安阳矿区双全井田煤层气可采潜力分析

摘 要

摘要：河南省安阳矿区双全井田有望成为豫北地区煤层气开发的理想靶区。在分析双全井田地质背景的基础上，重点系统计算、分析了影响该区煤层气可采潜力的煤层气可采资源量，储层能
摘要：河南省安阳矿区双全井田有望成为豫北地区煤层气开发的理想靶区。在分析双全井田地质背景的基础上，重点系统计算、分析了影响该区煤层气可采潜力的煤层气可采资源量，储层能势和渗流能力3个因素。结果显示：①双全井田煤层气地质资源量为35×108m3，可采资源量为19×108m3，可采资源丰度为0.89×108m3/km2，具有资源量大的特点；②煤层气压力状态接近正常，煤层气含气饱和度高，平均为86.26%，有望成为高产气田；③渗透率极差是制约该区煤层气开采的最为不利因素，但该区具有成煤时代多，煤层分布范围广，厚度大，含气量高等有利条件，在一定程度上可以弥补煤层渗透率低的缺陷。结论认为：双全井田具有很好的煤层气开发潜力。
关键词：安阳矿区；双全井田；煤层气；可采潜力；地质特征；含气饱和度；渗透率；储层能势
    当前，中国煤层气商业化生产时代已经开始[1]。安阳矿区双全井田煤层气含量高，资源丰度大[2]，在当前开发煤层气的热潮中，有望成为豫北地区煤层气开发的理想靶区。而以往安阳矿区双全井田多为地方煤矿开采，关于煤层气方面的研究几乎为空白[3～5]。笔者旨在结合当前的勘探，试井实测资料，系统分析本区煤层气的可采潜力，为煤层气的成功开发提供依据。
1 地质背景
1.1 构造
    安阳矿区双全井田位于河南省安阳市西北部，中心与安阳市的直线距离为22km，与鹤壁市的直线距离为27km。南北走向长1.80～7.00km，东西倾向宽0～3.70km，面积约21.33km2。为矿区内少有的没有被采矿活动影响的井田。
    双全井田为地层走向近NS、倾向近90°的单斜构造，倾角3°～34°，褶皱、断层较发育。地层局部起伏较大，形成多个褶皱，地层走向、倾向、倾角均随之发生较大的变化。主要构造形迹为NNE-NE向高角度正断层，该方向断层为勘探区边界和井田划分的主要依据。共有断层45条，断层密度为2.11条/km2，在井田以北地区有陷落柱分布。
1.2 煤层特性
本区煤层众多，含煤地层总厚760.53m，为中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组、下石盒子组和上二叠统上石盒子组，分为9个含煤组段；含煤15层，煤层总厚9.48m，可采煤层总厚7.94m。各煤组段含煤性及煤层发育状况见表1。太原组和山西组为主要含煤地层，其中山西组二，(以下简称二1煤层)煤层为井田可采煤层，一11煤层为局部可采煤层，所采煤样均来自二1煤层。其主要特征如下：二1煤层赋存于山西组下部，位于太原组菱铁质泥岩与山西组大占砂岩之间，上距大占砂岩0～17.96m，平均7.10m，距砂锅窑砂岩51.99～84.10m，平均67.51m；下距L8石灰岩25.76～44.62m，平均34.62m。在双全井田，埋深525～1400m，标高为-370～-1175m，煤层厚度4.91～8.66m，平均6.53m。煤层总体上呈西厚东薄，南厚北薄的趋势，是主要的研究煤层。
表1 含煤地层含煤性表
区段
地层
煤组段
煤层
可采煤层
名称
厚度(m)
层数
总厚(m)
含煤系数(%)
层数
总厚(m)
含煤系数(%)
双全井田
上石盒子组
七～八
271.49
1
0.01
 
 
0
 
下石盒子组
三～六
286.38
 
0
 
1
0
 
山西组
二煤组
83.07
3
6.53
7.86
1
6.49
7.81
太原组
一煤组
113.19
11
2.94
2.60
 
1.45
1.27
本溪组
零煤组
6.40
0
0
 
 
0
 
小计
 
760.53
15
9.48
1.25
 
7.94
1.04
1.3 二1煤层水文动力学特征
    双全井田山西组二，煤层的顶底板均为铝质泥岩、砂质泥岩、细粒石英砂岩、粉砂岩等组成的隔水层，正常情况下能有效阻隔二。煤层与上下含水层之间的水力联系，使二。煤层成为独立的煤层气藏。但在断层影响的范围内及薄弱地带，可能失去隔水作用，或形成独立的补给条件不同的次一级水文地质单元。沿太行山补给的地下水总体向东运移，进入双全井田基本处于弱径流和滞留状态。煤层气勘探开发实践表明，地下水的弱径流带和滞留区是煤层气富集的有利场所，这也是造成本区煤层气含量东高西低的主要原因，是本区煤层气富集的主要因素之一。
2 可采潜力分析
    煤层气可采性可从可采资源量、渗流能力、储层能势3个方面加以衡量[6]。其中：可采资源量由采收率求得，在获得临界解吸压力后，进一步考虑通用的枯竭压力(0.7MPa)[7]，估算出煤层气理论最大采收率，渗流能力一般以渗透率作为标志，储层能势则可从储层压力系数和含气饱和度两方面进行分析。
2.1 可采资源量
早期煤炭勘探结果共取的含气量数据24组，显示：整个双全井田二1煤层的含气量较高，为10～33.5m3/t(图1)。在埋深664.13～1201.19m内，煤层气中CH4平均含量为21.68m3/t，CO2为0.49m3/t，N2为0.58m3/t，重烃为0.08～1.21m3/t，该深度范围为原生含气带。用蒙特卡罗数据分析法得出了5%、50%、95%3种概率下的煤层气含量结果(图2)所示。
 
    新近在该区施工的3口煤层气参数井，结果如表2所示。煤层气含量同样很高，这更加证明了本区煤层气含量高的特点。采用容积法计算煤层气地质资源量为：5%概率时为64×108m3，50%概率时为35×108m3，95%概率时为22×108m3。综合考虑取50%概率时的煤层气地质资源量作为本区煤层气的地质资源量，由储量规范分类属于中型气田(DZ/T 0216—2002)。采收率由3口参数井的采收率取平均值，那么可采资源量为19×108m3。可采资源丰度为0.89×108m3/km2，可采资源丰度高。
表2 3口煤层气参数井实测参数表
煤样钻孔编号
实测含气量(干燥无灰基)
理论含气量(m3/t)
兰氏体积
兰氏压力
临界解吸压力(MPa)
储层压力(MPa)
渗透率(10-3μm2)
采收率(%)
压力系数
含气饱和度(%)
1
27.15
27.01
34.14
1.63
6.33
6.18
0.157
62.3
0.9174
100.52
2
16.668
27.45
31.42
1.52
1.72
10.51
17.489
40.6
0.9705
60.77
3
24.04
24.66
29.63
1.66
7.14
8.23
2.954
63.4
0.9797
97.49
2.2 储层能势
    煤储层压力是地层能量的体现，储层压力梯度越大，越有利于煤层气的开发。压力系数是实测地层压力与同深度静水压力之比值[8]。由表2知，3口井的压力系数小于1，为低异常压力，但很接近1。不排除在双全井田，存在有特殊的水文地质条件的层位，压力系数大于或等于1，为正常压力或高异常压力。美国圣胡安盆地储层压力类型包括欠压、常压、超压3种类型，粉河盆地为欠压类型；黑勇士盆地为欠压和常压类型[9]。显然，这些盆地煤层气成功开发的实践证明，储层压力类型为常压和超压最好，但储层压力类型并非是决定一个媒层气盆地成功开发的关键。
含气饱和度是反映在地质时期煤层气散失的一个量。煤层气饱和度通常小于100%，通常煤层为欠饱和的。统计资料表明[10]：含气饱和度在40%～60%时，煤层气井为低产井，产量小于500m3/d；含气饱和度在78%～93%时，煤层气井为高产井。三全井田3口参数井的平均饱和度为86.26%，高于沁水盆地平均饱和度51.6%，显然双全井田具有高的煤层气饱和度，有望成为高产井。
2.3 渗流能力
    煤层渗透性受煤体结构、煤层裂隙发育状况和地应力等方面的影响，这些因素是煤层气可采性的重要因素。煤层渗透率越高，煤层气的可采性就越好。双全井田由于构造的影响，煤体破坏严重，原生结构煤很少，大部分为构造煤(碎粒煤和糜棱煤)。因而渗透性极差。以往测井解释渗透率(0.010～0.912)×10-3μm2，平均为0.157×10-3μm2。这与参数井1所测渗透率相等。而参数井2和3很可能是误测所引起的，因为这两口井所取煤岩结构大部分为破坏严重的碎粒煤，不可能具有如此高的惨透率，因而不具有参考价值。显然，渗透率极差是本区最不利的因素。
    虽然据美国ARI公司煤层气开发的实践经验，具有可采性的煤储层渗透率大都大于0.981×10-3μm2[11]。而且到现在在构造煤地区还无成功的先例。但本区具有成煤时代多，煤层分布范围广，厚度大，气含量高等有利条件，在一定程度上可以弥补煤层渗透率低的缺陷，同时有利的地质条件的匹配，也可以降低渗透率不利因素的影响。
3 结论
    1) 安阳矿区双全井田煤层气含量高，由蒙特卡罗法计算获得的概率为50%时煤层气含量为16.52m3/t。以此计算获得的地质资源量为35×108m3，可采资源量为19×108m3，可采资源丰度为0.89×108m3/km2。
    2) 煤层气压力类型接近正常压力状态。煤层气含气饱和度高，平均为86.26%，有望成为高产气田。
    3) 渗透率极差是制约本区煤层气开采的最为不利的因素，但本区具有成煤时代多，煤层分布范围广，厚度大，含气量高等有利条件，在一定程度上可以弥补煤层渗透率低的缺陷。
参考文献
[1] 秦勇.中国煤层气产业化面临的形势与挑战(1)：当前所处的发展阶段[FJ].天然气工业，2006，26(1)：3-5.
[2] 林晓英，苏现波.安阳矿区双全井田煤层气赋存特征分析[J].矿业安全与环保，2007，34(4)：18-20.
[3] 陈霞，宁正伟.安阳一鹤壁断块含煤区山西组二。煤含气量及勘查前景分析[J].河南石油，1994，8(3)：1-7.
[4] 王生维，张明，庄小丽，等.安阳红岭矿区山西组二1煤储层岩石物理性质研究——一个浸入接触编制煤储层的典型实例[FJ].地球科学：中国地质大学学报，1997，22(4)：411-414.
[5] 张序明，安阳矿区煤层气资源分析与规划[J].中国煤层气，2004，1(2)：35-39.
[6] 杨兆彪，秦勇，吴财芳.恩村山西组二1煤层煤层气可采潜力分析[J].中国煤层气，2007，4(2)：37-39.
[7] 秦勇，刘焕杰，范秉恒，等.山西南部上古生界煤层含气性研究：Ⅲ.煤层气采收潜势分析[J].煤田地质与勘探，1998，26(1)：26-29.
[8] 傅雪海，秦勇，韦重韬，等.煤层气地质学[M].徐州：中国矿业大学，2007：29-30.
[9] 冯三利，胡爱梅.美国低煤阶煤层气资源勘探开发新进展[J].天然气工业，2003，23(2)：124-126.
[10] 何伟钢，叶建平.煤层气井排采历史地质分析[J].高校地质学报，2003，9(3)：385-389.
[11] 张培河.影响我国煤层气可采性主要储层参数特征[J].天然气地球科学，2007，18(6)：880-884.
 
(本文作者：杨兆彪 秦勇 陈润 王国玲中国矿业大学资源与环境学院)