沁水盆地高家庄井田煤层气赋存特征及资源潜力评价

2024-05-12尹伟强

同煤科技 2024年1期

尹伟强

（山西潞安环保能源开发股份有限公司地质办，山西长治 046200）

沁水盆地为太行山块隆，整体为中生代以来先褶后断的抬升区，相对周边构造单元，沁水盆地较为稳定，变形强度由盆缘向盆内减弱，边缘断层多为逆冲性质，尤其是东西两侧边缘分别向外逆冲，显示了水平挤压的特征。研究区位于沁水盆地东部边缘，主要含煤地层为石炭系上统太原组（C3t）和二叠系下统山西组(P1s)，可采煤层分别为山西组中部3#煤层和太原组下部15#煤层。

研究区内共施工煤层气参数井6 个，采集煤层气样品44 个。在先期开采地段，3#煤的采样密度为0.68 点/km2，15#煤的采样密度为1.6 点/km2。本文基于勘探资料对井田煤层气赋存特征及资源潜力进行初步的评价，可为该井田煤层气资源的开发提供参考。

1 地质特征

1.1 煤厚

3#煤层厚度在0～2.47 m，平均厚0.93 m，属大部可采较稳定薄煤层；15#煤层厚度在2.02～9.90 m，平均厚5.92 m，属全区可采稳定煤层。依据各个煤层的煤层气含气量等值线图及含气量计算结果，煤层厚度与煤层气含量呈现正相关关系。15#煤层是研究区主要含气地层。

1.2 灰分

3#煤灰分11.80%～47.19%，平均24.51%，标准差8.15，变化较大，为低灰～高灰煤；15#煤灰分14.39%～47.03%，平均22.05%，标准差5.17，变化中等，中灰煤占样品总数的84.7%。

1.3 煤岩组成特征

研究区各煤层宏观煤岩成分多为半亮煤，少数为暗煤。均一及条带状结构，块状或层状构造，较硬。参差状、棱角状断口，内生裂隙较发育。显微煤岩特征中，有机组分为64.3%～92.8%，以镜质体、惰质体为主，壳质组为0～0.05%，是有利的烃源条件[1]。

1.4 镜质组含量及变质程度

各煤层的镜质组平均最大反射率（R0max）在1.657%～2.655%之间，由3#至15#煤层，镜质组平均最大反射率逐步递增，煤化程度同步递增。各煤层的变质阶段属于Ⅴ~Ⅶ阶段，属高变质烟煤（贫煤）～无烟煤，煤化程度较高，有利于煤层气的生成、富集。

1.5 盖层条件

盖层条件决定煤层气的保存与富集。盖层对煤层气形成的具体影响因素为：断裂构造发育特性、煤层埋深、顶底板岩性、地下水运移作用等。3#煤层以及15#煤层的含气量与CH4含量等值线见图1和图2。

图1 3#煤层含气量与CH4含量等值线

图2 15#煤层含气量与CH4含量等值线

图3 3#煤等温吸附曲线

图4 15#煤等温吸附曲线

1）研究区总体呈一走向NNE、倾向NWW 的单斜构造，在此基础上发育次一级的向斜、背斜，地层倾角0～25°，一般向斜紧密而背斜较宽缓，集中分布于井田中部及东部边缘。勘探资料显示发育3个陷落柱及17条落差大于20 m 高角度正断层，密集分布于井田中部及东部边界附近，多为NS或近NS走向，分布及走向与褶皱轴部高度一致重合，研究区中部断层尤为密集，存在落差达100～130 m 的张性断层，与褶皱断裂作用相互叠加，造成煤层气大面积逸散，表现为井田中西部煤层气含气量及煤层气中CH4比例明显下降。

2）3#煤层埋深294～1 136 m，15#煤层埋深483～1 281 m，中西部埋深较大，超过800 m。井田中西部较大的埋深不利于煤层气的形成与赋存[2]。埋深对煤层气赋存的作用主要体现在对储层物性特征的影响，具体为对孔隙度、渗透率、温度、最大水平主应力的影响，较大的埋深条件下地层压实作用增强，煤岩孔隙受压闭合，煤储层孔隙度随上覆应力的增加而减小，煤储层温度上升幅度明显减小，煤储层最大水平主应力在井田中轴部呈阶跃式变化。

3）煤层顶底板裂隙及孔隙的发育程度直接决定着盖层的封闭性。3#煤层顶板以细砂岩为主，局部为砂质泥岩、泥岩底板砂质泥岩、泥岩；15#煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主，底板为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩。细砂岩为主的顶板导致3#煤层顶板的封闭性较差。

4）水文地质条件以水力封闭控气作用为主。井田地处娘子关泉域的补给区，水流沿地层走向方向移动，运移速度慢、路经长、地下水对煤层气的冲洗作用不强，且在倾向上地下水补给方向与煤层气运移方向相反，有利于封堵作用[3]。

综合各个因素，研究区气藏条件中等。煤质变质程度高，煤岩显微组分以镜质组为主，局部区域煤层内生裂隙较发育，局部含气量较高，陷落柱较少，东部边缘及中轴部大断层密集。从保存条件差异角度，研究区内15#煤层的煤层厚度及其顶板岩性更有利于煤层气的富集、赋存；研究区西部煤层埋深较大，中部断裂构造密集发育，不利于煤层气的赋存。总体上表现为东部盖层条件较好，区域含气量及CH4较高，向斜轴部较背斜轴部的含气量高。

2 煤层气测试

2.1 含气量测试

根据钻孔及样品测试成果，3#煤CH4含量0.10～19.64 ml（/g·daf）,平均5.254 ml（/g·daf）；15#煤CH4含量0.32～28.37 ml/（g·daf）,平均5.97 ml/（g·daf）。

各煤层气体均以CH4为主，含少量N2及CO2，各煤层中甲烷成分由东南向西北逐渐降低，CH4成分≥80%的甲烷带分布在井田东南部，西北部为瓦斯风化带。煤层气在纵向上的变化趋势表现为随着深度的增加，甲烷成分逐步增大。上部3#煤甲烷成分83.63%～93.24%，平均88.44%；下部15#煤的甲烷成分81.73%～94.89%，平均88.31%。

考虑到现有煤层气参数井集中于井田东南部首采区，现有研究区含气量资料存在局限性，未来应加强西北部区域煤层气赋存的研究。

2.2 试井测试

采用pansytem v2.6试井分析软件进行分析解释。

3#煤层渗透率0.04～10.70 md，渗透性很差～很好；储层压力1.25～4.12 MPa，属很好级别；储层压力梯度0.27～0.88 MPa/100 m，煤层为欠压地层；闭合压力4.48～11.19 MPa；破裂压力梯度1.86～3.43 MPa/100 m；储层温度为15.92～18.45 ℃。

15#煤层渗透率0.0021～1.97 md，渗透性很差～较好；储层压力1.20～3.50 MPa，属很好级别，储层压力梯度0.20～0.53 MPa/100 m，煤层为欠压地层；闭合压力7.67～18.00 MPa；破裂压力梯度1.32～2.38 MPa/100 m；储层温度为17.80～23.28 ℃。

3 储层物性特征

3.1 储层孔渗物性

1）孔隙特征。根据煤的真密度、视密度值换算，3#煤孔隙度为4.65%，15#煤孔隙度为4.67%。

2）煤体结构及裂隙发育情况。均一及条带状结构，较硬，参差状、棱角状断口，内生裂隙较发育，缺少具体的割理裂缝发育描述，依据太原组15#煤层中存在大量铁矿石结核及薄膜，应认为裂隙密度较高，有利于煤层气渗透。考虑到取样集中于东部先期开发地段，认为裂隙发育情况局限于东部。

3）3#煤层渗透率为0.04～10.70 md，渗透率较差；15#煤层渗透率为0.0021～1.97 md，渗透率较差～较强。考虑到取样区域的局限，应认为局部15#煤层受埋深较大、地应力作用及裂隙较发育等作用，导致较强的渗透性。

3.2 吸附及解吸特征

在实验室对瓦斯样进行了等温吸附试验，等温吸附试验参照《GB/T 19560-2008 煤的高压等温吸附试验方法标准》执行。兰氏体积VL代表煤的理论最大吸附量，兰氏压力为吸附量等于兰氏体积的一半时对应的压力值。测试结果：3#煤层兰氏体积VL为21.05 m3/t，兰氏压力为2.74 MPa；15#煤层兰氏体积VL为24.02 m3/t，兰氏压力为3.023 MPa。

3.3 储层压力

3#、15#煤层实测数据显示，在无断裂构造区域内，储层压力与煤层埋深有着显著的相关性[4]。储层压力随着埋深的增加而增大，预测井田西部的储层压力大于井田东部。3#煤层储层压力1.25～4.12 MPa，平均2.76 MPa，15#煤层储层压力1.20～3.50 MPa，平均2.23 MPa，多为低压状态。15#煤不同深度含气量见表1。

表1 15#煤不同深度含气量

4 资源量与潜力评价

1）储层的物性特征依据《煤层气储层评价(NB/T 10256-2019)》予以评价。研究区煤层气资源评价已达到富集区阶段，储层物性特征为Ⅱ～Ⅰ类，在不同区域有一定的变化。有开发价值区域面积有限，3#煤层可开发区域面积约为19.8 km2，分布于井田东南部，15#煤层可开发区域面积约为30.1 km2，分布于井田东部。

依据《煤层气资源/储量规范（DZ/0216-2020）》，煤层气资源量估算的含气量下限为空气干燥基8 m3/t，煤层最低可采厚度边界0.8 m。采用体积法进行估算，估算公式为：Gi=0.01AhDadCad。

经估算，3#煤层的煤层气资源量为1.25×108m3，资源量丰度为0.063×108m3/km2；15#煤层的煤层气资源量为13.04×108m3，资源量丰度为0.43×108m3/km2。全井田煤层气预测的资源量总计14.29×108m3。

2）研究区3#煤层渗透率偏低，15#煤渗透率较高；兰氏体积均大于21 m3/t，表明各煤层具备良好的吸附能力。主要可采煤层埋深294～1 281 m，3#煤厚0～2.47 m，平均0.93 m；15#煤厚2.02～9.90 m，平均5.92 m。15#煤层厚度较大，割理发育，煤质变质程度高，总体上储层物性条件为中等。

井田所在的区域构造单元沁水块坳东西两侧边缘向外侧逆冲，水平挤压造成构造单元整体具备较好的封闭条件。井田内构造复杂程度区域差异性明显，局部构造程度复杂。中部及东部边缘发育高角度断裂构造和少量陷落柱，尤其是中部存在若干条落差≥50 m断层，叠加背斜轴部及向斜两翼对岩层的破碎作用，上覆岩层裂隙发育导致煤层气大面积逸散，煤层气富集区面积及资源丰度较为有限，限制了资源开发价值。井田东北及东南部等局部区域构造简单、围岩封闭效果较好，形成含气量较高区域。