高煤级煤的煤层气开发潜力——以沁水煤田为例

堞田地质与勘探Vol.29 No. 6COAL GEOLOGY &. EXPLORATIONDtr. 2001文章编号:1001-1986(2001 )06 -026-05高煤级煤的煤层气开发潜力以沁水煤田为例张群,李建武,张新民,宋生印,员争荣,张培河(煤炭科学研究总院西安分院，陕西西安710054)摘要:通过分析研究山西省沁水煤田的煤层气地质条件和储层特征,结合煤层气开发试验结果,对无烟煤等高煤级煤的煤层气资源开发潜力进行了评价。结果表明:无烟煤等高煤级煤只要煤储层特征参数组合匹配良好,尤其是在较简单的构造条件下,煤体结构完整,煤中裂隙网络较发育且保存较好。煤储层渗透率较高,煤层气资源开发就具有良好的前景。关键词:无烟煤;煤层气;开发潜力;沁水煤田中图分类号:P618. 11文献标识码:A1引言2地质背景无烟煤等高煤级煤中的煤层气资源是否有良好沁水煤田位于山西省东南部.面积23503km'.的地面开发潜力?对此问题,美国的勘探开发试验实是我国的第二大石炭一.二叠纪煤田和主要无烟煤产践几乎给出了否定的回答。据报道,美国无烟煤等高地.分布于晋城、潞安、阳泉和沁源4个矿区。谋级煤中的割理很不发育.煤储层渗透率极低。到目本区出露地层有太古界、震旦系、奥陶系、石炭前为止.取得煤层气商业性地面开发成功的煤田都属系、二叠系、三叠系、侏罗系、第三系和第四系。主要于中.低煤级煤田。我国无烟煤等高煤级煤的煤层气含煤地层为太原组(C;t)和山西组(Ps)。区域构造资源开发潜力如何?本文通过分析研究山西省沁水上,沁水煤田东为太行山隆起.西为晋中断陷和太岳媒田的媒层气地质条件和储层特征.结合煤层气开山隆起.北有五台山隆起,南有中条山隆起.总体构发试验结果,对无烟煤等高煤级煤的煤层气资源开造形态呈一个近南北向的宽缓复式向斜.内部构造.发潜力进行了评价。较简单.以褶皱为主.断层稀少。收稿日期:2000-12-18作者简介:张群(1958-).男,安徽 巢湖人,煤炭科学研究总院西安分院研究员.主要从事煤岩学与煤层气研究.需选择块样钻取柱样,只有原生结构煤层才可满足.参考文献原生结构煤层裂隙发育.裂隙张开度好,所以块样的孔渗仪测定结果偏高。但可以认为,在不受样品限制1」 李传亮，双层各向异性介质的发现及其渗透韦模型的建J的非构造煤层中.所测结果应更接近实际。这里.也.中国海上油气,1997.(4).不排除方法造成的误差,两种方法尽管遵循相同的[2]李小彦。煤中裂隙研究方法阱析[]_.中国媒田地质.1998.(1);31- 36.原理.但自成体系，所以数据的些许偏差是允许的，[3]王生维等。 煤储层孔陬裂蹴系统研兖进展L]地质科技情也可以说是合理的。报.1995.(1).综上所述.煤的孔渗性实验室测定应该是可行1] 张胜利。煤层割理及其在煤层气勘探开发中的意义门。堞田的方法之.尤其是选择多向流、不同围压条件,为地质与勘探探.1995.<4);27-31.[5] 张慧。王小刚。煤的显徽构造及其储集性能.小1.谋田地质与动态研究媒层双重各向异性渗透特点提供I可能。勘探，1998,26(6);33-35.是其他方法所不能比拟的。但要使之成为成熟的技.[6] 谢和平.陈至达。 分形几何与岩石断裂[J1.力学学报、1988.(5):264-271.术手段.还需要一个过程,积累经验,完善操作环节，在条件具备时.建立测试标准。Laboratory measurement of coal permeability in Xinji mining areaLI Xiao yan' ,DU Xin -feng' ,CH中国煤化工(1. Xi' an Branch ,CCRI,Xi' an 710054 ,China ;2. XinChina)Abstract: The laboratory measurement of coal permeability of in XinjiMHC N M H Grh fere poroityunderthesurrounding limited pressure and dynamic change lrend. The feasibility of laboratory neasurement method 18 duscussedby comparing well testresults and the avilability of measurement is provided.Key words :pressure :porosity :pcrmeability ;measurement第6期张群。李建武等:高煤级煤的煤层气开发潜力●27●了石炭一一叠纪海陆交互相含煤沉积。到三叠纪.主.要含煤地层的埋深可达2 200~4 200 m.受上覆地层压力及地温影响.煤层受到深成变质作用。三:叠纪后期.受印支运动影响本区整体抬升.广泛遭受剥蚀。燕山运动期间.形成大型隆起和凹陷,沁水煤田出现雏形。强烈岩浆活动使大地热流值升高,煤层在平遇县原有深成变质作用基础上.叠加了区域岩浆热变质榆杜县左权县作用3储层特征)县3.1 煤层飞源县3.1.1煤层厚度及分布沁水煤田含煤11~20层,其中可采煤层3~8.长治层,全区稳定发育的主要可采煤层为山西组的3号安和县和太原组的15号煤层。煤层总厚5~16 m.厚煤区位于北部的阳泉、中部的潞安和南部的晋城矿区。“晚川县(图1)3号煤层厚为0~7.7 m。总体变化趋势是:南厚北薄.即在沁县一洪水镇一线以南.大部地区煤层.比例尺厚度都在4~6 m以上,且自东向西厚度逐渐变薄;h108以北地区,厚度] m左右,仅局部为2~3m。15号图1沁水煤 田煤层总厚度等值线图煤层厚度为0~8 m,厚度变化趋势与3号煤层相反.南薄北厚.即煤层厚度在沁县一洪水镇-线以北太厦市为4~7 m;以南则多为1~3 m.且自东向西厚度亦逐渐变薄。3.1.2煤级3号煤层的镜质组反射率(Romx)变化范围为1. 5%~4.5%,(图2)在煤田南端的晋城矿区普遍较高,最高可达4.5%,属于无烟煤;北端的阳泉矿区次之.为1.9%~ 3.3%.以无烟煤为主;中部广大地区,从煤层露头到中央深部.逐渐增高,镜质组反，射率等值线平面上呈环带状分布。15号煤层的镜质组反射率略高,分布特征与3号煤层相似。●喔州襄垣县3.1.3煤层埋藏深度3号煤层的埋深情况见图3。埋深梯度变化在煤治市田东西两翼浅部大.向深部逐渐减小.南北两端较平缓,在沁县-北壁-带超过2000m.大部分地区的煤层埋深小于1 400 m。”酸川县3.2气含量煤层气含量总体较高.变化范围为0~ 35.57m'/t. -般为7~23 m/t。其中.晋城矿区为8~35.m/t.中国煤化工城矿区.由于地图2沁水煤田 3号煤层反射率等值线图形起HCN MH G层直接埋臧深度沁水煤田的基底为太古代变质岩系,寒武纪和关系不明亚.(图4)間与保云恍理臧深度之间存在中奥陶世接受了浅海相沉积。此后.华北地区整体抬明显的正相关关系。(图5)煤层视埋藏深度是指地升,遭受长期风化剥蚀。到中石炭世再次沉降,形成表某一等高面到煤层之间的距离。●28●煤田地质与勘探第29卷3.3渗透率执市-般来说.无烟煤等高煤级煤的气含量较高.而决定煤层气开发潜力的关键因素往往是煤储层的渗透率。煤中裂隙是煤层气运移的主要通道.其张闭程度受原地应力影响,因此煤储层的渗透率主要受煤中裂隙特征和原地应力的影响。平县3.3.1煤中裂隙佐权县.据文献报道.美国无烟煤中割理不发育.煤储层渗透率很低。沁水煤田虽然煤级高且以无烟煤为主，但是由于地史上经受了印支和燕山等多期构造运动作用，在多次的地壳拾升和褶皱过程中,形成了煤中●羞州议源县1廉垣县裂隙,在岩石中形成了节理。煤中裂隙的基本特征是成组出现,以垂直或近于垂直煤层层理面的裂隙为安熟_'长治市主.裂隙面多数平直,区域上有明显的方向性;砂岩.中的节理亦以垂直层理方向的为主。按照尺寸大小将煤中裂隙划分为巨型、大型、中型、小型和特小型5种类型.特征见表1。在晋城矿区.煤中裂隙有3组,以一组SSE-比例尺NW走向为主;砂岩中节理走向以SEE-NWW为主(图6)。在阳泉矿区,煤中裂隙特征与晋城矿区类图3沁水煤田3号煤层埋深等值线图似,但砂岩中节理有5组.走向变化较大。煤中大、中、小型和特小型裂隙间距在晋城矿区分别为10.0~17.0cm、3.0~5. 0cm,1.3~1.7cm和0.2~0.7cm,在阳泉矿区分别为20 cm、3 cm.0.5cm和0.23.3.2原地应力20006D0根据目前煤层气勘探试验地区的试井测试数媒腿糧深/■据，沁水煤田原地应力梯度为966~2.536MPa/100图4煤层气含量与煤层埋深关系m.平均为1.595MPa/100m.与中国其他煤田相比较低。(图7)2 3.02.977 2:5.5 6859 2338. 2;800.20-1.194喜1.01.630 出91701313-1595 1.488E0.0(2D61)&驹饮法人城汀东沁水净北代南六盘水煤层有效埋豫/■煤出图了煤层气含 量与煤层视埋深关系图7我国部分煤田原地应力梯度分布图煤中裂隙潘4井水力压裂貌隙地层右仲节理60- 9012090|2050业,J180 o中国煤化工(1)2)YHCNMHGo图6煤中裂隙.水力压裂裂缝岩石节理走向玫瑰图第6期张群,李建武等:高煤级煤的煤层气开发潜力●29.衷1煤中裂隙类型及其特征描述巨型裂原 切穿煤层或几个煤自然分层.也切穿夹研层,延伸长度数十米~近百米，裂徽宽度数毫米。垂直或斜交煤层基理分布大型裂原切穿几个宏现煤岩类型分层的裂原,高度-般20~50 cm.延伸长度敷米~数十米:裂缝宽度在微米级~毫米级范圈.一般垂百或近垂直媒层层理分布所续或为连续分布的裂隙,高度一般5~20 cm.延伸长度数十厘米~数米,裂缝寬度在敞米级范小型裂隙在宏观煤岩类型分层中垂直分布的裂腺,高度-般<5 cm.延伸长度数厘米~数十厘米,裂缝寬度在微米级范围,垂直或近垂特小型裂原在健煤中垂 真分布的裂原、罕见斜交层理方向分布.即常指的内生裂歇，高度-般<2 cm.延伸长度几赠米~几+厘米.裂缝览注:裂徽中常见矿物充填.多为方解石、黄铁矿和泥质矿物。90[o[<0. laD■0.1--<0. 5a000.5--<1. 0mD001.0--<5.0m0■25.0mD鹤岗铁法大城浏东沁水淮北附雨六盘水全国煤出和矿区图8我国部分煤田和矿区煤储层滲透宰分布图3.3.3试井测得的渗透率附能力大,干燥无灰基兰格缪尔体积为28. 08 ~根据45煤层次的注人/压降试井结果.<0.157.11 m/t,兰格缪尔压力为1.91~3. 47 MPa.其mD.0.1~<0.5 mD.0.5~<1.0 mD.1.0~<5.0中晋城矿区分别为42.04~57.11 m/t和2.01~mD)和≥5.0mD的测值分别为30%、20%.17%、3. 48 MPa,阳泉矿区分别为31.55~48.36 m't和17%和16%。与我国其它煤田相比,沁水煤田煤储2. 09~3.04 MPa。(图9) .层的渗透率较高。(图8)3.5储层压力3.4等温吸附特性37煤层次的试井结果表明,煤储层压力为1.34煤的等温吸附特性反映煤的储气能力和产气特~6.25 MPa;压力系数为0.286~0.965.平均为征.通常用兰格缪尔体积和兰格缪尔压力来表征,受0.658.比我国其他煤田低,(图10)属于欠压煤储多种因素影响。就煤本身性质来说.主要受煤级以及层。其中晋城矿区分别为1. 34~5. 74 MPa和0.286媒中矿物和煤岩组成影响。沁水煤田煤的煤级高,吸~0.899,阳泉矿区寿阳区分别为2.71~6.25 MPa和0. 528 ~0.964。40晋城潘庄3.6煤层气资源量和资源密度30阳泉寿阳沁水煤田煤层气平均资源密度为1.38~3. 99警x 10* m/km'。采用资源密度法计算获得的煤层气总资源量为66 399. 81X 10* m2 ,其中200~ 600 m. .压力/NPa600~1 000m.1 000~1 500 m和> 1 500 m埋深的煤层气资源量分别占17. 15%、25.34% .33.91:%和图9沁水煤田煤 的等温吸附曲线图23. 57%。.8 r1.601.51.2 t1.113↓108i1.2161. 128.1.082 1.2030.9-0907+1018-0.945+1.011 0.965-0 g280.985*1.025￥0.6t0.679 0.91 0.6790.712●0.658 0.626.796。0. 884.3 t0.286中国煤化工鹤岗铁法大城河东沁水淮MYHCNMHG煤田图10我国部分煤田煤储层压力 系数分布图●30.煤田地质与勘探第29卷表2沁水煤田晋城矿区潘 庄区储层模拟参数破坏,连通性不好.煤储层渗透率就差。3媒I5煤3媒15煤根据晋城潘庄区煤储层参数.(表2)按照5点即度m6.00 2.0 I“格缪尔体积/m'°l↓1.00 抗0式布井、井网为460 mX340 m.选择产层为3号和气含量mo.r' 19.50 20.3| 岂格縲尔达力/MPa 3.11 2.5初始铭层压力MPa 3.1控 4.5015号煤层.利用美国ARI公司开发的Comet3D储锚界解吸压力:MPa 2.70 2.90表皮系数:mn .-1.0 -5.co层模拟软件进行模拟.结果是:单井平均气产量为吸附时间(day_ 13.00 12.0渗遗率/mD3.4 1.553 957 m'/d,最高单井产气量6 623 m'd.20年累12000积气产量为31 X10^m’。 (图11)! 289000日前,沁水煤田已施工了46口煤层气井,建立21600014了潘庄、枣园.樊庄和寿阳4个煤层气试验开发井3000。组.分别都获得了工业性气流。其中枣园井组的TL-03井在连续排采的3个月里.平均日气产量2000 40000 6000 8000时间1d一直稳定在3000m'以上.TL-07井的最高日气一日产量一翳积护限产量高达16 0000 m°。图11 TL-03 井井网优化气产量预测图由此可见，沁水煤田煤层气资源量大.叮采性较好,具有较好的开发潜力。依据煤层厚度,气含量、渗4煤层气资源开发潜力评价.透率、埋藏深度等储层参数分布特征.优选的有利开从资源条件角度出发,煤层气资源开发潜力评发区块是晋城的潘庄区、屯留一安泽区和阳泉的寿价应考虑煤层气资源量规模、密度、可采性等。由上阳区。所述.沁水煤田是我国石炭-二叠纪第二大煤田.含5结束语媒面积大。煤层形成于近海型沉积环境,具有层数多、侧向连续性好和厚度较大等特点.尤其是3号和通过上述研究,得出如下认识:15号煤层.全区广泛分布,为煤层气的形成提供了a. 无烟煤等高煤级煤,只要煤储层特征参数雄厚的物质基础。并且煤级高.煤的生气量大.吸附组合匹配关系良好.尤其是在构造较简单煤田.煤中能力大.煤层顶板盖层封闭性好、煤层气含量普遍裂隙网络发育且保存较好,煤储层渗透率较高.煤层高。因而煤层气资源非常丰富.规模巨大,总资源量气资源开发就有潜力。高达66399.81X108m',资源密度较高。b.以无烟煤为主的沁水煤田.煤层气地质条件虽然本区以无烟煤等高煤级煤为主,但是由于煤较好,尤其是在晋城潘庄区和阳泉寿阳区,煤层发育，层形成以后,在印支、燕山等地壳运动中遭受到隆起气含量大,渗透率较高.煤层气资源开发前景良好。抬升和挤压等地质改造作用，形成了较多的煤中裂参考文献隙。由于煤田构造较简单，为大型宽缓复向斜，断裂构造稀少。煤体结构良好,一些地区煤中裂隙网络连续[I] 中联煤层气有限责任公司.煤炭科学研究总院西安分院.轧水.完整,保存较好.为煤层气的运移提供了良好通道。总.盆地煤层气评价选K及勘探部署[R] 1997.体来说.本区现今处于张性应力区,原地应力较小.有[2] 张群.冯二利.杨锡禄.试论我国煤层气的基木储层特点及开发策略[A]第三届全国煤层气学术研讨会论义集C].北利于媒中裂隙的张开。因而煤储层的渗透率在一些地京:煤炭工业出版杜.0000区较高。可以认为,像无烟煤这样的高煤级煤,煤中裂[3! I.aw B E. The relarionship bewen coal rank and cleat隙是以地质构造作用形成的构造裂隙为主.煤储层渗spacing: implications for the prediton of petneablhty In透率主要来自构造裂隙渗透率的贡献。但是.如果地coal. Predings of the 1993 International ( oalbhed MethaneSymposium, The University of ANlebama Tuselooua. 1993.质构造作用过于强烈.煤层破碎.煤中裂隙网络遭受May 17- 21.135-441.CBM development potential of high rank coal with reference to Qinshui coal frield ,ShanxiZHANG Qun.LI Jian wu ,ZHANG Xin min .SONG Sheng-yin. YUN Zheng rong .ZHA.NG Pei-he(Xi' an Branch ,China Coal Research Institue .Xi'an Z10054 .China)Ahstract:" The CBM geological condrtions and reservoir characteristics i中国煤化工resealesearched. Based onthe researeh results ,CBM potential of bigh rank coals such as anthracites indicated that highrank couls may have the good polential of CBM development . when coaYHC N M H Gnindeilly thepermeabiliy is good. The permeability of high rank roal is mainly contributed to the well preserved coal lracture nelwurk causedby struclure in a suitable geological lectonic hackground.Key words :anthracite ;CBM ;development potential ;Qinshui coalficld