以相对瓦斯涌出量为刻度值评价煤层气资源初探

2019-09-10张福强

河南科技 2019年17期

张福强

摘要：分析广西合山煤田煤层气资源开发前景，为广西合山煤层气预查项目立项提供依据。采用地质类比法，从煤炭保有资源量、煤层气含量、预测煤层气资源量和相对瓦斯涌出量、煤层气可采系数5个维度，将辽宁阜新煤田刘家区矿区和广西合山进行比对，评价合山煤田煤层气资源前景。可采煤层气资源量计算系数的确定，一般采用国内外的经验数据40%，阜新瓦斯相对涌出量较高平均为26.06m3/t·d，合山平均为23.06m3/t·d，是阜新的88.49%，类比分析合山的煤层气可采资源量系数为35.40%，预测合山煤层气资源量为63.498×108m3，估算合山可采煤层气资源量22.478×108m3，比阜新多6.158×108m3。利用开采煤矿相对瓦斯涌出量作為可采煤层气资源量计算系数的刻度值，是本研究的创新点。其效果如何，有待今后进一步研究和验证。总之，本研究表明合山煤田具备勘查开发煤层气的可能性。

关键词：合山煤田;阜新煤田刘家区;相对瓦斯涌出量;地质类比法

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）17-0093-04

Abstract： The development prospect of coalbed methane resources in Heshan coalfield of Guangxi was analyzed， which provided the basis for the establishment of the project of coalbed methane prediction in Heshan coalfield of Guangxi. By using geological analogy method， this paper compared Liujia mining area of Fuxin coalfield in Liaoning Province with Heshan in Guangxi Province， and evaluated the prospects of coalbed methane resources in Heshan coalfield， based on the five dimensions of coal reserves， coalbed methane content， predicted coalbed methane resources and relative gas emission， and coalbed methane recovery coefficient. The calculation coefficients of recoverable coalbed methane resources are generally determined by 40% empirical data at home and abroad， 26.06m3/t·d for Fuxin， 23.06m3/t·d for Heshan， 88.49% for Fuxin， 35.40% for Heshan， 63.498×108m3 for Heshan， and 2% for Heshan. 2.478×108m3， 6.158×108m3 more than Fuxin. It is the innovation of this research to use the relative gas emission from mining coal mine as the calibration value of the calculating coefficient of recoverable coalbed methane resources. Its effect needs further study and verification in the future. In a word， this study shows that Heshan coalfield has the possibility of exploring and exploiting coalbed methane.

Keywords： Heshan Coalfield;Liujia mining area of Fuxin coalfield;coalbed methane;relative gas emission;geologic analogy method

煤层气的开发利用对保障煤矿安全生产、增加天然气供应具有重要意义[1]。我国是开展煤层气开发利用较早的国家之一。1952年，辽宁抚顺矿务局利用矿井瓦斯抽放的方法开发利用煤层气，50年间，从矿井中直接抽放煤层气近40×108m3，其中50%～80%的煤层气得以利用[2-4]。辽宁阜新煤田刘家区为高瓦斯矿区，正规勘查、商业化开采煤层气已经具有20多年历史，积累了丰富的煤层气技术经济资料[5-7]。合山煤田探明储煤面积约260km2，煤炭资源量6.7亿t，占广西全区的1/3以上，是广西最大的煤田，累计产煤约1亿t。目前，合山煤田中浅部煤层已基本采空，里兰、河里等大部分矿井老化，实施关闭，合山市的煤炭资源也随矿井的老化逐渐枯竭[8，9]。合山煤炭资源的枯竭给全市经济社会发展带来了极大影响。本文采用地质类比法，从“煤炭保有资源量、煤层气含量、预测煤层气资源量和相对瓦斯涌出量、煤层气可采系数”5个维度出发，对比合山、阜新煤田煤炭与煤层气，研究合山煤田煤层气的资源特征及勘查和开发前景，评价合山煤层气资源的潜力，为探讨开发绿色清洁能源，为广西合山煤田煤层气预查项目立项提供重要依据。

1 合山煤田地质概况

合山煤田为一走向北北东，向东突出的弧形向斜构造[10-13]，向斜南北长约30km，东西宽6～12km，面积约300km2。向斜西翼平缓，倾角12°～20°;东翼较陡，甚至存在直立和倒转，倾角19°～90°，构成不对称向斜。断裂不发育，多为高角度逆断层，主要分布在东翼并且切割破坏了含煤地层。

含煤地层为上二叠统合山组煤系（P3h），主要由灰岩、隧石灰岩、生物碎屑灰岩组成，夹少量铝土岩，厚110～207m。含煤6～8层，可采1～3层。四煤和三煤下层为本区主要可采煤层，可采总厚度3.68m，煤层结构复杂，煤层层位稳定。属高灰、高硫的贫煤。

合山煤田的主要可采煤层是四煤层。煤的坚固性系数f值在0.7～0.8，煤层瓦斯择放速度[ΔP]=3～7，k=6～20。据20世纪80年代末合山礦务局资料显示，各矿区每吨煤的瓦斯含量为2.7～12.1m3/t，为低～高沼气矿井，属于非突出型。

瓦斯成分以甲烷（CH4）和氮气（N2）为主。浅部矿井属于瓦斯风化带（氮气带），故煤层中瓦斯含量不算太高;中～深部矿井如里兰矿等瓦斯涌出量大（见表1），成为高沼矿井。合山煤田以浅部及中部开采为主，在开采过程中，瓦斯燃烧事故时有发生。例如，里兰、河里樟村矿等曾发生过瓦斯爆炸事故，瓦斯是严重威胁合山煤矿生产安全的关键因素。

2 辽宁阜新煤田刘家区煤矿煤层气概况

2.1 勘查概况

1996年，由东北煤田地质局一〇七勘探队为中美煤层气CBM公司提交了《阜新煤田煤层气赋存条件报告》[5-7]。该报告提出，刘家区为煤层气开发重点区。刘家区位于阜新煤田中部，赋存有中生界白垩系下统阜新组煤层。1999-2001年，由国家投资，东煤一〇七队在刘家区进行了煤层气普勘探工作，共施工4口煤层气参数及试验井，经排采试验，单井日产量最高达7 000m3，平均在3 000m3左右，甲烷成分98%左右。这表明该区具有良好的煤层气开发前景。2002年，增加4口煤层气生产井，形成了8口煤层气井网，向阜新市区供气，平均每天供气约20 000m3（98%CH4），实现了商业性开发，在我国地面煤层气开采尚属首例。目前，刘家区已施工煤层气生产井28口，日供气50 000m3～60 000m3（98%CH4）。

据《辽宁省阜新市刘家区煤矿勘探报告》可知，煤炭资源储量4.4亿t。据钻孔煤心瓦斯解析，煤层气含量在7～10m3/t，刘家区煤矿尚未正式开采，缺乏瓦斯相对涌出量。据金玉明等[14]的研究可知，邻近王营矿的相对瓦斯涌出量为28.00m3/t·d，五龙矿为24.11m3/t·d，平均26.06m3/t·d。

2.2 开发概况

阜新宏地勘新能源有限公司成立于2002年10月，为全国首家专业煤层气企业、原国土资源部煤层气试点单位[15，16]。其现有28口煤层气生产井，在全国率先实现了煤层气井组商业化运行，煤层气井成功率87%，远远高于全国建井平均30%的成功率，垂直井单井平均煤层气产量全国第一、井组运行成本在同行业中较低，实现了煤层气勘探开发可持续发展。2002年至2015年，累计为全市供气2.75×108m3，现在每年供气0.2×108m3，承担了全市1/3的居民用气和80%的出租车用气，成为阜新市新的经济增长点。2006年到2015年，累计上缴税金1.25亿元;目前，每年度上缴税金达到1 200万元。此外，其每年减排二氧化碳232万t，截至目前，已累计减排二氧化碳3 016万t。

目前，大部分煤层气井入衰减期，日供气量为5.5万m3左右，平均单井日产气能力1 700～2 000m3，仍然大于国家规定的煤层气生产井可采工业气流的2倍左右。

3 对比分析

评价煤层气的主要因素有[17-19]：煤系沉积环境、煤层厚度、煤层埋深、煤岩煤类、地质构造、围岩性质及水文地质特征等。关键的煤层气资源量预测制约因素是保有煤炭资源量、煤层气含量和相对瓦斯涌出量。将合山煤田与进入商业开发16年之久的辽宁阜新煤田刘家区进行对比可知，在上述三个方面，合山与阜新大致相当（见表2）。

据蒋博宇介绍[10，11]，合山煤田深度在290～350m或500m，甲烷含量达4～8m3/t;大于350m或大于500m，甲烷含量大于8m3/t。说明合山煤田煤层气在近地表部分受裂隙影响，存在气体逃逸的现象，煤层气资源含量较低，其中甲烷含量在2.7m3/t时的煤层气资源含量估算不予考虑。合山煤田最大勘查深度达1 070m，煤田深部属于高温、高瓦斯。由于水文地质条件复杂，深部尚未开采，煤层气含量高于浅部，本次评价的目标层位主要就是这些未动区，煤层气具有较好的资源量。

在阜新煤田煤层气资源含量的估算中，当煤层气含量是9.21m3/t时，为最高含量10m3/t含量的0.921倍。将合山煤田和阜新煤田进行对比，合山煤层气资源最高含量，即12.1m3/t的0.921倍为11.14m3/t，由此可以估算出合山煤田煤层气资源的含量。

煤层气可采资源量是地质资源储量的可采部分，是在现行法规政策和市场条件下，采用现有技术，通过理论估算或类比的方法估算得到的数据，是从已知煤层中可采出的煤层气总量，是确定煤层气田是否具有经济价值的重要物质基础，也是进一步确定投资规模和开发方案的重要依据，具有重大的经济意义。从国外煤层气的开采实践可知，平均采收率为30%～70%。在对阜新煤田刘家区的产能进行预测分析的过程中，因为煤层的渗透率较低，煤层气大多是以吸附状态存在的，所以在估算时平均采收率可按照40%来进行计算。

在合山煤田煤层气预查立项的调研阶段，尚不具备理论估算条件。合山煤田属于高沼煤矿，多年的开采积累了较多的瓦斯资料，本次研究试图利用开采煤矿的瓦斯涌出量，探讨与煤层气可采资源量之间的相关性。由于绝对瓦斯涌出量与吨煤产量直接相关，相对瓦斯涌出量以瓦斯涌出量和时间作为量纲。因此，采用相对瓦斯涌出量研究与煤层气可采资源量之间的相关性，可以剔除煤炭产量不同的差异。

相对瓦斯涌出量是指矿井正常生产条件下，月平均日产1t煤所涌出的瓦斯数量。实际上，煤矿的相对瓦斯涌出量不仅由采空区和采动区的采出煤炭储量贡献，还应该包含未采出（保安煤柱、不可采煤层）煤炭和其他一切气源岩（含有机质的岩层）。金玉明等[19]通过对阜新王营煤矿1992—1996年的瓦斯资料进行统计得出，全矿井年平均绝对瓦斯涌出量43.63m3/min，其中采掘区涌出瓦斯量为12.63m3/min，占矿井总涌出量的30%，而采空区和裂隙区（原文如此，应为采动区）占比约70%。总之，相对瓦斯涌出量是煤系所有气源岩中气体可采系数的一个重要参照刻度。定性地说，相对瓦斯涌出量与煤层气可采资源量具有较强的相关性。阜新和合山均属于高瓦斯煤矿，在相对瓦斯涌出量方面可用于对比，相对瓦斯涌出量较高说明煤层气易于开采。阜新煤田瓦斯相对涌出量较高平均为26.06m3/t·d，合山煤田平均为23.06m3/t·d，是阜新的88.49%，类比分析合山煤田的煤层气可采资源量系数为35.40%，估算得出合山煤田可采煤层气资源量22.478×108m3，比阜新煤田多6.158×108m3（见表3）。

中国地质调查局油气资源调查中心在实施黑龙江鸡西盆地煤炭资源枯竭矿区“原位区”1 000m以深，评价煤系气（煤层气、煤系页岩气、致密砂岩气）资源潜力项目中，施工以煤系为目的层的煤层气参数井——鸡煤参1井，排采始于2016年11月21日，截至2017年11月1日，排采346d，共产气33.37万m3，最高2 239m3/d，连续8个月以上，达到大于1 100m3/d的工业气流。新发现的产层22#煤系泥页岩气、致密砂岩气贡献了该井大部分产气量[20]。

合山组是在局限海域滨海平原或开阔海域浅海环境下形成的一套含煤碳酸盐岩系，煤层发育在滨海或浅海泥炭沼泽、潮坪泥炭沼泽以及泥炭坪沼環境中。煤层的直接顶、底板为灰岩、生物碎屑灰岩、生物礁灰岩，其对合山煤矿的相对瓦斯涌出量具有一定的贡献。同时，合山组下部的茅口组（厚400m）灰、浅灰色厚层状生物碎屑灰岩亦会有所贡献。

合山煤层气勘查可以气热兼探。合山煤矿发育二叠系、三叠系地层，其含水层与隔水层交替产出，具备热储生储盖和构造条件，岩浆岩活动较为发育。具有传导和对流复合型地下热水找矿前景。煤矿开采过程中，揭露到多处地热异常（温泉），埋深在280～330m，地下水温35～36℃，水量总计大于6 800t/d，可以满足17 000人洗浴需求[21-23]。

4 结论

煤层气勘查与开采的过程中，制约因素相当多。本次研究仅从煤炭保有资源量、煤层气含量、相对瓦斯涌出量等方面考虑，用类比的方法，概略地研究合山煤田煤层气资源前景。

经过类比估算，预测合山煤田煤层气资源量为63.498×108m3，估算可采煤层气资源量22.478×108m3，比阜新煤田分别多22.698×108m3和6.158×108m3。总之，本研究表明，合山煤田具备勘查开发煤层气的可能性，可以作为广西合山煤田煤层气预查项目立项的重要依据。

煤矿相对瓦斯涌出量是采动区、采空区所有气源岩的贡献，将其作为评价煤层气资源量的重要参数，可以避免勘查评价阶段，只能将参与估算的煤层资源量作为估算煤层气的局限性，是本次研究的创新尝试。相对瓦斯涌出量是煤矿实际开采过程中获取的，主要用于界定瓦斯的危害烈度，尚无用于评价煤层气资源量的报导。我国为加快推进煤炭领域供给侧结构性改革，要求化解淘汰过剩落后产能。据2018年李克强总理政府工作报告，“五年来（2013～2017年），退出煤炭产能8亿t[24]”;2016年12月国家发展改革委、国家能源局在《煤炭工业发展“十三五”规划》中提出，“十三五”期间化解淘汰过剩落后产能8亿t左右。大量关停的煤矿，不同程度地遗留有煤炭资源量，依据相对瓦斯涌出量是快捷评价这些关停煤矿煤层气资源量的一种技术方法，具有一定的创新意义，可以达到以最小的地质投入，达到最大的地质成果。

合山煤矿矿井中，已知有36℃的热水出露，可以与煤层气共同勘查，建议在预查工作中施工23个气热兼探先导孔，大致了解气热资源赋存特征。

参考文献：

[1]任辉，赵欣，王佟，等.我国煤层气产业突破发展的建议与措施[J].中国煤炭地质，2018（7）：1-4.

[2]姜文利.东北地区煤层气勘探开发现状与前景展望[J].中国矿业，2009（4）：51-53.

[3]马银起，崔玉环.抚顺矿区煤层气开发的几点认识[J].中国煤炭地质，2002（1）：26-27.

[4]郭震，裴炳浩.抚顺煤层气赋存特征及资源评价研究[J].中国煤炭地质，2008（5）：26-28.

[5]陈兆山，曹立刚.阜新五龙刘家区煤层气开发前景浅析[J].中国煤炭地质，2004（5）：21-24.

[6]杜维甲.阜新矿区煤层气资源评价及开采规律研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2010.

[7]刘亚姣，张晶，颜敏.阜新市刘家区煤层气开发利用现状[J].内蒙古煤炭经济，2013（5）：23-25.

[8]唐朝晖，刘楠，柴波，等.合山市矿山地质环境影响评价研究[J].水文地质工程地质，2012（6）：124-130.

[9]吕敦玉，周建伟，余楚，等.开发建设广西合山国家矿山公园：对资源枯竭型城市经济转型战略的探讨[J].安全与环境工程，2011（3）：6-10.

[10]蒋博宇.广西三个煤田煤层气资源评价概述[J].安全生产与监督，1999（2）：25-28.