黔西发耳煤矿煤层气成藏特征研究

1. 黔西发耳煤矿煤层气成藏特征研究

李明1,2 姜波1,2 兰凤娟1,2 张贵山3
基金项目:国家自然科学重点基金项目(40730422);国家自然科学基金项目(40672101);国家科技重大专项项目(2008ZX05034)。
作者简介:李明,1987年生,男,安徽宿州人,博士研究生。Tel:13151981375,Email:cumtmingli@hot-mail.com
(1.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 2211162.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 2210083.贵州发耳煤业有限公司 贵州六盘水 553017)
摘要:通过发耳煤矿地质背景和含气性数据的分析,对煤层气的赋存特征及其在层序和空间上的分布规律进行了研究。结合等温吸附实验、压汞实验和煤储层变形特征观测,进步探讨了煤储层物性。结果表明,发耳煤矿煤层气具有较高的甲烷浓度、甲烷含气量和含气量梯度。含气量和含气量梯度具有层序上的波动性变化,主要为各煤层吸附性的差异和煤层气储层压力系统的分布所致。受杨梅树向斜和地形发育的影响,现今煤层含气量呈“北高南低,NE向展布”的分布格局。煤层裂隙系统多受到构造改造,其发育和连通程度均有所改善,同时也促进了煤中大孔和中孔的发育。煤储层理论含气饱和度多低于60%,处于欠饱和状态。发耳煤矿具有良好的煤层气开采前景。
关键词:发耳煤矿煤层气成藏特征含气量储层物性
Characteristics of Coalbed Methane Reservoirs in Faer Coal Mine, Southwest China
LI Ming1,2 JIANG Bo1,2 LAN Fengjuan1,2 ZHANG Guishan3
( 1. School of Resource and Earth Science, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China 2. Key Laboratory of CBM Resources and Reservoir-forming Process, China Ministry of Education, Xuzhou 221008, China 3. Guizhou Faer Coal Co., LTD, Liupanshui, Guizhou 553017, China)
Abstract: Based on analysis of the geological background and gas content data in Faer coal mine, we dis- cussed the occurrence characteristics of coalbed methane (CBM) and its distribution along the stratigraphic se- quence and in coal seams. We analyze the methane adsorption isotherm experiments, reservoir deformations and mercury intrusion porosimetry (MIP), and further discuss the reservoir physical properties. The results show that CBM in the Faer coal mine is high in gas content, methane concentration and gas content gradient. Its gas content and gas content gradient fluctuate with the stratigraphic sequence that mainly caused by the difference in absorption capacity of each coal seam and distributions of CBM reservoir pressure systems. The Yangmeishu synclinorium and topography are the main controlling factors that affect the current distribution pattern of CBM, which is higher in the north than in the south and has a northeastern trend. The gas saturation is generally lower than 60%, mainly undersaturated CBM reservoirs. Combined with well-developed brittle fractures, macropores, and mesopores, which formed by structural modification. The exploration prospect of Faer CBM is good.
Keywords: Faer coal mine; coalbed methane; occurrence characteristics; gas content; reservoir physical properties
黔西煤田煤层层数多、累计厚度大,煤层含气量高,煤层气资源丰度高、资源储量大,其开发利用有利于缓解我国南部能源需求的压力和减少煤矿生产事故的发生(秦勇等,2008;Gao et al.,2009;姜波等,2009)。
发耳煤矿位于贵州省六盘水市南部,面积约92km2,可采煤层19层。煤层含气量较高,经估算本煤矿埋深1000m以上的煤层气资源总量达43.29×108m3。本文对该区煤层气的赋存、分布及其成藏特征进行了系统研究,为进一步的煤层气开发和矿井瓦斯灾害的防治提供了一定理论依据和指导意义。
1 煤层气赋存地质条件
1.1 地层和含煤地层
井田内出露地层有上二叠统峨眉山玄武岩组(P3β)、龙潭组(P3l)、下三叠统飞仙关组(T1f)、永宁镇组(T1yn)及第四系(Q)。上二叠统龙潭组为矿区主要含煤地层,厚344~487m,含煤47~78层,平均煤层总厚45.28m。其中,可采煤层19层,为1、3、5-2、5-3、7、10、12、13-1、13-2、14、15-2、16、17、21、23-1、23-2、29-1、29-3、33煤层,平均厚度为26.82m。可采煤层的煤岩类型及其煤质特征如表1所示。
表1 发耳煤矿煤层和煤质特征统计表


续表


1.2 构造
发耳煤矿地处上扬子地台黔北隆起六盘水断陷普安旋扭构造变形区的北段(王钟堂,1990),紧邻北部威宁NW向构造变形区。位于NE向延伸的杨梅树复向斜的SE翼(徐彬彬等,2003)。研究区北部NWW向格目底向斜、南部NWW向土城向斜、西部NNE向的宝山向斜以及东部NNE向格所河背斜共同构成了发耳菱形构造(乐光禹等,1991,1994)。其中,NE-SW向展布的宝山向斜、大寨背斜、杨梅树复向斜和格所河背斜表现为紧闭背斜与宽缓箱状向斜平行发育的隔档式褶皱组合特征。而受边界断裂发育的影响,北部威宁-紫云断裂SW盘的格目底向斜与台沙坝背斜、南部照子河断裂NE盘的照子河向斜与土城向斜均表现为较为紧闭的、不对称褶皱,褶皱轴面均指向边界断裂,背斜表现为紧陡、尖顶,甚至被核部发育的逆断层所破坏,也表现为隔档式褶皱组合;中部的杨梅树复向斜和哈箐地背斜则较为平缓宽广,呈不对称箱状,地层倾角一般为10°~20°,跨度17km左右。区内断裂构造以走向NE30°左右的正断层为主,其次为走向NW20°~30°左右的逆断层,其他方向的断层也有所发育。研究区菱形构造边缘带的构造变形要强于内部区域、NW向构造较NE向构造变形强烈,变形较强的构造呈条带状线性产出,而变形较弱的则表现为区块状,整体表现出“带块相间,菱形组合”的构造格局。
杨梅树复向斜为影响井田地层分布的主要褶曲,同时井田内还发育有NW向的马龙向斜和芭蕉塘背斜以及NE向的老发耳背斜(图1)。地层走向总体上呈NE-SW向展布,倾向NW,倾角一般10°~15°。断层以正断层为主,可分为走向NW和NE方向的两组,前者分布于井田西南部,和周围走向近SN、EW的形成一系列的较为复杂的断层组合模式;后者则稀疏分布于井田东北部,呈较宽缓的地垒和地堑(图2)。矿井构造主要为燕山期构造活动的产物(毛健全等,1999)。
1.3 水文地质
龙潭组(P3l)富水性弱,主要为裂隙水,部分区域具承压性质。上覆地层飞仙关组(T1f)下段几乎不含水,属隔水层;上段含少量的裂隙水,富水性弱。下伏地层峨嵋山玄武岩组(P3β)含裂隙水,其含水性弱,并具一定的承压性。研究区含煤地层及其上覆和下伏地层的弱含水性和一定的承压性整体上有利于该地区煤层气的保存和富集。

图1 发耳煤矿16煤层底板等高线及构造纲要图


图2 AA′构造剖面图(剖面线位置见图1)

研究区属中高山地貌,南部地表呈较开阔的谷地或缓坡地形,北部则为三叠系地层形成的陡峭桌状山,一般相对高差300~400m(图2)。发耳河和北盘江流经井田,复杂的地形分布与地表水系的发育必然造成龙潭组水头分布的复杂化,进而影响到煤层气的分布。
2 煤层含气性
2.1 层序分布特征
研究区共进行了125件煤层含气量和气体组分的测试,对其统计结果显示:煤层含气量为3.94~35.94m3/t,平均13.58m3/t;成分以CH4为主,CH4浓度平均为91.81%(图3)。各煤层的甲烷平均含量均在10m3/t以上且有着随煤层层位的降低而增高的总体趋势(图4)。同时,煤层含气量随层序的降低仍存在一定的波动性变化,其中10、15-2、17、23-2和29-1煤层的平均含气量相对较高,达到了15~19m3/t。这种波动性变化在各煤层甲烷含量梯度的变化曲线中则反应得更为明显,其变化趋势与煤层的含气量变化曲线基本一致(图4),并在10、17和23-2煤层,甲烷含量梯度达到了相对最高值。煤层的储层压力和煤层自身的吸附性是影响含气量的关键因素,可见煤层含气量随着层位波动性的变化主要是受各个煤层吸附性差异和煤层气储层压力系统分布的影响。

图3 煤层气甲烷含量和浓度与埋深关系图


图4 各煤层含气量、含气梯度统计图


图5 7煤层甲烷含量与煤层埋深关系图


图6 煤层甲烷含量梯度与埋深关系图

2.2 垂向分布特征
随着煤层埋深的增加,煤层气甲烷的含量和浓度总体上均有增大趋势(图3、5),但其随埋深线性增大的离散性较大;说明了其他地质因素仍有较强的影响作用。在煤层埋深为500~800m阶段的测试数据反映出较大的煤层埋深但含气量却相对较低的现象(图3),在煤层甲烷含量梯度随煤层埋深的增加而降低的趋势图中,则表现为该段埋深的煤层的含气量梯度低于整体趋势值(图6)。通过原始数据的分析发现,此段异常点集中出现在位于高海拔区的1012、J1106、J1107和J1406钻孔以及J1004和J1403钻孔的33和34煤层(图2),同时煤层瓦斯压力测试表明:高海拔区的1012钻孔相对于正常区域也有瓦斯压力梯度相对较低的现象(图7)。该段异常点的甲烷浓度却仍然很高,平均值为96.17%(图3),表明未发生由于煤层导通于外界大气而产生的散失作用。
深部28、29-1、29-3、33和34煤层的含气梯度均相对较低(图4),虽然这些煤层的变质程度相对较高,在煤化过程中生成了更多的气体,但由于煤层薄、不稳定,煤岩比低,使得所产生的气体发生了较多的运移、散失至煤层的上覆和下伏地层系统中。区内高海拔区的钻孔由于周围地势陡峭,海拔突变,一方面使得地下水位标高据地表标高较远,使得储层压力相对减小,另一方面,煤层气在垂向运移约至地表低处标高时则发生沿着地层的侧向运移散失,使得煤层的有效封盖埋藏深度的降低,进而导致含气梯度的降低。
2.3 平面分布特征
煤层含气量在平面上表现出明显的分区性特征(图8),发耳河以南地区含气量普遍偏低,含气量等值线稀疏,仅中部区域含气量达到10m3/t,东部和南部被煤层露头所环绕,成为煤层气散失的窗口而导致含气量的较低。含气量等值线在西部和北部的分布则受北盘江和发耳河的控制,流经井田的河流作为地下水的排泄通道造成河流两岸地下水位的降低,从而导致河流两岸煤层气含量相对较低。发耳河以北地区含气量较高,一般均大于15m3/t,井田西北部含气量预计可达到35m3/t左右,含气量等值线较为密集,反应平面上含气量变化梯度较大,东北部1204、J1306和J1405钻孔一带存在含气量相对低值带,主要是受地表山谷、河流发育的影响,南部同样是受煤层露头和发耳河发育的影响而使含气量相对较低。现今煤层含气量这一“北高南低,NE向展布”的分布格局主要受控于杨梅树复向斜和地形的发育。

图7 部分钻孔煤层瓦斯压力测试结果

3 煤储层物性
3.1 储层孔渗性
通过压汞实验对1和3煤层的14件煤样的孔隙度、孔容、孔比表面积和孔径结构进行了测定(表2),在孔径结构划分上采用霍多特(1966)的标准,以1000nm、100nm和10nm作为分界点,将孔径划分为大孔、中孔、过渡孔和微孔。可见煤中孔隙以微孔为主,占41.29%(图9);大孔次之,占24.86%,过渡孔和中孔则分别占20.98%和12.86%。

图8 发耳煤矿1、3、5-2和7煤层含气量等值线图

表2 压汞实验和等温吸附实验数据统计表


注:3.81~7.01/5.16格式为:最小值-最大值/平均值。
煤层中多发育2~3组裂隙,以构造或构造改造成因的裂隙为主(图10),以“X”型共轭剪节理、斜交裂隙、顺层裂隙等形态产出;3、5-2、13-1、29-1和29-3煤层内生裂隙较发育,呈一组或两组垂直于层面的裂隙产出。显微裂隙观察发现同组裂隙可呈阶梯状、雁列状或缓波状产出,两组或多组裂隙常呈较大角度相交、汇合,交汇区域多派生不稳定次级小裂隙,裂隙连通性较好。
3.2 煤层吸附性
发耳煤矿煤层等温吸附实验(干燥基煤样)表明,1、3和5-2煤层的兰氏体积VL为23.55~27.18m3/t,兰氏压力PL为0.82~0.95MPa(表2,图11),结合含气量测试数据可推算出1煤层的理论含气饱和度S理平均为48.92%;3煤层理论含气饱和度S理平均为45.62%;5-2煤层理论含气饱和度S理平均为52.36%。煤储层理论含气饱和度多低于60%,处于欠饱和状态。

图9 1和3煤层各阶段孔容分布图


图10 煤体宏观及显微变形特征


图11 发耳煤矿1、3和5-2煤层等温吸附曲线图

4 结论
(1)发耳煤矿煤层气资源丰富,煤层气具有较高的甲烷浓度、甲烷含气量和含气量梯度,其含气量和含气量梯度具有层序上的波动性变化,主要为各煤层吸附性的差异和煤层气储层压力系统的分布所致。
(2)垂向上500~800m埋深阶段的煤层低含气量梯度的现象主要为底部28~34煤层的厚度薄、不稳定、煤岩比低和位于高海拔区煤层气发生侧向运移所致。受杨梅树向斜和地形发育的影响,现今煤层气含气量在平面上呈“北高南低,NE向展布”的分布格局。
(3)煤层裂隙系统多受到构造改造,其发育和连通程度均有所改善,同时也促进了煤中大孔和中孔的发育。煤储层理论含气饱和度多低于60%,处于欠饱和状态。发耳煤矿具有良好的煤层气开采前景。
参考文献
霍多特.1966.宋世钊,王佑安译.煤与瓦斯突出.北京:中国工业出版社
乐光禹,张时俊,杨武年.1994.贵州中西部的构造格局与构造应力场,地质科学,29(1),10~18
乐光禹.1991.六盘水地区构造格局的新探讨,贵州地质,8(4),289~301
毛健全,顾尚义,张启厚.1999.右江—南盘江裂谷构造格局,贵州地质,16(3),188~194
秦勇,熊孟辉,易同生等.2008.论多层叠置独立含煤层气系统——以贵州织金—纳雍煤田水公河向斜为例,地质论评,54(1),65~70
姜波,秦勇,琚宜文等.2009.构造煤化学结构演化与瓦斯特性耦合机理,地学前缘,16(2),262~271
王钟堂.1990.黔西煤田构造及其演化,中国煤田地质,2(3),13~17
徐彬彬,何明德.2003.贵州煤田地质,徐州:中国矿业大学出版社
Gao, D., Qin, Y., Yi, T.S., 2009.CBM geology and exploring-developing stratagem in Guizhou province, China, Procedia Earth and Planetary Science, 1 (1), 882～887