準東煤田某煤礦煤層氣資源評價

鄧韜

摘要:分析了低變質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,預測了本煤礦的煤層氣資源量。

關鍵詞:準東煤層氣生成富集資源評價

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

1 概況

準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,區內無地表水體。構造位置屬白楊河—南阜康背斜的中段之小龍口背斜北翼,F2和F3斷層以北,井田構造形態為向南陡傾的單斜構造,發育次級逆斷層。

井田內出露的地層有上三疊統郝家溝組(T3h)、下侏羅統八道灣組(J1b)、第三系中—上新統昌吉河群(Nch)及第四系;含煤地層為侏羅系下統八道灣組(J1b)。含煤地層平均厚700.57m,含多層煤層、煤線。全區發育較好的煤層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鉆進至499.66m,ZKB208鉆孔鉆進至240m時發生涌氣現象,由于氣體壓力較大,出現頂鉆現象,最終導致鉆孔無法繼續施工而報廢(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

煤巖研究結果表明,煤的顯微煤巖組分中鏡質組主要生成天然氣,亦可生成少量石油;惰質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組含量密切相關,但生氣能力與鏡質組分的含量有密切關系。

在低煤級煤層中,隨煤級的增長,煤層中的氣態烴—煤層氣也會相應增加;隨鏡質組含量的增加,其所吸附的煤層氣也會相應增加,二者大致呈正相關關系。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。

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

2.2 煤的變質作用與煤層氣的生成

隨著煤的變質程度升高,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,隨著煤的變質程度的不斷提高,煤層氣含量有明顯變高的趨勢。

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

根據煤質化驗資料,煤礦區煤層鏡質組最大反射率為0.56%～0.59%,平均為0.57%,煤的變質程度屬低變質階段的I段,與其相應的煤類為長焰煤。

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

煤礦區煤層的有機質演化過程為第一階段,即長焰煤后期階段,鏡質組反射率在0.6%左右。此時,煤中有機質化學結構中的含氧基團大量脫落,導致酸性下降,腐植酸逐漸演變成腐殖質,脫落的羧基和甲氧基是生成二氧化碳氣體的主要物質來源。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,導致氧含量降低和發熱量增高。此時油氣演化進入生油門限,鏡質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

通過對煤礦區鉆孔采取瓦斯樣,現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化帶。一般將甲烷含量80%的深度定義為煤層氣風化帶下限。

通過對煤礦區鉆孔實測甲烷含量和煤層埋深的統計分析,建立甲烷含量與埋深的關系,對煤層甲烷含量與煤層埋深進行線性回歸,建立了相應的數學關系模型,來反映煤層埋深與甲烷含量的關系。通過回歸曲線可以得知,勘查區內煤層氣風化帶下限為煤層埋深320m處。依據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 構造類型與煤層氣富集

煤礦區總體構造為一向南陡傾的單斜構造(見圖1),為背斜的一翼,構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,為一沿軸部發生斷裂的不對稱的倒轉背斜。煤礦區南部邊界的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°;北翼為倒轉翼,地層走向100°左右,走向在1～2線間穩定,2線以東有緩波狀彎曲,倒轉產狀要素為: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°,深部較穩定在70°左右;1線以西傾向180°～210°,傾角60°～85°。背斜構造的兩翼與軸部中和面以下表現為壓應力,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,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狀和分布。F3斷層是在F2斷層總的應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,這種斷層所產生的裂隙通常處于閉合狀態,斷層面兩側的巖層被緊壓;另一方面,斷層的位移往往使致密的泥質巖層與煤層相接觸,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鉆進至499.66m,ZKB208鉆孔鉆進至240m時發生涌氣現象,顯然是斷層的影響使得該地段含氣量增高的原因。在斷層位置由于構造作用使煤層氣聚集,當鉆進至斷層下盤時,壓力釋放產生噴氣現象。

5.2 煤層圍巖及蓋層與煤層氣富集

(1)圍巖封閉類型

通過對區內鉆孔的巖性進行統計,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,在裂隙不發育的情況下,泥質含量大于40%的泥巖和泥質粉砂巖對煤層氣的保存有利。

(2)頂底板的封閉類型

煤礦區煤層頂底板巖性從封閉性能上,粒度越細,封閉性越好。通過對煤礦區主要煤層的頂底板巖性按粗碎屑巖(礫巖、粗砂巖、中砂巖)、細碎屑巖(細砂巖、粉砂巖、泥巖)作了統計,煤層頂底板細碎屑巖均占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A61煤層厚度最大可達30.25m,平均12.11m。A62煤層厚度最大可達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,一般情況下不易發生運移,構成了煤層氣保存的有利場所。

5.4 水文地質條件與煤層氣富集

煤礦水文地質條件屬簡單類型,煤系地層上部和下部之間水力聯系不密切,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。

根據對煤礦區鉆孔實測瓦斯含量和煤層埋深的統計分析,對A5、A61、A62煤層整體瓦斯含量與煤層埋深進行線性回歸,建立了相應的數學關系模型,來反映煤層埋深與煤層瓦斯含量的關系,通過回歸曲線不難發現,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/儲量規范》DZ/T0216－2002,估算的煤層氣資源量為內蘊經濟的、預測的。

在煤層氣風化帶內的煤層氣資源,缺乏開發利用價值,不列入資源估算。本區煤層氣風化帶深度為320m(標高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果。按照分煤層、分水平對計算的煤炭資源量進行統計。

6.3 煤層氣含量

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

6.4 估算結果

根據上述的煤層氣資源量估算方法以及確定的各種參數,分別估算出煤礦區各煤層的煤層氣資源量,煤層氣資源總量為6.47×108m3。煤礦區含煤面積3.16km2;預測的煤層氣資源量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 結語

瓦斯事故是煤礦安全生產最大威脅之一。新疆近年來也發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,高瓦斯礦井數量也在不斷增加,瓦斯突出事故時有發生。本文要傳達的一個信息就是,不論何種變質程度的煤層,當其在埋深、構造環境適宜的情況下,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、石巷的掘進帶來不安全因素,無論是井下監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。

參考文獻

[1] 中華人民共和國地質礦產行業標準.煤層氣資源/儲量規范,DZ/T0216-2002.

[2] 何選民.煤化學.冶金工業出版社,2010.

[3] 傅雪海,秦勇.等.煤層氣地質學.中國礦業大學出版社,2007.