以相對瓦斯涌出量為刻度值評價煤層氣資源初探

張福強(qiáng)

摘 要：分析廣西合山煤田煤層氣資源開發(fā)前景，為廣西合山煤層氣預(yù)查項(xiàng)目立項(xiàng)提供依據(jù)。采用地質(zhì)類比法，從煤炭保有資源量、煤層氣含量、預(yù)測煤層氣資源量和相對瓦斯涌出量、煤層氣可采系數(shù)5個維度，將遼寧阜新煤田劉家區(qū)礦區(qū)和廣西合山進(jìn)行比對，評價合山煤田煤層氣資源前景。可采煤層氣資源量計(jì)算系數(shù)的確定，一般采用國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)40%，阜新瓦斯相對涌出量較高平均為26.06m3/t·d，合山平均為23.06m3/t·d，是阜新的88.49%，類比分析合山的煤層氣可采資源量系數(shù)為35.40%，預(yù)測合山煤層氣資源量為63.498×108m3，估算合山可采煤層氣資源量22.478×108m3，比阜新多6.158×108m3。利用開采煤礦相對瓦斯涌出量作為可采煤層氣資源量計(jì)算系數(shù)的刻度值，是本研究的創(chuàng)新點(diǎn)。其效果如何，有待今后進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。總之，本研究表明合山煤田具備勘查開發(fā)煤層氣的可能性。

關(guān)鍵詞：合山煤田;阜新煤田劉家區(qū);相對瓦斯涌出量;地質(zhì)類比法

中圖分類號：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0093-04

Abstract： The development prospect of coalbed methane resources in Heshan coalfield of Guangxi was analyzed， which provided the basis for the establishment of the project of coalbed methane prediction in Heshan coalfield of Guangxi. By using geological analogy method， this paper compared Liujia mining area of Fuxin coalfield in Liaoning Province with Heshan in Guangxi Province， and evaluated the prospects of coalbed methane resources in Heshan coalfield， based on the five dimensions of coal reserves， coalbed methane content， predicted coalbed methane resources and relative gas emission， and coalbed methane recovery coefficient. The calculation coefficients of recoverable coalbed methane resources are generally determined by 40% empirical data at home and abroad， 26.06m3/t·d for Fuxin， 23.06m3/t·d for Heshan， 88.49% for Fuxin， 35.40% for Heshan， 63.498×108m3 for Heshan， and 2% for Heshan. 2.478×108m3， 6.158×108m3 more than Fuxin. It is the innovation of this research to use the relative gas emission from mining coal mine as the calibration value of the calculating coefficient of recoverable coalbed methane resources. Its effect needs further study and verification in the future. In a word， this study shows that Heshan coalfield has the possibility of exploring and exploiting coalbed methane.

Keywords： Heshan Coalfield;Liujia mining area of Fuxin coalfield;coalbed methane;relative gas emission;geologic analogy method

煤層氣的開發(fā)利用對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加天然氣供應(yīng)具有重要意義[1]。我國是開展煤層氣開發(fā)利用較早的國家之一。1952年，遼寧撫順礦務(wù)局利用礦井瓦斯抽放的方法開發(fā)利用煤層氣，50年間，從礦井中直接抽放煤層氣近40×108m3，其中50%～80%的煤層氣得以利用[2-4]。遼寧阜新煤田劉家區(qū)為高瓦斯礦區(qū)，正規(guī)勘查、商業(yè)化開采煤層氣已經(jīng)具有20多年歷史，積累了豐富的煤層氣技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料[5-7]。合山煤田探明儲煤面積約260km2，煤炭資源量6.7億t，占廣西全區(qū)的1/3以上，是廣西最大的煤田，累計(jì)產(chǎn)煤約1億t。目前，合山煤田中淺部煤層已基本采空，里蘭、河里等大部分礦井老化，實(shí)施關(guān)閉，合山市的煤炭資源也隨礦井的老化逐漸枯竭[8，9]。合山煤炭資源的枯竭給全市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來了極大影響。本文采用地質(zhì)類比法，從“煤炭保有資源量、煤層氣含量、預(yù)測煤層氣資源量和相對瓦斯涌出量、煤層氣可采系數(shù)”5個維度出發(fā)，對比合山、阜新煤田煤炭與煤層氣，研究合山煤田煤層氣的資源特征及勘查和開發(fā)前景，評價合山煤層氣資源的潛力，為探討開發(fā)綠色清潔能源，為廣西合山煤田煤層氣預(yù)查項(xiàng)目立項(xiàng)提供重要依據(jù)。

1 合山煤田地質(zhì)概況

合山煤田為一走向北北東，向東突出的弧形向斜構(gòu)造[10-13]，向斜南北長約30km，東西寬6～12km，面積約300km2。向斜西翼平緩，傾角12°～20°;東翼較陡，甚至存在直立和倒轉(zhuǎn)，傾角19°～90°，構(gòu)成不對稱向斜。斷裂不發(fā)育，多為高角度逆斷層，主要分布在東翼并且切割破壞了含煤地層。

含煤地層為上二疊統(tǒng)合山組煤系（P3h），主要由灰?guī)r、隧石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r組成，夾少量鋁土巖，厚110～207m。含煤6～8層，可采1～3層。四煤和三煤下層為本區(qū)主要可采煤層，可采總厚度3.68m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層層位穩(wěn)定。屬高灰、高硫的貧煤。

合山煤田的主要可采煤層是四煤層。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值在0.7～0.8，煤層瓦斯擇放速度[ΔP]=3～7，k=6～20。據(jù)20世紀(jì)80年代末合山礦務(wù)局資料顯示，各礦區(qū)每噸煤的瓦斯含量為2.7～12.1m3/t，為低～高沼氣礦井，屬于非突出型。

瓦斯成分以甲烷（CH4）和氮?dú)猓∟2）為主。淺部礦井屬于瓦斯風(fēng)化帶（氮?dú)鈳В?，故煤層中瓦斯含量不算太?中～深部礦井如里蘭礦等瓦斯涌出量大（見表1），成為高沼礦井。合山煤田以淺部及中部開采為主，在開采過程中，瓦斯燃燒事故時有發(fā)生。例如，里蘭、河里樟村礦等曾發(fā)生過瓦斯爆炸事故，瓦斯是嚴(yán)重威脅合山煤礦生產(chǎn)安全的關(guān)鍵因素。

2 遼寧阜新煤田劉家區(qū)煤礦煤層氣概況

2.1 勘查概況

1996年，由東北煤田地質(zhì)局一〇七勘探隊(duì)為中美煤層氣CBM公司提交了《阜新煤田煤層氣賦存條件報(bào)告》[5-7]。該報(bào)告提出，劉家區(qū)為煤層氣開發(fā)重點(diǎn)區(qū)。劉家區(qū)位于阜新煤田中部，賦存有中生界白堊系下統(tǒng)阜新組煤層。1999-2001年，由國家投資，東煤一〇七隊(duì)在劉家區(qū)進(jìn)行了煤層氣普勘探工作，共施工4口煤層氣參數(shù)及試驗(yàn)井，經(jīng)排采試驗(yàn)，單井日產(chǎn)量最高達(dá)7 000m3，平均在3 000m3左右，甲烷成分98%左右。這表明該區(qū)具有良好的煤層氣開發(fā)前景。2002年，增加4口煤層氣生產(chǎn)井，形成了8口煤層氣井網(wǎng)，向阜新市區(qū)供氣，平均每天供氣約20 000m3（98%CH4），實(shí)現(xiàn)了商業(yè)性開發(fā)，在我國地面煤層氣開采尚屬首例。目前，劉家區(qū)已施工煤層氣生產(chǎn)井28口，日供氣50 000m3～60 000m3（98%CH4）。

據(jù)《遼寧省阜新市劉家區(qū)煤礦勘探報(bào)告》可知，煤炭資源儲量4.4億t。據(jù)鉆孔煤心瓦斯解析，煤層氣含量在7～10m3/t，劉家區(qū)煤礦尚未正式開采，缺乏瓦斯相對涌出量。據(jù)金玉明等[14]的研究可知，鄰近王營礦的相對瓦斯涌出量為28.00m3/t·d，五龍礦為24.11m3/t·d，平均26.06m3/t·d。

2.2 開發(fā)概況

阜新宏地勘新能源有限公司成立于2002年10月，為全國首家專業(yè)煤層氣企業(yè)、原國土資源部煤層氣試點(diǎn)單位[15，16]。其現(xiàn)有28口煤層氣生產(chǎn)井，在全國率先實(shí)現(xiàn)了煤層氣井組商業(yè)化運(yùn)行，煤層氣井成功率87%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國建井平均30%的成功率，垂直井單井平均煤層氣產(chǎn)量全國第一、井組運(yùn)行成本在同行業(yè)中較低，實(shí)現(xiàn)了煤層氣勘探開發(fā)可持續(xù)發(fā)展。2002年至2015年，累計(jì)為全市供氣2.75×108m3，現(xiàn)在每年供氣0.2×108m3，承擔(dān)了全市1/3的居民用氣和80%的出租車用氣，成為阜新市新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。2006年到2015年，累計(jì)上繳稅金1.25億元;目前，每年度上繳稅金達(dá)到1 200萬元。此外，其每年減排二氧化碳232萬t，截至目前，已累計(jì)減排二氧化碳3 016萬t。

目前，大部分煤層氣井入衰減期，日供氣量為5.5萬m3左右，平均單井日產(chǎn)氣能力1 700～2 000m3，仍然大于國家規(guī)定的煤層氣生產(chǎn)井可采工業(yè)氣流的2倍左右。

3 對比分析

評價煤層氣的主要因素有[17-19]：煤系沉積環(huán)境、煤層厚度、煤層埋深、煤巖煤類、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)及水文地質(zhì)特征等。關(guān)鍵的煤層氣資源量預(yù)測制約因素是保有煤炭資源量、煤層氣含量和相對瓦斯涌出量。將合山煤田與進(jìn)入商業(yè)開發(fā)16年之久的遼寧阜新煤田劉家區(qū)進(jìn)行對比可知，在上述三個方面，合山與阜新大致相當(dāng)（見表2）。

據(jù)蔣博宇介紹[10，11]，合山煤田深度在290～350m或500m，甲烷含量達(dá)4～8m3/t;大于350m或大于500m，甲烷含量大于8m3/t。說明合山煤田煤層氣在近地表部分受裂隙影響，存在氣體逃逸的現(xiàn)象，煤層氣資源含量較低，其中甲烷含量在2.7m3/t時的煤層氣資源含量估算不予考慮。合山煤田最大勘查深度達(dá)1 070m，煤田深部屬于高溫、高瓦斯。由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，深部尚未開采，煤層氣含量高于淺部，本次評價的目標(biāo)層位主要就是這些未動區(qū)，煤層氣具有較好的資源量。

在阜新煤田煤層氣資源含量的估算中，當(dāng)煤層氣含量是9.21m3/t時，為最高含量10m3/t含量的0.921倍。將合山煤田和阜新煤田進(jìn)行對比，合山煤層氣資源最高含量，即12.1m3/t的0.921倍為11.14m3/t，由此可以估算出合山煤田煤層氣資源的含量。

煤層氣可采資源量是地質(zhì)資源儲量的可采部分，是在現(xiàn)行法規(guī)政策和市場條件下，采用現(xiàn)有技術(shù)，通過理論估算或類比的方法估算得到的數(shù)據(jù)，是從已知煤層中可采出的煤層氣總量，是確定煤層氣田是否具有經(jīng)濟(jì)價值的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步確定投資規(guī)模和開發(fā)方案的重要依據(jù)，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。從國外煤層氣的開采實(shí)踐可知，平均采收率為30%～70%。在對阜新煤田劉家區(qū)的產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測分析的過程中，因?yàn)槊簩拥臐B透率較低，煤層氣大多是以吸附狀態(tài)存在的，所以在估算時平均采收率可按照40%來進(jìn)行計(jì)算。

在合山煤田煤層氣預(yù)查立項(xiàng)的調(diào)研階段，尚不具備理論估算條件。合山煤田屬于高沼煤礦，多年的開采積累了較多的瓦斯資料，本次研究試圖利用開采煤礦的瓦斯涌出量，探討與煤層氣可采資源量之間的相關(guān)性。由于絕對瓦斯涌出量與噸煤產(chǎn)量直接相關(guān)，相對瓦斯涌出量以瓦斯涌出量和時間作為量綱。因此，采用相對瓦斯涌出量研究與煤層氣可采資源量之間的相關(guān)性，可以剔除煤炭產(chǎn)量不同的差異。

相對瓦斯涌出量是指礦井正常生產(chǎn)條件下，月平均日產(chǎn)1t煤所涌出的瓦斯數(shù)量。實(shí)際上，煤礦的相對瓦斯涌出量不僅由采空區(qū)和采動區(qū)的采出煤炭儲量貢獻(xiàn)，還應(yīng)該包含未采出（保安煤柱、不可采煤層）煤炭和其他一切氣源巖（含有機(jī)質(zhì)的巖層）。金玉明等[19]通過對阜新王營煤礦1992—1996年的瓦斯資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，全礦井年平均絕對瓦斯涌出量43.63m3/min，其中采掘區(qū)涌出瓦斯量為12.63m3/min，占礦井總涌出量的30%，而采空區(qū)和裂隙區(qū)（原文如此，應(yīng)為采動區(qū)）占比約70%。總之，相對瓦斯涌出量是煤系所有氣源巖中氣體可采系數(shù)的一個重要參照刻度。定性地說，相對瓦斯涌出量與煤層氣可采資源量具有較強(qiáng)的相關(guān)性。阜新和合山均屬于高瓦斯煤礦，在相對瓦斯涌出量方面可用于對比，相對瓦斯涌出量較高說明煤層氣易于開采。阜新煤田瓦斯相對涌出量較高平均為26.06m3/t·d，合山煤田平均為23.06m3/t·d，是阜新的88.49%，類比分析合山煤田的煤層氣可采資源量系數(shù)為35.40%，估算得出合山煤田可采煤層氣資源量22.478×108m3，比阜新煤田多6.158×108m3（見表3）。

中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在實(shí)施黑龍江雞西盆地煤炭資源枯竭礦區(qū)“原位區(qū)”1 000m以深，評價煤系氣（煤層氣、煤系頁巖氣、致密砂巖氣）資源潛力項(xiàng)目中，施工以煤系為目的層的煤層氣參數(shù)井——雞煤參1井，排采始于2016年11月21日，截至2017年11月1日，排采346d，共產(chǎn)氣33.37萬m3，最高2 239m3/d，連續(xù)8個月以上，達(dá)到大于1 100m3/d的工業(yè)氣流。新發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)層22#煤系泥頁巖氣、致密砂巖氣貢獻(xiàn)了該井大部分產(chǎn)氣量[20]。

合山組是在局限海域?yàn)I海平原或開闊海域淺海環(huán)境下形成的一套含煤碳酸鹽巖系，煤層發(fā)育在濱?；驕\海泥炭沼澤、潮坪泥炭沼澤以及泥炭坪沼環(huán)境中。煤層的直接頂、底板為灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、生物礁灰?guī)r，其對合山煤礦的相對瓦斯涌出量具有一定的貢獻(xiàn)。同時，合山組下部的茅口組（厚400m）灰、淺灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r亦會有所貢獻(xiàn)。

合山煤層氣勘查可以氣熱兼探。合山煤礦發(fā)育二疊系、三疊系地層，其含水層與隔水層交替產(chǎn)出，具備熱儲生儲蓋和構(gòu)造條件，巖漿巖活動較為發(fā)育。具有傳導(dǎo)和對流復(fù)合型地下熱水找礦前景。煤礦開采過程中，揭露到多處地?zé)岙惓＃厝?，埋深?80～330m，地下水溫35～36℃，水量總計(jì)大于6 800t/d，可以滿足17 000人洗浴需求[21-23]。

4 結(jié)論

煤層氣勘查與開采的過程中，制約因素相當(dāng)多。本次研究僅從煤炭保有資源量、煤層氣含量、相對瓦斯涌出量等方面考慮，用類比的方法，概略地研究合山煤田煤層氣資源前景。

經(jīng)過類比估算，預(yù)測合山煤田煤層氣資源量為63.498×108m3，估算可采煤層氣資源量22.478×108m3，比阜新煤田分別多22.698×108m3和6.158×108m3。總之，本研究表明，合山煤田具備勘查開發(fā)煤層氣的可能性，可以作為廣西合山煤田煤層氣預(yù)查項(xiàng)目立項(xiàng)的重要依據(jù)。

煤礦相對瓦斯涌出量是采動區(qū)、采空區(qū)所有氣源巖的貢獻(xiàn)，將其作為評價煤層氣資源量的重要參數(shù)，可以避免勘查評價階段，只能將參與估算的煤層資源量作為估算煤層氣的局限性，是本次研究的創(chuàng)新嘗試。相對瓦斯涌出量是煤礦實(shí)際開采過程中獲取的，主要用于界定瓦斯的危害烈度，尚無用于評價煤層氣資源量的報(bào)導(dǎo)。我國為加快推進(jìn)煤炭領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，要求化解淘汰過剩落后產(chǎn)能。據(jù)2018年李克強(qiáng)總理政府工作報(bào)告，“五年來（2013～2017年），退出煤炭產(chǎn)能8億t[24]”;2016年12月國家發(fā)展改革委、國家能源局在《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，“十三五”期間化解淘汰過剩落后產(chǎn)能8億t左右。大量關(guān)停的煤礦，不同程度地遺留有煤炭資源量，依據(jù)相對瓦斯涌出量是快捷評價這些關(guān)停煤礦煤層氣資源量的一種技術(shù)方法，具有一定的創(chuàng)新意義，可以達(dá)到以最小的地質(zhì)投入，達(dá)到最大的地質(zhì)成果。

合山煤礦礦井中，已知有36℃的熱水出露，可以與煤層氣共同勘查，建議在預(yù)查工作中施工23個氣熱兼探先導(dǎo)孔，大致了解氣熱資源賦存特征。

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