准东煤田某煤矿煤层气资源评价

邓韬

摘要:分析了低变质程度煤层煤层气生成、保存、富集的一般条件,简述了各种因素对煤层气储存的影响,预测了本煤矿的煤层气资源量。

关键词:准东煤层气生成富集资源评价

中图分类号:P618 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(c)-0050-02

1 概况

准东煤田某煤矿位于新疆阜康市天山北麓黄草沟一带,井田面积3.94km2,属丘陵地带,总体地势南高北低,区内无地表水体。构造位置属白杨河—南阜康背斜的中段之小龙口背斜北翼,F2和F3断层以北,井田构造形态为向南陡倾的单斜构造,发育次级逆断层。

井田内出露的地层有上三叠统郝家沟组(T3h)、下侏罗统八道湾组(J1b)、第三系中—上新统昌吉河群(Nch)及第四系;含煤地层为侏罗系下统八道湾组(J1b)。含煤地层平均厚700.57m,含多层煤层、煤线。全区发育较好的煤层12层,煤层总厚平均44.73m;可采煤层5层,自上而下依次编号为A1、A5、A61、A62和A10,可采煤层总厚平均27.70m。各煤层均为低灰分,高热值、高挥发分、中硫、特低磷的长焰煤-不粘煤(如图1)。

2011年,在煤矿勘探施工ZK207钻孔和ZKB208钻孔的过程中,ZK207钻进至499.66m,ZKB208钻孔钻进至240m时发生涌气现象,由于气体压力较大,出现顶钻现象,最终导致钻孔无法继续施工而报废(如图2）。

2 煤层气生成条件

2.1 煤岩组分对生气条件的影响

煤岩研究结果表明,煤的显微煤岩组分中镜质组主要生成天然气,亦可生成少量石油;惰质组一般在煤化过程中可生成少量的气;煤系的生烃潜力和壳质组含量密切相关,但生气能力与镜质组分的含量有密切关系。

在低煤级煤层中,随煤级的增长,煤层中的气态烃—煤层气也会相应增加;随镜质组含量的增加,其所吸附的煤层气也会相应增加,二者大致呈正相关关系。因而,煤层的显微组分含量及其演化程度(煤级)的不同,不仅影响煤的生烃能力,还影响着煤层对甲烷的吸附能力。

煤矿区煤层的显微组分均以富镜质组为特征,镜质组含量在53.90%～75.50%之间,是煤储层产气的最大贡献者,也是吸附甲烷的主要参与者。

2.2 煤的变质作用与煤层气的生成

随着煤的变质程度升高,煤化作用过程中不断有各种气体生成,主要包括甲烷、二氧化碳等气体,总体来说,随着煤的变质程度的不断提高,煤层气含量有明显变高的趋势。

煤矿区侏罗系地层中没有岩浆侵入活动,煤的变质作用类型主要为深成变质作用。准噶尔盆地地温梯度一般小于2℃/100m,煤的深成变质作用也较弱。因此,随着煤层埋深的加大,煤的反射率增加但不很明显,煤的总体变质程度偏低。

根据煤质化验资料,煤矿区煤层镜质组最大反射率为0.56%～0.59%,平均为0.57%,煤的变质程度属低变质阶段的I段,与其相应的煤类为长焰煤。

煤中有机质的演化具有阶段性,各阶段之间的划分点为煤化作用过程中存在的四次跃变,第一次跃变发生在长焰煤后期阶段,镜质组反射率在0.6%左右。第二次跃变发生在焦煤初期阶段,镜质组反射率在1.3%左右。第三次跃变发生在贫煤与无烟煤的分界线附近,镜质组反射率在2.5%左右。第四次跃变发生在低级无烟煤阶段末期,镜质组反射率在3.7%左右。

煤矿区煤层的有机质演化过程为第一阶段,即长焰煤后期阶段,镜质组反射率在0.6%左右。此时,煤中有机质化学结构中的含氧基团大量脱落,导致酸性下降,腐植酸逐渐演变成腐殖质,脱落的羧基和甲氧基是生成二氧化碳气体的主要物质来源。同时,在上覆地层压实作用及古地温场的共同作用下,煤中水分不断排出,导致氧含量降低和发热量增高。此时油气演化进入生油门限,镜质组由于吸附了石油烃类,氢含量开始明显降低,煤层气含量开始显著增高。

3 煤层气含量及成分

通过对煤矿区钻孔采取瓦斯样,现场解吸和实验室测试获得煤层气含量和气体成份。

4 煤层气的分布及变化规律

一般而言,煤层埋藏深度增大,煤层中甲烷的浓度随之增高,氮气和二氧化碳的浓度随之降低,因此从地表至煤层风化带下限深度,会依次形成二氧化碳—氮气带、氮气—沼气带和沼气带。其中二氧化碳—氮气带、氮气—沼气带通称为煤层气风化带。一般将甲烷含量80%的深度定义为煤层气风化带下限。

通过对煤矿区钻孔实测甲烷含量和煤层埋深的统计分析,建立甲烷含量与埋深的关系,对煤层甲烷含量与煤层埋深进行线性回归,建立了相应的数学关系模型,来反映煤层埋深与甲烷含量的关系。通过回归曲线可以得知,勘查区内煤层气风化带下限为煤层埋深320m处。依据所瓦斯样品的化验资料,绘制了走向立面煤层气含量等值线图,从等值线图中也反映出煤层气含量随煤层埋深的增加而增大。

5 煤层气保存条件

5.1 构造类型与煤层气富集

煤矿区总体构造为一向南陡倾的单斜构造(见图1),为背斜的一翼,构造对煤层气的富集起到控制作用。

小龙口背斜呈北西西向延伸,为一沿轴部发生断裂的不对称的倒转背斜。煤矿区南部边界的F2断层为背斜轴部,背斜南翼为正常翼,倾向190°～220°,倾角50°～60°,近断层部位倾角80°;北翼为倒转翼,地层走向100°左右,走向在1～2线间稳定,2线以东有缓波状弯曲,倒转产状要素为:2线处倾向190°,倾角80°～84°,深部局部有波状摆动;2线以东,倾向在180°～210°之间,倾角变化较大,浅部80°～55°,深部较稳定在70°左右;1线以西倾向180°～210°,倾角60°～85°。背斜构造的两翼与轴部中和面以下表现为压应力,煤层气在背斜的两翼能较好地封存,在轴部中和面以上煤层气易散,中和面以下煤层气容易聚集。

F2断层为一逆掩断层,横穿全区,总体走向近东西,倾向南偏西,倾角80°左右,造成小龙口背斜北翼上三叠统郝家沟组地层全部和八道湾组底部地层缺失,垂直断距超过300m,控制了含煤地层的产状和分布。F3断层是在F2断层总的应力作用下形成的次级断裂,为一扭性的平(推)逆断层,总体倾向南偏东、倾角80°左右,它切断了井田煤、岩层的东延。

断层与最小主应力方向一致,挤压作用形成的逆断层多属于阻气断层,这种断层所产生的裂隙通常处于闭合状态,断层面两侧的岩层被紧压;另一方面,断层的位移往往使致密的泥质岩层与煤层相接触,从而阻断了气体沿煤层自下而上的运移。这两种作用结合起来在很大程度上使煤层保存了较高的含气量。

在2勘探线西部发育一平推正断层,走向南北,倾向东,倾角约75°,施工ZK207钻孔和ZKB208钻孔的过程中,ZK207钻进至499.66m,ZKB208钻孔钻进至240m时发生涌气现象,显然是断层的影响使得该地段含气量增高的原因。在断层位置由于构造作用使煤层气聚集,当钻进至断层下盘时,压力释放产生喷气现象。

5.2 煤层围岩及盖层与煤层气富集

(1)围岩封闭类型

通过对区内钻孔的岩性进行统计,泥岩在围岩中所占比例为34.5%～79.46%,平均57.32%,故围岩组合为泥岩型。

泥岩型的围岩,通常具有良好的封闭性,具有较高的突破压力,在裂隙不发育的情况下,泥质含量大于40%的泥岩和泥质粉砂岩对煤层气的保存有利。

(2)顶底板的封闭类型

煤矿区煤层顶底板岩性从封闭性能上,粒度越细,封闭性越好。通过对煤矿区主要煤层的顶底板岩性按粗碎屑岩(砾岩、粗砂岩、中砂岩)、细碎屑岩(细砂岩、粉砂岩、泥岩)作了统计,煤层顶底板细碎屑岩均占70%以上,因此单从岩性角度来讲,对煤层气的保存比较有利。

5.3 煤层本身的封闭条件

厚度相对较大的煤层对煤层气的封闭极为有利。本区A61煤层厚度最大可达30.25m,平均12.11m。A62煤层厚度最大可达45.13m,平均14.95m。这些巨厚煤层生成的气体赋存在煤的孔隙表面,一般情况下不易发生运移,构成了煤层气保存的有利场所。

5.4 水文地质条件与煤层气富集

煤矿水文地质条件属简单类型,煤系地层上部和下部之间水力联系不密切,存在良好的隔水层,煤系地层含水性微弱,渗透系数低,地下水径流运移不畅,含水层的补给仅源于大气降水或冰雪融水,补给量较小,地下水以静水压力、重力驱动方式流动,运移不畅的地下水对煤层气有封闭作用,利于煤层气的保存。

5.5 煤层气埋藏深度与煤层气富集

煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的重要因素。对同一煤田或煤层,在瓦斯风化带以下,煤层瓦斯压力随深度加大线性增大,故煤层瓦斯含量随深度增大而增大。

根据对煤矿区钻孔实测瓦斯含量和煤层埋深的统计分析,对A5、A61、A62煤层整体瓦斯含量与煤层埋深进行线性回归,建立了相应的数学关系模型,来反映煤层埋深与煤层瓦斯含量的关系,通过回归曲线不难发现,煤层瓦斯含量随煤层埋深的增加而增大。

6 煤层气资源量估算

依照《煤层气资源/储量规范》DZ/T0216－2002,估算的煤层气资源量为内蕴经济的、预测的。

在煤层气风化带内的煤层气资源,缺乏开发利用价值,不列入资源估算。本区煤层气风化带深度为320m(标高700m以上)。估算的煤层为主要可采煤层A1、A5、A61、A62、A10煤层。

6.1 估算方法

资源量估算采用体积法。直接利用煤炭资源量估算结果,不单独考虑面积、煤层厚度和煤的密度,因此估算公式如下:

——煤层气资源量,108m3;

Ｍ——煤炭资源量,104t;

——煤的干燥基含气量,m3/t;

6.2 煤炭资源量

煤炭资源量直接利用勘探估算结果。按照分煤层、分水平对计算的煤炭资源量进行统计。

6.3 煤层气含量

估算煤层气风化带底(700m)～600m、600～500m、500～400m,400～300m,300m～200m五个标高段,各标高段以其中值为预测深度,即标高650m、550m、450m、350m和250m处。依照回归方程估算。

6.4 估算结果

根据上述的煤层气资源量估算方法以及确定的各种参数,分别估算出煤矿区各煤层的煤层气资源量,煤层气资源总量为6.47×108m3。煤矿区含煤面积3.16km2;预测的煤层气资源量5.88×108m3;煤层气资源丰度为1.86×108m3/km2。因地层倾角较大,单位平面积的资源量明显偏高。

7 结语

瓦斯事故是煤矿安全生产最大威胁之一。新疆近年来也发生过不少的瓦斯爆炸事故,在2006年以后,随着矿井开采深度的增加,逐渐开采到瓦斯风化带以下,瓦斯含量和瓦斯压力随着开采深度增加而增长较快,高瓦斯矿井数量也在不断增加,瓦斯突出事故时有发生。本文要传达的一个信息就是,不论何种变质程度的煤层,当其在埋深、构造环境适宜的情况下,瓦斯含量都会随着深度的增加而增加,特别压扭性断裂存在的井田,这种现象尤为明显。局部地段高瓦斯含量的存在,会对煤、石巷的掘进带来不安全因素,无论是井下监测还是钻孔泄压的方式都不能很好的解决这一难题。因此,在煤矿勘探过程中,做好煤层气资源的评价工作,在条件许可的前提下做到资源的综合利用,变害为利,真正做到资源的最大化利用。

参考文献

[1] 中华人民共和国地质矿产行业标准.煤层气资源/储量规范,DZ/T0216-2002.

[2] 何选民.煤化学.冶金工业出版社,2010.

[3] 傅雪海,秦勇.等.煤层气地质学.中国矿业大学出版社,2007.