内蒙古二道岭矿区煤层气资源赋存条件分析

李金涛　李恒

摘要：二道岭矿区位于贺兰山煤田内，为小型含煤盆地，主要含煤地层是侏罗系中、下统延安组。本文通过对二道岭矿区煤层气资源赋存条件的系统分析，以及对已有地质资料的进一步研究，认为该区煤层气成藏条件优越，煤储层发育条件良好，煤变质程度较高，含气性高，资源比较集中，资源类级和可靠程度高，具有较好的开发利用价值。

二道岭矿区位于贺兰山中段、阿拉善左旗境内，与宁夏汝箕沟矿区相邻发育，中间隔以呼鲁斯太背斜。矿区呈长轴为北东向之不对称菱形，矿区西部、北部以小松山逆断层为界，东部、南部以煤层露头为界。二道岭矿区作为内蒙古自治区内高瓦斯矿区之一，一直致力于煤层瓦斯利用的研究。目前该矿区内利用煤层瓦斯发电项目已初具规模，多处瓦斯发电项目已并网发电。因此，加快该区的煤层气资源研究及勘探开发工作，对改善地方经济及加快能源结构调整具有重要意义。

1.含煤地层与煤层

二道岭矿区主要含煤地层是侏罗系中、下统延安组，煤系地层出露于贺兰山的二道岭、汝箕沟等地，属陆相含煤沉积。岩性为灰、灰白、灰黑色砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩，夹煤层，底部常为粗砂岩或砾岩，局部含油页岩和菱铁矿结核。岩性、岩相较稳定，厚度90m～227m，与下伏延长群假整合接触。

区内延安组为一套河湖沼泽相沉积。沉积韵律及煤层厚度变化有序。泥炭沼泽的沉积背景和沼泽同期的碎屑活动控制着煤层厚度的变化。厚煤层的形成与河流一三角洲体系活动水道两侧的泛滥盆地有关，与废弃的三角洲朵体及分流间湾有关。

区内延安组煤层平均总厚26.42m，可采总厚18.07m。含煤面积约25.9kmz，累计探获资源量为7.25亿吨，含煤预测区面积约33.28km2，资源量约为4.77亿吨。区内可采煤层11层，煤层编号为一、二1上、二1、二2、二3、二4、三、四、五、七1、七2煤层。其中二1、二2、二3、三煤层厚度较大，且分布相对稳定，是主力煤储层。延安组平均煤层总厚26.42m，可采总厚18.07m。该组岩性、岩相较稳定，与下伏延长群呈假整合接触。

2.构造特征

二道岭向斜总体呈北东-南西走向，呈一菱形盆状。向斜西翼被小松山逆断层切割，奥陶系地层逆掩其上；南东翼构造简单，含煤地层为侏罗系延安组，出露于向斜的北、东、南三面。矿区现代地貌为一形态完整的小型山间盆地，该盆地是汝箕沟聚煤盆地演化的产物，晚侏罗世末贺兰山开始隆起，汝箕沟聚煤盆地被分割成汝箕沟和二道岭两个残留盆地，早白垩世末贺兰山进一步隆起，基本形成了现代残留盆地的面貌。新生代构造运动盆地改造微弱，阿拉善地块的持续挤压在盆地范围内发育煤层气聚集的统一压力圈闭，二道岭残留盆地实际上就是一个煤层气藏。

3.煤储层特征

3.1孔隙特征

二道岭矿区煤层总孔容在0.0365cm3/g～0.1197cm3/g之间，平均0.0585cm3/g。孔径结构以大孔为主，占总孔容的56.0%。明显高于其他地区同煤级煤的总孔容，大孔孔容所占比例也显著偏高。煤层总比表面积介于3.647cm/g～7.653cm2/g之间，平均6.10cm2/g。以微孔的比表面为主，占总比表面积的53.4%。比表面积总体特征与其他地区同煤级煤大体相似。主煤层孔隙连通性多属半连通（或半封闭）型孔、连通型孔。

中国地质大学（北京）许浩等采用Carlo-Erba2000型压汞仪进行煤层孔隙度分析，表明二道岭矿区煤储层孔隙度较高，达到5.2%～20.2%。煤储层孔隙具双峰分布特点，以微孔一小孔和大孔为主，尤以微孔-小孔占优势，一般约占孔隙体积的70%左右；大孔多变化在18%～30%之间。

根据煤体结构及裂隙发育情况，结合区域构造形态分析，二道岭矿区南部和北部构造煤发育地区，煤渗透性差，矿区中段裂隙发育较好，渗透性较好，但局部大裂隙内充填煤粉，对煤层气开发带来一定的负面影响。

3.2力学特征与储层可改造性分析

煤岩及围岩力学性质测试表明：煤的抗压强度低于砂岩，与泥岩相当，但煤的抗拉强度明显低于围岩，在原地应力相似的条件下，破裂煤层的压力低于围岩；煤的抗拉强度远低于围岩，对控制缝高有利，但煤的抗压强度、泊松比与粉砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩相差不大，又不利于控制缝高的扩展；煤弹性模量低于砂岩，与泥岩相当，在压裂作用下，裂隙宽度变化大；煤的抗拉强度明显低于围岩，压裂时，水平裂隙至垂直裂隙的转变深度更浅。主力煤层二1、二2、二3号煤储层的力学性质与围岩（砂岩）相差较大，储层压裂较为有利。

3.3吸附特征

二道岭矿区主力煤层最大吸附量（V1）介于16.4m3/t～29.35m3/t之间，平均为24.01m3/t，在矿区的西北部和南部较低，中部兴泰煤矿附近较高；Langmuir压力（PL）介于0.41MPa-0.86MPa之间，平均为0.586MPa。最突出特征是兰氏压力低，说明在低压条件下，煤储层的吸附效率非常高，可能与浅埋高温热变质造成的大、中孔等发育的孔隙结构有关；这一突出特征是造成埋深几十米的煤层有很好的气显示、煤层气风化带下限深度平均含气量高达7m3/t的原因。

3.4煤岩特征

矿区内各煤呈油脂-金属光泽，贝壳状-不规则状断口，条带状结构，层状构造，煤的内生裂隙较发育。深部煤的原生结构、构造保存完好，呈细条带及线理状构造，煤的硬度较大。宏观煤岩类型总体以光亮一半亮煤为主，约占80%～90%，半暗一暗淡煤约占10%～20%。显微煤岩组分中，以镜质组为主，占85%～90%。惰性组次之，占8%～10%。无机组分占5%左右，以粘土、碳酸岩为主。煤类以无烟煤为主，部分为贫煤。镜质组最大反射率Rmax=1.63%～2.88%，平均值为2.27%。煤级的区域变化呈现南高北低、东高西低的规律。

3.5封盖特征

煤层顶板作为煤储层的直接盖层，对煤层气的保存具有重要的控制作用。直罗组作为一套继延安组之上的一套内陆河流环境为主的碎屑岩沉积，岩性为灰绿、黄绿、褐黄色砂岩、粉砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩不等厚互层，地层厚度一般约300m。直罗组下部多为深灰色、黄灰色泥岩，上部多为黄绿色紫红色泥岩，一般含粉砂质。泥岩矿物多为高岭石、水云母等，碎屑物多为石英、长石、岩屑等。以水平层理为主。直罗组的岩石垂向组合层序总体表现为多旋回的向上变细的“砂泥二元结构”层序。因此，从岩性及其分布来看，煤层气保存的条件比较有利。

3.6水动力条件

矿区浅部水文地质特征为地下水水头压力大，水量小，补给来源缺乏，地表径流排泄良好，属水文地质条件简单类型，对煤层气的保存影响不大。

4.煤层气含量

二道岭矿区煤层气含量分布总体呈中部高、两端低，且有随着埋深的增加，含气量逐渐增大的趋势。矿区南部平均含气量为4.5m3/t，中部平均含气量为12.6m3/t，北部平均含气量为8.2m3/t。矿区浅部煤层含气性：煤田瓦斯孔测试煤层深度50m～656m，测得煤层瓦斯含量8m3/t～20m3/t，平均11.76m3/t。主要生产矿井全部为高瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量为11m3/t～23m3/t。煤层气风化带下限的煤层气甲烷浓度取80%，对应的平均含气约7m3/t，即煤层气风化带下限平均含气量为7m3/t。二道岭矿区煤层气风化带平均深度为100m。煤层气风化带以下至勘探深度656m范围，煤层气甲烷浓度为80.1%～100.0%，平均值为89.6%，对应的煤储层平均埋深约255m。对主要煤层采取了瓦斯样品，研究了瓦斯成分及绝对含量。测定的结果表明：在12勘探线以北，煤层的浅部垂深250m～300m（标高+1850～+1800）以上为氮气沼气带，绝对含量3.35m3/吨·可燃物～8.94m3/吨·可燃物，以下为沼气带，绝对含量9.92m3/吨·可燃物～13.24m3/吨·可燃物。12勘探线以南均属沼气带，绝对含量甚高，如19号孔在171米二，号煤测得绝对含量15.10m3/吨·可燃物，7号孔在67米（标高+2000）二1号煤测得绝对含量15.71m3/吨·可燃物。

5.煤层气资源评价

二道岭矿区煤层气成藏类型为高生、中储、强封盖型，形成了高质量的煤层气成藏。根据2002年内蒙古太西煤集团公司与中国矿业大学评价结果，矿区煤层气总资源量约为112.4×10m3，平均资源丰度为2.11×10m3/km2。通过最新煤炭资源储量核查工作，二道岭矿区面积为43km2，煤炭资源量为7亿吨，预计煤层气总资源量为150×10m3。煤层气资源丰度向斜东翼高于西翼、中北部高于南部，向斜东翼中北部煤储层埋深600m～1000m范围内煤层气资源丰度最高，高达3.60×10m3/km2。预计煤层气采收率为35%～45%。煤层气总可采资源量为38.99×10m3。

6.结论

通过对二道岭矿区煤层气资源赋存条件的研究及调查工作表明，区内煤层厚度较大且稳定，煤体结构完整，埋深适中。虽然含煤面积不大，但区块含煤系数高，主采煤层单层厚度大且分布稳定，煤变质程度高，镜质组含量高，具备良好的生气潜力，煤层气含量高，具备“小而肥”的资源优势。其中二道岭向斜构造简单，保有煤炭资源量相对较大，受小松山断裂和木呼鲁背斜所限，呈箕状凹陷，东翼2号煤层厚度变化范围为10m～15m，埋深900m左右，且煤层孔裂隙发育，是煤层气开发的最有利区带。