內蒙古二道嶺礦區煤層氣資源賦存條件分析

李金濤　李恒

摘要：二道嶺礦區位于賀蘭山煤田內，為小型含煤盆地，主要含煤地層是侏羅系中、下統延安組。本文通過對二道嶺礦區煤層氣資源賦存條件的系統分析，以及對已有地質資料的進一步研究，認為該區煤層氣成藏條件優越，煤儲層發育條件良好，煤變質程度較高，含氣性高，資源比較集中，資源類級和可靠程度高，具有較好的開發利用價值。

二道嶺礦區位于賀蘭山中段、阿拉善左旗境內，與寧夏汝箕溝礦區相鄰發育，中間隔以呼魯斯太背斜。礦區呈長軸為北東向之不對稱菱形，礦區西部、北部以小松山逆斷層為界，東部、南部以煤層露頭為界。二道嶺礦區作為內蒙古自治區內高瓦斯礦區之一，一直致力于煤層瓦斯利用的研究。目前該礦區內利用煤層瓦斯發電項目已初具規模，多處瓦斯發電項目已并網發電。因此，加快該區的煤層氣資源研究及勘探開發工作，對改善地方經濟及加快能源結構調整具有重要意義。

1.含煤地層與煤層

二道嶺礦區主要含煤地層是侏羅系中、下統延安組，煤系地層出露于賀蘭山的二道嶺、汝箕溝等地，屬陸相含煤沉積。巖性為灰、灰白、灰黑色砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、炭質泥巖，夾煤層，底部常為粗砂巖或礫巖，局部含油頁巖和菱鐵礦結核。巖性、巖相較穩定，厚度90m～227m，與下伏延長群假整合接觸。

區內延安組為一套河湖沼澤相沉積。沉積韻律及煤層厚度變化有序。泥炭沼澤的沉積背景和沼澤同期的碎屑活動控制著煤層厚度的變化。厚煤層的形成與河流一三角洲體系活動水道兩側的泛濫盆地有關，與廢棄的三角洲朵體及分流間灣有關。

區內延安組煤層平均總厚26.42m，可采總厚18.07m。含煤面積約25.9kmz，累計探獲資源量為7.25億噸，含煤預測區面積約33.28km2，資源量約為4.77億噸。區內可采煤層11層，煤層編號為一、二1上、二1、二2、二3、二4、三、四、五、七1、七2煤層。其中二1、二2、二3、三煤層厚度較大，且分布相對穩定，是主力煤儲層。延安組平均煤層總厚26.42m，可采總厚18.07m。該組巖性、巖相較穩定，與下伏延長群呈假整合接觸。

2.構造特征

二道嶺向斜總體呈北東-南西走向，呈一菱形盆狀。向斜西翼被小松山逆斷層切割，奧陶系地層逆掩其上；南東翼構造簡單，含煤地層為侏羅系延安組，出露于向斜的北、東、南三面。礦區現代地貌為一形態完整的小型山間盆地，該盆地是汝箕溝聚煤盆地演化的產物，晚侏羅世末賀蘭山開始隆起，汝箕溝聚煤盆地被分割成汝箕溝和二道嶺兩個殘留盆地，早白堊世末賀蘭山進一步隆起，基本形成了現代殘留盆地的面貌。新生代構造運動盆地改造微弱，阿拉善地塊的持續擠壓在盆地范圍內發育煤層氣聚集的統一壓力圈閉，二道嶺殘留盆地實際上就是一個煤層氣藏。

3.煤儲層特征

3.1孔隙特征

二道嶺礦區煤層總孔容在0.0365cm3/g～0.1197cm3/g之間，平均0.0585cm3/g。孔徑結構以大孔為主，占總孔容的56.0%。明顯高于其他地區同煤級煤的總孔容，大孔孔容所占比例也顯著偏高。煤層總比表面積介于3.647cm/g～7.653cm2/g之間，平均6.10cm2/g。以微孔的比表面為主，占總比表面積的53.4%。比表面積總體特征與其他地區同煤級煤大體相似。主煤層孔隙連通性多屬半連通（或半封閉）型孔、連通型孔。

中國地質大學（北京）許浩等采用Carlo-Erba2000型壓汞儀進行煤層孔隙度分析，表明二道嶺礦區煤儲層孔隙度較高，達到5.2%～20.2%。煤儲層孔隙具雙峰分布特點，以微孔一小孔和大孔為主，尤以微孔-小孔占優勢，一般約占孔隙體積的70%左右；大孔多變化在18%～30%之間。

根據煤體結構及裂隙發育情況，結合區域構造形態分析，二道嶺礦區南部和北部構造煤發育地區，煤滲透性差，礦區中段裂隙發育較好，滲透性較好，但局部大裂隙內充填煤粉，對煤層氣開發帶來一定的負面影響。

3.2力學特征與儲層可改造性分析

煤巖及圍巖力學性質測試表明：煤的抗壓強度低于砂巖，與泥巖相當，但煤的抗拉強度明顯低于圍巖，在原地應力相似的條件下，破裂煤層的壓力低于圍巖；煤的抗拉強度遠低于圍巖，對控制縫高有利，但煤的抗壓強度、泊松比與粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖相差不大，又不利于控制縫高的擴展；煤彈性模量低于砂巖，與泥巖相當，在壓裂作用下，裂隙寬度變化大；煤的抗拉強度明顯低于圍巖，壓裂時，水平裂隙至垂直裂隙的轉變深度更淺。主力煤層二1、二2、二3號煤儲層的力學性質與圍巖（砂巖）相差較大，儲層壓裂較為有利。

3.3吸附特征

二道嶺礦區主力煤層最大吸附量（V1）介于16.4m3/t～29.35m3/t之間，平均為24.01m3/t，在礦區的西北部和南部較低，中部興泰煤礦附近較高；Langmuir壓力（PL）介于0.41MPa-0.86MPa之間，平均為0.586MPa。最突出特征是蘭氏壓力低，說明在低壓條件下，煤儲層的吸附效率非常高，可能與淺埋高溫熱變質造成的大、中孔等發育的孔隙結構有關；這一突出特征是造成埋深幾十米的煤層有很好的氣顯示、煤層氣風化帶下限深度平均含氣量高達7m3/t的原因。

3.4煤巖特征

礦區內各煤呈油脂-金屬光澤，貝殼狀-不規則狀斷口，條帶狀結構，層狀構造，煤的內生裂隙較發育。深部煤的原生結構、構造保存完好，呈細條帶及線理狀構造，煤的硬度較大。宏觀煤巖類型總體以光亮一半亮煤為主，約占80%～90%，半暗一暗淡煤約占10%～20%。顯微煤巖組分中，以鏡質組為主，占85%～90%。惰性組次之，占8%～10%。無機組分占5%左右，以粘土、碳酸巖為主。煤類以無煙煤為主，部分為貧煤。鏡質組最大反射率Rmax=1.63%～2.88%，平均值為2.27%。煤級的區域變化呈現南高北低、東高西低的規律。

3.5封蓋特征

煤層頂板作為煤儲層的直接蓋層，對煤層氣的保存具有重要的控制作用。直羅組作為一套繼延安組之上的一套內陸河流環境為主的碎屑巖沉積，巖性為灰綠、黃綠、褐黃色砂巖、粉砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖不等厚互層，地層厚度一般約300m。直羅組下部多為深灰色、黃灰色泥巖，上部多為黃綠色紫紅色泥巖，一般含粉砂質。泥巖礦物多為高嶺石、水云母等，碎屑物多為石英、長石、巖屑等。以水平層理為主。直羅組的巖石垂向組合層序總體表現為多旋回的向上變細的“砂泥二元結構”層序。因此，從巖性及其分布來看，煤層氣保存的條件比較有利。

3.6水動力條件

礦區淺部水文地質特征為地下水水頭壓力大，水量小，補給來源缺乏，地表徑流排泄良好，屬水文地質條件簡單類型，對煤層氣的保存影響不大。

4.煤層氣含量

二道嶺礦區煤層氣含量分布總體呈中部高、兩端低，且有隨著埋深的增加，含氣量逐漸增大的趨勢。礦區南部平均含氣量為4.5m3/t，中部平均含氣量為12.6m3/t，北部平均含氣量為8.2m3/t。礦區淺部煤層含氣性：煤田瓦斯孔測試煤層深度50m～656m，測得煤層瓦斯含量8m3/t～20m3/t，平均11.76m3/t。主要生產礦井全部為高瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為11m3/t～23m3/t。煤層氣風化帶下限的煤層氣甲烷濃度取80%，對應的平均含氣約7m3/t，即煤層氣風化帶下限平均含氣量為7m3/t。二道嶺礦區煤層氣風化帶平均深度為100m。煤層氣風化帶以下至勘探深度656m范圍，煤層氣甲烷濃度為80.1%～100.0%，平均值為89.6%，對應的煤儲層平均埋深約255m。對主要煤層采取了瓦斯樣品，研究了瓦斯成分及絕對含量。測定的結果表明：在12勘探線以北，煤層的淺部垂深250m～300m（標高+1850～+1800）以上為氮氣沼氣帶，絕對含量3.35m3/噸·可燃物～8.94m3/噸·可燃物，以下為沼氣帶，絕對含量9.92m3/噸·可燃物～13.24m3/噸·可燃物。12勘探線以南均屬沼氣帶，絕對含量甚高，如19號孔在171米二，號煤測得絕對含量15.10m3/噸·可燃物，7號孔在67米（標高+2000）二1號煤測得絕對含量15.71m3/噸·可燃物。

5.煤層氣資源評價

二道嶺礦區煤層氣成藏類型為高生、中儲、強封蓋型，形成了高質量的煤層氣成藏。根據2002年內蒙古太西煤集團公司與中國礦業大學評價結果，礦區煤層氣總資源量約為112.4×10m3，平均資源豐度為2.11×10m3/km2。通過最新煤炭資源儲量核查工作，二道嶺礦區面積為43km2，煤炭資源量為7億噸，預計煤層氣總資源量為150×10m3。煤層氣資源豐度向斜東翼高于西翼、中北部高于南部，向斜東翼中北部煤儲層埋深600m～1000m范圍內煤層氣資源豐度最高，高達3.60×10m3/km2。預計煤層氣采收率為35%～45%。煤層氣總可采資源量為38.99×10m3。

6.結論

通過對二道嶺礦區煤層氣資源賦存條件的研究及調查工作表明，區內煤層厚度較大且穩定，煤體結構完整，埋深適中。雖然含煤面積不大，但區塊含煤系數高，主采煤層單層厚度大且分布穩定，煤變質程度高，鏡質組含量高，具備良好的生氣潛力，煤層氣含量高，具備“小而肥”的資源優勢。其中二道嶺向斜構造簡單，保有煤炭資源量相對較大，受小松山斷裂和木呼魯背斜所限，呈箕狀凹陷，東翼2號煤層厚度變化范圍為10m～15m，埋深900m左右，且煤層孔裂隙發育，是煤層氣開發的最有利區帶。