趙石畔井田煤層氣賦存特征分析

楊東峰，蘭 琳，趙云偉

(1.陜西省煤田地質局一八五隊，陜西 榆林 719000；2.陜西煤田地質化驗測試有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

煤層氣是一種自生自儲的非常規清潔能源，是天然氣的接替能源，越來越受到人們的重視[1-3]。由于煤的孔隙比較發育，內表面積非常大，煤層內儲藏了大量的氣體。隨著壓力的降低，煤層氣解吸并釋放出來，從而為生產和生活所用。趙石畔井田位于橫山縣城以西直距約5.5 km處，行政區劃隸屬橫山縣城關鎮、雷龍灣鄉、靖邊縣黃蒿界鄉管轄。含煤地層為侏羅系中統延安組，3#煤層為全區可采的穩定型中厚煤層，井田范圍內對煤層氣資源勘查較少，2012年在鉆探施工過程中，曾有過井噴現象，煤層氣資源才引起關注。為更好地掌握井田范圍內的煤層氣資源，利用3#煤層自然解吸氣成果，對煤層氣賦存特征進行研究。

1 基本地質特征

1.1 區域構造

區域構造位置處于鄂爾多斯盆地中部次級構造單元陜北斜坡中南部(圖1)。陜北斜坡為一單斜構造，巖層北西西向微傾，局部發育有寬緩的短軸狀向斜、背斜及鼻狀隆起等次級構造，未發現規模較大的褶皺、斷裂，亦無巖漿活動痕跡。

圖1 區域構造綱要略圖

1.2 井田地層

地層區劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區東勝-環縣小區。地層由老至新依次出露有三疊系上統瓦窯堡組(T3w)，侏羅系下統富縣組(J1f)，侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統洛河組(K1l)，新近系(N)和第四系(Q)。地表絕大部分被第四系松散沉積物覆蓋，主要有全新統風積沙，現代河床沖、洪積層，上更新統馬蘭組、薩拉烏蘇組，中更新統離石組。勘查區東南角、無定河、黑河則、王家灣等地白堊系下統洛河組基巖零星出露。

2 煤儲層特征

2.1 含煤性及煤層厚度

含煤地層為侏羅系中統延安組，具有對比意義的7層，自上而下編號依次為2、3、3-1、3-2、4-1、4-2、6#煤層，其中3、3-1、3-2、4-1煤層為區內可采煤層。3#煤層厚度為1.35～6.93 m，平均厚度為2.92 m，煤層厚度總體由南向西北增大，變化規律明顯。一般不含夾矸，局部含夾矸1～2層，夾矸厚度0.16～0.72 m，結構簡單，為全區可采的穩定型中厚煤層。煤層底板標高最高為780 m，最低605 m，一般在670～750 m之間，在局部形成一些寬緩的波狀起伏，波幅較小。

2.2 煤質特征

煤的工業分析是了解煤質特性的主要指標，3#煤層煤質分析結果詳見表1。

表1 3#煤層煤質分析結果

測試表明，3#煤層原煤水分(Mad)在1.85%～4.46%之間，平均為3.11%，水分含量較低；灰分產率(Ad)變化在5.34%～13.55%之間，平均為9.94%，屬特低-低灰煤；揮發分(Vdaf)在37.58%～44.92%之間，平均為39.81%，屬高揮發分煤。

2.3 顯微煤巖組分及特性

3#煤層顯微煤巖鑒定結果詳見表2。

表2 3#煤層顯微煤巖鑒定結果%

3#煤層有機物含量高，在92.4%～98.8%之間，平均為96.0%。顯微組分以鏡質組為主，含量在46.8%～71.8%之間；其次為惰質組，含量在21.3%～45.0%之間，鏡質組以基質鏡質體含量最高，其次為均質鏡質體及結構鏡質體；殼質組含量在0.2%～0.9%之間，主要為小孢子體，次為角質體。無機礦物含量在1.2%～7.6%之間，以碳酸鹽及硫化物為主，其次為粘土類，以黃鐵礦膜狀和散粒狀形態分布于裂隙中；碳酸鹽為方解石、菱鐵礦及菱鎂礦，方解石呈脈狀充填于裂隙中。

煤的鏡質組反射率是表征煤階的重要指標，煤巖顯微組分的反射率隨煤階的增高而增高[4-6]。3#煤在顯微光度計上的油浸反射光下所測定的鏡質組平均最大反射率(詳見表2)在0.56%～0.62%之間，煤化程度屬I變質階段煙煤，主要為長焰煤。

3 煤層含氣性研究

3.1 含氣量

含氣量高低與煤巖煤質和保存條件有關，是煤層氣地質成藏條件的最終體現[7-8]。根據煤層氣賦存狀態，將煤層氣分為游離氣、吸附氣和溶解氣，依據《煤層氣含量測定方法》(GB/T19559-2008)中規定的自然解吸法，對3#煤層進行游離氣(直接法)、吸附氣及溶解氣測定，計算求得樣品總的含氣量(空氣干燥基表示)詳見表3。

表3 3#煤層含氣量

含氣量測試結果表明(空氣干燥基)，3#煤層含氣量0.10～1.99 m3/t，平均為0.95 m3/t，含氣量較低。該井田煤層氣分布不均，在勘查參數井(解吸法)含氣量最大為1.99 m3/t，最小僅為0.10 m3/t。依據《煤層氣資源/儲量規范》(DZ/T0216-2002)長焰煤噸煤空氣干燥基含氣量1 m3/t煤層氣儲量計算下限要求，井田局部區域遠高于儲量下限要求，該井田煤層氣資料較少，需進一步進行煤層氣勘探研究，以掌握井田的煤層氣資源量。

3.2 等溫吸附特征

等溫吸附曲線是指在某一溫度條件下，以逐步加壓的方式而建立的壓力與吸附氣量的關系曲線，反映了等溫條件下吸附量與壓力的關系(詳見表4、圖1)。蘭氏體積(VL)越高，煤的吸附能力越強；蘭氏壓力(PL)是VL值為50%時對應的壓力值，其大小反映了煤層氣解吸的難易程度。

由試驗數據可知，3#煤層的蘭氏體積(VL)(空氣干燥基)在7.92～8.03 m3/t之間；蘭氏壓力(PL)(空氣干燥基)在2.81～3.08 MPa之間。

表4 3#煤層等溫吸附實驗結果

圖1 3#煤層等溫吸附曲線圖

3.3 含氣飽和度

飽和度是實測含氣量與理論含氣量的比值。實測含氣量是煤芯依據《煤層氣含量測定方法》(GB/T19559-2008)中規定的自然解吸法實測的含氣量(包括游離氣、吸附氣和溶解氣)；理論含氣量是等溫吸附線上與地層壓力相對應的含氣量，也可以根據朗格繆爾方程V=VL·P/(PL+P)求得，由公式和等溫吸附數據計算得出3#煤層的含氣飽和度(詳見表5)，實測飽和度為2.15%～43.83%，屬低飽和氣藏，煤層氣不容易降壓解吸。

表5 3#煤層含氣飽和度

3.4 臨界解吸壓力及地解比

臨界解吸壓力系指在等溫曲線上煤樣實測含氣量所對應的壓力，是估算煤層氣采收率的重要參數。煤層氣臨界解吸壓力與煤儲層含氣量及吸附—解吸特性呈函數關系，可由公式Pcd=V實·PL/(VL-V實)計算得到，3#煤臨界解吸壓力(詳見表6)在 0.04～1.03 MPa之間，平均為0.54 MPa，即儲層壓力必須降到0.54 MPa時，煤儲層中的吸附氣體才可以解吸，也可以認為，當儲層壓力降到臨界解吸壓力時，含氣飽和度達到100%，當壓力再降低時，飽和度大于100%氣體才開始解吸。壓力繼續下降，煤層氣會持續釋放出來，直到煤層氣停止產出為止，此時，所對應的壓力為廢氣壓力，所對應的含氣量為剩余含氣量，達到廢棄壓力時，煤層中的煤層氣將不會再產出，剩余含氣量不會通過降壓方式被釋放。

表6 3#煤儲層的臨界解吸壓力

地解比是臨界解吸壓力與煤儲層壓力之比，決定煤層氣開采中排水降壓的難易程度，在煤層氣選取有利區時，應當重點考慮。臨界解吸壓力與原始地層壓力越接近，含氣飽和度越高。3#煤地解比(詳見表6)在0.01～0.25之間，平均為0.13，屬于低地解比，不具備煤層氣開發條件。

4 結語

趙石畔井田3#煤層為全區可采的中厚煤層，構造穩定簡單，煤變質程度低，煤層氣含量低，屬低飽和氣藏，低地解比區，不利于煤層氣勘查和獨立氣田開采，宜結合礦井生產進行抽采。通過瓦斯抽采，在一定程度上降低煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出量，對保障煤礦安全生產起到一定作用，同時實現了對低濃度瓦斯的利用。