胡家河-小庄井田4号煤层煤层气赋存特征研究

李向荣 邹海江

(陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 710119)

胡家河-小庄井田4号煤层煤层气赋存特征研究

李向荣 邹海江

(陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 710119)

根据煤田及煤层气勘探井资料，对研究区的煤层气赋存特征进行了系统分析。结果表明：研究区延安组煤系含水层处于地下水径流区，煤层气的保存条件较差；主采4号煤储层具有孔隙度低、渗透性好、储层压力小和吸附、解吸能力较强的特征；煤层变质程度低，为低阶煤，生气能力较低，含气量低，含气量平面具有西高东低、南北上呈间隔状分布的特征；属埋深中等、低丰度的中型煤层气田。

煤层气 含气量 资源量 赋存特征 胡家河-小庄井田

1 地质背景

1.1 区域构造特征

胡家河-小庄井田位于彬长矿区东北部的泾河东侧，行政区划隶属彬县北极、义门镇及西坡乡管辖。地理坐标处于东经107°55′45″～108°04′00″，北纬35°04′58″～35°12′45″之间。矿井分别与孟村煤矿、亭南煤矿、大佛寺煤矿、下沟煤矿、火石咀煤矿和文家坡煤矿毗邻。井田东西长8.1km，南北宽13.5km，面积98.7275km2。

胡家河-小庄井田在大地构造位置上处于鄂尔多斯盆地彬县～黄陵坳褶带，构造运动相对稳定。区域上地处彬长矿区中北部的路家-小灵台背斜到七里铺～西坡背斜之间的孟村向斜区。构造整体表现为东南高、西北低，并伴随着一系列波状起伏的单斜构造，地层倾角平缓，一般小于5°，断层稀少。

1.2 含煤地层特征

侏罗系延安组为研究区唯一含煤地层，区内无出露。钻孔揭露延安组地层厚度为0～139m，平均47.5m。岩性以河沼相砂泥岩沉积为主。根据沉积组合特征、物性特征及含煤性特征，延安组可划分为2个含煤层段，上段含3号煤组，下段含4号煤组。4号煤组在井田出现一次分岔，编号为4-1，3煤、4-1为局部可采煤层，4号煤为主要可采煤层，基本全区可采。

1.3 盖层条件

良好的封盖层可以减少煤层气的向外渗流运移和扩散逸失，保持较高地层压力，维持较大的吸附量，减弱地层水对煤层气造成的散失。一般煤层顶板为砂质泥岩、泥岩类或致密灰岩时有利于煤层气的保存。顶板岩层的岩性越疏松、颗粒及孔隙越大，越利于煤层气的运移和逸散。作为煤层气赋存的第一道天然屏障，煤层顶底板岩性及厚度分布对煤层气的保存非常重要。研究区4号煤直接顶板以泥岩为主，次为粉砂岩、砂岩，一般厚度0.42～7.23m，封闭性能中等，底板多为泥岩、次为铝质泥岩或炭质泥岩，一般厚度为0.2～9.85m，封闭性能良好。

1.4 水文地质条件

彬长矿区自上而下依次发育的主要含水层有：①第四系孔隙含水层；②新近系小章组下部砂卵砾石含水层；③白垩系洛河组砂岩含水层；④白垩系宜君组砾岩含水层；⑤侏罗系安定组下部砂岩含水层；⑥侏罗系直罗组下部砂岩含水层；⑦侏罗系延安组砂岩含水层；⑧侏罗系延安组4号煤含水层；⑨三叠系胡家村组砂岩弱含水层。隔水层自上而下有：①新近系小章组上部红粘土隔水层；②白垩系华池-环河组泥岩隔水层；③侏罗系安定组上部泥岩隔水层；④侏罗系直罗组上部泥岩隔水层；⑤侏罗系延安组顶部泥岩隔水层；⑥侏罗系延安组4号煤顶板泥岩隔水层；⑦侏罗系延安组4号煤底板泥岩隔水层；⑧侏罗系富县组泥岩隔水层。比较各含水层的矿化度和水质类型，易见延安组煤系含水层比洛河组、宜君组、安定组含水层的矿化度都明显偏大，而且在水质类型上有明显不同(表1)。由此判断，延安组煤系含水层与洛河组、宜君组、安定组含水层不具明显水力联系。根据矿区延安组含水层的水动力相对强弱情况将彬长矿区延安组含水层分为侧向径流补给区、弱径流区和相对滞流区3个区，研究区位于彬长矿区地下水径流区，整体不利于煤层气保存。

表1 胡家河-小庄井田水质分析

2 煤储层特征

2.1 煤层空间展布特征

4号煤层位于延安组下段的底部，厚度0.8～35.04m，平均16m。煤层厚度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、26、159、4-6、224、DG2等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10m，在古地形平缓区厚度稳定，一般在15m左右，在古地形低凹区沉积厚度较大，一般在23m左右，最大厚度35.22m，总体具有由自东向西、由南北向中南部变厚的特征(图1)。4号煤层埋深367.78～837.78m，平均埋深656.91m，整体具有向中南部埋深增大的趋势。

图1 胡家河-小庄井田延安组4号煤层厚度等值线图

2.2 煤岩煤质特征

宏观煤岩类型在一定程度上反映了煤的生气能力，亮煤生气能力高于暗煤。研究区4号煤宏观煤岩组分以暗煤为主，亮煤次之，夹镜煤条带及丝炭；宏观煤岩类型上，上部为半亮、半暗型夹光亮型煤，下部为半暗、暗淡型煤。煤岩测试分析显示，有机显微组分含量较高，在77.7%～95.8%之间，以半惰+惰质组为主；无机组分含量平均为8.0%～12.3%，以粘土类和碳酸盐为主，硫化物和氧化物含量较小。煤岩中水分含量较低，一般为1.27%～6.99%之间；灰分产率在8.63%～33.24%之间，平均14.07%，属低灰煤，平面上整体表现为由东向西降低，呈向西张开的半环形；挥发分分布在25.27%～36.95%之间，平均33.15%，属中高挥发分煤，自东向西降低；硫含量变化在0.19%～2.57%之间，平均0.84%，属低硫煤。

煤层的生气能力直接受煤的变质程度控制，它是煤层埋藏式、受热史的综合产物。4号煤层镜质组反射率为0.570%～0.728%，测试表明4号煤层属Ⅱ煤化阶段低阶烟煤，热演化程度低，目前最大埋深800m，同时在埋藏过程中经历了多次抬升，因此，综合分析认为煤储层生气能力较低。

2.3 煤储层孔隙及渗透性特征

研究区煤层结构清晰，为条带、层状构造，主要为原生～碎裂结构煤，内生裂隙发育，仅在胡家河井田西南部局部地区发育碎粒结构煤。实验测试结果表明，4号煤层孔隙度在2.99%～6.76%间，平均为4.67%，渗透率为0.091～5.11mD，平均为1.8mD，渗透率与煤层厚度具有明显正相关关系，煤层渗透性较好。

2.4 煤储层温度及压力

研究区6口煤层气参数井实测储层温度数据表明，煤储层温度介于24.59～28.06℃之间，平均为22.76℃，属于地温正常区，随着煤储层埋深增加，储层温度升高。

煤储层压力直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附和煤层甲烷的解吸，是影响煤层气抽采的重要参数。研究区4号煤储层压力为2.65～5.70MPa，压力梯度为0.411～0.882MPa/100m，平均0.632MPa/100m，为低压异常状态(表2)。根据4号煤储层压力与煤层埋深之间的关系，建立一元回归方程式：

Y=0.0184X-9.3444

式中，Y为4号煤储层压力，MPa；X为4号煤煤层埋深，m。

经检验相关系数为0.9232，说明储层压力与煤层埋深相关性显著，即储层压力随着埋深的增加而逐渐增大(图2)。

图2 胡家河-小庄井田4号煤储层压力与埋藏深度关系

钻孔埋深/m储层压力/MPa储层压力梯/(MPa/100)HJH-0375435～772194290578HJH-0480350～823905700722HJH-0561885～626355330882XZ-0270894～732554100588XZ-0377574～80437466061XZ-0465795～682762650411

2.5 煤储层吸附解吸特征

等温吸附实验分别测试了4号煤层的空气干燥基和干燥无灰基Langmuir体积。从测试数据中可以看出，4号煤层空气干燥基Langmuir体积在10.14～14.74m3/t之间，平均为12.8m3/t；干燥无灰Langmuir体积在13.52～17.35m3/t之间，平均为15.39m3/t。Langmuir压力在3.38～8.17MPa间，平均为4.54MPa(图3)。整体而言，区内煤层吸附能力较强。按照依据兰氏体积与兰氏压力进行的煤层气选区评价，4号煤层吸附性能属Ⅱ类中等类型。

图3 胡家河-小庄井田HJH-03井4号煤层等温吸附曲线

煤层气解吸率在44.21～86.84%之间，平均65.9%；吸附时间为0.05～6.19天，平均在1.57～2.97天之间；临界解吸压力为0.03～0.24MPa，平均0.46MPa；临储比为0.006～0.486之间，平均0.11，不利于煤层气开采。

2.6 含气性特征

从图4可以看出，研究区煤层气含量低，介于0.15～4.12m3/t，具有西高东低的特征，在南北向上呈间隔状分布，存在三个含气高值区，分别位于214及HJH-04号钻孔附近、H2-4及H4-4号钻孔附近和4-3及5-3号钻孔附近。

图4 胡家河-小庄井田延安组4号煤层含气量等值线图

研究区煤层含气量的分布与构造也呈现出明显的相关性。向斜轴部因其处于应力挤压状态以及埋藏深等原因，其对煤层气的封闭性条件较优越，含气量高，其次是背向斜翼部和单斜构造。

3 煤层气资源量计算

胡家河-小庄井田现有煤层气井的排采资料不足以满足气藏数值模拟法进行资源量计算，论文采用含气量法，依据《煤层气资源/储量规范》(DZ/T0216-2002)，取4号煤层含气量1m3/t及有效厚度0.8m作为煤层气资源量计算下限，4号煤密度为1.46t/m3，经计算，含煤面积为78.09km2，煤层气资源总量为43.4×108m3，资源量丰度为0.56×108m3/km2，为低丰度中型煤层气田。

4 结论

(1)胡家河-小庄井田4号煤层厚度0.8～35.04m，平均16m，全区大部分可采，顶、底板封盖性性能中等，构造活动相对较弱，为煤层气的赋存提供了有利的条件。但区域上与煤层气紧密接壤的延安组含水层处于地下水弱径流区，不利于煤层气的保存。

(2)研究区煤岩中惰质组含量高，煤岩演化程度较低，以低阶烟煤为主，生气能力较低，煤储层具有孔隙度低、渗透性好和储层压力小的特征。

(3)研究区煤层含气量低，吸附及解吸能力较强，含气量平面具有西高东低、南北上呈间隔状分布的特征。

(4)研究区4号煤煤层气资源量为43.4×108m3，煤层气资源地质储量平均丰度为0.56×108m3/km2，煤层平均埋深656.91m，属埋深中等、低丰度的中型煤层气田。

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(责任编辑 黄 岚)

Research on CBM Occurrence Features in No.4 Coal Seam of Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

LI Xiangrong, ZOU Haijiang

(Shaanxi Coalbed Methane Development Co. Ltd. Shaanxi 710119)

According to the materials of the coalfield and CBM test wells, the paper systematically analyzes the CBM occurrence features of the studied area. The results show that the aquifers of the coal measures of Yan’an Formation of the studied area locates in the groundwater runoff area, which is relatively poor condition for CBM storage. No.4 coal seam, which is the main coal seam, is featured with low porosity, good permeability, low pressure of reservoirs, and strong capability of absorption and desorption. The coal in this area belongs to low rank coal due to the low, metamorphic grade of coal seam. It has limited gas generation capacity with low gas content. The plane of gas content is higher in the west and lower in the east, and distributed at intervals from south to north, which belongs to the medium CBM gas field with medium burial depth and low resource abundances.

CBM; gas content; resources; occurrence feature; Hujiahe-Xiaozhuang Mine Field

李向荣，男，钻探工程师，现任陕西省煤层气开发利用有限公司副总工程师。