云南大河煤矿区中深部煤层气特征及含气量影响因素分析

刘复焜

（福建省196地质大队，福建漳州 363000）

0 引言

随着常规油气、煤炭资源开发产生的环境和安全问题的加剧，煤层气作为一种新型清洁能源，在西方一些发达国家已成为天然气资源的主要组成部分［1-2］。张群等提出了今后煤矿区煤层气开采研究应着重关注三个方向：①穿浅部采空区或采动区的深部煤层气与煤炭资源协调开发利用；②低煤阶低含气量厚煤层矿区煤层气与煤炭资源协调开发利用；③废弃/关闭矿井煤层气开发利用等［3］。胡晓兵对榆社-武乡区块深部煤层气地质特征进行了较为深入的分析，并利用可改造指数和有利区产量指数分别对其有利区实施了定量评价，由此揭示储层物性对煤层气可改造性的影响［4］。

云南大河煤矿区分布于滇东-黔西富煤区之宣威市-富源县赋煤条带，位于恩洪矿区北部，沉积环境为陆相和滨海沼泽相［5］。经前期工作查明，区内赋存丰富的煤炭资源，煤类以焦煤为主；经煤层气参数井工作查明可采煤层的煤层气资源总量近50亿m3，属中等规模、中等丰度、中等—深度埋深煤层气资源，具备较好的开采条件和开采价值。

1 地质概况

区域构造位置位于扬子板块西南部，滨太平洋系与古特提斯构造系北北东构造的交接复合带［6］。出露地层主要有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系、第四系；经受多期次的构造形变，造成区域内不同方向、不同规模、不同性质、不同时期的构造形迹广泛发育，并控制了区域成煤盆地的空间展布。评价区位于富源-弥勒断裂与平关-阿岗断裂之间，恩洪复向斜中北段的格宗向斜内，总体构造形态为一较宽缓的向斜构造，区内断裂构造较发育，且具多期活动特点，主要分布于边缘，构成边界断层。受格宗向斜的影响，还发现不同程度的次级小褶曲或微波状起伏，延伸范围较小。区内岩浆活动较弱。（图1）

区内主要含煤地层为上二叠统长兴组（P3c）与龙潭组（P3l）（图2），地层总厚201.64～284.62m，平均厚度252.25m，属近海陆过渡相的上三角洲平原沉积。含煤31～54 层，可编号煤层26 层；含煤一般总厚度20.25～48.84m，平均总厚度28.35m，含煤系数11.58%。断裂构造发育，与褶皱构造属同期产物，但对开采煤层影响普遍较小（图3）；含煤地层中未发现后期岩浆岩侵入，而峨眉山玄武岩在含煤地层沉积前已形成，故岩浆岩对开采煤层无影响。

图3 大河矿区中深部断裂构造对开采煤层影响统计Figure 3 Statistics of the influence of the middle and deep fault structure to the mining coal seam in Dahe coal mine area

2 煤质、煤岩特征

区内煤层宏观煤岩组分以亮煤为主，暗煤次之，宏观煤岩类型以半暗型-半亮型煤为主，夹有少量的暗煤。据镜下鉴定，煤岩显微组分主要由镜质组（63.90%）、壳质组（24.40%）、惰质组（11.70%）组成，矿物组成以黏土矿物类为主，含量一般5.6%～64.5%，平均24.5%，次为碳酸盐类和氧化硅类，硫化物类少量。煤层经历深成变质作用，主要受地温作用，变质程度以低煤级的肥煤为主，随着埋藏深度的增加，地温随之上升，深部煤层变质程度以中、高煤级的焦煤、瘦煤为主。因其沉积、聚煤环境的差异，不同组段所含煤层煤质、煤岩特征也相差较大。

2.1 长兴组

煤层以不可采薄煤为主，发育可采煤层1层，厚度0.39～3.19m，平均0.98 m，可采含煤系数1.40%；煤类以1/3 焦煤为主，属低硫—特低硫煤，镜质组含量53.4%～73.4%，平均为64.6%，对应反射率1.01%～1.24%，平均1.10%。

2.2 龙潭组

含煤15～39 层，煤层总厚13.25～38.35m，平均22.24m，含煤系数12.60%，含煤性较好；其中二段为低灰分、低硫-特低硫煤，一段为中高-高硫煤。镜质组含量49.1%～81.1%，平均63.9%，对应反射率为1.02%～1.18%，平均1.11%。

本组段见煤层数多，可采煤层14 层，多为薄煤层（表1）。选择控制程度高的M7和M9主要可采煤层说明区内煤层厚度变化情况，M7煤层厚0.2～3.20m，平均1.38m，矿区南部厚度明显比北部大（图4）；M9煤层厚0.73～13.79m，平均3.66m，矿区西部厚度远大于东部（图5）。

表1 大河矿区中深部钻孔煤层厚度统计Table1 Statistics of coal seam thickness of the middle and deep wells in Dahe coal mine area

图4 大河矿区中深部M7煤层厚度等值线Figure 4 Contour map of the thickness of M7 coal seam in the middle and deep part of Dahe coal mine area

图5 大河矿区中深部M9煤层厚度等值线Figure 5 Contour map of the thickness of M9 coal seam in the middle and deep part of Dahe coal mine area

3 煤储层特征

煤层为煤层气的形成提供了源泉，同时也是煤层气的存储介质。煤层的几何形态及煤层的孔隙性、渗透性、储层压力等特性控制着煤储层的含气性，直接影响煤储层渗透性能和煤层气的开采潜能。

3.1 含气性及成分

对区内9 个煤层气参数测试井的M2+1、M4、M7等10 层可采煤层进行含气量测定，结果显示各煤层空气干燥基含气量为1.07～9.42m3/t（表2）。

由表2 可知，各煤层气成分均以CH4为主，平均浓度达82.18%；次为N2，平均浓度为13.98%；CO2和重烃少量（具有湿气特征），平均浓度分别为1.32%、2.51%。煤层含气量为7.23～10.60 m3/t，且有随埋深增加而增加的规律。

3.2 含气饱和度

含气饱和度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［7］。据统计，我国单井日产气超过1 000m3的煤层气井煤层含气饱和度均大于60%；产气效果较好的地区，煤层含气饱和度大于80%。大河煤矿区各煤层气含气饱和度14.17%～68.91%，差异较大（表3），M7、M9、M11、M13等4层煤层含气饱和度接近60%，达到国内日产超过1000m3的煤层气井煤层吸附饱和度最低指标。

表3 大河矿区中深部各煤储层含气饱和度Table 3 Gas saturation of each coal reservoir in the middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3 煤储层的物理特征

3.3.1 吸附性

在一定的煤储层压力条件下，煤的吸附-解吸能力决定了煤层单位含气量的高低［8］，解吸能力则极大影响到煤层气井的产能。据老书桌煤矿M9煤层等温吸附实验测试结果，煤层的朗格缪尔体积介于5.16～6.75m3/t，朗格缪尔压力介于1.32～2.78MPa，煤层吸附量随压力增大而增大［9］，煤样等温吸附实验测试曲线如图6所示。

图6 大河矿区中深部M9煤层等温吸附曲线Figure 6 Isothermal adsorption curve of M9 coal seam in middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3.2 渗透率

煤层渗透率是煤层气井产能的重要影响因素，渗透率越高，煤层气产出能力越强，潜在产能就越高，煤层气可采性就越好。对区内9 口煤层气参数井进行注入/压降试验，大部分可采煤层渗透率＜1mD（表4），符合我国煤的渗透率普遍较低、且非均质性高的特点［10-12］；其中M7、M9、M19等煤层渗透率接近1mD，M20煤层渗透率甚至达到1.53mD，结合其煤岩特性，认为该4层煤层的渗透性为好。

表4 大河矿区中深部煤层气参数井渗透率测量Table 4 Permeability of each coalbed methane in parameter wells in middle and deep part of Dahe coal mine area

3.3.3 存储压力

煤储层压力决定了煤层气储集能力和有效驱动能量持续作用时间［13］。压力越高、临界解吸压力越低，煤层气的解吸-扩散-渗流过程越彻底，气井产能越大［8-10］。煤储层压力一般指气体压力、地应力和静水压力的总称；大河煤矿区各煤层气含气饱和度14.17%～68.91%，均属于不饱和煤储层，其气体压力可以忽略，因此，大河煤矿区煤储层压力实际由地应力和静水压力组成。地应力是控制煤层渗透率的关键因素，与煤层渗透率基本呈指数反比关系，大河煤矿区各煤存储压力6.40～12.30 MPa；储层压力梯度0.62～1.07 MPa/100m，大多属于欠压储层。煤层临界解吸压力越接近原始地层压力，高产富集条件也越优越［14-15］，根据该区9 口煤层气参数井实测含气量及对应的等温吸附数据计算得出各煤储层临界解吸压力为0.26～3.03 MPa。

4 含气量影响因素分析

4.1 聚煤环境与保存条件

大河煤矿区为二叠纪近海三角洲滨海平原泥炭沼泽聚煤环境，有利于聚煤后煤层气的生成及保存。泥岩类岩层及上部地层厚度大、完整性较好，地下水活动微弱，煤层气封存条件好，加之煤变质程度较高，煤层气生成条件好，形成高煤层气含量［16］。

4.2 埋藏深度

煤层气含量随煤层埋深增加而增大。大河煤矿区煤层埋深为1 000～1 200m，井田内煤层气含量普遍较高。

4.3 煤层厚度

由于煤层的沉积厚度差异，其煤层气含量亦有变化，一般为正相关，即煤层厚度大，煤层气含量高。

4.4 地质构造

区内断裂构造较发育，断层主要分布于南部及东部边缘。按力学成因机制可分为北北东向和近东西向主干断裂、“人”字形派生断裂、“X”型共轭扭性断裂三类。大河煤矿区上部岩层及下伏岩层厚度大，较坚硬、完整，而煤系地层软岩层较多，且呈软、硬岩层相间分布，在上部岩层及下伏岩层两个硬岩板块的夹持下，褶皱和断裂构造作用造成煤系地层间的泥岩层、煤层的层间挤压错动、滑动较为普遍。小断层发肓，煤层结构产生破坏，局部发生强烈的塑性变形而形成一定厚度的构造煤。区内煤层气含量与地质构造分布密切相关，因褶曲和断层的影响，同一煤层在不同地点的煤层气含量也会发生变化［17］。在向斜翼部至靠近煤层露头区域，煤层气含量会减少；在靠近向斜轴部的区域，煤层气含量会增加；在一些压性、压扭性断层附近，受断层封闭的影响，煤层气含量会有所增加，在一些张性断层的附近，会使煤层气易于逸散，故含量会有所降低；此外受构造影响，在局部受挤压和小断层影响形成的“厚煤包”区域，煤层气含量也会增加，厚煤层形成的“煤层气包”和厚煤带的煤层气含量也相对较大［18］。

5 结论

1）大河煤矿区煤层宏观煤岩组分以亮煤为主，暗煤次之。煤岩显微组分主要由镜质组、壳质组、惰质组组成。浅部煤层变质程度以低煤级的肥煤为主，深部变质程度以中、高煤级的焦煤、瘦煤为主。大部分可采煤层渗透率＜1mD，渗透性低、非均质性高。

2）煤层气参数测试井含气量测定数据显示，煤层含气量为7.23～10.60 m3/t；据老书桌煤矿M9煤层等温吸附实验测试结果，煤层的朗格缪尔体积介于5.16～6.75m3/t，朗格缪尔压力介于1.32～2.78MPa；大河煤矿区各煤层含气饱和度14.17%～68.91%，储层压力梯度0.62～1.07 MPa/100m，大多属于欠压储层，各煤储层临界解吸压力0.26～3.03MPa。

3）煤层气含气量受聚煤环境与保存条件影响，与埋藏深度、煤层厚度呈正相关关系，地质构造性质及分布的特征，可使煤层气含量发生较大变化。