汝箕溝礦區(qū)煤層CO2埋存能力可行性分析*

向連格，艾 寧，劉 穎

（寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

寧夏是中國重要的煤炭產(chǎn)地，煤層分布廣泛，其中不可開采煤層占有相當?shù)谋壤?，這些煤層為CO2地質(zhì)封存提供了廣闊的空間，同時煤層中還蘊含著豐富的煤層氣，因此，利用CO2驅(qū)替煤層中的CH4既能夠達到儲存CO2的目的又能開采出潔凈的煤層氣資源［1-3］。應用煤層處置CO2對寧夏煤炭產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

汝箕溝礦區(qū)位于寧夏賀蘭山煤田中段，因出產(chǎn)世界上最優(yōu)質(zhì)的低灰低硫無煙煤而聞名中外，是寧夏煤田中勘探較早、研究程度較高的煤田，但應用煤層處置CO2的研究還未見有相關文獻報道。以汝箕溝礦區(qū)為研究區(qū)，綜合各類地質(zhì)因素，對礦區(qū)煤層CO2埋存能力進行可行性分析，以期對該地區(qū)煤炭產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展起到一定的指導意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)背景

汝箕溝礦區(qū)位于寧夏賀蘭山煤田西北部的寧蒙兩省交界處，如圖1所示，礦區(qū)總面積合計105 km2（其中二道嶺區(qū)、蠶特拉區(qū)屬內(nèi)蒙古自治區(qū)管轄）。寧夏境內(nèi)自北向南依次劃分為白芨溝、大峰溝、汝箕溝3個井田，屬大型煤礦床，礦區(qū)面積約90 km2。

圖1 研究區(qū)交通位置示意圖

1.1 礦區(qū)地層

礦區(qū)內(nèi)地層出露良好，由老到新出露的地層有上三疊統(tǒng)延長群，中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組，上侏羅統(tǒng)安定組，上覆為第四系沖積層、洪積層、坡積層。

延長群：為黃綠色巨厚層狀粗、中粒砂巖、粉砂巖及泥巖，上部泥巖中夾薄煤層或煤線，該地層在礦區(qū)厚324～2 525 m，有石英脈侵入，上覆地層為侏羅紀延安組。

延安組：該組地層是礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層，主體為泥炭沼澤、湖泊、河床相。上部主要為灰白色厚層石英質(zhì)粗粒砂巖，含有少量中、細粒砂巖，主要成分為石英，局部為含較多礫石的砂礫巖，淺灰色的粉砂巖、灰黑色的頁巖和泥巖；中上部夾薄煤層和煤線；向下發(fā)育巨厚煤層，為礦區(qū)主要煤層；下部發(fā)育灰白色長石石英中粗粒砂巖，深灰色細粒砂巖、粉砂巖及灰黑色泥巖互層，含數(shù)層中厚煤層及薄煤層；此外，靠下部的局部層位見透鏡狀結(jié)構(gòu)的雜色的鋁土巖、偶夾粗粒砂巖或含礫砂巖；底部為含菱鐵礦鮞粒的中粒砂巖或含結(jié)核的細粒砂巖和粉砂巖，并且見有石英脈侵入。該組地層在礦區(qū)內(nèi)厚度231～270 m，與下伏延長群的地層平行不整合接觸。

直羅組和安定組：主要為灰白、灰綠、淺灰色或黃綠色的長石石英砂巖，夾有薄層長石砂巖、細砂巖與灰綠色或黃綠色的粉泥巖、頁巖和砂巖互層。底部夾透鏡狀的灰白色中、粗粒砂巖、細礫巖及巨礫砂巖，分選性差，發(fā)育大型緩波狀層理，直羅組和安定組總厚約1 800 m［4-6］。巖層中見有侵入的石英脈，且多含有植物化石碎片，與下伏的延安組地層為整合接觸關系。

第四系：該系主要位于溝谷和山腳邊坡地帶，以砂、砂礫、角礫為主，多為沖積、洪積、坡積物，次為砂質(zhì)的風積土，厚0～20 m，與下伏的直羅組為不整合接觸關系。

以上地層中以侏羅系出露面積最廣，中侏羅統(tǒng)延安組為礦區(qū)內(nèi)的主要含煤地層，且延安組地層發(fā)育較齊全、分布廣泛、保存也完好，可采煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，煤層厚度較大。

1.2 礦區(qū)構(gòu)造

礦區(qū)由兩個寬緩的向斜和一個背斜組成。東部為汝箕溝向斜，西部為二道溝向斜。這兩個向斜被木葫蘆背斜分割，如圖2所示。汝箕溝向斜軸向NNE-NE，兩端閉合，兩翼地層平緩，東翼傾角12°～20°，西翼傾角25°～30°，翼部發(fā)育一些次級褶曲和斷層，斷距最大者僅38 m，其余皆小于20 m；二道嶺向斜為菱形盆狀，軸向NE15°～50°，西翼被小松山逆斷層切割，南東翼構(gòu)造簡單，地層走向NE40°左右，傾角45°～60°，北西翼走向近東西，傾角45°～80°。煤系出露于向斜的北、東、南三面，沿走向及傾向呈波狀起伏。向斜南西端構(gòu)造較復雜，次級褶曲發(fā)育。整個向斜內(nèi)共有斷層32條。小松山逆斷層走向NE，傾向NW，傾角30°～35°，延長10 km以上，新太古界與奧陶系推覆于侏羅系之上，構(gòu)成礦區(qū)西界。

圖2 汝箕溝礦區(qū)地質(zhì)簡圖

1.3 礦區(qū)煤層特征

礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育延安組煤層，共含煤9層，可采及局部可采者有7層（編號一、二、三、四、五、六、七），可采煤層總厚22.95～45.38 m，二煤為主要可采煤層，在礦區(qū)內(nèi)埋藏淺，厚度大，分布廣，穩(wěn)定性好，煤質(zhì)優(yōu)［7-9］。三煤為次要可采煤層，其余為局部可采煤層。

一煤：下距延安組底部砂巖50～80 m，為單一結(jié)構(gòu)，為局部可采煤層。

二煤：距一煤層21 m，結(jié)構(gòu)較復雜，一般可分為3個煤分層，上、下分層一般為薄煤層—中厚煤層，中分層為巨厚煤層。夾矸為大的透鏡體，巖性為粉砂巖；煤分層結(jié)構(gòu)較簡單，屬于比較穩(wěn)定型；二煤厚7.68～30.54 m，平均11.9 m，由淺而深逐漸變厚；研究區(qū)發(fā)育兩個富煤中心：一個位于汝箕溝向斜的大峰礦東北部，另一個位于二道嶺向斜的東北部，這兩個富煤中心的煤厚都在20 m以上。

三煤：距二煤層33～45 m，屬較穩(wěn)定的中厚層煤，結(jié)構(gòu)較復雜，夾矸厚度小，一般厚0.5 m；頂、底板多為粉砂巖和泥巖；煤厚0.45～3.50 m，平均厚度2.56 m，平均有益厚度2.26 m。

四煤：距三煤層4～14 m，為極不穩(wěn)定的局部可采煤層。

五煤：距四煤層18～25 m，屬較穩(wěn)定的局部可采煤層，結(jié)構(gòu)較復雜。

六煤：距五煤層7 m，僅局部可采，結(jié)構(gòu)復雜。

七煤：在北部井田屬較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)復雜的可采煤層，部分地段因沖刷厚度減薄甚至尖滅；向南則分叉為2～3層，分層間距一般為10 m左右。

總之，研究區(qū)煤層穩(wěn)定，厚度大，煤層總厚度最大達34.02 m，薄者22.95～24.63 m，含煤系數(shù)為9%～13%；而西部向斜的煤系減薄為160 m，煤層分叉，厚度減薄至20.63 m，至向斜的北段和南段煤系厚僅30 m，煤層總厚度只有2.3～2.9 m，下部煤層已逐漸尖滅。各煤層煤厚情況見表1。

表1 汝箕溝礦區(qū)煤厚表

2 礦區(qū)CO2埋存可行性分析

前人在對深部煤層埋存CO2研究中總結(jié)了影響CO2埋存的地質(zhì)因素，主要有煤質(zhì)、煤層厚度、煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造及煤層頂?shù)装宸忾]能力等［10-12］。現(xiàn)結(jié)合汝箕溝礦區(qū)的具體地質(zhì)情況，對區(qū)內(nèi)CO2埋存可行性綜合分析。

2.1 煤質(zhì)

汝箕溝礦區(qū)煤樣宏觀煤巖以光亮型為主?？傮w呈現(xiàn)為灰黑色金屬光澤，致密堅硬，斷口或參差或平坦，內(nèi)生裂隙較發(fā)育，煤樣顯微煤巖組分具有極高鏡質(zhì)組、極低惰質(zhì)組的特點，見表2。因鏡質(zhì)組是由植物在覆水還原條件下，經(jīng)凝膠化作用形成，惰質(zhì)組是由植物在覆水較淺、氧化，經(jīng)絲炭化作用在泥炭沼澤中沉積形成，鏡/惰比值可指示煤層形成環(huán)境的氧化還原環(huán)境，比值高表明煤層形成時泥炭沼澤處于還原的環(huán)境。

煤的工業(yè)分析是評價煤質(zhì)特征的重要指標，是確定煤組成最基本的方法，汝箕溝煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表3。

表2 汝箕溝礦區(qū)煤巖特征統(tǒng)計表

表3 煤樣工業(yè)分析結(jié)果統(tǒng)計表

如前文所述，煤中水分含量越高，煤對CO2的吸附量越低。由表3中的測試數(shù)據(jù)可以看出，汝箕溝煤樣的水分含量很低，僅分布在0.08%～1.09%之間。大部分煤巖樣品的鏡質(zhì)體反射率＞2.5%，灰分＜15%，揮發(fā)分＜13%，含硫量＜1%。這充分表明了汝箕溝礦區(qū)屬于高變質(zhì)、低灰分、特低揮發(fā)分、特低硫煤，屬典型的洪積、沖積扇-河流體系聚煤環(huán)境，后期受區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用影響，煤化程度高，體現(xiàn)了高變質(zhì)無煙煤的特征。單從煤質(zhì)考慮，汝箕溝礦區(qū)煤質(zhì)適宜CO2封存。

2.2 煤厚及煤層埋深

煤層厚度對CO2封存至關重要，煤層越厚，存儲空間越大，另外，單一厚煤層比多層薄煤層對存儲更有利，且煤層橫向分布連續(xù)，垂向與周圍地層隔離，對封存CO2也有利。汝箕溝礦區(qū)含煤地層穩(wěn)定，煤層厚度較大，煤層總厚度最大達34.02 m，薄者為22.95～24.63 m。在汝箕溝煤礦西南部及白芨溝煤礦東南部的延安組煤層，由于上覆有近400 m的直羅組厚層砂巖覆蓋，導致部分地區(qū)延安組煤層埋深較深，其中，深部不可采的深煤層對CO2埋存有利。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

一般情況下，斷層的存在都會對巖層的連續(xù)性起到破壞的作用，蓋層的橫向完整性和連續(xù)性也都會受到影響，從而使區(qū)域封閉能力整體下降。所以，在CO2埋存中，斷層的性質(zhì)和產(chǎn)狀不同會起到不一樣的作用，或者是封堵，或者是通道。通常受到壓扭力作用的斷層，斷裂面接觸較緊密，具有封閉性，對CO2能起到一定的封堵作用；相反，張性斷層則更有利于CO2的注入和滲透。因此，從宏觀上看，地層穩(wěn)定，構(gòu)造簡單的沉積盆地對CO2埋存最有利。

汝箕溝礦區(qū)主體為汝箕溝向斜，兩翼近對稱，向斜至白芨溝井田北端、汝箕溝井田南端近閉合，沿向斜軸方向有次級褶皺。白芨溝井田及汝箕溝井田內(nèi)構(gòu)造簡單，沒有大型斷層，故對CO2封存有利。

2.4 煤層頂?shù)装宸忾]能力

要有效地埋存CO2，儲體上下方必須有不滲透的蓋層和底板進行遮擋和封閉。尤其是蓋層的好壞，直接影響CO2在儲體中的聚集效率和埋存時間。

雖然汝箕溝礦區(qū)煤層頂板以中粗粒砂巖及粉砂巖為主，還有少量的泥巖和細砂巖，底板以中粒砂巖為主，但是根據(jù)前人研究資料可知頂板孔隙度為3.44%，底板孔隙度為4.06%，孔隙度低，裂隙不發(fā)育，頂?shù)装寰勺鳛榱己玫姆忾]層。另外，侏羅紀直羅組粗砂巖含水層的充水性良好，有利于煤層氣的保持。

3 結(jié)語

汝箕溝礦區(qū)煤質(zhì)優(yōu)，具有高變質(zhì)、低灰分、特低揮發(fā)分、特低硫的特點。煤層厚且分布穩(wěn)定，部分煤層埋深較深。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，以向斜為主，汝箕溝井田和白芨溝井田無大型斷層，并且煤層頂板和底板封閉能力較強，宏觀上適宜進一步優(yōu)選CO2埋存選區(qū)。鑒于研究區(qū)內(nèi)沒有開展過CO2埋存的相關研究工作，建議綜合分析煤儲層環(huán)境對CO2封存的影響因素（即溫度、壓力、水分、其他氣體等），在該區(qū)開展深部不可采煤層對CO2埋存的相關研究工作，優(yōu)選出有利的埋存靶區(qū)，為寧夏的煤層氣抽采，CO2減排提供可行性方案。