織納煤田紅梅煤礦煤層氣地質特征與勘探前景

李 碧 徐陽東

(1.貴州省煤田地質局142隊，貴州 550011；2.貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院，貴州 550018)

織納煤田紅梅煤礦面積為19.17km2，煤層氣推測地質資源量為18.2億m3。礦區內構造復雜程度中等，水文地質條件中等，煤層為高瓦斯含量煤層。可采煤層7層，分別為6、7、16、17、21、23、27號煤，煤層較穩定，結構較簡單，屬于中灰高硫高發熱量無煙煤。

1 地質特征

1.1 區域地質構造

礦區區域構造位置屬于揚子準地臺黔北隆起遵義拱之納雍織金凹褶斷束，珠藏向斜北東翼中段。礦區總體上大致呈單斜構造，向斜北東翼部較陡，南東受小褶皺構造(老幫寨向斜、屯上背斜)影響。區內斷層較發育，共發現斷層70條(包括隱伏斷層28條)，但規模較小，多集中于礦區深部和北東段，淺部構造相對較簡單。礦區內總體構造復雜程度類型屬中等構造。

1.2 地層沉積特征

礦區及周邊出露的地層為第四系(Q)，三疊系下統飛仙關組，二疊系上統大隆組、長興組、龍潭組、峨嵋山玄武巖組。二疊系上統龍潭組分布于礦區南部呈長寬帶狀，是礦區內主要的出露地層，主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰巖、煤層等組成的一套海陸交替相含煤沉積地層，沉積厚度在老幫寨向斜軸部有增厚現象。

1.3 含煤地層與煤層

區內主要含煤地層為龍潭組，平均厚度為317.62m，含煤26～36層，一般為31層。煤層總厚13.60～25.00m，平均21.90m，含煤系數為6.90%。全區可采煤層16、23兩層，厚1.83～10.78m，平均4.08m；大部及局部可采煤層為6、7、17、21、27煤層，厚4.00～10.00m，平均6.65m。可采總厚度10.73m，可采含煤系數為3.38%。可采煤層結構較簡單，煤層較穩定。

1.4 煤質特征

礦區煤層以亮煤、暗煤為主，少量鏡煤和絲炭，煤巖類型主要為半暗～半亮型、半亮型。內生裂隙發育，見方解石、鈣質薄膜以及細脈狀黃鐵礦充填。區內煤層鏡煤最大反射率為2.81%～3.71%，平均為3.30%，自上而下呈現逐漸增大的趨勢；煤級為高煤級煤Ⅰ，除底部27煤有局部無煙煤二號(WY2)分布外，其他均為無煙煤三號(WY3)。原煤干燥基灰分產率為9.38%～39.86%，平均為23.89%，屬于中灰煤；全硫含量為0.33%～11.12%，平均為4.28%，屬于高硫煤；高位發熱量(Qgr·d)為18.78MJ/Kg～34.88MJ/Kg，平均值為30.07MJ/Kg，屬于高發熱量煤。

1.5 水文地質特征

礦區含煤地層地下水主要依靠大氣降水補給，但區內地形切割嚴重，坡度和相對高差較大，有利于大氣降水的排泄，但不利于對含煤地層的補給；煤礦床的直接充水含水層為龍潭組，屬于基巖裂隙水類型，富水性弱；含煤地層上覆的下三疊統飛仙關組下段和下伏的峨眉山玄武巖具有良好的隔水性，含煤地層與上覆下伏含水層之間一般沒有直接水力聯系。礦區內水文地質條件中等。

2 煤層儲層特征

2.1 煤層含氣量及其分布規律

礦區煤層氣含量為3.92～28.02m3/t，平均值為13.32m3/t；其中：6號煤層為6.04～16.98m3/t，平均值11.28m3/t；7號煤層為3.92～18.00m3/t，平均值12.86m3/t；16號煤層為6.76～23.78m3/t，平均值13.85m3/t；17號煤層為7.99～14.46m3/t，平均值10.67m3/t；21號煤層為8.75～21.56m3/t，平均值14.45m3/t；23號煤層為5.70～8.02m3/t，平均值12.47m3/t；27號煤層為9.56～26.12m3/t，平均值16.06m3/t，上述可采煤層均屬于富甲烷煤層。

以主采16號煤層為例分析礦區煤層氣分布規律。不同構造部位煤層氣含量差異較大。位于老幫寨向斜軸部的2-2、2-7、183、193、203、213孔含氣量明顯高于兩翼的305、181、146孔，且在軸部附近183、193孔形成了含氣量大于20m3/t的富氣中心；向斜陡翼(南東翼)高含氣量分布范圍明顯大于緩翼(北西翼)；位于屯上背斜軸部附近的607孔含氣量僅6.07m3/t，向北西珠藏向斜及南東老幫寨向斜含氣量逐漸增高。總體上，向斜軸部含氣量較高，向兩翼含氣量逐漸降低，且與單個向斜的規模和“坳陷”深度直接相關；背斜軸部由于裂隙較發育，煤層氣易于逸散，含氣量較低，向兩翼含氣量逐漸增高。局部地段小型斷層發育，往往是區內煤層氣含量局部變化的重要原因。如1304、117孔(16號煤以下)隱伏逆斷層上盤的煤層氣局部降低，148孔正斷層附近煤層含氣量也局部降低。不同煤層其含氣量的區域分布規律類似，只是下部煤層含氣量略高于上部煤層。

圖1 紅梅煤礦16號煤層瓦斯等值線分布圖

2.2 煤層滲透性

礦區內對148、1305孔的可采煤層進行注入/壓降試井測試，獲取煤儲層參數值，對煤層氣勘探的適應性進行評價。詳見表1。

由表1可知，礦區煤儲層滲透性中等，導流能力中等，但各可采煤層有效厚度較薄-中厚，煤層埋深較淺，內生裂隙較發育，但很少見外生裂隙，尤其缺少煤層長距離運移的大型裂隙系統，對煤層氣進行開采難度較大，需進行大型壓裂后再進一步評價。

2.3 儲層壓力

通過對48、1305孔的可采煤層進行原地應測試，獲取各煤層的儲層壓力。由表2可以看出，礦區6、7、16號煤層屬于低異常壓力系統，17、21、23、27號煤層屬于正常壓力系統；且破裂壓力、閉合壓力均較高，表現為壓力主導型應力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲層壓力可在較大范圍自由傳遞，適合于地面開發。

2.4 采收率

煤層氣可采率也稱為采收率。在勘探初期階段，煤層氣采收率通過等溫吸附常數、實測瓦斯含量、臨界儲層壓力等加以換算；在缺乏等溫吸附資料的情況下，采用勘查階段煤芯解吸實驗獲得的煤層氣解析率近似地表示煤層氣采收率。礦區煤的等溫吸附實驗資料較少，目前尚無真正意義上的排采煤層氣井，故采收率的獲取主要依靠鉆孔煤芯解吸資料。

(1)基于煤芯解吸資料的煤層氣采收率

根據國家標準《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》(GB/T23249-2009)，煤層含氣量由瓦斯損失量(V1)、瓦斯解吸量(V2)、粉碎前脫氣瓦斯量(V3)和粉碎后脫氣瓦斯量(V4)四部分組成。瓦斯損失量與現場兩小時解吸量之和與總含氣量之百分比稱為解吸率。

礦區66件鉆孔煤芯解吸資料的統計結果顯示，可采煤層甲烷平均解吸量為3.75～6.10m3/t，平均為5.01m3/t；平均解吸率為26.19%～47.44%，平均為38.26%(表3)。

表3 紅梅煤礦煤芯煤層氣解吸結果統計表

(2)基于等溫吸附特性的煤層氣采收率

基于等溫吸附常數，煤層氣采收率(η，%)可有下式進行計算：

式中：Pad—枯竭壓力，MPa；PL—朗格繆爾壓力，1/b，MPa；Pcd—臨界解吸壓力，MPa。

煤層氣枯竭壓力也稱為廢棄壓力，是指現有經濟技術條件下煤層氣井排水降壓所能達到的最低井底壓力。根據美國經驗，枯竭壓力在0.7MPa左右，近年來，煤層氣開采技術得到了長足發展，使得0.5MPa以上煤儲層壓力范圍能夠解吸的煤層氣都可被抽采出來。因此，采用0.5MPa作為本次計算的枯竭壓力。

基于上述理論，求得的6煤層采收率為40.34%～53.67%，平均為45.53%；16煤層為36.07%～51.74%，平均為43.91%；21煤層為35.88%～44.92%，平均為40.40%；27煤層為41.25%～42.90%，平均為42.47%，與煤芯煤層氣解吸率大致相當，且呈現隨埋深增大有降低的趨勢；6煤層理論飽和度為58.19%，16煤層為42.87%；21煤層為40.57%；27煤層為38.11%，處于嚴重欠飽和狀態，說明煤儲層內不存在較多的游離態和水溶態氣體(表4)。

表4 紅梅煤礦等溫吸附法求得的煤層氣采收率

3 結論

礦區煤層氣資源較為豐富，各煤層內生裂隙較發育，但很少見外生裂隙，尤其缺少煤層長距離運移的大型裂隙系統；煤儲層具有壓力主導型應力氣特征，流體能量以壓降傳遞為主，儲層壓力可在較大范圍自由傳遞；煤儲層滲透性中等，導流能力中等，且煤層與上覆下伏含水層沒有直接的水力聯系，均對煤層氣井排采較為有利，因此，礦區煤層氣資源在合理排采制度下有可能采用地面井技術通過降壓方式予以開發。