大佛寺煤矿低煤阶煤层气地面开采选区评价

王生全，薛 龙，马荷雯，李 旭，吴 佩

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054)

大佛寺煤矿低煤阶煤层气地面开采选区评价

王生全1，薛 龙1，马荷雯2，李 旭1，吴 佩1

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054)

在研究大佛寺煤矿煤层气赋存地质背景基础上，探讨了影响低煤阶煤层气开发的主要地质因素，结合地面煤层气井产气量相关地质因素综合分析，优选了大佛寺煤矿煤层气开发的主控制地质因素指标及次级控制因素指标，采用加权指数法通过计算评价对象的综合得分，以综合得分高低判定煤层气开发优劣区，研究认为，大佛寺煤矿4#煤层煤层气以中等有利开发区为主，主要位于井田中东部，面积约占整个煤层气评价区面积的54%，有利开发区主要位于井田东部，面积较小，约占整个煤层气评价区面积的7.92%，不利开发区主要位于井田西部，面积约占整个煤层气评价区面积的42.04%.评价结果对大佛寺煤矿低煤阶煤层气地面开发有重要参考价值。

低煤阶；煤层气；选区评价；大佛寺煤矿

0 引 言

大佛寺煤矿位于陕西黄陇侏罗纪煤田彬长矿区的南部，彬县、长武县管辖，属陕西煤业化工集团公司彬长公司所属的国有重点煤矿之一。井田面积71.48 km2，矿井2007年建成投产，主采延安组4#煤层。开采煤层虽属低煤阶的不粘煤，但矿井属高瓦斯矿井，绝对涌出量高达155.49 m3/min，相对瓦斯涌出量高达23.40 m3/t.为了防止瓦斯事故发生，大佛寺煤矿井采取了风排、井下抽采两种措施治理煤层瓦斯，其中抽采瓦斯量约占矿井总瓦斯排放量的70%左右，表明该矿井的煤层瓦斯抽采率较高，抽采效果较好。为了进一步提高煤矿瓦斯治理的效果，实现瓦斯资源的有效利用，大佛寺煤矿自2009年以来实施地面煤层气开发试验，从已施工的多口煤层气试验井排采数据[1-2]，多分支水平井的最高产气量达16 000 m3/d以上，直井单井产量也在2 000 m3/d以上，显示大佛寺煤矿低煤阶煤具有较好的产气潜力。低煤阶煤(镜质体反射率小于0.65%)煤层气在国外已有开采成功的先例,在国内目前正处于试验及小规模的商业化生产阶段。为了确保在低煤阶井田打出高产煤层气井，取得良好的抽采效果，开展对低煤阶煤层气开发有利区评价显得尤为重要。

1 矿井煤层气赋存地质背景

大佛寺井田地表绝大部分被第四系黄土覆盖。钻孔揭露煤系以上地层由老至新依次为侏罗系延安组、直罗组、安定组、白垩系宜君组、洛河组、华池环河组，新近系及第四系。其中延安组为本区唯一含煤地层，共含煤6层(包括分煤层和分叉煤层)，从上而下依次编号为3-1，3-2，4上-1，4上-2，4上，4#煤，其中主要开采煤层为4#煤。

4#煤层厚度0～19.42 m，平均11.65 m，结构简单，属特厚煤层，面积可采率97.01%，埋深270～750 m，一般400～650 m.直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主，局部为粉-细砂岩，煤质属低变质的不粘煤。

煤层总体构造为一向北西倾斜的波状起伏的单斜构造，其上发育了一系列北东东和北北西向的褶皱构造。地层倾角平缓，一般3°～5°，最大17°～21°.采掘过程及地面地震勘探均有断层发现，落差以5 m以下为主。

4#煤层甲烷浓度最高值95.26%，一般在50%～80%左右，空气干燥基甲烷含量为1.00～5.57 m3/t，煤层渗透率为3.06～5.73 mD，储层压力2.43～3.20 MPa，平均压力梯度0.487 MPa/100 m.临界解吸压力0.42～2.1 MPa，平均为1.13 MPa.

矿井煤系地层以上自上而下共发育主要含水层7层[3]，分别为第四系孔隙潜水含水层、新近系小章沟组下部砂卵砾石含水层、白垩系下统洛河组砂岩含水层、宜君组砾岩含水层、直罗组下部砂岩含水层、延安组上段4上煤以上砂岩含水层、延安组下段4上煤～4煤间砂岩含水层。其中对煤层气开采有直接影响的含水层主要来自距离煤层顶板很近的4上煤～4#煤间砂岩含水层水[4]。

2 影响煤层气开发的地质因素

选区评价是煤层气勘探开发最基础的工作，也是最为至关重要的工作[5]。在选区评价方面主要是“寻找高渗富集区”，即高含气量、高渗透性地区[6-8]。但从我国煤层气的分布情况看,往往是含气量高的区域,多为高阶煤分布区，构造复杂，煤层渗透率普遍较低,而渗透率高的地区,则多是低煤阶分布区，构造简单，含气量较小[9-10]，这就注定了煤层气选区必须立足现实，开展综合地质研究与评价。

影响煤层气资源开发的因素很多,诸如含煤性、煤层厚度、含气量、资源量、资源丰度、埋藏深度、吸附能力、渗透性、储层压力、煤级、含气饱和度、煤体破坏性、地质构造复杂性、地应力、水文地质条件等等[11-13]。这些因素并非均具有同等重要的作用，某些因素是必须具备的充分条件，如含气量、煤层厚度、渗透性等，某些因素则仅是一种必要条件，如资源量。此外一些因素之间还存在着较为密切的相互关系，如资源量与含气量、面积、资源丰度之间，含气量与顶板岩性、埋藏深度之间，在一个井田内若一些因素变化不大的情况下，可以不做为重点因素考虑，如渗透性参数等。

根据大佛寺煤矿煤层气资源的基本特征：煤层镜质体发射率0.59%～0.68%，以不粘煤为主，属低变质作用阶段，煤层埋藏深度中等(300～800 m)，煤层厚度大，变化也大，中小断层发育，煤层含气量低且不均一,煤层渗透率较高、变化不大,有效地应力低(小于10 MPa)，煤层储层压力通常为微欠压或低压及水文地质条件复杂等特点，结合已施工的六口地面煤层气井产气量相关地质因素综合分析，优选了7个评价指标，它们是:煤层厚度、煤层气含量、煤层气资源丰度、储层渗透率、储层含气饱和度、构造条件(构造部位、断层发育程度及煤厚变化率等)、水文地质条件(煤层距离顶板含水层距离及顶板含水层富水性等)，并将煤层厚度、含气量确定为影响煤层气开发的主控因素指标，其余五个地质因素作为次级控制因素指标。

3 煤层气选区综合评价

3.1 评价方法

低煤阶煤层气有利开发区评价目前还没有成熟的方法，文中选用加权指数法进行评价[14-15]。加权指数法是按各评价因素参数对煤层气开发有利及不利的程度计算出分值，同时再按每个指标对评价对象的贡献率给出权重，利用加权平均的方法算出要评价对象的综合得分，最后以综合得分多少判定煤层气开发区优劣〔16〕。

3.1.1 评价指标有利值(G)与不利值(P)的确定

根据大佛寺煤矿单井的产能、煤层气赋存地质条件,确定各评价指标的最有利值与最不利值(表1)。

表1 评价指标的权重及各自有利与不利值

3.1.2 权重系数(ai)确定

依据各评审指标对产能的重要性给出权值系数，权重系数越高,对煤层气高产富集影响越大。依据专家经验及实际分别给予煤层厚度及含气量0.25系数，其它指标分别给予0.1系数(表1)。

3.1.3 计算单项得分(Sm)

对于参数值越大表示储层性能越好的参数以下式来计算单项得分

式中x为钻孔参数取值；G为有利参数值；P为不利参数值。

Sm值在0～1之间。当Sm值大于1时，取其最大值等于1.

对于参数值越小表示储层性能越好的参数用下式计算Sm

Sm值在0～1之间。当Sm值大于1时，取其最大值等于1.

3.1.4 计算综合评价指标(REI)

将前面得到的单项得分乘以各自的权重系数求和可得出综合评价指标得分。

3.2 有利区分级标准的建立

综合评价值REI的取值范围在0～1之间，REI值越高,高产条件越好。评价级别划分方案见表2.

表2 煤层气有利开发区级别划分方案

Tab.2 Level classification of favorable development area for CBM

4 煤层气有利开发区预测结果

依据上述煤层气有利开发区评价方法及开发区级别划分方案，对井田4#煤层的煤层气有利开发区进行了预测评价(图1)。评价结果为4#煤层以中等有利开发区为主，有利开发区主要位于井田东部，面积较小，约5.51 km2，占整个煤层气评价区面积的7.92%，有利开发区的主要特点是煤层厚度大、煤层气较高含量；中等有利开发区为主要位于井田中东部，面积约34.82 km2，占整个煤层气评价区面积的50.04%，不利开发区主要位于井田西部，面积约29.25 km2，占整个煤层气评价区面积的42.04%.

图1 4#煤层煤层气资源开发有利区预测图Fig.1 Predication of favorable resource development areas for CBM of No.4 coal seam

5 结 论

1)大佛寺煤矿属低煤阶煤层气，具有埋藏深度中等，煤层厚度大，变化大，中小断层发育，煤层含气量低且不均一,煤层渗透率较高、变化不大,有效地应力低，煤层储层压力为微欠压或低压及水文地质条件复杂等特点；

2)根据影响煤层气开发的地质因素，结合已施工的地面煤层气井产气量相关地质因素综合分析，优选了七个影响煤层气开发的地质因素指标；

3)选用加权指数综合评价法，对大佛寺煤矿4#煤层的煤层气有利开发区进行了预测评价，圈定了开发有利区、开发中等区及开发不利区的范围。

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《西安科技大学学报》入选RCCSE中国核心学术期刊(A)

本刊在第四届《中国学术期刊评价研究报告(武大版)2015—2016》中，被评为“RCCSE中国核心学术期刊(A)”(简称RCCSE)。《中国学术期刊评价研究报告(武大版)2015—2016》是中国科学评价研究中心和武汉大学图书馆等单位研发(由科学出版社出版发行)，是国内外最重要的中国学术期刊分类分级排行榜与权威期刊、核心期刊指南之一。

Evaluation of selected target areas on CBM ground mining for low-rank coal of Dafosi coal mine

WANG Sheng-quan1，XUE Long1，MA He-wen2，LI Xu1,WU Pei1

(1.CollegeofGeologyandEnvironment,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

On the basis of the research on CBM occurrence geological background in Dafosi coal mine，the major geological factors influencing low-rank coal CBM development were explored.Combining with the comprehensive analysis of the related geological factors for ground CBM production，we optimally selected both primary geological controlling factors and secondary control factors indexes for CBM development of Dafosi coal mine，calculated comprehensive scores for evaluated object using the weighted indexes，and determined the merits of CBM development by the comprehensive scores.Research results show that No.4 coal seam CBM in Dafosi coal mine is mainly moderate favorable zone，located mainly in the mid-eastern field，accounting for about 54% of the entire CBM evaluation area.The favorable development zone is situated in the eastern field with smaller area，which accounts for about 7.92% of the entire CBM evaluation area，and the unfavorable development zone is mainly in the western field，accounting for about 42.04% of the entire CBM evaluation area.The evaluation results are of an important reference for ground mining of the low-rank coal CBM in Dafosi coal mine.

low-rank coal;CBM;evaluation of selected target areas;Dafosi coal mine

2015-05-10 责任编辑：李克永

陕西省科学研究发展计划项目(2014JM5215)；陕西省教育厅科研计划项目(12JK0473)

王生全(1961-)，男，陕西岐山人，教授，E-mail:wangshq@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0405

1672-9315(2015)04-0421-05

TE 12

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