呈NE-SW向展布,傾向NW,傾角壹般10°~15°。斷層以正斷層為主,可分為走向NW和NE方向的兩組,前者分布於井田西南部,和周圍走向近SN、EW的形成壹系列的較為復雜的斷層組合模式;後者則稀疏分布於井田東北部,呈較寬緩的地壘和地塹(圖2)。礦井構造主要為燕山期構造活動的產物(毛健全等,1999)。
1.3 水文地質
龍潭組(P3l)富水性弱,主要為裂隙水,部分區域具承壓性質。上覆地層飛仙關組(T1f)下段幾乎不含水,屬隔水層;上段含少量的裂隙水,富水性弱。下伏地層峨嵋山玄武巖組(P3β)含裂隙水,其含水性弱,並具壹定的承壓性。研究區含煤地層及其上覆和下伏地層的弱含水性和壹定的承壓性整體上有利於該地區煤層氣的保存和富集。
圖1 發耳煤礦16煤層底板等高線及構造綱要圖
圖2 AA′構造剖面圖(剖面線位置見圖1)
研究區屬中高山地貌,南部地表呈較開闊的谷地或緩坡地形,北部則為三疊系地層形成的陡峭桌狀山,壹般相對高差300~400m(圖2)。發耳河和北盤江流經井田,復雜的地形分布與地表水系的發育必然造成龍潭組水頭分布的復雜化,進而影響到煤層氣的分布。
2 煤層含氣性
2.1 層序分布特征
研究區***進行了125件煤層含氣量和氣體組分的測試,對其統計結果顯示:煤層含氣量為3.94~35.94m3/t,平均13.58m3/t;成分以CH4為主,CH4濃度平均為91.81%(圖3)。各煤層的甲烷平均含量均在10m3/t以上且有著隨煤層層位的降低而增高的總體趨勢(圖4)。同時,煤層含氣量隨層序的降低仍存在壹定的波動性變化,其中10、15-2、17、23-2和29-1煤層的平均含氣量相對較高,達到了15~19m3/t。這種波動性變化在各煤層甲烷含量梯度的變化曲線中則反應得更為明顯,其變化趨勢與煤層的含氣量變化曲線基本壹致(圖4),並在10、17和23-2煤層,甲烷含量梯度達到了相對最高值。煤層的儲層壓力和煤層自身的吸附性是影響含氣量的關鍵因素,可見煤層含氣量隨著層位波動性的變化主要是受各個煤層吸附性差異和煤層氣儲層壓力系統分布的影響。
圖3 煤層氣甲烷含量和濃度與埋深關系圖
圖4 各煤層含氣量、含氣梯度統計圖
圖5 7煤層甲烷含量與煤層埋深關系圖
圖6 煤層甲烷含量梯度與埋深關系圖
2.2 垂向分布特征
隨著煤層埋深的增加,煤層氣甲烷的含量和濃度總體上均有增大趨勢(圖3、5),但其隨埋深線性增大的離散性較大;說明了其他地質因素仍有較強的影響作用。在煤層埋深為500~800m階段的測試數據反映出較大的煤層埋深但含氣量卻相對較低的現象(圖3),在煤層甲烷含量梯度隨煤層埋深的增加而降低的趨勢圖中,則表現為該段埋深的煤層的含氣量梯度低於整體趨勢值(圖6)。通過原始數據的分析發現,此段異常點集中出現在位於高海拔區的1012、J1106、J1107和J1406鉆孔以及J1004和J1403鉆孔的33和34煤層(圖2),同時煤層瓦斯壓力測試表明:高海拔區的1012鉆孔相對於正常區域也有瓦斯壓力梯度相對較低的現象(圖7)。該段異常點的甲烷濃度卻仍然很高,平均值為96.17%(圖3),表明未發生由於煤層導通於外界大氣而產生的散失作用。
深部28、29-1、29-3、33和34煤層的含氣梯度均相對較低(圖4),雖然這些煤層的變質程度相對較高,在煤化過程中生成了更多的氣體,但由於煤層薄、不穩定,煤巖比低,使得所產生的氣體發生了較多的運移、散失至煤層的上覆和下伏地層系統中。區內高海拔區的鉆孔由於周圍地勢陡峭,海拔突變,壹方面使得地下水位標高據地表標高較遠,使得儲層壓力相對減小,另壹方面,煤層氣在垂向運移約至地表低處標高時則發生沿著地層的側向運移散失,使得煤層的有效封蓋埋藏深度的降低,進而導致含氣梯度的降低。
2.3 平面分布特征
煤層含氣量在平面上表現出明顯的分區性特征(圖8),發耳河以南地區含氣量普遍偏低,含氣量等值線稀疏,僅中部區域含氣量達到10m3/t,東部和南部被煤層露頭所環繞,成為煤層氣散失的窗口而導致含氣量的較低。含氣量等值線在西部和北部的分布則受北盤江和發耳河的控制,流經井田的河流作為地下水的排泄通道造成河流兩岸地下水位的降低,從而導致河流兩岸煤層氣含量相對較低。發耳河以北地區含氣量較高,壹般均大於15m3/t,井田西北部含氣量預計可達到35m3/t左右,含氣量等值線較為密集,反應平面上含氣量變化梯度較大,東北部1204、J1306和J1405鉆孔壹帶存在含氣量相對低值帶,主要是受地表山谷、河流發育的影響,南部同樣是受煤層露頭和發耳河發育的影響而使含氣量相對較低。現今煤層含氣量這壹“北高南低,NE向展布”的分布格局主要受控於楊梅樹復向斜和地形的發育。
圖7 部分鉆孔煤層瓦斯壓力測試結果
3 煤儲層物性
3.1 儲層孔滲性
通過壓汞實驗對1和3煤層的14件煤樣的孔隙度、孔容、孔比表面積和孔徑結構進行了測定(表2),在孔徑結構劃分上采用霍多特(1966)的標準,以1000nm、100nm和10nm作為分界點,將孔徑劃分為大孔、中孔、過渡孔和微孔。可見煤中孔隙以微孔為主,占41.29%(圖9);大孔次之,占24.86%,過渡孔和中孔則分別占20.98%和12.86%。
圖8 發耳煤礦1、3、5-2和7煤層含氣量等值線圖
表2 壓汞實驗和等溫吸附實驗數據統計表
註:3.81~7.01/5.16格式為:最小值-最大值/平均值。
煤層中多發育2~3組裂隙,以構造或構造改造成因的裂隙為主(圖10),以“X”型***軛剪節理、斜交裂隙、順層裂隙等形態產出;3、5-2、13-1、29-1和29-3煤層內生裂隙較發育,呈壹組或兩組垂直於層面的裂隙產出。顯微裂隙觀察發現同組裂隙可呈階梯狀、雁列狀或緩波狀產出,兩組或多組裂隙常呈較大角度相交、匯合,交匯區域多派生不穩定次級小裂隙,裂隙連通性較好。
3.2 煤層吸附性
發耳煤礦煤層等溫吸附實驗(幹燥基煤樣)表明,1、3和5-2煤層的蘭氏體積VL為23.55~27.18m3/t,蘭氏壓力PL為0.82~0.95MPa(表2,圖11),結合含氣量測試數據可推算出1煤層的理論含氣飽和度S理平均為48.92%;3煤層理論含氣飽和度S理平均為45.62%;5-2煤層理論含氣飽和度S理平均為52.36%。煤儲層理論含氣飽和度多低於60%,處於欠飽和狀態。
圖9 1和3煤層各階段孔容分布圖
圖10 煤體宏觀及顯微變形特征
圖11 發耳煤礦1、3和5-2煤層等溫吸附曲線圖
4 結論
(1)發耳煤礦煤層氣資源豐富,煤層氣具有較高的甲烷濃度、甲烷含氣量和含氣量梯度,其含氣量和含氣量梯度具有層序上的波動性變化,主要為各煤層吸附性的差異和煤層氣儲層壓力系統的分布所致。
(2)垂向上500~800m埋深階段的煤層低含氣量梯度的現象主要為底部28~34煤層的厚度薄、不穩定、煤巖比低和位於高海拔區煤層氣發生側向運移所致。受楊梅樹向斜和地形發育的影響,現今煤層氣含氣量在平面上呈“北高南低,NE向展布”的分布格局。
(3)煤層裂隙系統多受到構造改造,其發育和連通程度均有所改善,同時也促進了煤中大孔和中孔的發育。煤儲層理論含氣飽和度多低於60%,處於欠飽和狀態。發耳煤礦具有良好的煤層氣開采前景。
參考文獻
霍多特.1966.宋世釗,王佑安譯.煤與瓦斯突出.北京:中國工業出版社
樂光禹,張時俊,楊武年.1994.貴州中西部的構造格局與構造應力場,地質科學,29(1),10~18
樂光禹.1991.六盤水地區構造格局的新探討,貴州地質,8(4),289~301
毛健全,顧尚義,張啟厚.1999.右江—南盤江裂谷構造格局,貴州地質,16(3),188~194
秦勇,熊孟輝,易同生等.2008.論多層疊置獨立含煤層氣系統——以貴州織金—納雍煤田水公河向斜為例,地質論評,54(1),65~70
姜波,秦勇,琚宜文等.2009.構造煤化學結構演化與瓦斯特性耦合機理,地學前緣,16(2),262~271
王鐘堂.1990.黔西煤田構造及其演化,中國煤田地質,2(3),13~17
徐彬彬,何明德.2003.貴州煤田地質,徐州:中國礦業大學出版社
Gao, D., Qin, Y., Yi, T.S., 2009.CBM geology and exploring-developing stratagem in Guizhou province, China, Procedia Earth and Planetary Science, 1 (1), 882～887