哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究.PDF

哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究 哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究 李保 国郭莉 新疆煤田地质局乌鲁木齐830091 摘要通过对三道岭煤田地质资料的分析，认为三道岭煤田虽属低阶煤，但 因含煤面积和煤层厚 度大、埋深适中、构造封闭和煤层顶底板岩性对储气层的封盖性好，煤层的渗透性和吸附性强，具有一 定的含气性和储气能力。 关键词煤层气甲烷吸附渗透含气性封盖煤层哈密三道玲 A n a ly s is o nG a s 一 b e a r in gF e a t u re so f L o wR a n k C o a l in S a n d a o l i nC0 a l mi n eo fH a ml B a s i n UB a ogu o ， G u o li X i nj ja n gB u e a r uotC o a l f ie ldG e o lo g y ， U r u mu q j 8 3 X9 1 A加宜 阳亡 吐 A 自 e r lh 哪 沙ont anal y s i s oftha 邵0 1 卿cal d at a i ns and aoli 咫 伪alfi e l d ， 1 1 15阴 c lu d 记 t h atc o al se砂InS 明d aoli 邺 加目反Mh ave c eTta ingas beari咫 田 ldat ori昭 c aPacity b 〔 1二aIJ叶 Ihe c 耐一 比arin g吟助d thic L n e 阳毗 hig ， t h ed e p thi s ll l侧 」 e rate ， 阮 5 加c t u 比1 5 脚 1司， the l i tho扬 盯Of双 城 汀概k皿dbott om 舰kofc oal se . 15巴 。 月切。 耐in g of胖， 。*U .th e 洋r n 础 山 i li ly田 l d . d 剐 】rPti onofth e c o a 1 8e o are 肠 gh血ho u ghth 。 e 叨l r 日 11k 认1 11 姗 . K 群， 份dsC B M; rnel h a n e ;a d ， 。 印ti on;p 吧 r ll le 山on;脚 be葫n g ; s e al i ng; c oal 此朴 ; H ami ; 5 助口」 朋li n 引言 煤层气 俗称瓦斯， 它是在 煤形成过程中原 地生 成， 并以吸附 状态赋 存于 煤层中的非常 规 天然气， 是由C H ‘ 、凡、 C o 以及少量重烃等组成的混合气体， 其主要成分 C H4 占 90 以 上， 热值高于8 1 拟〕 大卡， 它燃烧时无烟和5 0 气体， 对大气没污染，是一种高效 洁净的新能源。 笔者根 据哈 密三道岭煤田 地质成果和矿井瓦 斯地质资 料， 对煤层气赋存的 地质条件 做 了 定性的分 析并认真研究了煤层 气储集性能和 封存条件。 哈密三道岭矿区位于新疆哈密市西北部，处于巴尔库山与觉罗塔格山之间的哈密盆地 作者简介 李保国，男， 双族，1 ， 5 3 年8月生于辽宁省抚顺市，1 971 年参加工作， 1 叨， 年，月毕业于西安矿亚 学院煤田地质专业。现任新疆煤炭学会地测专业委员会委员。教授级地质高级工程师。从事哈密矿区工程地质、区域 地质 、瓦斯地质 、构造地 质、煤层气 等方面的 综合研 究。 电子信箱 】b g- 8 301 63. c om 。 2 6 9 中国煤层气勘探开发利用技术进展 西北缘， 矿区总面 积2 00余k 矿， 主要开采区 在矿区 南部， 后窑、 露天、 一矿、北泉4 个 井田 ， 年 生 产能 力3 00 x l 少 to 哈密三道岭煤田 属全覆盖中 生界中 下侏罗世煤田， 共含煤6 层， 其中4 号煤层为全区 可采煤层，6 号煤层局部可采，可采煤层总厚度10. 31m ，含煤系数 158。 矿区 处于 西山 倾伏背斜的南翼， 属单斜构造， 缓倾斜煤层， 倾角50左右，没有陷落 柱和火成岩侵人，构造类型简单。 1 三道岭煤层气的 基础地质特征与含气性 1 . 1 构造对储层的圈闭作用及含 气性 哈密三道岭煤田处于天山地槽褶皱时所形成的山前凹陷盆地一哈密盆地中，在此盆地 中 沉积侏罗系、白 坐系、 第三系 和第四系 地层， 厚 1 5 00m ， 在 这些地层沉 积过程中， 又发 生了 燕山运动和喜马拉雅山 运动， 使中 新生界地层产生了 褶皱、 伴生 褶皱的同 时， 又产生 了各种性质的断裂。由 于沉积间 断，中 新生代地层之间 成为不整合面。 煤田内 构造形态主 要受这两次运动的影响。 摺皱构造是以 西山倾伏背斜为主，向 北为柳树沟向 斜， 而南部是三道岭 向斜， 背斜轴 与向斜轴间距30一 4Ok m 。 断裂构造 F 逆断层， 走向东 西， 倾角7 00一 8 00， 倾向北， 断距l oom 左右， 是矿区 各井田 南部边界。 凡逆断 层， 走向 东西到一矿转向南交于F ， 断层， 倾角1 60一 1 8 “ ， 倾向 南， 转弯后倾向 西， 断距30 50m ， 纵贯矿区四 个井田， 长1 6km ，由 后窑到露夭、 一矿、 北泉，为一矿井田和北泉井田的自然边界。详见图1 。 一不幕一 巨 鳖蒸翼一拼 国 }{一}{}A{{}}} 于多一 - 多 一工 常 羹一一 层 一 分一. 扮 一一 一 月擎. l 一 斗了一 惬 拼 毛 一一 下一1 一 尸 尸、 尹濡 一. 一、 门 /F 飞 、 乓鑫 _曰 袱 巴览 瞥“ 乍 - }} 〔 王 日巨 王 〕压 三 瞥 逆 鳖 煤 臂头 向 斜正断 层 断 层编号 泛 它 一 }l【二二 匕口 皿 愁卜 「 「 一 写浮 图1 哈密三道岭矿区地质图 整个区 域内 构造特征是向背斜相间， 断裂构造以 逆断 层为主，由于压性断层面的密 闭， 煤层气难以透 过断 层面 而运 移散失，同 时断层面附近 构造 应力集中， 可加大煤层气的 压力， 使煤层吸附甲烷量增多， 使煤层含气量相对增大， 如一矿浅部 在F 断 层处3 2 43工 2 刀〕 哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究 作 面 瓦 斯 含 量n . 37 矿/t ， 其中c H ; 6 . 3 5 矿八 ， c o 2 5 . 02 矿/ t ， 瓦 斯 含 量明 显 高于 其 他工 作面。 在背斜构造两翼， 会 使煤层气较好地封存， 轴部中合 面以 下煤层气聚集， 而向 斜构造 两翼与轴部中合面以上表 现压应力， 为明显的 应力集中， 形成高压区是有利于煤层气封存 和聚集的部位， 特别是向 斜轴部一般是煤层含气量高 异常区。 由 此可见， 煤层气储 层的封盖取决于地质构造性 质以 及其构造形迹所反映的 构造应力 特征。 1 . 2 煤层气储层的封盖特征及含气性 三道岭矿区在哈密沉 积盆地北缘， 面积约Z ook 耐，生 产矿井开采深度3 00m以 浅，中 生界中 下侏罗系煤系地层， 总厚度6 5lm ， 沉积岩相为湖泊 相 一 泥炭沼泽相一 河流相沉积 岩层，由 灰色、灰黑色的 砂砾岩、 砂岩、粉砂岩、泥岩和 煤组成。含煤6 层， 4号、6 号 煤为可采煤层， 其间 距20m ， 煤层总厚度2 . 85一 42 53m ， 其中4 号煤层为主要可采煤层， 厚0 . 7 5 ‘ 26m ， 平均14 . s m ， 6 号煤层厚Z m ，稳定性好。1 号、 2 号、 3 号煤层有缺失和 分叉， 稳定性较差， 3 号煤 层以下岩性较细， 多为砂质泥 质， 粉砂岩和泥炭互层。 4 号煤层， 伪顶泥岩， 厚08 m ， 直接顶为粉砂岩和泥岩互层， 底板泥岩，遇水膨胀， 地鼓现象严重。由于 煤层气主要以吸附状态赋存于煤层中， 受生烃增压、构造应力、 埋深 等影响， 在 成藏过 程中 煤层 气储层常出现超压现象。 此时煤层气储层的压力不仅高于上覆 地层 即 煤层顶板 ， 也高于 下伏地层 即 煤层底板 ， 因此， 煤层 顶底板对煤层气的保 存都起作用， 但一 般认为 顶板作用更为显著。盖层 煤层顶板对煤层气的封闭作用由 于没有进行足量的 测试， 这里只能 从岩层 性质定性的分析认定， 煤层 气储 层封盖层性能也 与 厚度有关，由于 煤层伪顶 厚度小， 其岩 性对煤层气的保存影响较小， 煤层气封盖的岩性 系指直接顶板的岩 性。 4 号煤顶底板岩 性均为粉砂岩和泥岩互层， 并有遇水膨胀性，故认 为盖层的屏蔽性好。 1 . 3 水文地质特征 本区气 候干 燥， 常年少雨， 据气象资料统计，降水量仅为40m m ，而蒸发量则高达 4 0 以 〕 m m ，区内 无地表水， 又 无河川径流，而山前平原的地下水的唯一补给是北部巴尔库 山之冰雪融化 水和 大气降水，山区沟谷常年有水，一般流出沟口2 一 3km 即潜人地下，形 成地下水。 1 . 3 ， 1 第四系潜水 一般第四 系地层是不含 水的戈壁砾石层， 厚0 一 Z m ， 仅局部有不连续的砂质护地中埋 藏有 潜水， 形成土丘， 平均厚2一 g m ，潜水埋藏极浅， 一般0 . 8一 Z m ，水量0 . 36 - 0 . 8 m 3 / h 。 1 . 3 . 2 第三系自由层间水 第三系 厚75m ， E ， 和E 3 为主要含水层， E 厚3 一 10 m ，E 3 厚30m ， 均为砂砾岩层， 以自 由 层间 水存在， 静水位 很浅， E l 静水位距地表6 . 29m ， 从C K90 孔，E ， 抽水水位降深 2 . 3 m ， 涌 水量 1 . 05 m 3 / h ， 单 位涌 水量0 . 45 m 3 /h， 渗透系 数。 . 仪 以 州 以 s m 扮 。 ， E ， 涌水 量 。 . 3 6 m 3 / h o 1 . 33 侏罗系承压含水层 1 号含 水层 下含煤组 岩层，即4 号煤层以上老顶砂岩， 层厚1 38m ， 含水层厚度20 2 71 中国煤层气勘探开发利用技术进展 一 4Om ， 埋藏深度40一 2 53m ， 具有承压性。 11 号含水层， 上含煤组岩层，即KI、 KZ 标志层内的砂砾岩层， 厚 1 57m ，含水层厚 10、 60。 ， 埋深30 2 叨m ， C K 例 〕 孔水位距地表2 一 14m 。 nl 号含水层 上灰绿层，即K3 一 KS 标志层内的 砂砾岩 层，厚1 57m ， 含水层厚26- 67m ， 埋深1 6 ， 1 ， l m ， 水位距地表8 . Z o m 。 由 于补给源距矿区较远， 加之几逆断层的隔水性， 煤田 内地下水径流十分微弱，可 谓弱充水矿床。 弱充水矿床， 对煤层气开采有一定抑制作用，因 为煤层气的开发中， 从解吸、扩散渗 流到产水、 产气主要通过疏排降压和压力传导实现的， 水压低、 渗 透性差、 补给范围 远造 成疏排效果差， 产生动力小， 对采气有一定影响。 2 储 层特征与含气性 2 . 1 煤岩类型对煤层含气性的影响 根据三道岭一矿 井田 精查资料的区内4 号煤层的宏观煤 岩类型以 暗淡型为主， 煤层上 部以半亮型为主， 夹有光亮型 煤，中部以暗淡型为主， 其中夹 有半暗型煤， 下部以半亮型 煤为主， 其中 部夹有0 . 02一 0 . l m厚的 鲡状铁矿泥岩夹研， 其上覆半光亮型煤并含镜煤条 带薄泥岩， 下部为沥青光泽， 质脆的 “ 沥青煤”属半光亮型。 4 号煤岩特征为凝胶化物质占28. 94，半凝胶化物质占29. 74，丝炭化物质 39. 87， 稳定物质占1 . 41， 矿物质占3 . 51， 煤岩类型为 丝炭、 亮暗煤型。 4号煤的物理性质，暗淡光泽的沥青光泽，水平构造，条带状结构和粒状结构，充填 物为盐酸盐类粘土， 菱 铁矿 结核。 4 号煤灰分220一 21， 平均9 . 86，属低灰煤， 属不粘结煤， 煤级较低，低阶 煤的煤层气在国外已有开发先例。其特点是孔隙内比 表面积大， 有利于煤层气的吸附作 用， 渗透性好， 在压 力的 作用下储气能力大。 2.2 裂隙与渗透性对含气性的影响 煤层气储层裂隙发 育程度是反映 煤层中气水等流体的渗 透性能的重要参数， 决定着煤 层气的运移和产出， 它主要是通过裂隙网络才能被有效的 采出，由内生裂隙 割理在 煤化作用过程中产生的收 缩内 应力和 高孔隙流体压力作用生 成。因此， 不同的 煤岩组成割 理的发育程度就不同， 从矿区 煤岩 组成来看， 以暗淡型煤为 主， 煤层的割理密 度较小， 而 煤层的上部和下部以光 亮型和半光 亮煤为主， 割理的密度也 相应增加。由于镜 煤条带的增 加， 割理密度也增高， 在煤矿 开采中半光亮型煤易碎， 而暗 淡型煤致密、 块度 较大。由于 镜煤灰分低， 物理性 质均 一，内生裂隙发育均匀和在个别 煤层中 的矿物质对割理的发 育有 阻碍作用， 井下观察中发现小割理 一般均止于灰分较高的 条带边缘。 从煤层变质程度来看， 低煤级不粘结煤 一长焰煤割理发育密 度较低。从一矿井下观 察，在煤层中普遍有充填或半充填现象，充填物多为方解石薄膜，其次为粘土或黄铁矿。 充填物表明割理曾经为张开状态， 并发生过流体运移， 主 要是地下热液携带的 挥发物热流 体， 经岩层裂隙 到达煤体中冷却而 沉淀出方解石脉或薄膜。 另外， 构造裂隙或小断层有追踪大型割理发育形成共扼 节理， 在顶板回 风道内， 割理 走向 方位与 裂隙和 小断层走向几乎一致， 说明了 这一追踪特 征。 2 72 哈密三道岭矿区低阶煤层含气性研究 由 于内 生裂隙割理和外生 裂隙 节理的 组合使煤 层水的渗透性良 好，在开拓 上山巷道和 石门接近煤层时就开始滴水，掘 进底采区 运输巷道煤层淋水较大，对施工有一定的影响， 这说明煤层的渗透性好，为煤层气储存、解吸后运移形成了良好的通道。 2 . 3 储层的吸附性与压力作用 煤层气是以吸附方式储集 在煤层中， 煤层对甲 烷的吸附能力， 决定了 煤层气单位储集 量， 根据煤炭科学研究院西安 分院对哈密4号煤层的吸附性的 测定，原煤饱和吸附量v . 为1 2 . 9 2 22. 62扩/t， 平均17 . 06m 3 /t， 说明该区 煤层变质程度虽低， 但煤层对甲烷仍有 较强的吸附能力。 而煤层压 力P ， 为5 . 77 13 . 12M Pa，平均8 . 51M Pa，明显偏高， 压力的 作用有使煤层吸附甲 烷能力 增强。 该地区F ， 断层以南三道岭向 斜煤层埋深较大， 约在1 〕 x 〕 m以 深， 若按静水压力推算 地层压力可以达到1 0 M Pa以上，而压力高，有利于排水降压、解吸、采气。 但随着深度 增加， 压力加大使煤层的渗 透率 降低， 对气体的流动 产生 一定的影响。 3 煤层气资源量的估测 3 . 1 储层含气旦 该区的含气量主要根据瓦 斯地质编图， 从矿井通风部门的瓦斯测定数据分析， 4 号煤 层含气量变化较大， 规律不明 显， 只有在F 断附 近有明显增高的迹象， 一矿工作面瓦斯 含量测定。 . 89一 1137m 卜 t ， 平均6 . 3 19o 3 /t， 矿井瓦斯涌出量平均3 . 5 m 3 /t 在总回 风道 测定 。 3 . 2 资源量 根据哈密地区上表探明 储量1 64. 4 xl。 ， t ， 矿 井瓦斯平均涌出量3 . s m 〕 /t， 估算煤层气 储量预计在5 75xl夕 矿， 若按第三次煤田 预测 储量2 x 幻 m以浅是2527. 5 x 1 0 吕 t 。煤层气 储藏量预计可达到8846. 25x l 0 ‘ 衬， 资源量也非常 可观。 4 结论 1 哈密矿区 属低阶煤， 但储层厚度大， 面积广， 稳定性好， 埋深适中， 煤层的吸 附性强， 孔隙内比 表面积大， 孔隙发育渗透性好， 具有较强的 储气能力。 2 构造与封盖层组合性好， 构造以向斜和逆断层为主， 构造应力大， 盖层岩性以 粉砂岩泥岩为主， 屏蔽性强， 压性构造与屏蔽性封盖属 1 型组合，煤层的含气性属最好 型，煤层气的储量丰厚， 有一定的开发前景。 3 西部大开发中的西 气东输工程途经哈密，为煤层气的开发利用奠定了基础， 解 决了煤层气开采中的输运和用气市场的问题，可做补充气源。 4 由 于该区 水补给源远、 气候千旱少雨、 矿床充水性弱， 水头压力小对煤层气开 采工艺 排 水、降压、 解吸、 产气有一定的 影响。 5 瓦斯在矿井开采中 是三大自 然灾害之一 水、 火、 瓦斯 。 瓦斯爆炸事故可导致 矿毁人亡， 煤层气的采气过 程就是提前排放瓦斯， 可降低煤层中的 瓦斯含量， 减少煤矿重 大 事故的 发生。 6 煤炭开采 过程中 要排放甲 烷到大气中， 不但造成大气污染， 也是资源的 极大浪 费。因甲 烷的 温室 效应是二氧 化碳的20倍， 对臭氧层的破坏是二氧化碳的7 倍，对人类 2 力 中国煤层气勘探开发利用技术进展 生存环 境危害 极大， 随着科技的发展， 人们对煤层气利用价值认识的提高，它可由 害变 宝，为 人类带来效益。 总之，煤层气作为新的洁净能源，已受到世界各大产煤国家的重视，“ 发展煤层气， 造福人类” ，对推动我国煤层气研究开发具有重大而深远的意义。 参考文献 【 1] 王洪林，唐书恒，林建法主编 . 2 1 班 刃.华北煤层气佬层研究与评价徐 州，中国矿业大学出 版 社 【 2 」李建武，白虹等. 2 印1 .煤田地质与勘探吐哈盆地煤层吸咐性及影响因素，第2期 【 3 〕新桩谋田地质局. 1 卯4 .新盛维吾尔自治区第三次煤炭资源预侧与评价 【 4]新桩煤田地质局1 61 队编 . 1 965 哈密三遗岭一犷北泉、砂木泉井田精查地质报告 2 74