黄河北煤田煤层气赋存特征及潜力评价

2021-10-12王秀东李增学张心彬邵玉宝周明磊

中国煤炭地质 2021年8期

王秀东，李增学，张心彬，邵玉宝，郑雪，周明磊

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院，济南 250104；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590)

0 引言

煤层气是一种自生自储的非常规清洁能源，是天然气的接替能源之一，越来越受到人们的重视[1-2]。由于煤的孔隙比较发育，内部表面积非常大，煤层内储藏了大量的气体。随着压力的降低，煤层气解吸并释放出来，从而为生产和生活所用[3]。吴欣松(2004)认为煤层气研究大部分集中于山西、鄂尔多斯和徐州—两淮等高瓦斯煤矿等地区[4]。而豫北—鲁西、华北北缘等煤层气聚集带由于资源量小，含气丰度低、埋藏深度大及煤变质程度低等多种原因，对煤层气勘探研究较少。

鲁西地区煤层气资源潜力可观，然而勘探和研究程度较低。加之盆地地质条件复杂、地震资料覆盖不够且部分资料品质较差，以至于对该区资源潜力及成藏认识不足。鲁西地区上古生界煤系发育，地下热源和岩浆活动为有机质成熟提供了保证，有些凹陷己具备二次生烃条件和较大的勘探潜力[5]。但因沉积演化上的不同，各盆地古生界煤系在二次生烃及成藏等方面存在较大差异，如古生界煤系烃源岩评价、热史研究、煤系烃源岩二次生烃等都研究较少。

近年来，随着黄河北煤田煤炭资源开采的进行，表明其存在煤层气并具有一定的煤层气勘探潜力。赵向光(2007)、孟彦如(2011)研究黄河北煤田的煤层气气源岩为山西组和太原组煤层[6-7]。范士彦等(2001)概述了黄河北煤田由于受岩浆侵入的影响，局部煤层气含量较高，并对黄河北煤田的煤层气资源量进行了计算，对黄河北煤田深部的煤层气进行了估算，评述了煤层气资源开发的前景[8]。赵阳等(2016)分析了黄河北煤田影响煤层气赋存的各种控制因素，明确了本区域煤层气赋存的主控因素，重新估算了煤层气资源量[9]。本文在吸收前人研究成果的基础上，重点开展黄河北煤层气赋存特征及生气潜力研究，为研究区煤层气进一步勘探提供一定的理论支撑。

1 区域地质概况

1.1 地质构造

黄河北煤田由于受鲁中块隆长期上升隆起的影响，区域地层总体呈明显的平缓的单斜构造，地层走向N50°E，倾向N40°W，倾角5°～8°。煤田内次一级褶曲发育，沿地层走向发育一组短轴状、轴向北东向的背向斜，均属规模小的波状起伏。煤田内断层较发育，构造复杂程度中等[10-11]。

黄河北地区的构造演化与山东大地构造演化具有一致性，从该区地层分布上看，中生界缺失，新生界仅接受了新近系沉积，并且上古生界遭到了较大程度的剥蚀。工作区大地构造位置位于华北陆块(Ⅰ)-鲁西隆起(Ⅱ)-鲁中隆起(Ⅲ)-泰山-沂山断隆(Ⅳ)-齐河凸起(Ⅴ)(图1)。黄河北地区于燕山期晚期，随鲁西隆起一同抬升，于喜马拉雅期东营幕定型；在此期间，上古生界煤系顶部及上覆中生界遭到了彻底剥蚀；新近纪末期以来，由于渤海湾地区岩石圈下面的地幔物质的冷缩作用发生整体凹陷，黄河北地区也随同一起下沉接受了部分新近系及第四系沉积。

图1 黄河北地区构造位置Figure 1 Tectonic setting of Huanghebei coalfield

1.2 地层分布

黄河北煤田地层区划属华北地层区鲁西分区的一部分，石炭、二叠纪煤系假整合于中奥陶统石灰岩之上[10]。煤系基底奥陶系与寒武系出露于黄河南岸的长清至平阴一带，组成中低山、丘陵区。石炭、二叠纪煤系则被相当厚的第四系、新近系所覆盖，成为隐蔽煤田。区内缺失志留系、泥盆系、下石炭统等。黄河北煤田含煤地层主要发育于石炭-二叠系，主要沉积地层为太原组和山西组。太原组(C2P1t)为黄河北煤田的主要含煤地层，地层厚度150～175m，含有煤6～14煤等煤层。山西组(P1-2s)也是该地区重要含煤地层之一，地层厚度100～150m，含煤地层为3～5层，局部可采煤层1～2层。

2 煤层

2.1 煤层厚度及分布情况

据已有的勘查成果资料可知，黄河北煤田含煤地层含煤14层，其中1～5层煤赋存于山西组，6～14层煤赋存于太原组。含煤地层总厚245m，其中可采和局部可采煤层为5、6、7、8、10、11、13等7层，可采煤厚4～9m，平均厚度5.5m。可采煤层中，7、10、11、13等4层属于普遍发育的主要煤层，5、6、8煤层仅在黄河北煤田东部工作区局部可采。可采煤层13煤属稳定的中厚煤层，整个煤田普遍可采；11煤层在煤田西部属稳定—较稳定煤层，其它煤层属较稳定—不稳定煤层(表1)。

表1 黄河北地区各可采煤层情况Table 1 Simplified statement of mineable coal seam conditions in Huanghebei coalfield

从分布上看，黄河北煤田可采煤层7层，其第5、6、8煤只在袁庄附近局部可采，其它地区均不可采。因此，就可采煤层的层数来说，存在“东多西少”的特点。在7层可采煤层中，全煤田发育且稳定可采的7、10、11、13煤，全部位于含煤地层的中、下部，而且自上而下煤层平均厚度逐渐增大。因此可采煤层在含煤地层剖面上的分布特点是“上薄下厚”。全煤田发育的4个煤层，每个煤层厚度变化都具有“西厚东薄”的特点，即具有自西向东煤厚逐渐变薄的规律，其中11煤变化最为典型，而第7、10、13等3层煤(特别是13煤)，却存在两段自西向东煤厚逐渐变薄的变化特点：从邱集井田至长清地区为一段，煤层由厚变薄；自袁庄地区向东为另一段，煤层再次由厚变薄。

2.2 煤质特征

2.2.1 水分(Mad)

各煤层原煤空气干燥基水分两极值0.30%～4.62%，浮煤两极值0.33%～3.54%，平均值均为1%～2%。煤中水分小占空间少，有利于煤层气的赋存。11焦原煤水分两极值1.88%～7.53%，浮煤两极值0.13%～6.20%，原、浮煤平均值在3.45%～3.76%，天然焦相对煤层来说水分偏高。

2.2.2 灰分(Ad)

各煤层原煤干燥基灰分两极值5.39%～39.89%，平均值多在20%以上，多属以中灰为主的特低灰—中高灰煤；浮煤灰分两极值2.88%～16.99%，平均值多小于10%，属以特低灰为主的特低—低灰煤。自上而下，煤层平均灰分总体略有下降趋势。11焦原煤灰分两极值19.84%～50.90%，平均值23.15%；浮煤两极值2.81%～12.42%，平均值7.42%；天然焦的平均灰分与煤层相差不大，最大值偏大。

2.2.3 挥发分产率(Vdaf)

各煤层原煤干燥无灰基挥发分产率两极值4.15%～46.84%、浮煤两极值3.20%～46.22%，指标区间变化较大；5、7、10、11、13煤层平均值多在30%左右，属以中等、中高挥发分为主的特低—高挥发分煤；11焦挥发分产率则多小于10%。总体上来说：同一煤层在不同的勘查区差距也大，这是由于变质程度不同造成的。

2.3 显微煤岩特征

煤岩组分是煤的基本成分，是煤层气的生气母质，所以是影响煤层气组成的首要因素[12-13]。壳质组通常相对富氢，是煤成气的主要显微组分，具有很高的产烃率，产物主要为气态烃和部分液态烃[14]。三种煤岩组分的烃气产率，以壳质组最高，其次是镜质组，惰性组最低[15-17]。在煤的显微组成中，镜质组不仅是重要的生气组分，也是重要的吸附组分，对煤层气的储集具有绝对的控制影响[18]。

黄河北煤田煤岩有机显微组分均以镜质组为主，惰质组次之，壳质组少量(表2)。其中镜质组含量为33.4%～85.6%，以基质镜质体(可见胶结碎屑惰质体、丝质体碎片及黏土、黄铁矿等)为主，其次为结构镜质体(胞腔多呈破碎状或闭合状，少数可见充填黏土矿物)，少数均质镜质体、团块镜质体、碎屑镜质体。惰质组含量为2.5%～38.4%，变化较大。惰质组主要以丝质体和半丝质体(多呈破碎状、碎片状，可见胞壁断裂胞腔破碎呈星状结构，胞腔多中空，少数充填黄铁矿)为主，其次为碎屑惰质体，少数粗粒体和微粒体，少见氧化丝质体、菌类体。壳质组含量在0～23.5%，5煤和7煤含量较高。壳质组主要以孢子体为主，次为角质体，少数树脂体、碎屑惰质体，偶尔可见沥青体。无机显微组分总体保持在3.0%～41.6%，均以黏土类为主，多为散粒状、条带状、片状、胞腔充填状。

表2 黄河北煤田各煤层显微组分统计Table 2 Statistics of coal seam macerals in Huanghebei coalfield

3 煤储层特性

3.1 储层温度和压力

储层温度是煤层气富集能力的敏感条件，温度直接影响到煤对煤层气的吸附能力和解吸速度。从储气角度来看，温度越低，吸附量越大；而从开采角度来说，温度的升高有利于煤层气的解吸[19]。本次煤层气调查孔C1601及赵官区施工的三口煤层气参数孔实测煤储层温度，煤层储层温度变化范围24.91～32.06℃，本区平均地温梯度为1.5℃/100m。

煤储层压力是影响煤层气开发的重要参数之一[20]，煤储层压力的大小与煤层埋深有关，从测试结果看，煤层埋藏越深，煤储层压力越高。在气井排采时，煤储层压力越高，越容易降压排采，越有利于煤层气的产出[21]。根据区内已施工的三口煤层气参数井测试的煤储层压力数据可以看出，该区实测各煤层储层压力为0.49～7.04MPa，压力梯度为0.104～0.970MPa/100m，为低压储层至常压储层。

3.2 煤的吸附性

煤对甲烷具有较强的吸附性，而煤吸附能力的大小不仅取决于煤的显微组分、变质程度以及孔隙特征等内在因素，而且还受控于储层压力、储层温度及含水饱和度等外在条件[22]。煤的等温吸附曲线反映了在一定储层温度、不同压力下煤层通过吸附存储甲烷的能力[23]。因此，煤层对甲烷气体的吸附能力，决定了煤层气在煤储层中的赋存状态、储集能力和煤层气产出过程。Langmuir体积(VL)代表煤储层最大吸附量，Langmuir压力(PL)反映煤层解吸的难易程度。通常用Langmuir体积和Langmuir压力来描述煤的吸附特性，这两个参数可通过等温吸附实验得出[24]。针对黄河北地区赵官煤矿范围Z1801、Z2201、Z2601三口煤层气参数井开展实验测试，得到煤层气参数井高压等温吸附实验结果，并绘制了煤层的等温吸附曲线图(图2)。

可以看出，7煤层空气干燥基Langmuir体积一般为24.81～28.22m3/t；干燥无灰基Langmuir体积一般为34.93～37.40m3/t；Langmuir压力为3.26～3.51MPa。10煤层空气干燥基Langmuir体积平均为30.02m3/t；干燥无灰基Langmuir体积平均为37.65m3/t；Langmuir压力为3.22MPa。11煤层空气干燥基Langmuir体积为19.09m3/t；干燥无灰基Langmuir体积为21.94m3/t；Langmuir压力为5.92MPa。13煤层空气干燥基Langmuir体积一般为25.19～29.33m3/t；干燥无灰基Langmuir体积一般为32.13～40.87m3/t；Langmuir压力为4.03～4.21MPa(表3)。

表3 煤层等温吸附实验数据Table 3 Coal seam isothermal adsorption experiment data

一般情况下，煤的吸附性主要受煤变质程度的控制，因此，煤级的分布基本上反映了在区域上煤的吸附特性。区内各煤层煤变质程度主要受岩浆岩侵入影响，岩浆岩的分布情况控制着煤变质变化区域。

(a.7煤；b.10煤；c.11煤；d.13煤)图2 黄河北煤田煤层等温吸附曲线Figure 2 Coal seam isothermal adsorption curves in Huanghebei coalfield

本次工作收集样品多集中在各煤层的高变质区域，从实验以上数据看，上组煤层即7和10煤层的吸附能力较强。下组煤层即11与13煤层由于多遭受岩浆岩侵入影响，特别是11煤层矿井内大部分区域直接遭受岩浆岩侵蚀，煤已经蚀变为天然焦，其吸附性反而大大降低。

3.3 渗透性

渗透性是煤储层评价以及勘探开发的一项重要内容，煤层的渗透性也受到煤体结构以及裂隙特征等因素的控制[25]。因此，对煤层渗透性的研究具有非常重要的意义。黄河北地区内的煤体未遭受强烈构造破坏，各煤层多受轻微构造破坏，煤体结构主体为原生结构至碎裂结构。11煤层由于大面积遭受岩浆岩侵入破坏，煤体结构破坏较严重。7、10、13煤层保存较好，大都以半亮型为主，其次为半暗煤。

裂隙是煤化作用或构造应力作用过程中的产物，其在煤层中是普遍存在的[26]。裂隙是煤层气在煤储层中运移的主要通道，是煤储层具有渗透性的先决条件[27]。一般情况为，宏观煤岩类型为光亮型煤较暗淡型煤的裂隙发育，且裂隙连通性较好；煤体结构为碎裂结构煤裂隙较原生结构煤发育，且裂隙连通性较好。且7、10及13煤层都不同程度发育少量构造裂隙，与层理近30°～60°交角。

煤储层渗透率的大小和渗透方向与煤中裂隙的发育特征有一定的关系。渗透率作为煤储层评价的关键参数，煤层渗透性的好坏直接影响着煤层气的产出速率和煤层气井的产气历程[28]。通过对黄河北地区赵官煤矿范围内Z1801、Z2201、Z2601三口煤层气井勘探试验，实测7煤、10煤、13煤各煤层渗透率范围为0.12～6.35mD(表4)，与国内其它地区煤层相比，本区各煤层的渗透性比较好。

表4 黄河北煤田煤层渗透率Table 4 Coal seam permeabilities in Huanghebei coalfield

4 煤层气储层含气性特征

4.1 煤层气生成机理及赋存状态

煤中的有机质在煤化过程中一般经历两个成气时期，一是生物化学成气时期，这个时期主要生成二氧化碳气体；二是煤化作用成气时期，这个过程产生的气体以甲烷气体为主，伴有重烃类及二氧化碳等气体。黄河北煤田煤层的煤岩镜质体最大反射率为0.70%～2.50%，其变质阶段相应为Ⅱ～Ⅸ阶段，说明煤层气主要为煤变质作用阶段生成。

一般说来，煤层气以3种状态存在于煤层之中，吸附在煤孔隙的内表面上；以游离态分布于煤的孔隙中，其中大部分存在于各类裂隙之中；溶解于煤层内的地下水中[29]。上述这3种状态主要是针对甲烷而言，煤中的各种重烃组分是处于气态还是液态，这取决于煤储层的温度和气体压力。

根据统计，黄河北煤田煤层气绝大部分以吸附状态存在于煤层微孔隙之中，占总气体体积的49%～99%，游离气占总气体体积的1%～51%，多数小于10%(图3)。

图3 黄河北煤田煤中吸附气与游离气所占百分比Figure 3 Proportions of CBM in adsorbed state and in free state in Huanghebei coalfield

4.2 煤层含气性

煤层气含量是表征煤储层特征的关键参数之一，直接控制着煤层气资源量的大小，对煤层气可采性的预测有直接影响，是煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯灾害危险程度评价及治理工程设计的重要依据[30-32]。

黄河北煤田赋存一定厚度的多层煤层、煤质条件为煤层气的生成、储集、富集提供了良好的物质基础。针对黄河北煤田长清、赵官镇、旦镇、潘店、靳家、高王、毛庄等七个勘探区煤层气(甲烷+重烃)资料进行了统计(表5)。

表5 黄河北煤田煤层富气性分级Table 5 CBM richness classification in Huanghebei coalfield

续表

黄河北煤田甲烷带主要位于长清勘探区5、10、13煤层，煤层甲烷成分占51.40%～82.19%，长清勘探区5煤层，含量在0.048～15.281m3/t，平均6.315m3/t，局部为富甲烷区。赵官镇勘探区的7、10煤层局部部位也有甲烷分布，煤层甲烷成分在55.20%～61.79%，含量在0.232～10.550m3/t、0.118～16.231m3/t，为局部富甲烷区。从总体上看，上煤组含气量峰值普遍较高，从5煤至10煤含气量呈现出“上下高，中间低”的趋势，下煤组含气量明显降低。

氮气-甲烷带位于长清勘探区的5、7、10、11、13煤层；赵官镇勘探区的7、10、11、13煤层；旦镇勘探区10煤层；靳家勘探区的5煤层；高王勘探区的5、7、10、13煤层、毛庄勘探区的13煤层等局部部位。长清勘探区的5、7、10、11、13煤层；赵官镇勘探区的7、10煤层；毛庄勘探区的13煤层等局部部位含量在4～8m3/t，为主要的含甲烷区。其它煤层基本小于4m3/t，为贫甲烷区。

5 煤层气资源潜力评价

煤层气发育有利区预测对煤层气勘探来说，煤层气有利区优选参考因素较多，包括煤层埋深、净厚度、含气量、渗透率、含气饱和度、灰分含量等，对于煤层埋深适中、净厚度大、热、含气量高、渗透率高、含气饱和度高、灰分含量低，则有利于煤层气生成[33]。

根据以往的研究，单位体积煤层的生气量与煤层厚度之间并不存在因果联系。但是，由于煤储层本身就是一种高度致密的低渗透性岩层，上部分层和下部分层对中部分层封盖作用显著。煤储层厚度越大，中部分层中煤层气向顶底板扩散的路径就越长，扩散阻力就越大，对煤层气的保存就越有利。因此，出现某些地区煤厚与含气量之间具有正相关趋势。

对黄河北煤田煤层气可采性地质条件综合分析的基础上，确定煤层气资源相对有利区及较有利区评价参数和评价标准(表6)。

表6 煤层瓦斯资源有利区评价参数及标准Table 6 Coal seam gas resources favorable area assessment parameters and criteria

根据上述评价标准，采用地质参数叠置的方法确定出黄河北煤田有利区块为赵官区和长清区。优选的煤层气资源相对有利区位于黄河北煤田南部，构造相对简单，基本处于地下滞流区，煤储层渗透性相对较好，储层压力较高，压力梯度属正常类型。主要发育5、7、10、11和13煤层，煤层总厚度大于5m，总面积为58.40km2，煤层气储量为15.53亿m3，按照地质储量规模为小型煤层气田，煤层气资源丰度为0.266亿m3/km2，按照煤层气田储量丰度大小，属于低丰度气田。因此，优选出的煤层气资源有利区为一低丰度的小型煤层气田。