胡家河井田煤层气赋存规律研究

罗腾文，屈红军.

(西北大学地质学系，陕西西安 710069)



胡家河井田煤层气赋存规律研究

罗腾文1，屈红军2.

(西北大学地质学系，陕西西安 710069)

煤层气赋存规律和控制因素是煤层气勘查中的首要研究问题，煤层气的分布特征及影响因素对于制定煤层气的开发方案具有非常重要的意义。本文论述了4号煤储层地质特征及其含气性基本特征，分析了4号煤含气量与沉积环境、煤层埋深、煤层厚度、煤质、围岩性质、构造、水文地质条件的关系。结果表明，煤层厚度与含气量呈明显正相关性，煤层埋深、煤质与含气量呈负相关性，当顶底板岩性为泥岩时含气量高，研究区沉积环境、井田构造与水文地质条件较有利于煤层气赋存。最终，明确影响研究区煤层气赋存的主要因素为煤层埋深、煤层厚度和顶底板岩性。

胡家河井田；4号煤层； 煤层气；赋存规律

煤层气的赋存形态有3种：游离态、溶解态、吸附态。以吸附状态为主，约占90%[1-2]。由于煤的孔隙比较发育，内表面积非常大，所以煤层之内可以储藏大量甲烷。这种储集量一般为常规砂岩的2～3倍。随着压力的降低，甲烷解吸并释放出来。释放的气含量受到线性等温吸附线的控制。众所周知，影响煤层甲烷含量的地质因素很多，涉及方面很广，不过按照地质因素的性质可归纳为煤系及煤层围岩的封闭性能、煤层煤质特征、地质构造条件、煤层埋藏深度及水文地质条件等5个方面[3-5]。

彬长矿区煤炭资源十分丰富，煤层厚度大，层位稳定，结构简单，煤质优良。胡家河井田位于彬长矿区中北部的泾河东侧，行政区划隶属彬县北极、义门镇及西坡乡管辖。在前人做过的地质勘探的基础上，为了更好地利用煤层气资源，也为了在开采煤层气资源的道路上达到投资方的要求实现效益最大化，特此对胡家河井田煤层气赋存规律进行研究。

1 煤储层地质特征研究

1.1 煤储层发育特征

1.1.1 含煤性

延安组为本井田含煤地层，可划分为两个含煤层段，即上段(J2y2)与下段(J2y1)，上段含3号煤组，下段含4号煤组。全井3号煤层属局部可采煤层，4号煤层属大部可采煤层。3号、4号煤层的可采性、厚度、间距见表1。本文主要研究4号煤层。

表1 煤层特征一览表Table 1 Coal seam feature list

由于受古地貌和构造运动的影响，含煤性随延安组沉积厚度的变化而变化，在井田的西南部一带古地貌低凹区，煤层厚度较厚，煤层层数较少；而在井田的东部，由于地壳不均衡地下降，延安组沉积厚度较小，其间发育了一些小型聚煤盆地，故煤层较薄但层数较多。

1.1.2 煤层厚度特征

4号煤层位于延安组下段的底部。未见煤点11个，见煤点35个，全部达到可采，可采面积为47.655 km2。该煤层厚度较稳定，依古地貌形态差异而变化，在1-1、1-2、2-2、3-1、3-2、4-2、4-3钻孔古隆起中心地带未沉积煤层，在古隆起边缘煤层厚度较薄，一般小于10.00 m(图1)，为稳定煤层，属大部可采煤层，亦为本井田的主采煤层。

图1 胡家河井田4号煤层厚度等值线图Fig.1 Contour map of 4# coal seam thickness in Hujiahe mine

1.2 煤岩煤质特征

1.2.1 煤岩特征

(1)煤的宏观煤岩类型。

4号煤层宏观煤岩类型在垂向上一般下部以暗淡型、半暗型为主，中部半暗型、半亮型、暗淡型交替出现，上部以半亮型为主。

宏观煤岩成分以暗煤及亮煤为主，并含有大量丝炭及透镜体，煤岩类型多为半暗型、暗淡型，次为半亮型。显微煤岩组分丝质组以木镜丝质体、碎屑丝质体为主，矿物质含量较低。显微煤岩结构具有多种类型，主要有条带状、线理状、透镜状，其次为粒状和团块状。显微煤岩类型以微惰煤、微镜惰煤、微镜煤为主，微矿化煤含量极低。煤化程度属Ⅰ～Ⅱ变质阶段烟煤，以区域变质因素为主。

(2)4号煤层的显微煤岩成分及特征。

分析结果表明：4号煤层有机含量很高，达到了92.33%。显微组分以半丝质组加丝质组为主，含量达到62.18%，其中丝质组以碎屑丝质体及木镜丝质体为主，半丝质组以木镜半丝质体及碎屑半丝质体为主。显微组分中其次为镜质组及半镜质组，含量为28.56%，其中镜质组以无结构镜质体含量最高，其次为碎屑镜质体及结构镜质体；半镜质组主要为无结构半镜质体。稳定组含量为1.49%，主要为碎屑壳质体，其次为孢粉体。矿物质含量为7.28%，以碳酸盐类及黏土类为主，其次为硫化物类，氧化物含量甚少。黏土矿物呈暗灰色，以粒状形态赋存于丝质体和不均匀基质体中。方解石呈脉状充填于裂隙中，硫化物以黄铁矿膜状和散粒状形态布于裂隙中，氧化物为石英颗粒，呈稀疏状分布于基质体中。

(3)镜质组反射率。

4号煤层在显微光度计上的油浸反射光下所测定的镜质组平均最大反射率为0.640%～0.673%。

1.2.2 煤质特征

(1)分析基水分(Mad)。

煤的水分除对燃烧稳定性有一定影响外，主要对输煤系统、制粉系统的设计及运行有着直接影响。

本井田原煤分析基4号煤层的水分含量为2.82%～6.68%，平均为4.47%。4号煤层较高水分区在区内西部不可采区周围分布。经1.4 g/cm3密度液洗选后，4号煤层分析基水分有所降低，降幅为25%。因此，分析得4号煤层属于低水分带。

(2)灰分(Ad)。

4号煤层灰分产率在8.87%～33.24%之间，平均为15.29%，以低中灰煤为主。按见煤点统计，4号煤层绝大部分见煤点为低中灰煤，占总点数的82.35%；其次为低灰分煤及中灰分煤，分别占8.82%及5.88%；中高灰分煤仅有一个见煤点(203钻孔)出现。经1.40 g/cm3密度液洗选后，4号煤层浮煤灰分产率大幅度降低，平均降为6.16%，属低灰分煤级别。

(3)挥发分(Vdaf)产率。

4号煤层原煤干燥无灰基挥发分值在25.27%～36.95%之间，平均为33.43%；浮煤干燥无灰基挥发分值在29.88%～36.05%之间，平均为32.98%。综上所述，区内4号煤层属中高挥发分煤，浮煤挥发分值在28.01%～37.00%之间。

(4)原煤硫分(St，d)及各种形态硫(Ss,d、Sp,d、So,d)。

煤中硫分含量的高低，直接影响煤炭利用及环境保护。

本区4号煤层原煤全硫含量(St,d)为0.32%～2.07%，平均为0.84%，属特低硫～中高硫，以低硫分煤为主。本井田煤原煤全硫含量较高，但经1.40 g/cm3的密度液浮选后，有大幅度降低。4号煤层硫分降为0.23%～1.29%，已属特低硫～低中硫煤级别。

煤中硫分由硫酸盐硫(Ss,d)、硫化铁硫(Sp,d)和有机硫(So,d)组成，其中以硫化铁硫为主，其次为有机硫，硫酸盐硫含量最少。

1.3 围岩封闭性特征

1.3.1 顶板岩性

4号煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主，中粒砂岩、细粒砂岩次之(图2)。岩体中等完整，质量一般，属较稳定型。

顶板岩性力学性质抗压强度在21.40～30.42 MPa之间，平均值为27.24 MPa。天然容重在2.50～2.59 g/cm3之间，平均为2.53 g/cm3。干容重在2.45～2.57 g/cm3之间，平均为2.49 g/cm3。

图2 胡家河井田4号煤层顶板岩性图Fig.2 Roof lithology map of 4# coal seam in Hujiahe mine

1.3.2 底板岩性

4号煤层底板为泥岩，岩体中等完整，质量一般，属较稳定型。底板岩性力学性质抗压强度在19.28～31.48 MPa之间，平均值为24.64 MPa。天然容重在2.54～2.60 g/cm3之间，平均为2.57 g/cm3。干容重在2.52～2.55 g/cm3之间，平均为2.53 g/cm3。

1.3.3 顶底板岩性封闭性评价

煤层顶底板的封闭性能是煤层气富集高产的主控因素之一。通过对煤层顶底板岩性、物性和裂缝发育特征等的综合分析，选取岩性系数、岩层厚度、孔隙度、渗透率、裂缝强度指数这5个评价指标作为影响煤层顶底板封闭性能的主要因素，得出煤层顶底板封闭性综合评价[4-5]。相关研究将为煤层气资源评价及矿区瓦斯预测与防治提供有效的指导作用。

良好的封盖层必须具备封盖层厚度大、岩性分布稳定、岩性致密且不含裂缝等要素[6-7]。胡家河井田4号煤层顶板岩性大部分以泥岩为主，底板岩性为泥岩，孔隙度小，渗透率也低，所以封盖层对于煤层气的储藏非常有利。

1.4 煤储层物性特征

1.4.1 孔隙度

1.4.2 渗透率

储集层的渗透率表示储集层的渗透性，指在一定压力下，允许流体通过其连通孔隙的性质。根据胡家河井田3口井的测试，得出该区的渗透率在0.17～2.92 mD之间，平均为1.56 mD。

2 煤层含气性特征研究

2.1 煤储层含气性

2.1.1 成分

按照设计要求对采集的气体样品进行气相色谱分析，HJH-03、HJH-04、HJH-05三口井煤层气的主要成分为N2、CH4、CO2。其中，N2含量最高，平均为59.2%；CH4浓度在0.80%～90.83%之间，平均为37.18%。

2.1.2 含气量

对研究区所采集的煤芯样品进行自然解吸、损失气及残余气测定(含一个快速解吸样)，总气含量及甲烷气含量的计算是采用解吸样品不同基准重量分别进行换算的，即根据每个样品解吸的总气含量及甲烷浓度计算出空气干燥基、干燥基、干燥无灰基等不同基准的总气含量和甲烷含量。

4号煤层含气情况如下：

综上所述,应用集束化护理措施,能够显著降低呼吸机相关性肺炎患者的机械通气时间、呼吸机相性肺炎发生率,并有助于提高护理质量与患者满意度,值得临床广泛推行。

损失气(空气干燥基)：0～0.08 m3/t，平均为0.02 m3/t。

解吸气(空气干燥基)：0.01～0.99 m3/t，平均为0.15 m3/t。

残余气(空气干燥基)：0.02～0.12 m3/t，平均为0.05 m3/t。

总气含量(空气干燥基)：0.14～1.15 m3/t，平均为0.21 m3/t。

甲烷气总气含量(空气干燥基)：0.01 m3/t，平均为0.01 m3/t。

胡家河井田瓦斯含量如图3所示。胡家河井田的含气量浓度在0.02～3.69 mL/gdaf之间，由图3可知，由154钻孔向北含气量逐渐增加，由H2-6钻孔向H2-4和H4-4钻孔含气量逐渐增多。所以，总体上含气量是从无煤区向北逐渐增多，从井田南部向中部无煤区逐渐增多。

图3 胡家河井田4号煤层含气量等值线图Fig.3 Gas content contour map of 4#coal seam in Hujiahe mine

2.2 煤储层的吸附特征

2.2.1 储层温度

储层温度是储层评价的重要参数[8-10]，影响到煤层气的吸附与解吸。吸附等温线的测试就是在储层温度下进行的，同时储层温度会在煤层气解吸过程中有所降低。因此，准确确定储层温度非常重要。一般可通过测井获得。胡家河井田测试温度在25.8～28.0℃之间，平均温度为27℃。研究区储层温度属于正常地温。

2.2.2 储层压力

煤层气储层压力是指作用于煤孔隙、裂隙内的水和煤层气上的压力[11]，也被称为煤储层压力、煤层压力。它是煤层气运移和产出的动力。储层压力影响着煤层的储气能力，也影响着瓦斯在煤层中的赋存状态和煤层的渗透性能。通常采用储层压力与静水压力之间的相对关系来表示储层所处的压力状态[12]。正常储层压力状态下，储层中某一深度的地层压力等于从地表到该深度的静水压力。如果储层压力超过静水压力，则称之为异常高压；如果储层压力低于静水压力，则称之为异常低压。胡家河井田储层压力在4.29～5.70 MPa之间，平均储层压力为4.99 MPa，属于异常低压。

2.2.3 等温吸附特征

兰氏体积(VL)反映煤的最大饱和吸附量，其值的大小可以反映煤的吸附性能，VL越高，煤的吸附能力越强[13-15]。兰氏压力(pL)是VL值为50%时对应的压力值，其大小反映了煤层气解吸的难易程度(图4)。pL小者，等温吸附线的曲率大，说明煤在低压区的吸附量相对较大，而在高压区随着压力增大煤吸附量的增加减少；pL大者，等温吸附线的曲率小，说明煤在低压区的吸附量相对较小，而在高压区随着压力增大煤吸附量的增加增大。VL反映了煤的最大吸附能力，但并不反映在某个压力下VL大者煤的吸附量就大；在一定压力下，尤其在较低压力区，煤的吸附量不但与VL的大小有关，更重要的是与pL有关，pL越小吸附量就越大，反之吸附量越小。

由试验数据可得4号煤层的VL如下：

空气干燥基：10.14～14.04 m3/t，平均为12.19 m3/t。

干燥无灰基：13.52～16.02 m3/t，平均为14.88 m3/t。

得4号煤层的pL为4.04～5.25 MPa，平均为4.66 MPa。

图4 胡家河井田HJH-03井等温吸附曲线Fig.4 Isothermal adsorption curve of HJH-03 well of Hujiahe mine

2.2.4 含气饱和度

对于煤储层的气饱和状态的估计可采用理论饱和度或实测饱和度参数。理论饱和度是实测含气量与兰氏体积之比值[16]，即

S理=V实/VL

(1)

式中S理——理论饱和度，%；VL——兰氏体积，m3/t；V实——实测含气量，m3/t。

实测饱和度则是实测含气量与实测储层压力投影到吸附等温线上所对应的理论含气量的比值，即

S实=V实/V理

(2)

式中S实——实测饱和度，%； V理——理论含气量，m3/t。

则由公式和等温吸附数据可计算出4号煤层的含气饱和度：

S理：0.64%～2.24%，平均为1.43%。

S实：1.19%～3.49%，平均为2.31%。

所以胡家河井田4号煤层属于欠饱和状态。

2.3 煤储层的解吸特征

2.3.1 解吸率

(3)

胡家河井田4号煤储层的解吸率可以由表2分析得出。

由表2可知4号煤层的解吸率在71.56%～86.84%之间，平均解吸率为79.45%。

2.3.2 吸附时间

总解吸气体(包括残余气)中的63.2%(V63%)被解吸出来时所需的时间称为解吸/吸附时间。计算如下：

V63%=解吸总体积(Vd)×63% (4)

由胡家河井田HJH-03、HJH-04、HJH-05三口井的平均吸附时间得出，整个井田区域大概的吸附时间为1.73 d。

2.3.3 临界解吸压力

煤层气临界解吸压力与煤储层含气量及吸附-解吸特性成函数关系[17-18]，是估算煤层气采收率的重要参数。临界解吸压力系指在等温曲线上煤样实测含气量所对应的压力，可由以下公式计算得到

pcd=V实·pL/(VL-V实)

(5)

式中pcd——临界解吸压力，MPa；

pL——兰氏压力，MPa。

则4号煤的临界解吸压力在0.03～0.11 MPa之间，平均为0.06 MPa(表3)。

表3 煤储层的临界解吸压力

3 煤层气赋存规律研究

3.1 含煤岩系沉积环境与瓦斯含量

不同沉积环境下的煤层厚度不一样，不同环境下形成的煤及煤质也不一样，不同的沉积环境使煤层的顶底板岩性不同[19]，这就影响煤层气藏的封存、保存条件。

胡家河井田含煤岩系沉积环境属于河流沼泽沉积相，在河流沼泽环境中，植物遗体堆积形成泥岩沼泽，发生物理化学作用、生物化学作用、煤化作用、变质作用形成煤，在不同的压力和温度下，形成的瓦斯含量不同。沉积形成的煤层顶板大部分为泥岩，少数为粉砂岩和中细粒砂岩；煤层底板基本都是泥岩，这样就形成了很好的封闭环境，有利于煤层气的储存。

3.2 煤层埋深、厚度与瓦斯含量

当其他地质条件相同或相近时，在有限深度范围内，煤层含气量随埋深而增加且呈线性正相关关系。但是在很多情况下，煤层含气量与埋深之间也并非呈简单的线性正相关关系，变化梯度随埋深而变化[20-21]。煤层气含量在进入一定深度之后不再随埋深增加是由煤层储气能力决定的，这是因为煤层的储气能力是有限的，在达到其极限值后无论埋深如何增加，煤层吸附气量基本不变。由图5可看出胡家河井田含气量与煤层埋深呈负相关关系。

图5 煤层埋深与含气量的关系图Fig.5 Relationship between the depth of coal seam and the gas content

从产气的角度分析，煤层越厚生气量越大。煤形成以后至今，经过漫长的历史时期，在其他地质条件相同的条件下，一般煤层气储层厚度越大，煤层气储层含气量越高，反之则越低。胡家河井田含气量与煤层厚度呈正相关关系，如图6所示。

图6 煤层厚度与含气量关系图Fig.6 Relationship between the coal seam thickness and gas content

3.3 煤岩煤质与瓦斯含量

(1)一般认为煤中水分增高，吸附能力降低；当水分高于一定值时，其不再对吸附能力产生影响。胡家河井田煤质特征属于低水分，所以随着水分含量的增高，含气量减少。含气量与水分呈负相关关系，如图7所示。

图7 水分与含气量关系图Fig.7 Relationship between water and gas content

(2)煤的灰分是指煤中所有可燃物完全燃烧后残留的无机矿物质。煤层气主要吸附在煤层中的有机质孔隙和割理中，而无机矿物质完全没有吸附煤层气的性能。因此，随煤层中灰分含量的增加，煤层吸附能力减小，煤层气含量较少。胡家河井田含气量与灰分呈负相关关系，如图8所示。

图8 灰分与含气量的关系图Fig.8 Relationship between the ash content and gas content

(3)煤的挥发分是指煤中的有机质受热分解产生的可燃性气体。挥发分与煤化程度有关系，煤化程度越低，挥发分的含量越高；随着煤化程度加深，挥发分的含量逐渐降低。胡家河井田含气量与挥发分之间无明显的关系(图9)。

图9 挥发分与含气量的关系图Fig.9 Relation diagram of volatile matter and gas content

3.4 煤层围岩特征与瓦斯含量

煤层气在形成过程中或形成以后必须被封存在煤层中才可能形成煤气藏[22-23]。这种封存主要取决于煤层顶底板的排替压力。当排替压力高于储层压力时，煤层气可赋存在煤层中而不至于散失。但煤层顶板的封存能力也是相对的。当储层压力较高时，顶板岩石即使有较高的排替压力，也可能阻止不了煤层气的散失；储层压力较低时，即使顶板岩石排替压力较低，也可能阻止煤层气的扩散。

对煤层而言，顶板多为泥岩、粉砂岩、砂岩，个别情况下为灰岩。一般情况下泥岩、粉砂岩比较致密，孔隙半径较小，排替压力较高，对煤层气有较强的封存能力[21-23]。从图10可以看出，研究区顶板为泥岩的地区含气量高，说明泥岩的封盖能力强，而研究区4号煤顶板以泥岩为主，所以研究区围岩特征有利于煤层气保存。

图10 围岩与瓦斯含量关系图Fig.10 Relationship between wall rock and gas content

3.5 构造与煤层瓦斯含量

断层与褶皱对煤层气含量的控制作用非常明显。一般情况下，向斜轴部煤层气相对富集。这主要与向斜轴部煤层埋深较大和地下水相对滞留有关。

断层对煤层气含量的控制作用分两类：开放性断层和封闭性断层。封闭性断层对煤层气的保存最为有利，没有造成煤层气显著散失。开放性断层是煤层气散失的通道，但取决于断层带充水条件，如果断层带富含水，且地下水位较高，则可形成相对较高的静水压力，有利于煤层气的保存；反之，则煤层气散失严重。胡家河井田未发现断裂构造，有一小型的褶曲构造，易于煤层气的储集。

3.6 水文地质条件与瓦斯含量

(1)补给。

胡家河井田绝大部分地区被第四系或第三系覆盖，且厚度大，加之塬面较为平坦，有利于大气降水的入渗补给，黄土中上部孔隙较为发育，所以储存于塬面第四系中更新统(Q2)。黄土中的地下水以大气降水补给为主。延安组承压裂隙水的补给在井田内以侧向补给为主；井田外的补给源较远，主要是通过区外的深层断裂构造导水带补给。加之其岩性以粉、细粒砂岩和煤层为主，补给量很小，因此含水量也很微弱。

(2)径流。

黄土中浅层地下水潜水在塬面中心地段的北极向塬四周径流，径流条件较好。基准面以下地下水埋藏较深，主要为洛河组及延安组含水岩组以层流的方式径流，其流向由北向南，洛河组含水层流速较大，延安组含水层流速相对滞缓。

(3)排泄。

井田以南有下沟、火石咀、亭南等中小型煤矿，多形成延安组含水层的排泄，由于延安组地层分布极为广泛，地层相对水平(倾角小于7°)，延安组承压水在井田只能由北向南径流。河流侵蚀基准面以上的地下水，其径流主要受地形地貌控制，一般由较高的分水岭地段向洼地中心运移。

水动力条件的强弱决定煤层气的运移和富集[17]。以往的传统观点认为，煤层气是一种自生自储的非常规天然气。但近期研究表明，煤层气的运移普遍存在，对大多数煤层气藏而言，没有运移就没有煤层气的富集。地下水的补给、运移、滞留和排泄是煤层气运移和散失的动力。地下水滞留区是地下水运移的目的地，也是煤层气运移的最终场所。一般来说，地下水的压力越大，煤层气含量就越高，反之则低。地下水的强径流带煤层气含量低，而滞流带煤层气含量高。因此，在地下水滞留区煤层气富集。由上所述，胡家河井田的水动力条件较弱，易于煤层气的赋存。

4 结论

(1)研究区4号煤层厚度较大，赋存稳定，结构简单，属大部可采煤层，亦为本井田的主采煤层。

(2)总体上含气量是从无煤区向北逐渐增多，从井田南部向中部无煤区逐渐增多。

(3)煤层埋深、煤层厚度和顶板岩性是影响煤层气赋存的主要因素。这些因素的叠加效应导致煤层气赋存的复杂性。

(4)煤层厚度与含气量呈明显正相关性，而煤层埋深、煤质与含气量呈负相关性；当顶底板岩性为泥岩时含气量较高；研究区沉积环境、井田构造与水文地质条件较有利于煤层气赋存。

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Study on Occurrence Regularity of Coalbed Methane in Hujiahe Coal Field

Luo Tengwen1,Qu Hongjun2

(Department of Geology, Northwest University, Xi＇an, Shaanxi 710069, China )

Occurrence regularity of coalbed methane and controlling factors is a primary research issue in CBM exploration, coalbed methane distribution characteristics and influence factors have very important significance for the development plan of coalbed methane. Based on the previous studies, this paper collected, finished and analyzed the geological data of the past, and discussed the geological features of coal reservoir and its gas bearing basic features of the 4#coal reservoir, analyzed the relationship between containing gas of 4#coal and sedimentary environment, coal seam buried depth, thickness of coal seam, coal rock properties, surrounding rock properties, geological structure, hydrogeological conditions. The results showed that the thickness of coal seam and gas content had a significant positive correlation, coal buried deep, coal properties and gas content had a negative correlation, when the lithology of roof and floor was mudstone which containing high gas volume, the sedimentary environment, structural and hydrogeological conditions were conducive to the coalbed methane occurrence. Finally, the main factors that affected the occurrence of coalbed methane in the research area were the coalbed depth, the thickness of coal seam and the lithology of roof and floor.

Hujiahe minefield; 4#coal seam; cabled methane; occurrence regularity

罗腾文(1992—)，男，硕士研究生，主要从事煤层气地质学、储层沉积学及世界深水油气基础地质研究。邮箱:873315601@qq.com.

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