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阜新煤田煤层气开发选区研究

2019年03月16日 栏目:健康

阜新煤田煤层气开发选区研究摘 要:阜新煤田煤层瓦斯含量高,预测煤层气资源量达 136.91108m3,是我国煤层气开发的重要选区之一。本

阜新煤田煤层气开发选区研究

摘 要:阜新煤田煤层瓦斯含量高,预测煤层气资源量达 136.91108m3,是我国煤层气开发的重要选区之一。本文分析了阜新矿区煤田地质特征,深入研究了各分区内各煤层中影响煤层气生成、储集和运移的地质因素,提出刘家王营子区是阜新煤田煤层气开发的选区。关键词:阜新煤田 煤层气 构造特征 选区分类号:P618.11

STUDY ON THE REGION SELECTION OF CBM DEVELOPMENTIN FUXIN COAL FIELD

Zhao Mingpeng(Liaoning Technical University)Lu Aiping(No.7 Exploration Company of Northeast China Bureau of Coal Geology)Zhou Lidai(Liaoning Technical University)Cao Ligang(Shengyang CBM development Center)

Abstract:Fuxin coal field is one of important regions for coalbed methane development in our country,with the high gas content in coal seams and the predicted resources of 136.91108 sed on the analysis of geological characteristics of Fuxin mining district and the study of geological factors which have influences on the generation,storage and migration of coalbed methane in each section,it is suggested that the Liujia-Wanhyingzi section is the best one for CBM development in this coal ywords:Fuxin coal field; coalbed methane; structure characteristics; region selection▲

1 引言

阜新矿区是我国重要的煤炭工业基地,至1997年底全煤田保有煤炭储量12.239 16108 t[1],预测煤层气资源量达136.91108m3[2],是我国煤层气开发的重要选区之一[3]。1983年以来,国家计委、东北煤田地质局、辽河石油勘探管理局、美国煤层气(CBM)能源集团、阜新矿务局等国内外部门和机构、企事业集团均在这里开展过煤层气勘探开发研究,并取得了许多重要成果。本文综合多年煤炭生产所取得的资料和煤田地质、煤层气地质工作成果,对阜新煤田煤层气开发的有利选区进行评价。

2 煤田地质条件

2.1 煤层分布特征  阜新煤田主要可采煤层赋存于下白垩统沙海组三段及阜新组,共有十个煤层组,煤种较杂,一般为长焰焦煤,以长焰煤和气煤为主。阜新组煤层分布面积达225 km2,平均厚度14.49 m,含5个煤层组,厚度变化于0.05~96.48 m 之间;煤层不稳定,结构复杂,含煤系数高,平均含煤率为20%~40%,单位面积储量在新邱区高达860104 t/km2;聚煤中心为新邱、海州、王家营子、东梁和艾友、清河门等区,厚度展布方向 NE52~68,分布于同沉积背斜和斜坡地带及低缓的向斜部位。沙海组煤层在全煤田的分布目前尚未完全查明,清河门、艾友、东梁及九道岭等区的煤层浅部薄深部厚,含五个煤层组,厚度变化在0.1~23.33 m之间,平均厚度7.76 m,分布面积近200 km2。2.2 构造特征  阜新煤田位于燕山台褶带的辽西台陷构造单元内,是一个四周被边缘断裂围限的典型断陷盆地。盆地整体呈不一对称的向斜构造,剖面形态呈簸箕状,盆地内褶皱和断裂构造发育。  阜新煤田中央槽区呈现明显的同沉积构造,槽内埋藏深,煤层厚,有机质成熟度高,气源丰富。煤田内主要有两个方向的褶皱,主要一组为北东北北东向,另一组为北西北西西向,有些构造有利于煤层气的赋存。同沉积背斜是阜新组的主要构造形式,新邱小哈拉哈同生背斜和东梁清河门同生背斜,已查明是含气构造区。  断裂构造与煤层气生、储、运的关系更为密切。一是许多早白垩世形成的同沉积断裂构造,由于晚白垩世和新生代构造应力场的变化,呈现出挤压作用下的闭合状态,从而对煤层气顺层运移起到了阻隔作用,阻止了煤层气向外运移。二是由于断层的形成和活动,造成了沿断裂带岩石的碎裂和切割破坏,形成了力学薄弱带,为岩浆创造了顺断层带运移的条件,从而形成控制岩浆岩分布的重要地质因素。当岩浆顺断层带运移遇到力学和化学性质更弱的煤层时,则发生顺煤层侵入,挤压、熔蚀煤层而形成岩床,岩床的厚度则是断层附近厚,远离断层带逐渐变薄、尖灭。三是断裂将盆地分割成若干低级别的断块,断层将阜新组地层切割破碎,不利于煤层气的储藏,特别是目前呈拉张状态下的正断层是煤层气逸散的良好通道。2.3 岩浆岩及其意义  阜新煤田岩浆岩包括盆地基底火山岩和煤系侵入岩,其中后者是十分重要的煤层气地质因素,在整个煤田均有分布,清河门海州地区尤为发育,为基性岩类,属第三纪喜马拉雅期岩浆活动产物。侵入岩体的产状有岩株、岩墙、岩床、岩瘤及不规则状小岩体等,但其主要产出形式为岩墙和岩床,它们是本煤田特殊的煤层气地质因素。  岩浆活动对阜新煤田煤层气的生成、储集和运移控制影响很大,由于岩浆的侵入使煤层受到烘烤而变质程度增高,(图1)增加了煤层气生成量。如王营井田由于岩浆侵入而多形成天然焦达 3 207104 t[4],多生成煤层气6.414108 m3[5]。岩浆侵入的烘烤和动力作用,改变了煤层的结构与构造,从而影响煤层气的储集和运移。如岩浆岩墙向两侧依次形成了天然焦、高变质煤、多节理煤和正常煤的分带现象,高变质煤与天然焦的孔隙率明显增大,天然焦还具有柱状节理,煤层气储存的主要状态为游离气。王营矿井下巷道在掘进至岩墙附近时,瓦斯涌出量明显增大,并在岩墙两侧多次发生瓦斯突出事故,说明岩墙两侧煤层中游离高压瓦斯含量明显高于正常煤层。天然焦孔隙度和裂隙度均很大,渗透率高,有利于煤层气运移。据王营矿井实际调查表明,岩墙中裂隙发育密度较小,平均为6条/m,且一般呈闭合状态,岩墙又比较致密,因此岩墙(尤其是那些宽度较大的岩墙)对于煤层气具有侧向封闭作用,十分有利于煤层气的保存。另外,煤系中富煤区含煤段是侵入岩活动强烈的空间。海州露天矿区、刘家勘探区、王营井田、五龙井田、东梁井田是煤层富集的地带,也正是岩浆侵入体发育的地区,因此也就成为煤层气选区研究的重点对象。

图1 阜新煤田王营井田岩墙周围煤镜质组  反射率变化曲线

3 煤层气开发选区研究

3.1 评价区  阜新煤田煤层分布广泛,依据各矿区煤层气含量和矿井瓦斯涌出资料,煤层气赋存的大致规律是,阜新组的煤层气资源评价区由北向南为五龙立井、刘家精查勘探区、平安五井、王营立井和民主斜井、东梁皮带井、东梁二井和艾友五井,其中艾友五井为甲烷氮气带不作评价外,其他皆为甲烷带列为煤层气资源评价区。沙海组的煤层气由北向南赋存在东梁矿区、艾友立井、清河门立井向南到九道岭,其中九道岭为二氧化碳氮气带未列入煤层气资源评价区。另外,新邱矿区、孙家湾矿区及平安矿、艾友矿的部分矿井瓦斯涌出量虽较高,但由于大部分的矿井已闭坑,截止1993年底保有储量较少,因此未列入煤层气评价区。3.2 煤层气含量  阜新煤田共有瓦斯样品82个,测试分析结果表明,全煤田煤层气含量在2.30~16.23 m3/t 之间。(表1、表2)根据一些学者的意见,适合作为煤层气开发选区的煤层含气量应>8 m3/t[1,2,4]。综观阜新矿区煤层气含量情况,满足这一条件的有刘家王营子区、艾友区和东梁区,其中刘家王营子区采用三孔(710、727、7020)煤层气含量测试结果的平均值计算为9.51 m3/t 。东梁区无煤层气含量测试数据,但根据东梁矿平均相对瓦斯涌出量换算,煤层气含量为8.00 m3/t。艾友矿区与清河门矿区相邻,据清河门矿孔瓦斯解析数据确定煤层气含量为8.18 m3/t。

表1 10个矿区煤层瓦斯含量

矿区名称

1992~1995年相对瓦斯涌出量/m3.(t.d)-1

1992~1995年瓦斯涌出量/n-1

钻孔可燃基瓦斯含量/m3.t-1

钻孔可燃基二氧化碳含量/m3.t-1

五龙立井

13.75~16.89

32.54~41.66

王营子立井

31.22~63.34

37.07~45.85

刘家勘探区

平安五井

15.27~21.9

2.31~4.17

2.30~16.23

高德一号井

13.13~29.7

3.97~9.66

2.71~9.52

0.02~0.34

东梁二井

28.68

8.02

东梁皮带井

18.74~45.27

4.72~6.05

2.08

艾友立井

0.52~0.04

0.04

清河门立井

14.19~24.49

24.81~27.22

0.53~8.82

0~0.45

东梁沙海组

1.42~6.29

0.04~1.77

表2 阜新煤田几个钻孔煤层气成分测试分析成果表

煤 层

采样深度/m

煤层厚度/m

工业分析

气体组分/%

甲烷含量(包括重烃)/m3.t-1

Mal

Ad

CH4

CO2

N2

中间煤层

788.35

4.19

6.54

16.99

90.122

3.823

5.182

6.40

太上煤层

826.65

1.15

1.35

50.03

83.80

1.40

14.80

12.6

孙家湾煤层

739.31

1.08

34.66

97.60

0.00

2.40

9.52

清 煤

571.68

5.54

71.46

1.26

27.28

7.55

清 煤

579.32

1.29

81.58

0.43

7.99

6.58

清 煤

586.10

0.61

74.35

0.85

24.80

8.82

3.3 开发选区的确定  阜新煤田有些矿区已开采多年,储量所剩不多,有的矿区煤层气成分80%以上是氮气(如艾友五井、九道岭立井),有的矿区煤层气含量太低,不适于煤层气的开发利用。经分析研究。刘家王营子区、东梁区和艾友区三个区煤层气资源条件,(表3)应作为煤层开发选区。

表3 开发选区的煤层气资源量

矿井名称

煤炭储量/104t

平均煤厚/m

含气量/m3.t-1

煤层气资源量/104m3

刘家精查区

28 195

20.68

9.51

268 134

王营子矿

17 232

12.83

9.51

163 880

艾友区

11 133

4.58

8

89 068

东梁区

7 043

2.42

8

56 348

合计

63 604

576 430

刘家王营子区位于阜新煤田中部偏东,属同一构造单元,煤层是连续的,仅以平安F2号断层划界。王营子矿于1978年建井,设计能力120104t/a,目前保有地质储量(A+B+C)1.723 24108 t,可采面积9.88 km2。该区煤层在阜新矿区发育,煤层层数多、厚度大,可采累厚98.91 m,平均厚度在42.96 m。两区在19.68 km2的可采范围内地质储量4.542 74108 t,平均23.08106 t/km2。由于在煤田勘探阶段瓦斯解吸测试做得少,而矿井又缺少含量数据,但从少量的解吸数据和矿井瓦斯相对涌出量来看,该区瓦斯含量比较高。根据该区仅有的解吸数据,瓦斯含量平均9.51 m3/t。煤层气资源量为 43.201 457108 m3,平均2.195 2108 m3/km2。  东梁区沙海组位于阜新煤田中部,1995年提交详查地质报告时地质储量(B+C+D)为70.435106 t。可采面积21 km2,平均3.35106 t/km2。该区煤层以薄中厚煤层为主,可采厚度4.13 m,平均2.43 m。该区在祥查勘探阶段未做过解吸测试工作,所以缺含量数据。根据东梁矿浅部瓦斯相对涌出量平均19.90 m3/t,估算该区瓦斯含量应在8 m3/t 左右,煤层气资源量为5. m3,平均26.83106 m3/km2。  艾友立井位于阜新煤田西南部,1992年建井,A+B+C级地质储量1.113 35108 t,可采面积18 km2,平均6.185106 t/km2。该井煤层属沙海组,层位稳定,厚度为中厚煤为主,累厚为13.97 m,平均4.58 m。该区以往煤田勘探阶段瓦斯含量资料因无从查找,所以无确切的含量数据,根据相邻的清河门立井钻孔解吸数据平均8.18 m3/t左右计算,煤层气资源量8.906 8108 m3,平均为49.48106 m3/km2。3.4 首采靶区的选择  在上述几个开发选区中,无论从煤层气资源条件还是从开发条件来看,刘家王营子区应是理想的首采靶区。其一是本区有丰富煤炭资源,煤层层数多、厚度大、小而肥,(图2)煤炭保有储量达4.542 7108 t;其二是有较高的煤层气资源量,煤层气含量解吸数据平均 9.51 m3/t,全区共有煤层气资源量43.201 4108 m3;其三是煤的裂隙系统发育,至少有五组以上节理,密度一般达30 条/m,面割理密度可达 8~9 条/5cm,煤层渗透率平均达 0.356 μm2,十分有利于煤层气产出;其四是具优良的地质条件,构造简单、煤层稳定、围岩条件好。重要的是岩浆岩发育,为煤层气生成、储集和运移提供了有利的条件;其五是五龙矿和王营子矿已经进行了瓦斯抽放工作,具有丰富的煤层气开发经验,形成了较好的外部开发条件;还有重要的一点是刘家王营子区位于市中心南5 km,地面施工条件好,有利于煤层气的勘探与开发。阜新市目前民用气是由煤气厂提供的热值较低的煤气,每天向市区供气5104 m3左右,远远满足不了市区的需求。开发出的煤层气具有广泛市场。

图2 刘家王营子区煤层总厚度等值线及煤层气资源总量分布图

4 结语

通过上述分析研究得出:  a. 阜新煤田煤层气资源量丰富,地质条件良好,是我国煤层气开发的重要选区之一。  b. 岩浆岩极为发育是本煤田特殊的煤层气地质因素,总体上有利于煤层气的生成、储集和运移。  c. 煤田内具有煤层气商业开发价值的选区是刘家王营子区、艾友区和东梁区。  d. 刘家王营子区是阜新煤田的开发选区,具有有利的煤层气地质条件和外部开发条件,应作为靶区。■

基金项目:辽宁省青年人才基金资助项目作者简介:赵明鹏 男 41岁 教授 博士 煤田地质作者单位:赵明鹏(辽宁工程技术大学 阜新 123000)     路爱平(东北煤田地质局第七勘探公司 阜新 123000)     周立岱(辽宁工程技术大学 阜新 123000)     曹立刚(沈阳煤层甲烷气开发中心 沈阳 123000)


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