內(nèi)蒙古黑城子礦區(qū)煤層氣資源條件分析

于東方

（1.內(nèi)蒙古煤勘非常規(guī)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)非常規(guī)工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010010）

0 引言

黑城子煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西南部，行政隸屬于正藍(lán)旗黑城子鎮(zhèn)。黑城子礦區(qū)作為黑城子煤田的主要產(chǎn)煤礦區(qū)，歷經(jīng)了近60 年的煤炭地質(zhì)勘查工作，其區(qū)域構(gòu)造和沉積特征［1-2］、聚煤規(guī)律［3-4］等已經(jīng)明確，相關(guān)地質(zhì)資料也較為豐富，但針對礦區(qū)煤層氣資源成藏條件和富集規(guī)律的研究尚且少而淺顯，沒有系統(tǒng)分析煤層氣成藏的主要地質(zhì)因素。因此，有必要對該區(qū)進(jìn)行煤層氣資源條件分析，估算其資源潛力，以期為研究區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

黑城子煤田構(gòu)造位置處于華北陸塊東南部邊緣弧形構(gòu)造帶（巴爾騰山—太仆寺旗巖漿弧），整體呈一個(gè)軸向NNE、向南傾伏的寬緩短軸向斜構(gòu)造。黑城子礦區(qū)位于向斜東北翼，總體構(gòu)造形態(tài)為一傾向SEE 的單斜，傾角介于5°～10°，僅在西北發(fā)育1 條斷層，礦區(qū)面積約為14.18 km2。黑城子礦區(qū)全部被第四系黃土和風(fēng)積沙所覆蓋。煤炭鉆孔揭露，地層自下而上為下白堊統(tǒng)黑城子組（K1h）和新生代松散地層。黑城子組為含煤地層，主要巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層等，不整合在火山巖之上，該組地層厚度較大，由東向西、由南向北逐漸變厚，鉆孔揭露煤系地層厚度介于239.84～849.20 m，平均為508.82 m，共發(fā)育8個(gè)煤組、52層煤。根據(jù)煤系地層綜合柱狀圖和主要煤層發(fā)育特征表可以看出（圖1、表1），煤層總體呈現(xiàn)出層數(shù)多、層間距小、厚度較大的特征。5煤組和6煤組為主要可采煤層，發(fā)育較穩(wěn)定、分布較廣、厚度相對較大、埋深適中，可以作為煤層氣資源勘查開發(fā)的主要目的層。

表1 礦區(qū)主要煤層發(fā)育特征統(tǒng)計(jì)表

圖1 煤系地層綜合柱狀圖

2 煤層氣成藏條件

相對于中高煤階而言，一般低煤階煤儲(chǔ)層滲透性較好，吸附性相對較弱，易解吸，是煤層氣開發(fā)的有利因素，但不利于煤層氣成藏。因此，低煤階煤層氣成藏更依賴于生氣基礎(chǔ)和保存條件。

2.1 生氣基礎(chǔ)

黑城子礦區(qū)共發(fā)育8個(gè)煤組，鉆井揭示5煤組平均厚度約15 m，6煤組平均厚度約34.5 m，煤巖類型為半亮煤，腐殖組含量高，灰分較低，為煤層氣成藏提供了良好的生氣基礎(chǔ)。

2.1.1 煤層厚度

礦區(qū)煤儲(chǔ)層累計(jì)厚度較大，一般厚度大于50 m，最大累計(jì)厚度達(dá)281.6 m，可采煤層平均總厚度為106 m，平面上呈現(xiàn)出自東向西逐漸變厚的特征。5 煤組主要包括5-1、5-2、5-3 煤層，層間距較小，最大層間距為19.50 m，平均層間距約為7.00 m。6煤組主要包括6 上-1、6 上-2、6-1、6-2、6-3、6-4、6-5和6-6煤層，其層間距介于0.10～25.32 m，平均層間距約為7.60 m。因此，5 煤組和6 煤組煤層適宜于以煤組為單位進(jìn)行煤層氣資源評價(jià)和勘查開發(fā)。礦區(qū)5 煤組厚度一般介于10～30 m，平均約為15 m，在鉆孔3-6和b10-1附近形成一個(gè)聚煤中心，最大厚度達(dá)38 m，平面上總體呈現(xiàn)出西厚東薄的特征（圖2）。6 煤組厚度較大，一般介于40～60 m，平均約為35 m，在鉆孔4-11附近形成一個(gè)聚煤中心（圖3）。研究區(qū)煤層分布穩(wěn)定、厚度大的特征為煤層氣成藏奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 5煤組厚度分布圖

圖3 6煤組厚度分布圖

2.1.2 煤巖煤質(zhì)

1）宏觀煤巖類型。該礦區(qū)目的煤層結(jié)構(gòu)為條帶狀，構(gòu)造為塊狀。其外生裂隙、內(nèi)生裂隙均不發(fā)育，不易碎。目的煤層宏觀煤巖類型為半亮煤，煤巖組分以暗煤為主、亮煤次之［5］。

2）顯微組分。煤化過程中，鏡質(zhì)組（腐殖組）可以生成少量的油和較多的甲烷氣。一般認(rèn)為鏡質(zhì)組（腐殖組）含量高，則生烴能力強(qiáng)，產(chǎn)氣量也高［6］。礦區(qū)內(nèi)各主要可采煤層有機(jī)質(zhì)含量較高，最高達(dá)到98.8%，有機(jī)顯微組分以腐殖組為主，含量介于94.2%～100.0%，平均為96.1%（表2），表明區(qū)內(nèi)煤層具有非常高的生氣能力。

3）灰分。理論上煤層對煤層氣的吸附主要是煤中有機(jī)組分的貢獻(xiàn)，無機(jī)物質(zhì)表面和氣體之間沒有親和力，有機(jī)物質(zhì)占據(jù)的空間若被無機(jī)物質(zhì)所替代，將會(huì)減少有機(jī)物質(zhì)吸附氣體的表面積［7］141，因此，灰分含量越高，煤層的吸附性越差。此外，煤中灰分與煤層含氣量也有一定的關(guān)系，主要表現(xiàn)在煤中黏土礦物等部分無機(jī)質(zhì)影響到煤的大分子結(jié)構(gòu)，從而影響煤的吸附能力和含氣性［8-9］。黑城子礦區(qū)煤層工業(yè)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示（表2），目的層灰分含量介于2.22%～24.02%，平均值為10.31%，整體上以中—低灰煤為主。因此該區(qū)煤儲(chǔ)層相對較有利于煤層氣的賦存。

4）黏土礦物含量。含礦物基中以黏土礦物為主，其次為硫化物礦物，碳酸鹽礦物、氧化硅礦物含量最低。整體上區(qū)塊內(nèi)煤層中黏土礦物含量相對較高（表2），有利于煤儲(chǔ)層中吸附態(tài)氣體的賦存。

5）煤變質(zhì)程度。區(qū)內(nèi)主要目的煤層的鏡煤最大反射率在0.216 7%～0.413 0%（表2），根據(jù)西安煤炭科學(xué)分院地質(zhì)勘探研究所提出的以鏡煤最大反射率為標(biāo)準(zhǔn)劃分煤變質(zhì)階段的方案，區(qū)內(nèi)各煤層屬零變質(zhì)階段的低變質(zhì)褐煤，其變質(zhì)程度與霍林河煤田相當(dāng)。

表2 主要煤層顯微煤巖組分及工業(yè)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.1.3 孔裂隙特征

煤儲(chǔ)層是一種雙孔隙巖層，由基質(zhì)孔隙和裂隙組成，且有自身獨(dú)特的割理系統(tǒng)。礦區(qū)內(nèi)煤類以低變質(zhì)褐煤為主，整體上煤變質(zhì)程度較低，煤巖組分以暗煤為主，外生裂隙和內(nèi)生裂隙基本不發(fā)育，但是孔隙發(fā)育，以大中孔為主，且煤層氣的滲流通道主要以孔隙為主［10］。

2.2 保存條件

煤層氣保存的主要影響因素包括煤層埋深、構(gòu)造發(fā)育特征、煤層頂?shù)装宸馍w能力及地下水動(dòng)力特征等，埋深和構(gòu)造既影響生烴演化史，也與含氣量大小緊密相關(guān)，水文地質(zhì)條件決定了煤層氣的運(yùn)移和成藏類型。

2.2.1 煤層埋深和構(gòu)造條件

黑城子煤田是屬于燕山運(yùn)動(dòng)控制的斷陷盆地，盆地形成過程中以沉降運(yùn)動(dòng)為主，尤其是含煤建造形成過程中，地層持續(xù)穩(wěn)定沉降，埋深不斷變大，地溫升高，煤化作用增強(qiáng)［7］142，不斷生氣。同時(shí)煤層上覆蓋層不斷變厚，有利于煤層氣的保存。另外隨著煤層埋藏深度的增加，煤儲(chǔ)層所受上覆地層壓力增加，更有利于煤層氣的吸附。區(qū)內(nèi)主力煤層埋深一般介于300～900 m，呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸加深的特征（圖4）。該區(qū)總體為一向南東傾斜的單斜構(gòu)造，斷裂基本不發(fā)育，局部斷裂規(guī)模較小。受單斜構(gòu)造的控制，由東往西煤層埋藏深度逐漸增大，煤儲(chǔ)層所受地層壓力及煤層中有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)組反射率由東往西逐漸增大，就構(gòu)造條件而言，礦區(qū)西部好于東部。

圖4 6-6煤埋深等值線圖

2.2.2 煤層頂?shù)装鍘r性特征

整體而言，該區(qū)主要可采煤層的頂?shù)装逯饕獮榫哂辛己梅馍w能力的砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部地區(qū)分布砂巖。礦區(qū)5 煤組煤層頂板巖性以結(jié)構(gòu)致密的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度大于10 m，最大厚度達(dá)44 m，在鉆孔22 孔附近及礦區(qū)東西邊界分布砂巖頂板（圖5）。礦區(qū)6 煤組煤層頂板巖性幾乎均為泥巖、粉砂巖，僅零星分布砂巖，泥巖平均厚度為19 m，最大厚度為30 m（圖6），在煤層氣生成、運(yùn)移、成藏過程中起到了良好的封蓋效應(yīng)，非常有利于煤層氣資源的聚集成藏。

圖5 5煤組煤層頂板泥巖厚度分布圖

圖6 6煤組煤層頂板泥巖厚度分布圖

2.2.3 水文地質(zhì)條件

地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄及水動(dòng)力特征受構(gòu)造控制，同時(shí)又對煤層氣的保存起至關(guān)重要的作用［11-12］。整體上礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)為一傾向SEE 的單斜構(gòu)造，含煤地層在東部出露于地表，向西埋藏深度逐漸增大，含煤地層在東部接受地表水的補(bǔ)給，沿著含煤地層向深部徑流，與煤層氣的運(yùn)移方向相反，對煤層氣的成藏形成了良好的水力封堵作用［13］。同時(shí)由于新生界隔水層和黑城子組隔水層的發(fā)育，阻止含水層間的聯(lián)通，對煤層氣的成藏起到了良好的封蓋作用。因此煤層氣在受到水力封堵和巖性封蓋的雙重作用下更容易在西部聚集成藏，西部煤層含氣性很可能高于東部。

3 資源潛力

黑城子礦區(qū)煤層氣勘查程度較低，缺少實(shí)測含氣量測試數(shù)據(jù)，而該礦區(qū)與鄰近的霍林河煤田在構(gòu)造—沉積演化、成煤環(huán)境、古地理［14］等方面都很相似，并且其煤巖煤質(zhì)、煤層發(fā)育特征等條件［15］也具有可類比性（表3）。因此，該礦區(qū)煤層氣生氣條件較好、埋深介于500～1 000 m 的煤層氣含氣量值可參照霍林河煤田實(shí)測值，取值為5.4 m3／t，據(jù)此進(jìn)行煤層氣資源量估算。黑城子礦區(qū)埋深介于500～1 000 m的煤層主要分布于礦區(qū)西部，累計(jì)厚度大于100 m，面積約4.4 km2，煤層氣潛在資源量為8.0 ×108m3，資源豐度約為1.82×108m3／km2。

表3 霍林河煤田、黑城子礦區(qū)煤層氣地質(zhì)因素對比表

4 結(jié)論

1）黑城子礦區(qū)煤層平均總厚度為106 m，5煤組和6 煤組可以作為煤層氣的主要目的層，5 煤組、6煤組煤層分布穩(wěn)定、厚度較大，屬于半亮型煤，為煤層氣成藏提供了良好的生烴基礎(chǔ)。

2）主要目的煤層埋深500～1 000 m 的區(qū)域位于礦區(qū)西部，累計(jì)厚度大于100 m，頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖為主，且厚度一般大于10 m，水力封堵和巖性封蓋的雙重作用為煤層氣富集提供了良好的保存條件。

3）黑城子礦區(qū)的有利區(qū)塊位于礦區(qū)西部，面積為4.4 km2，煤層氣潛在資源量為8.0×108m3，資源豐度約為1.82×108m3／km2，可以部署施工探井以獲取實(shí)測含氣量、儲(chǔ)層壓力、煤儲(chǔ)層吸附性等地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)一步開展煤層氣有利區(qū)優(yōu)選評價(jià)。