演马庄井田煤层气资源开发前景评价.pdf

第 3 7卷 第 3 期 2 0 0 9 年 6月 煤 田地质与勘探 COALGE0LOGY EXP 1 0R Ⅱ0N Vb 1 ．3 7NO． 3 J u n．2 00 9 文章编 号 1 0 0 1 - 1 9 8 6 2 0 0 9 0 3 0 0 2 7 - 0 6 演马庄井田煤层气资源开发前景评价 雷东记 ，张子敏 ，张玉贵 ，李 普 河南理工大学瓦斯地质研究所 ，河南 焦作 4 5 4 0 0 3 摘要煤层 气资源与可采性评价是煤层气开发 的基础 。 运 用瓦斯地质理论 ，分析 了井 田地质构 造 、煤层埋 藏深度 、上覆基岩厚度 、煤层厚度等地质 因素与煤层含 气量的关系。研 究结果显 示，演马庄井田煤层含气量分布呈西低 东高、北低南高的趋势，并划分出 4个煤层气开发有 利块段及开发顺序。另外，从水文地质条件、顶底板岩性、构造煤发育规律及煤层渗透性等 地质 因素和 重要可采性参数方 面，评价 了该井 田煤层气的可采性 ，认 为演马庄井 田具有地面 开采煤层气的潜力。 关键词煤层含 气量；分布规律 ；体积 法；可采性；演马庄井 田 中图分 类号 T D 7 1 2 ． 2 P 6 1 8 ． 1 1 文献 标识 码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 0 9 ． 0 3 ． 0 0 7 CBM i n Ya nma z hua ng mi ne f i e l d a n d pr e l i mi n a r y e v a l ua t i o n o f r e c o ve r a bi l i t y L E I Do n g j i ， Z HA N G Z i mi n ， Z H AN GY u g u i ， L I P u I n s t i t u t e o fG a s - g e o l o g y ， He n a n P o ly t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t CBM r e s o u r c e s a n d e c o n o m i c e v a l ua t i o n l a y a f o u n d a t i o n f o r CBM d e v e l o p m e n t ． On t h e b a s i s o f g a s g e o l o g y t h e o r y ， t h i s a r t i c l e p r e s e n t s a q u a n t i t a t i v e a n d q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e r e l a t i o ns h i ps b e t we e n c o a l - b e d g a s c o n t e n t a n d g e o l o g i c a l f a c t o r s ， i n c l u d i n g g e o l o g i c a l s t r u c t u r e ， b u r i e d d e p t h ，e l e v a t i o n o f s e a m f l o o r ， t h i c k n e s s o f u p p e r b e d r o c k ， r o o f a n d flo o r l i t ho l o g i c c h a r a c t e r s ，s e a m t h i c k n e s s ， f i g u r i n g o u t t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f CBM -- mo r e i n t h e e a s t a n d s o u t h ， l e s s i n t h e we s t a n d n o r t h ． Ac c o r d i n g l y f o u r f a v o r a b l e t r a c t s o f CBM d e v e l o p m e n t a n d d e v e l o p me n t o r d e r we r e d i v i d e d ．M e a n wh i l e ， t h e r e c o v e r a b i l i t y o f CBM i s e v a l u a t e d i n t e r ms o f g e o l o g y a n d ma i n rui n a b l e p a r a me t e r s ． An d Ya n ma z h u a n g m i n e f i e l d wa s t h o u g h t t o h a v e p o t e n t i a l fo r s u r f a c e d e ve l opme nt o f CBM ． Ke y wo r ds c o a l b e d g a s c o n t e n t ； d i s t r i b u t i o n l a w ； v o l u me me t h o d ； r e c o v e r a b i l i t y ； Ya n ma z h ua n g mi n e 煤层 瓦斯是 在成 煤过程 中形 成 的复杂 的气体 地 质体 ，它既是一种灾害性气体 ，又是一种洁净能 源 【 l 之 】 。演 马 庄 煤 矿是 河 南 焦作 矿 区 的主力 矿 井 之 一 。近年来 ，该矿 已发生多次煤与瓦斯突出，每年 要 投 人 大量 的人 力 和 物 力 用 于 防 止 此 类 事 故 的 发 生。因此 ，合理开发利用煤层气资源、有效防治瓦 斯 灾 害 ， 更显 得意 义重大 。本文 拟用 瓦斯地 质理 论 ， 探讨演马庄煤矿瓦斯 煤层气 分布规律 ，并对该矿 煤 层气 的可采 性进行 评价 。 1 井 田地质概况 在焦作矿区中部 ，韩王 一演马 一九里山等 3井 田组成一三角形断块 ，南部以 E W 向凤凰岭断层为 界 ， 北部以NN E向九里山断层为界 ， 东部以 N W 向 方庄断 层为界 图 1 o 演 马庄井 田位 于该三 角状断块 内，地层走向 N5 0 - 7 0 。 E，倾 向 S E，倾角 4 ～ 1 4 。 ， 一 般 9 。 左右。井 田整体表现为宽缓的背斜构造 ，区 内断层发育 ，偶有宽缓褶 曲或波状起伏现象。 演 马庄井 田靠近凤 凰岭 断层 ，井 田内马 坊泉断 层走向N3 5 。 E ， N NE向展布 ， 延展长度大于 3 0 0 0 m， 是 井 田 中的一个 分划性 断层 ，其控 制 了该井 田张裂 隙延展方 向 总体为北东 向 。马坊泉断层以北 ，主 要发育 NE ． N NE向断裂 ，燕 山期表现为挤压作用， 四川期又反转为拉张作用。在马坊泉断层以南 ，主 要发育 N E E向断层 ， 这些断层主要受控于印支期作 用 ，相比之下 ，构造 比较简单。 演马庄井 田主要含煤地层为石炭系太原组和二 叠系山西组 ，主要可采煤层为山西组二 煤层，也 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 2 9 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 5 3 4 0 7 0 ， 4 0 7 7 2 0 9 4 ；国家高技术研究发展计 1J 8 6 3计划 项 目 2 0 0 7 AA0 6 Z 2 2 1 作者简介 雷东记 1 9 8 3 一 ，男，河南南 阳人，硕士研究生，主要从事瓦斯地质与煤层气开发研究． 2 8 煤 田地质与勘探 第 3 7卷 图 1 焦作矿 区构造纲要 图 F i g ． 1 S t r u c t u r e o u t l i n e p l a n s i n J i a o z u o M i n i n g Ar e a 文的研究对象。二 。 煤层平均厚 6 ． 5 8 m，属厚煤层 ， 煤 厚变化不 大。 2井田煤层气资源评价 2 ． 1 井田煤层含气量分布规律 煤层含气量受控于多种地质因素，起主导作用的 因素控制着煤层含气量的总体分布规律L 3 J 。 通过对生产矿井 、钻孔取样 、瓦斯资料的筛选 分析，较详细地了解 了该井田二 1 煤层含气量 分 布规律及其地质特征 表 1 。由表 1 可见 ，演马庄井 田煤层含气量分布规律主要受煤层埋藏深度、煤层底 板标高、上覆基岩厚度、顶底板岩性、煤厚和地质构 造等综合因素的影响。通过定性、定量分析 ，得出影 响煤层含气量的不同关系 表 2 。 由表 2的对 比分析可 知 ，煤层埋藏深度和煤层底板标高是影响煤层含气 量分布规律的主控因素。 由煤层实测含气量数据与煤层埋深的数学模型， 并考虑地质构造因素的影响，预测出演马庄井田煤层 含气量分布规律 图 2 。从图 2可以看出，在埋深 1 4 9 ～ 5 2 5 m范围内， 含气量为 9 ． 9 5 ～ 3 1 ． 8 m ／ t d a f 。另 外，在平面上井 田煤层含气量呈 自西向东增大 、由 南 向北减小 的趋势 ；马坊泉断层以北 ，主要发育 NE ． N NE向断裂 ， 小断层比较发育 ， 断层导水性强， 靠近小断层的工作面瓦斯含量很小 ；马坊泉断层 以 南 ，主要发育 N E E向断裂，相比之下，构造比较简 表 1 二 l 煤层含气量及其相关资料 Ta bl e 1 Co a l be d me t ha ne c o nt e nt a nd r e l a t e d da t a 表 2 煤层瓦斯含量与主要影响因素的关系 T a b l e 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o a l g a s c o n t e n t a n d t h e ma 舀o r e f f e c t i n g f a c t o r s 第 3期 雷东记等演马庄井田煤层气资源开发前景评价 2 9 图 2 演马庄井田煤层含气量等值线图 Fi g ． 2 Ya n ma z h u a n g c o a l mi n eg a s c o n t e n t c on t o u r ma p 是本单 ，地下水径流弱 ，同时沿着煤层 的倾 向 ，井 田 内煤层埋深由北向南逐渐增加 ，含气量相对比较大。 2 ． 2 煤层气 区块划分及储 量计算 结合演马庄井田地质构造特征及煤层含气量分 布规律可以看出马坊泉断层以北，地质构造复杂， 含气量低 ，不宜煤层气开采；马坊泉断层以南，地质 构造相对简单 ，煤层气含量普遍较高，最高达 3 1 ． 8 m ／ t ，因此该 区块煤层气含量相对较高， 有利于煤层 气的开发。依据该井田构造特征、煤层气赋存规律 和煤层气开发难易程度等 ， 将整个井田分为甲、乙、 丙 3个等级 图 3 ，煤层气开发顺序划分为 I、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ 4 个 块段 。 图 3 演马庄井田煤层气开采 区块划分 Fi g． 3 Co al b ed me t ha n e b l o c ks i n Ya n ma z hu a ng mi ne fie l d 3 0 煤 田地质与勘探 第 3 7卷 本研究采用体积法【 4 】 对演马庄井 田内煤层气地 质储量进行了计算。煤层瓦斯含量 、煤层厚度和分 布范围是井 田煤层气地质储量计算的主要参数。把 煤层厚度 、瓦斯含量稳定且分布连续的区域划分为 一 个计算块段。块段的划分见图 3 ，地质储量计算 具体结果见表 3 。由图表可知，演马庄井田煤层气地 质储量计算单元划分为 8个块段 图 4 ，总面积约为 7 ． 5 8 k m ，瓦斯含量 煤层含气量 可达 3 0 m ／ t 以上。 3 演马庄井田煤层气 可采性初步评价 3 ． 1 演马庄 井田煤层气可采性地质评价 影响煤层气可采性的因素很多 ，下面主要从水 文地质条件 、煤层顶底板岩性和构造煤发育规律及 煤层渗透性等地质因素来评价煤层气的可采性 。 表 3 演马庄矿二 1 煤煤层气地质储量计算成果表 T a b l e 3 Co a l b e d me t h a n e r e s o ur c e s o f c o a l b e d 二 1 i n Ya nma z h u a n g m i ne 注①分子表示计算块段内煤层气含量变化范 围，分母为均值 ；②地质储量计算过程围岩含气量系数取 1 ． 1 。 图 4 演马庄井田煤层气开采有利区块的地质储量计算图 Fi g． 4 Ca l c ul a t i o n of g e ol o gi c r e s e r ve s o f bl oc ks f a vo r a bl e f or CBM e xp l o i t a t i o n i n Ya nma z hu a n g mi ne 第 3期 雷东记等演马庄井 田煤层气资源开发前景评价 3 1 3 ． 1 ． 1 水文地 质条 件 演马庄井田水文地质条件较为复杂 ，断层带导 水严重 ，煤炭开采过程 中曾多次发生突水事故。距 二 l 煤层底部层间距 2 0 m的L 8 灰岩含水层是矿井水 的直接来源 ， 一般断距大于 2 0 m 的断层能沟通煤层 与 L 含水层的联系，从而降低了煤层含气量。图 5 是 1 9 8 9年 7月 2 5日L 8 灰岩等水位线图， 井田整体 水 势是 由西北 流 向东南 ， 水 流 中的瓦斯 也 随着运移 ， 造成含气量有向东南方向增大的趋势。 马坊泉断层以北 ，等水位线密集 ，地下水泾流 较强，增加了煤层气开采 中排水降压的困难 ；马坊 泉断层以南 ，因处于上升盘，使区内二 煤层、灰 岩含水层与富水性弱的二叠系地层对接 ，形成阻水 边界，造成等水位线稀疏 ，地下水泾流弱，水文地 质条件相对简单 ，利于排水降压采气。同时，井 田 内煤层含气量由北向南有增大的趋势，根据钻孔取心 测得的含气量数据 图 5 ， 也反映了煤层含气量北低南 高的分布规律。 此区域为井田的煤层气开发有利区块。 3 ． 1 ． 2顶底板 岩性 井 田内二 煤 层直 接顶多 为层状 、灰黑 色砂质 泥岩 ，致密 性脆 ，厚 1 ． 0 3 ～ 1 ． 0 5 m，其 次为层状 或板 状泥岩与胶结能力差的砂岩 ，泥岩与砂质泥岩交替 出现，厚 0 ． 7 ～ 6 ． 3 7 m。伪顶局部发育，主要为碳质泥 岩 ，老顶为细一 中粒砂岩 大 占砂岩 ，厚 1 5 ～ 2 4 ． 5 m， 硅 质胶结 、较坚 硬 、厚层状 ，以中一 细为 主 ，局 部直 接覆于二 煤层上 ； 二 。 煤层底板多为厚 7 m左右的 砂质泥岩或泥岩 ， 次为厚 0 ． 3 ～ 1 ． 5 m含碳质较高的泥 岩 ，局部有厚 0 ． 1 - 0 ． 7 m碳质泥岩伪底 图 6 。这些 图 例 图 5 L 8 灰岩等水位线图 Fi g ．5 W a t e r t a bl e i s o hy ps of l i me s t o ne L8 顶、底板岩层使煤层处在一个封闭条件较好的环境 中，对瓦斯的保存十分有利 ，这也是井 田能够富集 丰富煤层气资源的主要原因之一。 3 ． 1 ． 3 构造煤发育规律及渗透性 构造煤是煤层在构造应力 ，尤其是简单剪切应 力作用下，发生了力化学作用 ，使煤层中的裂隙发 生显著变化 ，从而影响煤层的渗透性 。因此 ，分析 构造煤的分布规律 ，可以预测煤层的渗透性。演马 庄井 田构造煤主要受燕山期 NE ． N NE向构造挤压和 剪切作用 ，使煤层发生顺煤层韧性剪切而形成。构 造煤主要分布于煤层的顶板 ，厚度一般在 7 0 c m左 右 ，占煤层总厚度的 1 ／ 1 0 ～ 1 ／ 5 。构造煤渗透性差 ， 不利于煤层气开采 ，而原生结构煤通过地面压裂改 造后渗透性会大大提高。 3 2 煤田地质与勘探 第 3 7卷 ／ 韩 - 目圃 岩区 砂质泥岩区 泥并 伪顶分布区 图 6 二 1 煤层顶板岩性分布图 Fi g ．6 Li t ho l o g y di s t r i bu t i o n ofr o ofo fNo． 2 1 c o a l b e d 3 ． 2 演马庄井田煤层气可采性重要参数评价 煤层的含气量 、渗透率 、煤储层压力等是重要 的煤层气可采性评价指标 ，在煤层气勘探阶段，应 经过多种试验与测定对这些关键指标进行求取，并 以此为评价煤层气开采性 的客观依据 。赵庆波等 1 9 9 6 制定了煤层气评价参数分级表 表 3 。 3 ． 2 ． 1 资源丰度评价 a ． 本井田二 煤层稳定， 单层厚度一般为 5 ～ 7 m， 煤层气资源丰富， 资源丰度值为2 ． 4 1 X 1 0 ma ／ k m2 ， 且 煤层埋深多小于 8 0 0 m，利于煤层气的勘探开发。 b ．从煤的性质和热演化程度来看， 该井田煤的 镜质组含量高 ，煤阶为气煤至无烟煤 ，是煤层气开 发的最佳煤层。该井田主要是无烟煤 ，煤中镜质组 含量较高 ，镜质组和半镜质组含量为 8 4 ． 3％ 】 ，这 对煤层气的生成和吸附非常有利 。 表 3 煤层气评价参数分级表 摘自赵庆波， 1 9 9 9 ， 略有调整 T a b l e 3 C B M e v a l u a t i o n p a r a me t e r s c l a s s i fi c a t i o n t a b l e f r o m Z h a o Qi n g b o ， 1 9 9 9 ， a s l i g h t a d j u s t me n t C ．依据煤炭科学研究总院西安研究 院对焦作 煤 田二 煤层的吸附能力测试 ，其最大饱和吸附量 为 3 8 m ／ t d a f ，又据演马庄井田煤层含气量分布规 律及最大含气量 3 1 ． 8 m ／ t d a f “ 知 ，该井田含气饱 和度多处于欠饱和状态。另外 ，该井 田二 ， 煤灰分 平均值为 1 4 ． 7 3 ％，属低灰煤 依据 G B ／ T 1 5 2 2 4 ． 1 ． 2 0 0 4 煤炭质量灰分分级标准 。在煤层其他条件相 同的情况下 ，灰分含量愈少 ，煤层含气量愈高。 3 ． 2 ． 2 煤层 产气性 能评 价 a ．根据真视密度测定结果 ， 井 田煤的孑 L 隙率一 般 为 7％～ 1 2％， 煤 中 以微孔 和小孔为 主。外生 裂隙 较发育，但渗透率不高 ，储层渗透性和恩村相似[ 6 】 ， 为 0 ． 0 0 2 X 1 0 m ， 经水力压裂处理后 ， 可提高 1 - 2 个数量级 。 b ．二 1 煤层气 临界解 吸压力 为 1 MP a 左右 ，临 界解吸压力与原始煤层压力之比为 0 ． 6 4左右 ， 低于 美 国圣胡安盆地 ，所需排水降压幅度较大。 4结 论 a ．在简要分析演马庄井田地质构造特征 的基 础上 ，通过定性 、定量分析井田内地质因素及其对 煤层含气量分布规律的影响程度 ，建立数学模型预 测了井田内不同埋深处的煤层含气量，得出井田煤 层含气量分布规律是沿地层走向整体呈西低东高、北 低南高的趋势， 为煤层气开发和瓦斯防治提供了依据。 b ．结合井田构造特征及煤层含气量分布规律 ， 划分出 4个煤层气开采有利块段及开发顺序 ，并对 井田煤层气地质储量等进行了计算。结果显示，演马 庄井田煤层气地质储量为 1 8 2 3 ． 2 0 Mm ，属于小型储 量规模；煤层气平均资源量丰度为 2 ． 4 1 X 1 0 m’ ／ k m ， 属中等类别 ；煤层埋深大部分在 5 5 0 m 以浅 ，煤层 气为浅部埋藏 煤层气资源／ 储量规范 ， 2 0 0 3 。总 之 ，经初步评价该井 田煤层气的可采性 ，认为演马 庄矿二 煤煤层气具有一定的开发潜力。 参考文献 【 1 ]张子敏 ，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ，2 0 0 5 ． 【 2 ]张新民 ，庄军 ，张遂安．中国煤层气地质与资源评价[ M] ．北 京 科学 出版社 ，2 0 0 2 ． 【 3 ]宋志敏， 孟召平． 焦作矿区山西组二 煤层含气量的控制因素 探讨 [ J 】 ．中国矿业大学学报， 2 0 0 2 ， 3 1 2 1 7 9 1 8 1 ． 【 4 ]4 贾承造． 煤层气资源储量评估方法【 M] ． 北京石油工业出版 社 。2 0 0 7 ． [ 5 】苏现波， 盛建海． 河南省下二叠统山西组二 t 煤煤层气储层描 述【 J ] ． 焦作工学院报 ，1 9 9 9 ，1 8 1 9 - 1 4 ． [ 6 】卢社香 ， 谷德敏． 焦作煤田煤层气地质特征及勘查开发方案初 探【 J ] ．中国煤 田地质． 2 0 0 6 ，1 8 6 2 0 - 2 3 ．