云南老厂矿区煤层气地质条件

蒋天国,　马樱燕,　刘胜彪

(云南煤层气资源勘查开发有限公司, 昆明 650031)



云南老厂矿区煤层气地质条件

蒋天国,马樱燕,刘胜彪

(云南煤层气资源勘查开发有限公司, 昆明 650031)

在分析矿区地质条件、煤岩及煤储层特征的基础上,探讨研究区煤层气地质条件。结果表明:老厂矿区龙潭组和长兴组含煤性好,煤层厚度大并且分布稳定,煤质以无烟煤为主,生烃量大,生烃能力强;煤岩组分稳定,镜质组含量高,对甲烷吸附性强;煤层孔隙度较低,渗透率中等;解吸率和储层压力偏高,中等含气性,含气量在6.02～18.95 m3/t。研究区构造类型和水文地质条件相对简单,围岩封盖及地下水封堵作用强,利于煤层气的富集成藏。综合分析认为,老厂矿区属中型富甲烷煤层气目标区,煤层气成藏地质条件优越,煤层气资源丰富,开采条件优越。

煤层气； 老厂矿区； 地质条件； 煤储层物性

0　引　言

煤层气是一种自生自储型的非常规天然气,主要以吸附态赋存在煤层孔隙表面[1]。煤层气成藏受煤层及其上下岩层所构成的含煤层气系统及该系统所经受的多种地质作用因素控制[2-3]。研究表明,影响煤层气富集成藏的地质因素包括构造运动、煤层厚度与埋深、煤阶、煤层含气性、渗透性、煤储层压力及水文条件等[4-10]。老厂矿区位于云南省东部富源县,是我国西南地区重要的煤炭及煤层气富集区之一。地理坐标位于东经104°17′48″～104°36′06″、北纬25°7′25″～25°15′,矿区面积约201 km2。含煤地层为二叠系龙潭组和长兴组,煤层变质程度较高,含气性好,是煤层气勘探开发的有利地区。笔者在分析矿区地质条件、煤岩及煤储层特征的基础上,探讨煤层气地质条件,为煤层气开采提供了基础资料。

1　煤层气赋存地质条件

老厂矿区构造位置属于扬子准地台滇东台褶带曲靖台褶束与华南褶皱系滇东褶皱带罗平—师宗褶断束的接触过渡区,以弥勒—师宗断裂为界,在师宗以北向东弯曲拐向NE,经罗平向NE延至黄泥河,此段即为矿区东部边界。

因基底上隆,以老厂背斜为中心,形成一个长轴 NE向的椭圆形基本格架,区内断褶构造发育,构造线以NE向为主,局部出现 NW向和近EW向的次级断裂和褶曲,褶皱组合多为背斜窄、向斜宽。隆起的基底四周形成小规模环状次级断裂,这些断裂对原NE向主断裂进行改造,使之被破坏、切割,所有构造线和地层线均为椭圆形,致使构造架形成一个较完整的椭圆形旋扭构造(图1)[11]。

研究区构造中等至简单,主体构造为NE向的老厂背斜,一较宽缓的不对称短轴背斜。老厂背斜南东翼地层倾角8°～20°,较小,为一宽阔平缓的单斜构造,地层保存较完好,构造简单。老厂背斜的北西翼地层倾角为30°～50°,发育较多断层,煤储层破坏较为严重。因此,老厂背斜南东翼较北西翼更有利于煤层气的富集,背斜缓翼部比轴部更有利于煤层气的富集。南东翼发育7条正、逆断层及一些断距小于20 m的断层,其中,逆断层对煤层气影响较大,因逆断层封闭作用,煤层气富集保存。同时在该区域内,断层以小断层居多,对煤储层影响不大,有利于煤层气富集。

图1　老厂矿区构造纲要Fig. 1　Structure outline map of Laochang mining area

根据钻测井资料确定研究区煤层顶底板岩性主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩及粉砂岩,泥质含量高。这种岩性组合对煤层气的封盖能力较好[12-13],能够有效地减少煤层气的逸散,因此,利于煤层气的富集成藏。

研究区发育碳酸岩类含水层、滑坡松散岩类含水层、碎屑岩类含水层和第四纪松散岩类含水层,富水中等。强径流区位于矿区边缘,断裂发育,水化学指标和矿化度均较低,径流条件强,煤层气含量普遍较低。中等径流区位于南东部斜坡区,受次级断裂和次级褶曲的影响,径流条件中等,地下水处于承压状态,钻孔单位涌水量0.009～0.350 L/(s·m),水质类型为重碳酸钾钠型,煤层气含量普遍较高。弱径流区位于德黑向斜轴部、东南部龙滩环状断裂区深部,煤层气含量普遍较高,但由于煤层埋深大,预测渗透率受埋深影响会变低[14]。

2　煤层与煤岩特征

2.1煤层特征

老厂矿区含煤地层为上二叠统长兴组与龙潭组,其中龙潭组为主要含煤地层,含煤地层总厚度为415.00～475.41 m,平均厚度为460.13 m;含煤20～53层,煤层总厚度为40.75 m,含煤系数8.86%;含可采煤层10～20层,总厚度为32.28 m,含煤系数7.02%。煤层自上而下编号为C1、C1+1、C2、C3、C4、C7+8、C8+1、C9、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19。

2.2煤岩特征

2.2.1显微组分分布

宏观煤岩特征分析结果表明,研究区煤岩颜色以深灰-灰黑色及块状为主;主要呈似金属光泽,其次呈玻璃光泽,也可见沥青光泽和金刚石光泽;各煤层裂隙较发育-发育,易破碎成块粒煤或粉粒煤;结构主要以中-细条带状为主;各煤层硬度较坚硬。煤岩组分以亮煤与暗煤为主;煤岩构造主要为块状构造,少量粉粒状构造;煤岩类型为半亮-半暗煤。

还可以利用多媒体将一些破坏环境的图片或视频播放出来，将环境受到破坏的情境展现出来，如水污染、土地沙化、臭氧层空洞等。通过这些触目惊心的图片，让学生明白环境保护的重要性。同时给出一些利用化学知识保护环境的方法，如，尽量减少塑料袋的使用、少用或不用一次性筷子等。或是组织学生讨论化工厂选址问题，通过亲自参与活动的方式，加深对化学知识的理解，树立起可持续发展理念，完成传统文化元素的渗透，提高化学教学质量。

对煤样进行显微组分分析,结果如图2所示。图2表明,该矿区煤中镜质组含量最高,其次为惰质组,壳质组体积分数一般不超过5%。

图2　老厂矿区煤岩显微组分分布Fig. 2　Diagram of coal macerals in Laochang mining area

镜质组是煤岩的主要组分,体积分数为79.50%～94.90%,平均86.56%,以无结构镜质体为主;结构镜质体和碎屑镜质体亦常出现,但二者(结构镜质体和碎屑镜质体)所占比例不大。惰质组体积分数为3.00%～20.50%,平均10.24%,以半丝质体、碎屑惰质体较多,其次为丝质体、粗粒体及分泌体,但所占比例不大,微粒体在部分样品中偶有出现。壳质组是煤岩中次要组分,体积分数为0～13.4%,平均3.20%,以变碎屑角质体、变树脂体、变树皮体、变角质体为主。煤样中镜质组反射率(表1)主要分布在2.60%～3.08%之间,平均2.90%,表明煤层在地质埋藏时期经历了较高的热演化。

表1　老厂矿区主采煤层镜质组反射率Table 1　Vitrinite reflectance of main coal seam in Laochang mining area

2.2.2无机矿物组分分布

煤中无机矿物的含量影响煤裂隙发育程度和煤对气体的吸附能力,黏土矿物由于具有巨大的比表面积,能够吸附大量的气体,脆性矿物易于压裂造缝,利于气藏的运移聚集。老厂矿区煤岩无机矿物分布如图3所示。

图3　老厂矿区煤岩无机矿物分布Fig. 3　Diagram of inorganic mineral in Laochang mining area

图3表明,老厂矿区煤岩中无机矿物的质量分数为1.90%～31.20%,平均12.79%,主要包括黏土类、硫化铁类、碳酸盐类、氧化硅类四大类。其中，黏土矿物是该区煤岩无机矿物中的主要矿物成分,质量分数为1.20%～22.40%,平均8.08%;硫化铁类以黄铁矿为主,质量分数为0～10.20%,平均2.24%,黄铁矿多呈微粒状、星点状、粒状、团块状,粒状集合体也多见;碳酸盐类质量分数0～9.60%,平均1.43%,以菱铁矿和方解石为主;氧化硅类以石英为主,质量分数为0～6.30%,平均1.27%。

2.3煤质特征

煤的化学性质主要包括水分(M)、灰分(Ad)、挥发分(Vdaf)、发热量(Q)、硫分(St,d)及其他元素组分。可采煤层的煤质分析结果如图4所示。该区煤中挥发分(Vdaf)平均值为6.54%,煤的干燥无灰基氢(Hdaf)含量平均值为3.44%，煤的镜质组最大反射率(R0,max)平均值为2.90%。依据GB5751—86《中国煤炭分类国家标准》,可确定本区煤类属于无烟煤3号(WY03),煤变质程度高,生气性质优越。可采煤层均属中灰煤,全硫含量变化较大,属特低硫-高硫,发热量属高热值煤,煤炭品质好。

3　煤储层物性

据傅雪海等[12]的研究,煤储层的孔裂隙系统是由宏观裂隙、显微裂隙和孔隙组成的。孔隙是煤层气的主要储集场所,宏观裂隙是煤层气运移的通道,而显微裂隙则是沟通孔隙与宏观裂隙的通道。因此,孔隙性和渗透性不仅影响煤储层的储气性能,而且对煤层气开发是否成功起着决定性的作用。笔者依据老厂矿区样品进行实验,统计可采煤层的裂隙发育程度,如表2所示。

图4　老厂矿区煤质分析Fig. 4　Coal analysis in Laochang mining area表2　老厂矿区主要可采煤层裂隙发育程度Table 2　Fracture degree of main coal seam in Laochang mining area

煤层高度/cm密度/条·(5cm)-1张开度/mm填充物C21.010～150.1～0.3方解石脉C31.511～140.1～0.3致密方解石C7+80.55(局部)致密无填充物C91.011～120.2方解石C131.1100.2方解石脉C162.010～160.1方解石脉C190.68致密无填充物

由表2可知,研究区煤储层的裂隙以中裂隙及小裂隙为主,裂隙较为发育,有利于煤层气的运移。

研究区煤岩孔隙发育情况如表3所示。表3显示,煤的孔隙率为4.49%～16.75%,平均6.94%,属于低孔隙度储层,有利于煤层气的开发。同时,据实验得出,研究区总孔容为0.14 cm3/g,比表面积为227 cm2/g,亦有利于煤层气开发。

表3　主要可采煤层密度与孔隙率Table 3　Density and porosity of main coal seam in Laochang mining area

3.2储层渗透性

据老厂矿区煤层气井的注入/压降试井实验,经室内实验分析,可得C2的渗透率为0.050 mD;C3的渗透率为0.243 mD;C7+8的渗透率为0.256 mD。从数值上来看,C2煤层渗透率较低,偏低原因为孔隙间隙小或裂隙有充填物。C3和C7+8煤层渗透率位于0.1～1.0 mD范围,相对我国煤储层渗透率[10]而言属中等水平,较有利于煤层气地面开采和煤矿瓦斯抽放[15]。一般来说,大部分属中-高渗透率储层,有利于煤层气的开发。

3.3储层吸附-解析特征

对老厂矿区4103-3和4117-2两口煤层气井采集的煤芯样品进行平衡水高压等温吸附实验(24～28 ℃),得到C2、C3、C7+8的等温吸附曲线,结合煤层气参数井实测含气量、储层压力等数据,可计算出主要煤层的含气饱和度,如表4所示。

表4　煤储层含气饱和度Table 4　Gas saturation of coal reservoir

由表4可知,煤层气实测饱和度变化平均为43.65%,属于欠饱和储层,接近全国44%的水平[6]。一般来说,解吸量由残余气量、解吸气量与逸散气量三部分组成,其中,损失气量与解吸气量的和与总含气量的比值称为解吸率,是评价解吸性最重要的参数。根据解吸实验确定解吸率为86.69%～95.17%,平均93.35%,数值偏高,说明煤层气封闭条件较好,有利于煤层气的富集[8]。

3.4储层压力特征

储层的压力特征采用储层压力梯度和压力系数两个参数表征。据老厂矿区煤层气井的注入/压降试井实验,储层压力梯度C2煤层为14.71 kPa/m、C3煤层为12.64 kPa/m、C7+8煤层为6.52 kPa/m。计算得煤储层压力,如表5所示。

表5　煤储层压力特征参数Table 5　Characteristics parameters of coal reservoir pressure

由表5可知,C2和C3两煤层均属高异常压力煤储层,C7+8煤为低异常压力煤储层。该区储层压力偏高,对煤层气的富集有益。

3.5煤层含气性

运用MT/T 77—94《煤层气测定方法》(解吸法),并结合煤层气试井资料和等温吸附曲线等资料,对各主要可采煤层的含气量进行计算。煤层含气量为6.02～18.95 m3/t,一般在9.2 m3/t以上。煤层气含气量等高线分布如图5所示,研究区含气性较好。根据评价标准,属中等含气性。

图5　老厂矿区煤层含气量等值线Fig. 5　Isoline of coalbed methane content in Laochang mining area

4　煤层气资源量

根据现有资料,采用容积法计算研究区煤层气资源量,结果如表6所示。由表6可以看出,老厂矿区煤层气资源量为869.61×108m3,其中,预测资源量232.87×108m3,占27%,属中型富气区。

表6　老厂矿区煤层气资源量Table 6　Coalbed methane resource of Laochang mining area

该地区煤炭资源丰富,煤层气资源同样丰富。全区煤层气869.61×108m3,资源丰度1.69×108m3/km2,其中,浅部含气丰度为0.21×108～1.34×108m3/km2,平均0.79×108m3/km2,主要受风化与逸散影响而减小;深部勘查区丰度 1.56×108～3.33×108m3/km2,平均1.63×108m3/km2；预测区丰度达1.85×108m3/km2。从煤层气资源量、煤层气丰度及含气量评价方面进行评价,老厂矿区属中型富甲烷煤层气目标区,有进一步勘探价值。

5　结　论

(1)老厂矿区含煤地层为龙潭组和长兴组,含煤地层平均厚460.13 m。含煤20～53层,煤层总厚度40.75 m,含煤系数8.86%;含可采煤层一般15层,可采煤层总厚度32.28 m,可采含煤系数7.02%。

(2)煤热演化程度高,煤类单一,均为无烟煤3号。显微组分以镜质组为主,其次为惰质组,壳质组很少。无机组分以黏土为主,其次为石英、黄铁矿等。可采煤层均属中灰煤,全硫含量变化较大,属特低硫-高硫,发热量属高热值煤，煤炭品质好。煤层生烃能力强,有机质丰富,具有良好的煤层气生成条件。

(3)老厂矿区构造及水文条件均属简单类型,煤层埋藏深度适中,煤储层物性较好,煤孔隙度低,渗透性中等,解吸率和储层压力偏高,中等含气性,含气量为6.02～18.95 m3/t,具有良好的储气条件。

(4)全区煤层气资源量为869.61×108m3,资源丰度1.69×108m3/km2。煤炭资源量1 088 885万t。从煤层气资源量、煤层气丰度及含气量方面进行评价,老厂矿区属中型富甲烷煤层气目标区,煤层气成藏地质条件优越,煤层气资源丰富,开采条件优越。

[1]GAYER R A, HARRIS I. Coalbed methane and coal geology[M]. London： Geological Society, 1996.

[2]方爱民, 侯泉林, 琚宜文, 等. 不同层次构造活动对煤层气成藏的控制作用[J]. 中国煤田地质, 2005, 17(4): 15-20.

[3]赵少磊, 朱炎铭, 曹新款, 等. 地质构造对煤层气井产能的控制机理与规律[J]. 煤炭科学技术, 2012, 40(9): 108-111， 116.

[4]秦勇, 汤达祯, 刘大锰, 等. 煤储层开发动态地质评价理论与技术进展[J]. 煤炭科学与技术, 2014, 42(1): 80-88.

[5]张松航, 汤达祯, 唐书恒, 等. 鄂尔多斯盆地东缘煤层气储集与产出条件[J]. 煤炭学报, 2009, 34(10): 1297-1304.

[6]姚艳斌, 刘大锰, 黄文辉, 等. 两淮煤田煤储层孔-裂隙系统与煤层气产出性能研究[J]. 煤炭学报, 2006, 31(2): 163-168.

[7]叶建平, 武强, 王子和. 水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J]. 煤炭学报, 2001, 26(5): 459-462.

[8]王国玲, 秦勇. 煤储层含气性特征及其地质动力学控制因素[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(2): 19-23.

[9]刘大锰, 李俊乾. 我国煤层气分布赋存主控地质因素与富集模式[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(6): 19-24.

[10]叶建平, 史保生, 张春才. 中国煤储层渗透性及其主要影响因素[J]. 煤炭学报, 1999, 24(2): 18-12.

[11]李伍, 朱炎铭, 陈尚斌, 等. 滇东老厂矿区多层叠置独立含煤层气系统[J]. 中国煤炭地质, 2010, 22(7): 18-21.

[12]傅雪海, 秦勇, 韦重韬. 煤层气地质学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2007.

[13]曾凡武, 薛晓辉. 煤层气含气量测定影响因素分析[J]. 中国煤层气, 2012, 9(3): 24-26.

[14]郭秀钦, 张德荣, 桂宝林, 等. 老厂矿区煤层及煤层气藏水文地质特征[J]. 云南地质, 2004, 23(4): 487-495.

[15]陈召英, 吴财芳. 云南老厂矿区煤层气资源评价与前景分析[J]. 科技信息, 2010(17): 540, 578.

(编辑荀海鑫)

Geological conditions of coalbed methane in Laochang mining area in Yunnan Province

JIANGTianguo,MAYingyan,LIUShengbiao

(Yunnan CBM Exploration & Development Co.Ltd., Kunming 650031, China)

This paper is motivated by the need to explore the geological conditions of coal bed gas found in the Laochang mining area, an important coalbed methane (CBM) production target area in Yunnan Province. The exploration is best obtained by comprehensively analyzing the geological characteristics as well as the property of coal and coalbed reservoir. The results show that Longtan and Changxin formations in the Laochang mining area are blesses with better-developed conditions for CBM: such as a better coal bearing property, a coal higher thickness and more stable distribution, coal quality dominated by anthracite, greater hydrocarbon generation, stronger hydrocarbon generation ability; more stable coal macerals, higher vitrinite content, stronger adsorption of methane; lower coal seam porosity, medium permeability; higher desorption rate and reservoir pressure, medium gas-bearing properties ranging between 6.02 and 18.95 m3/t。The target area has relatively simple tectonic background and hydrology geological condition, along with a better-developed sealing capability of surrounding rock and hydraulic trapping, thus facilitating coalbed methane reservoir. The comprehensive analysis finds that Laochang mining area occurs as a medium-sized CBM target area with superior geological conditions for coalbed methane reservoir, abundant coalbed gas resources, and favorable exploitation conditions.

Laochang mining area; coalbed methane(CBM); geology conditions; coal reservoir physical property

2014-10-11

蒋天国(1966-),男,云南省昆明人,高级工程师,研究方向:煤田地质与煤层气勘查,E-mail:164318174@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.006

P618

2095-7262(2015)01-0026-05

A