山西沁水煤田煤层气分布特征与开发前景分析_朱峰

图1
沁水煤田地质图
1.
中侏罗统2.三叠系 3.二叠系石盒子组、石千峰组
4.石炭、二叠系山西组
5.上元古界、奥陶系
6.下元古界、太古界
7.复向斜轴
8.短轴背斜
9.短轴向斜
10.断层
作者简介:朱峰男56岁1966年毕业于北京矿
高级工程师煤田地质总工程师收稿日期1998-08-17
编
辑
葛晓云
沁水煤田为我国煤炭工业的重要基地之一,其面积达31738.12km 2
(图1),截止1993年,探明煤炭储量达825.93亿t,预测资源量2377.49亿t,煤炭总量达3203.42亿t 。

煤田内已建成阳泉、晋城、潞安三大国有(统配)矿务局,年产煤炭3700@104t 左右;地方、集体、个体开采的煤矿较多,年产量近5000@104t 。

各矿务局在采煤的同时,对瓦斯的抽放积累了丰富的经验,其中阳泉矿务局10对生产矿井中已建有8座瓦斯抽放站,该局瓦斯资源量以现有产量计算约4亿km 3
/a,利用量仅1亿km 3。

因此,沁水盆地的煤层气具有很大的开发价值和广阔的利用前景。

1煤类分布及变质规律
沁水煤田煤层厚度大,分布较稳定。

煤的变质
程度普遍较高,煤级均在肥煤以上,主要为高级烟煤(焦煤、瘦煤、贫煤)及无烟煤。

在煤田北部,煤类主要为1号无烟煤及贫煤(图2),煤田南部主要为无烟煤和贫煤,局部为2号无烟煤。

煤田东部以瘦煤、贫煤为主,偶见1号无烟及少量的焦煤。

以屯留为例:3煤洗煤挥发份为7.89%~13.15%,一般为10.98%;H 为3.96%~4.69%,平均为4.23%;煤类可划分贫煤及瘦煤,区内大部分为瘦煤,仅在西部(煤田深部)为贫煤。

摘要
沁水煤田具有丰富的煤层气资源。

其一是煤炭资源量大,达3203.42亿t ,二是各矿务局对瓦斯的
抽放积累了丰富的经验。

因此,该煤田的煤层气具有广阔的利用前景。

从地质学和煤类分布的角度出发,利用现有的各种煤层气资料,预测煤田煤层气的资源量,并划分四个区分别论述其开发前景。

关键词
煤层气
分布
开发前景
沁水煤田
山西沁水煤田煤层气分布特征与开发前景分析
朱
峰(山西煤田地质局太原030006)
第11卷第2期中国煤田地质Vol.11NO.21999年
6月
COAL GEOLOGY OF CH INA
Jun.
1999
2期
33
朱峰:
山西沁水煤田煤层气分布特征与开发前景分析
图2沁水盆地C )P 煤阶分布
图3沁水盆地煤层气资源量计算愉段及单元划分图
煤田西部沁源一带以焦煤、瘦煤、贫煤为主,由西向东呈带状分布。

以沁源普查区为例:肥焦煤主要分布在西部边缘,向东(深部)大部为瘦煤;贫煤位于沁水向斜中心部位,煤类界线基本平行地层走向,自西向东呈带状分布。

因此沁水煤田煤层变质程度具有南北高,东西低,内部又高的特点(图2)。

沁水煤田煤层深成变质作用占有相当重要的地位,在三叠纪末已形成低煤级的烟煤,至中生代由于古地温的升高,导致深成变质作用的进一步加强,它是影响沁水煤田现今煤级分带的主导因素。

燕山运动以后,由于强烈的构造活动及深部岩浆活动是煤田南北两端高变质带形成的重要因素。

喜山期构造活动产生新生代断陷盆地使煤层埋深又一次加大,从而导致成变质作用的继续。

2煤层气分布特征
沁水煤田煤炭资源丰富,具有丰富的成气物质基础。

根据初步计算,沁水煤田煤层气总资源量达28316@108m 3,其中远景资源量2627@108m 3,占9.27%;预测资源量25689@108m 3
,占90.72%。

由于本煤田煤类以高变质烟煤及无烟煤为主,生气量一般在170m 3/t 以上,已远远超出煤层自身的吸附能力,因此,煤层自身的吸附能力
和保存条件成为含气量大小的决定因素。

沁水煤田内煤层变质程度普遍较高,镜质组含量很高,有利于煤层的吸附。

同时本煤田构造简单,断层较少,煤层的封盖条件好,均有利于煤层气的保存。

沁水煤田要取得煤层气开发的突破,必须要寻找高含气区、高渗透区和高压区,目前普遍认为有可能成为开发区的有四个区段(图3)。

2.1北部端区)阳泉地区
本区包括阳泉矿区及其深部预测区,在煤层埋深300~1000m 的范围内,寿阳以西3煤层(山西组)含气量一般为4.53~29.69m 3/t,平定以南
3煤层含气量一般为10~15m 3
/t,平定)寿阳之
间含气量最高为15~30m 3
/t,15(太原组)煤层含气量普遍低于3煤层,一般为5~10m 3/t 。

根据本区(以韩庄井田为例)煤层气自然解析组分分析结果表明:煤层气为优质资源,其主要组分为甲烷、氮气、二氧化碳等,其中甲烷浓度较高,一般达70.63%~99.64%,平均为93187%;重烃含量低,其浓度仅0~3100%,平均0.12%;氮气浓度只有0~27.49%,平均为4.90%;二氧化碳仅为0~11.72%,平均为1.62%。

高压等温吸附实验表明:在压力为1~5MPa 之间等吸附曲线随压力增大而吸附量呈较大幅度增加,反映该区吸
中国煤田地质
3411卷
附性能有利于煤层气的开发。

根据1996年山西煤田地质148队在韩庄井田施工的H G1孔井对煤层气评价表明:该区煤层渗透率在0.5~ 6.7m d 之间,与国内其它矿区相比,该区煤层渗透率可以说是相当高的。

212南部端区)晋城地区
本区包括晋城矿区(新区)及其深部测区,在煤层埋深300~1000m范围内,3、15煤层含气量一般为5~15m3/t,潘庄、樊庄一带含气量最高,可达15~20m3/t。

在1000~1500m深度范围内, 3煤含气量一般达15~20m3/t,沁水县郑庄以北,有一区域可达20m3/t以上,郑庄)固县以北部份地区含气量为10~15m3/t,局部超过15m3/t。

晋城矿务局于1991年8月开始对煤层进行研究,并着手开发试验,通过对三口示范井的施工,采取压裂工艺,相继进入采气阶段,其中潘2号井开始排采260天,总排水量3500m3,累计产气量160300m3。

该井产气特点为开始阶段,产气量随排水量的增加而逐渐增大,最后突然增大,但是一旦停止排水,产气量下降,恢复原来状况。

213东部潞安矿区
本区包括潞安矿区及其深部测区,该区甲烷风化带埋深600m,在煤层埋深600~1000m的范围内,南部3煤层含气量5~15m3/t,15煤层含气量多介于5~10m3/t之间,北部含气量低于南部。

在埋深1000~1500m范围内,南部3煤层含气量大于15m3/t,15煤层含气量5~15m3/t;往北含气量也呈降低的趋势,3煤层含气量约5m3/ t,15煤层含气量小于5m3/t。

本区对煤层气尚未作开发试验,但根据其所处构造位置)))沁水复向斜东翼,由于受构造力挤压的作用,煤层原地应力相对增加,预测煤层气渗透率将会降低,本区需要进一步工作。

214西部沁源地区
本区包括沁源地区及其深部测区,在埋深600~1000m的范围内,3煤层含气量为5~ 10m3/t,15煤层含气量为0~5m3/t之间;在埋深1000~1500m范围内,3煤层含气量介于10~ 15m3/t,沁源城以北略高一些。

根据目前山西煤田地质148队在本区施工的煤层气评价井资料推测,本区2、3煤层含气量极低,渗透率也只有0.024md,原因何在,有待进一步研究。

3煤层气开发前景分析
我国从1981年起,对于煤层气(瓦斯)的开发研究已有15年的历史,虽然到目前为止已施工90多口钻井,但尚无一处完成井组开发的实验,离商业性开发的目标还有一段距离。

沁水煤田阳泉矿区韩庄井田已提出煤层气勘探开发预可行性研究报告,实际上该处仍停留在勘探评价阶段,还需进一步开展岩、煤心描述(煤层顶底板研究)、气测录井、注入/压降试井,应力测试、煤层气含量测试、煤的等温吸附实验、煤的裂隙研究、煤的可磨性测定、煤岩煤质分析等测试工作。

应该说中国的煤层气开发研究与美国有相似之处,但也有较多的不同之点,在无烟煤中开发煤层气具有中国特色。

沁水煤田经过几年的研究,其煤层气开发确实具有许多有利因素,但除阳泉矿区、晋城矿区(新区)有较详细的初评资料外,其余地区还缺少总体评价资料,还在以下几方面作进一步的研究。

(1)区域调查分析重点研究阳泉、晋城、沁源、潞安四个区域范围内的构造、断裂性质的研究,通过对阳泉区的段王煤矿、黄丹沟煤矿、上社煤矿;晋城区的永红煤矿、沁域煤矿;沁源区的宝丰煤矿、马军峪煤矿以及潞安区的常村煤矿、西南呈煤矿的观测,研究煤层的节理、割理、裂隙以及煤层气富集的规律。

(2)室内测试首先在野外、矿井采样,然后进行煤质、瓦斯分析,并在进行地质储量计算的基础上对研究区进行评价。

尽管影响煤层气开采的因素很多,但关键是具有足够的煤炭资源、高成熟度(Ro>0.7%)的煤层;同时需要较高的渗透率、足够的含气量,地下水形成常规闭圈,有利煤层气的保存,又有助于排水降低。

(3)钻孔资料分析沁水煤田已施工煤层气评价孔5~6个,主要集中在阳泉矿区韩庄井田和晋城矿区潘庄井田,这两个区是属同类性质的气田,可以进行对比,收集数据,拿出平均产能的预测方案。

煤层气勘探开发能否取得突破(下转53页)
2期
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表2
样品性质rNa rCl rNa rCa rCO 3rCl+rCa rS O 4rCl 513 1.998.930.720.52 岩溶水 3.400.41 1.19 6.22 碎屑岩水
2.36
4.62
0.13
1.45
凸出,表明热水处于强势,反之冷水处于强势。

216浅部水混入具有一定的降温作用
区内岩溶水化学类型以H CO 3#SO 4-Ca 1M g 型为主,受含水岩层组份影响,L 7-8、L 1-4、O 2灰岩含水层的Ca 2+依次减少,M g 2+、Na +含量相应增加;阴离子则是H CO 3-依次减少,SO
2-4
次增多,但阴阳离子变化不大。

而位于大槐镇断层带上的513孔样品各种含量比值与区内岩溶水相差较大(表2),对盘应是碎屑岩类水混入所致。

矿区东北部双洎河断层南端的1802孔3
H 含量值显著高于1801和1830两孔为2113T U 说明有很新的水补给。

上述的新水的活动场所是大隗镇断层带,大
隗断层在中新世表现为小型断裂活动,主要分布
在人和寨一带,西部呈近东西向,东部呈北西向,摆动幅度小,沟通了浅部与深部的水力联系,新构造运动在地貌上表现极为明显。

浅部碎屑岩水(或更新的水)循新构造运动的裂隙运动,由于新构造运动的继承性,表现为浅部水仅循大隗断裂及支断裂如东土桥、双洎河和贾梁等断层运移,与矿区内岩溶水不甚密切,在地温效应上具有给围岩降温效果,35e 线在东土桥断层左右摆动是一个很好的例子。

另外温泉与双曲河断层间的1611孔奥陶顶的温度3417e ,比左右两侧的同层位低2e ~6e ,平面上梯度变化如此之大系新构造管状冷水运动所致。

新构造通道内运动的冷水水量少规模小,对矿区的影响不大,但使北东部矿区地温场趋于复杂化。

影响矿区地温场的主要因素是垂直上升的热水流和来自欧阳寺断层及东南隐伏露头区冷水共同作用。

认识这些因素,有助于对地热资源的开发利用,同时为将来开发矿产资源造福人类提供较为科学的依据。

Research on geneses of Geothermal Anomaly in Xinzheng Mining Area
So ng Li(H enan Bureau of Coal Geolog y,Zheng zhou 450052)
Abstract:In the g eother mal field of x inzhen g minin g area,there are char acter istics of hi g h thermal fluid and high g eothermal gradient 1T he geother mal anomaly is result o f two actio ns stack w hich that locall y thermal accumulatio n caused b y s p ecial structure and u p w ard flow o f hi g h tem p erature ther -m al w ater controlled b y h y dr o g eolo g ical conditions,but no relation w ith dee p crustal mov em ent 1Ke y words :g eo therm al anomaly ,resear ch on g eneses,Xinzheng m ining area 1(上接34页)性进展,主要依靠评价选区和工艺技术两个方面,其中尤为前者,做好地质评价,选好靶区,首先确定有没有气含量,然后确定能否采出来,所以地层承压,煤层气朗格穆尔压力大,煤层中吸附态气体脱附越容易,就越有利于煤层气开采。

地下水有利于煤层气保存,煤层甲烷可呈水溶状赋存在地下水中,降压后甲烷可以从水中产出。

同时要注意煤层顶底板特别是15煤层老顶(K 2灰岩)岩溶的含气性,煤层气储层不仅在煤层
本身,它可以呈游离气态赋于煤层顶板砂岩裂隙及石灰岩溶洞中,后者产气量往往大于煤层的吸附气量。

纵观我国目前煤层气研究程度,普遍对沁水盆地抱有较大的希望,中联煤层气公司与阳泉矿务局合作,着手对阳泉矿区韩庄井田进行开发性试验,虽然面临资金等一系列困难,但只要一旦有所突破,将成为我国新能源利用史上的里程碑。

宋黎:新郑矿区地温异常成因探讨。