鄂尔多斯盆地低变质煤的煤层气抽采潜力- 以彬长大佛寺矿为例

张培河 原德胜 张进军

(1. 中煤科工集团西安研究院, 陕西 710054; 2. 陕西彬长矿业集团有限公司, 陕西 712000;3. 陕西彬长矿业集团有限公司大佛寺矿, 陕西 713500)

我国的低变质煤炭资源主要分布在新疆、内蒙古、陕西、甘肃和宁夏境内。根据第三次全国煤田预测资料, 我国陆上垂深2000m 以浅的煤炭资源总量为55697．49亿t ,其中褐煤、长焰煤和气煤为42439．92 亿t , 占76．20%; 最新煤层气资源量计算表明, 我国陆上2000m 以浅的煤层气资源量为32．56 万亿m3, 其中褐煤、长焰煤和气煤为17．67万亿m3, 占54．26%。我国低变质煤的煤层气含量普遍较低, 但煤层厚度普遍较大、渗透性相对较高, 因此低变质煤的煤层气开发具有一定潜力。鄂尔多斯盆地发育晚古生代、侏罗纪和三叠纪3 套煤系, 煤炭资源量雄厚。侏罗纪煤层主要为低变质的长焰煤, 埋深小于2000m 的面积为11．37×104km2,煤炭资源量14876．6 ×108t; 煤层气资源丰富, 为79238．3×108m3。尽管侏罗纪煤层变质程度低, 但因其煤层发育层数多、厚度大、埋藏浅以及煤层气含量高等特点, 被煤层气开发者普遍看好。目前鄂尔多斯盆地侏罗系的煤层气勘探程度非常低, 仅在个别地区进行了少量的勘探试验工作, 但部分地区的勘探已经显示出较大的开发潜力, 如： 铜川矿区地面垂直井煤层气排采试气, 获得工业性气流, 气井连续排采100 天, 平均日产气量超过1100m3; 彬长大佛寺煤矿地面对接井煤层气勘探试验, 获工业性气流。本文以鄂尔多斯盆地南部的彬长大佛寺煤矿为例, 论述低变质煤的煤层气勘探开发潜力, 以期对其他低变质煤层区的煤层气勘探有所启示。

1 煤矿概况

大佛寺煤矿是陕西彬长矿业集团有限公司的下属生产矿井, 位于鄂尔多斯盆地彬长矿区南部, 行政区划隶属彬县和长武县管辖。该矿于2003 年5月开工建设, 2007 年6 月试生产, 设计能力6．0Mt/a, 一 期 生 产 能 力3．0Mt/a, 属 特 大 型 矿井。

大佛寺煤矿为高瓦斯矿井, 矿井在开拓过程中瓦斯涌出量较大, 从最初矿井瓦斯涌出量预测看,初始投产达产3．0Mt/a 时矿井绝对瓦斯涌出量为61．4m3/min; 达产6．0Mt/a 时, 矿井瓦斯涌出量为139．3m3/min。但矿井实际生产过程中发现, 矿井瓦斯涌出量超过预测值, 2007～2009 年连续三年矿井瓦斯等级鉴定均属于高瓦斯矿井, 2008 年矿井绝对瓦斯涌出量达到155m3/min, 相对瓦斯涌出量21．78m3/t。目前, 大佛寺矿已采取井下瓦斯抽采、加强通风等措施治理瓦斯隐患。实践表明, 单纯的井下瓦斯抽采等措施的实施还不能满足矿井安全生产的要求。为此, 陕西彬长矿业集团有限公司已开始尝试通过地面煤层气抽采来治理瓦斯, 2009 年,施工完成两组煤层气对接井, 目前正在排采试气,其中1 口井达到工业气流, 显示了较好的产气潜力。2011 年, 彬长矿业集团有限公司加大力度在区内继续进行煤层气的勘探试验。

2 煤层气地质条件

大佛寺煤矿位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡南缘,总体构造格架为一向斜构造形态, 主体构造为师家店向斜。地层构造变形微弱, 倾角较小, 一般为3°～5°, 构造形迹简单, 以内部次级平缓褶皱为主,断层不发育。

大佛寺煤矿含煤地层为侏罗系中下统的延安组, 该组含可采和局部可采煤层4 层 (包括分煤层和分叉煤层) , 自上而下分别为4 上- 1、4 上- 2、4 上、4#煤层。区内煤的变质程度低, 测试主要煤层的镜质组反射率为0．50%～0．75%, 主要为低变质的长焰煤, 局部为气煤。

该区水文地质条件简单。主要含煤层段延安组含水层厚度不大, 为富水性弱的承压含水层, 煤系上、下方含水层也多为富水性弱的含水层; 在垂向上, 直罗组上段、延安组上部及下部发育有以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主的厚层稳定隔水层, 在阻断含水层与含水层以及含水层与煤层间水力联系的同时, 也有效阻止了煤层气的逸散, 对煤层气的保存有利。另外, 该区构造简单、断层不发育, 煤炭生产揭露的断层几乎都不导水, 对煤层气的保存较为有利。水文地质条件简单, 也非常有利于煤层气的抽采。

3 煤储层条件

3．1 煤层发育特征

大佛寺煤矿煤层气开发的主要目标煤层为4#、4 上煤层, 在局部地区4 上- 1 和4 上- 2 煤层也可成为煤层气抽采的目标煤层。4#煤层平均厚度11．65m, 最厚达19．73m, 全区可采; 4 上煤层平均厚度2．88m, 最厚可达7．02m, 为大部可采煤层; 4上- 1 煤层和4 上- 2 煤层平均厚度分别为1．22m、1．36m, 4 上- 2 煤层最厚可达2．36m, 这两个煤层为局部可采煤层。各煤层均为结构简单煤层, 含夹矸数一般为0～2 层。主要目标煤层间距小。其中,4#和4 上煤层间距为5～35m, 一般为5～20m, 煤矿的中- 西部地区小于15m。因此, 比较适合进行地面煤层气抽采, 而且在间距小于5m 的区域可将4#煤层和4 上煤层实施合层抽采。

4#煤层直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主, 底板主要为铝质泥岩、泥岩。一方面, 顶底板岩性为致密的细碎屑岩, 对煤层气的保存非常有利; 另一方面, 底板铝质泥岩具有遇水膨胀、易发生底鼓现象, 在地面煤层气抽采时, 铝质泥岩的遇水膨胀极有可能造成煤层孔隙、裂隙堵塞, 而且也会导致煤层气开发压裂裂缝堵塞, 影响煤层气产出, 对煤层气的抽采极为不利。4 上煤层顶板为主要为泥岩、砂质泥岩; 底板多为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩。围岩作为煤层气封闭的第一道天然屏障, 其对该区煤层气的富集成藏作用非常显著。

根据煤层气产出机理以及国内外煤层气抽采的实践经验, 地面煤层气开发的理想深度是1200m 以浅。大佛寺煤矿煤层埋藏浅, 4#煤层埋深多在400～600m 左右, 地面煤层气开发非常有利。该区煤层覆基岩厚度多在250～400m, 覆基岩中粉砂岩、泥岩层段分布较多, 对煤层气具有较好的保存作用。

3．2 煤体结构及裂隙发育状况

侏罗纪煤系沉积后, 该区遭受了燕山运动和喜马拉雅运动的改造, 相对鄂尔多斯盆地东部的石炭- 二叠纪煤田来说, 侏罗纪煤系遭受的构造运动期次少, 构造强度低。因此, 煤层遭受构造破坏的程度低, 主体为原生结构- 碎裂结构, 地面煤层气井的钻探及井下钻孔施工相对容易, 气井或钻孔的成功率高, 也有利于提高地面煤层气开发增产强化措施的实施效果。

4#煤层宏观裂隙密度一般3～5 条/10cm, 镜煤条带中裂隙较发育, 一般为5～12 条/10cm; 煤的显微裂隙比较发育, 为2．1～13．3 条/cm; 裂隙宽度较大, 为1～330μm, 平均7～38μm。裂隙发育, 煤层渗透性好。

3．3 煤层气含量

煤层气含量是煤层气抽采可行性研究和抽采潜力评价的关键参数。大佛寺煤矿煤层气含量一般在2～3m3/t , 最高可达5．57m3/t , 煤层气含量较高的区域位于师家店向斜的轴部, 多在4m3/t 以上, 主要原因是向斜控气作用效果好, 而且该区主要煤层顶底板为封闭性好的泥岩。在我国同时代的煤田中, 该区煤层气含量相对较高, 且煤层气富集成藏条件优越。

3．4 煤层渗透率

煤层渗透率是煤层气开发潜力评价的又一关键参数。根据该区地质、储层条件和邻区煤层气勘探资料, 结合该区煤矿生产瓦斯抽采现状, 综合分析认为该区煤层渗透性较好, 主要原因：

(1) 该区煤层埋藏浅, 4#煤层埋深一般为400～600m 左右, 煤层埋藏浅的直接影响是煤层的应力低, 这是该区煤层渗透率较高的原因之一。

(2) 该区煤层成煤期为早中侏罗世, 煤层沉积后遭受的构造运动期次少, 构造运动对煤层的破坏程度低, 因此煤体结构及裂隙系统得以相对完整的保存, 致使煤层以原生结构为主且裂隙发育。根据样品测试的煤层真密度、视密度计算的煤层孔隙度较高, 为4．90%～18．50%, 平均为7．94%。

(3) 在前期煤田和煤层气勘探过程中, 钻遇4#煤层存在泥浆漏失情况, 且漏失量较大, 据此分析4#煤层的裂隙发育, 渗透性好。

(4) 煤层瓦斯参数测试结果, 显示煤层渗透性条件较好。大佛寺矿瓦斯抽采过程中, 对煤层透气性系数进行了测试, 结果为0．051～6．15m2/MPa2·d, 按照煤矿安全规程, 属于可以抽放煤层, 而且与我国其他煤矿比较, 煤层透气性系数较高, 地面煤层气勘探开发和井下瓦斯抽放的煤层渗透性条件有利。

(5) 矿井瓦斯抽采效果好, 显示出煤层的渗透条件优越。大佛寺矿在煤炭生产过程中需要预先进行瓦斯抽采, 目前抽采煤层主要为4#煤层, 工作面抽放率为 73．2%, 矿井的瓦斯抽放量为84．59m3/min, 矿井的瓦斯抽放率为54．4%。井下瓦斯抽采的实践表明, 大佛寺煤矿煤层渗透性非常好, 瓦斯抽采条件比较有利。

(6) 邻近的杨家坪、铜川等地区的煤层气勘探试验测试资料表明, 鄂尔多斯盆地南部的侏罗纪煤层渗透性较好, 储层压力较高。杨家坪地区地面煤层气参数井注入/压降试井, 测试延安组煤层渗透率可达0．64×10-3μm2, 在铜川矿区测试煤层渗透率达0．70×10-3μm2。与这些地区对比, 大佛寺煤矿煤层埋藏浅, 推测煤层渗透性会更好。

4 煤层气资源状况

煤层气资源量是煤层气开发的基础, 是以获取资源为目的的煤层气抽采评价的重要内容。采用体积法对主要可采和局部可采煤层的煤层气资源量进行计算, 煤层气资源总量为31．68 ×108m3。主采4#煤层资源量为27×108m3, 占85%。大佛寺煤矿煤层气资源丰度较高, 煤层气资源丰度最大超过1×108m3/km2。主采4#煤层资源丰度一般为0．1～0．8×108m3/km2, 平均0．344 ×108m3/km2。煤层气资源丰度最高的区域位于矿井中部区域。

5 地面煤层气抽采潜力及建议

根据大佛寺煤矿瓦斯参数测试数据, 4 上、4#煤层属于可以抽采煤层; 煤矿井下瓦斯抽采情况也表明, 矿井瓦斯抽采效果较好, 具有较优越的井下瓦斯抽采条件; 已实施的地面煤层气开发井产气量较高, 已经显示出较好的产气潜力。与铜川等国内其他低变质煤煤层气开发成功的矿区比较, 该区煤层埋藏浅, 厚度大, 以原生结构为主, 渗透性好;煤层气含量高, 资源丰度大、资源量丰富。因此,该区煤层气开发潜力大。

大佛寺矿为高瓦斯矿井, 井下瓦斯抽采是煤炭生产的必要工作, 煤炭生产首先必须进行瓦斯抽放。目前矿井主要采用井下瓦斯抽采方式, 目的是降低瓦斯含量, 为煤矿采掘提供安全的生产环境,但井下瓦斯抽采存在与煤炭生产的衔接问题, 而且井下抽放瓦斯浓度低, 可利用的途径单一, 利用效果差。另一方面, 大佛寺煤矿煤层气地质条件、储层条件及资源条件优越, 地面煤层气可抽采性好,而且地面煤层气抽采可避免与煤炭生产衔接的矛盾。因此, 建议在大佛寺煤矿开展井下、地面一体化的煤层气立体抽采, 充分利用目前国家出台的鼓励煤层气产业发展的政策, 不断加大规模进行地面煤层气的抽采试验, 争取在不长的时间, 在该区实现地面煤层气抽采的产业化, 达到有效治理瓦斯和获取新能源的双重目的。

6 结论

(1) 大佛寺煤矿煤的变质程度低, 以长焰煤为主; 整体上为一向斜构造形态, 断层及褶皱少, 水文地质条件简单。煤层发育, 埋藏浅、埋深一般为400～600m; 主采4#、4 上煤层厚度平均分别为11．65、2．88m; 煤层裂隙发育, 渗透性好, 透气性系数为6．15m2/MPa2·d, 属于可以抽采煤层。

(2) 主采煤层的气含量相对较高, 最高可达6．29m3/t·daf , 煤层气资源丰度高, 最大超过1 ×108m3/km2; 煤层气资源量丰富, 为31．68×108m3。

(3) 综合评价地面煤层气勘探开发的有利区位于矿井中部, 面积为11．54km2。

(4) 井下瓦斯抽采及地面煤层气勘探均显示出较好的抽采潜力。井下瓦斯抽采效果显著, 采煤工作面瓦斯抽放率超过73．2%; 地面煤层气勘探已获工业性气流, 显示出较好的开发前景。

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