云南老廠礦區(qū)煤層氣儲層地質條件及其資源潛力

李金龍，李 倩，蔡益棟，陳 偉，陳志柱，王 堅，薛曉輝

(1.云南省煤田地質局，云南 昆明 650034；2. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；3. 北京福瑞寶能源科技有限公司，北京 100176；4. 云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司，云南 昆明 650034)

0 引 言

我國煤層氣資源豐富，地質資源量約為36.8×1012m3，占世界煤層氣總量的12%[1]。煤層氣作為非常規(guī)能源體系中的重要組成部分，其勘探開發(fā)對保障國家能源安全、促進能源結構清潔化、實現(xiàn)“雙碳”目標均有重要意義[2-5]。云南老廠礦區(qū)煤儲層面積514.41 km2，各煤層甲烷含量 5.40～38.74 m3/t，一般在10 m3/t 以上。全區(qū)煤層氣869.62 億m3，資源豐度1.69 億m3/km2，其中淺部含氣豐度 0.21～1.34 億m3/km2[6]。前人針對老廠礦區(qū)煤層氣賦存地質條件[7]、儲層特征及孔裂隙結構[8]、水文地質特征[9]、煤層氣成藏條件[10]、煤層氣可動性、氣井產(chǎn)能特征及其影響因素[11-12]、氣水成因[13]等開展了研究，但針對區(qū)域資源特征仍缺乏系統(tǒng)性的研究；因此，本文擬針對老廠礦區(qū)煤層發(fā)育、煤巖特征、物性特征、煤層吸附性及含氣性等富集采出關鍵要素開展分析，評價區(qū)內(nèi)煤層氣地質條件和資源潛力，為該區(qū)煤層氣選區(qū)、井位部署和后期優(yōu)化開發(fā)方案提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質概況

老廠礦區(qū)是我國西南地區(qū)重要的煤炭及煤層氣富集區(qū)之一[8]，構造位置屬于揚子準地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束與華南褶皺系滇東褶皺帶羅平—師宗褶斷束的接觸過渡區(qū)，以彌勒—師宗斷裂為界，在師宗以北向東彎曲拐向 NE，經(jīng)羅平向NE延至黃泥河[14](圖1)。老廠礦區(qū)為滇東各礦區(qū)中受海侵影響最大、海陸交互相沉積最明顯的礦區(qū)。礦區(qū)地層下部為海相灰?guī)r夾碎屑巖，中部為潟湖潮坪濱海湖沼沉積相富煤沉積地層，上部為濱海平原到短期海侵交替沉積環(huán)境下的含煤沉積地層[15-16]。沉積期間構造快速沉降，煤系地層厚度大，上覆地層也較厚。受區(qū)域地溫異常等因素的影響，本區(qū)煤變質程度較高。

圖1 老廠礦區(qū)勘查區(qū)位置及構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Laochang block

區(qū)內(nèi)出露地層有古生界寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系及新近系、第四系地層。缺失震旦系上統(tǒng)、奧陶系上統(tǒng)及下統(tǒng)、志留系下統(tǒng)及中統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)、侏羅系、白堊系等地層。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，含煤地層平均總厚461.41 m，層數(shù)較多，且大多可采。一般含煤27～42層，含煤總厚36.02 m，其中含可采或局部可采煤層15層，平均總厚27.61 m。其中，C7+8、C13、C16、C194個煤層是區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)的重點目標層段。此外，含煤地層由泥巖、粉砂巖、細砂巖、煤層及菱鐵巖等互層交替組成。煤層頂?shù)装宥酁楹穸炔坏鹊哪鄮r或炭質泥巖，具有較好的封閉性，煤層氣生儲蓋疊置分布(圖2)[17]，有利于煤層生氣后的富集和保存[2, 5]。

圖2 老廠礦區(qū)雨汪區(qū)塊含煤地層綜合柱狀圖[13]Fig.2 Stratigraphy for coalbeds in the Laochang Block[13]

2 煤儲層特征

2.1 煤層特征

老廠礦區(qū)內(nèi)部分煤層有向深部變薄、分叉合并的變化趨勢。煤層總體變化規(guī)律為：(1)煤層結構在垂向上，自下而上由復雜到簡單；(2)煤層層間距變化大，平均間距多在3～10 m之間，部分煤層層間距較小，有分叉合并現(xiàn)象；(3)煤層厚度穩(wěn)定性在垂向上，自下而上有從不穩(wěn)定→較穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定變化的規(guī)律。目標煤層C7+8厚度介于0～9.50 m之間，平均厚2.72 m，在全區(qū)平均厚度最大，屬穩(wěn)定可采的中厚煤層；C13煤層厚度為0～13.34 m，平均厚2.28 m，層位穩(wěn)定，屬較穩(wěn)定的全區(qū)大部可采的薄-中厚煤層；C16煤層厚度在0～9.16 m之間，平均厚1.74 m，屬穩(wěn)定的全區(qū)基本可采的中厚煤層；C19煤層厚度為0～12.52 m，平均厚2.68 m，屬全區(qū)基本可采、較穩(wěn)定的薄-中厚煤層。煤層厚度不僅會影響煤層氣的資源量，還會影響其逸散和保存作用[18]。煤儲層中有機質含量隨煤層厚度增加而增多，因而煤層越厚，生氣量也會隨之增加[19]，并且當構造較為穩(wěn)定時，相同煤階的煤層越厚，含氣量就越高[20]。

2.2 煤巖特征

老廠礦區(qū)煤巖以構造煤為主。各煤層裂隙較為發(fā)育，易破碎成塊粒煤或粉粒煤。宏觀煤巖類型主要有光亮型、半亮型和半暗型。4套主采煤層中，C7+8、C13、C16煤層以半亮型為主， C19煤層為半暗-暗淡型。有機顯微組分以鏡質組為主，殼質組次之，含少量惰質組。鏡質組含量普遍大于60%，以無結構鏡質體為主，結構鏡質體和碎屑鏡質體次之。其中無結構鏡質體以均質和基質鏡質體為主，少見團塊鏡質體。結構鏡質體中，植物細胞結構保存較差，其中細胞腔少數(shù)中空，多填充有黏土礦物及碳酸鹽礦物和其他顯微組分。而殼質組以變碎屑殼質體、變樹脂體、變樹皮體、變角質體為主。惰質組在煤巖組分中含量較少，以半絲質體、碎屑惰質體較多，其次為絲質體，粗粒體所占比例很少。煤巖組分中無機礦物含量差異較大，介于1.90%～60.70%之間，平均為20.28%。主要類型有黏土、硫化鐵、碳酸鹽、氧化硅4大類，以黏土為主。大部分礦物都與有機質混生，常被基質鏡質體“膠結”，部分充填于細胞腔或裂隙當中。各煤層原煤灰分產(chǎn)率介于8.13%～57.22%之間，平均為22.53%，屬于中灰煤。煤層灰分產(chǎn)率在垂向上總體表現(xiàn)為由上往下增大的趨勢，到C19煤層達到最大。各煤層原煤全硫含量介于0.05%(C2煤層)～12.78%(C17煤層)之間，平均值一般在1%～2%之間，以中-高硫煤為主。各煤層全硫含量在垂向上總體表現(xiàn)為從上至下增加的趨勢，至C17煤層最高(達4.49%)。上部(C2—C16)煤層全硫平均值為1.06%～2.53%，下部(C18—C19)煤層為1.88%～4.46%，其中C18、C19煤層全硫大于3%(表1)。總體來看上部煤層煤質較好，而下部煤層煤質較差，煤層受外力擾動易碎，導致煤層滲透性變差[21]。

表1 老廠礦區(qū)可采煤層主要煤質指標統(tǒng)計

表2 老廠礦區(qū)各煤層微觀裂隙發(fā)育特征統(tǒng)計

2.3 物性特征

我國不同區(qū)域煤巖變質作用類型差異較大，但總體表現(xiàn)為：中低階煤多經(jīng)歷深成變質作用，而高煤階則是在深成變質的基礎上，經(jīng)多期次和多熱源變質作用疊加形成[22-24]。研究區(qū)各煤層鏡質組最大反射率在2.54%～2.80%之間，平均值為2.64%，屬于高階煤。煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育程度主要與構造應力的后期改造破壞緊密相關，近斷層處和褶皺擠壓較強部位節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層主裂隙與次裂隙近直角相交，近垂直層理，裂隙走向大體一致，并且多被方解石、黃鐵礦、氧化物等物質充填。4套主力煤層當中，C13煤層的微觀裂隙發(fā)育程度最好，但由于受礦物填充影響，連通性變化較大，C14煤層的微觀裂隙發(fā)育程度最差(表2)。

總體而言，上部煤層裂隙較為發(fā)育，但長度和密度較小，部分裂縫被方解石脈或黃鐵礦所充填，裂隙連通性可能較差，會影響煤層滲透率的發(fā)育[25-26]。中部煤層裂隙發(fā)育，密度較大，連通性相對較好。下部煤層裂隙發(fā)育程度和連通性變化較大，裂縫同樣有被礦物充填的現(xiàn)象。

研究區(qū)的煤層孔隙度介于1.30%～16.75%之間，平均4.96%；C7+8、C13、C16、C194個目標煤層的孔隙度介于1.30%～11.98%之間，平均4.85%，其中C7+8煤層的孔隙度最小，C16煤層的孔隙度最大(圖3)。

圖3 老廠礦區(qū)各煤層孔隙度層位分布圖 Fig.3 Porosity distribution map of each coal seam inLaochang block

基于試井滲透率測試，研究區(qū)內(nèi)煤層滲透率相對較低(表3)，介于0.005 6～0.780 0 mD之間，平均0.135 4 mD，以中低滲儲層為主。試井滲透率隨層位降低無明顯規(guī)律性變化的趨勢，可能是試井過程中煤層結構被破壞，或是由于煤儲層自身具有的強各向異性[27]和非均質性[28]所致。C7+8煤層試井滲透率介于0.005 6～0.136 0 mD之間，平均為0.070 8 mD；C13煤層試井滲透率為0.016 0～0.023 0 mD，平均值是0.019 5 mD；C16煤層試井滲透率為0.200 0～0.780 0 mD，平均為0.490 0 mD；C19煤層試井滲透率為0.025 0～0.080 0 mD，平均為0.052 5 mD。4套主力煤層，C16煤層滲透性最好，屬中滲儲層；C13煤層最差，屬低滲儲層；C7+8煤層和C19煤層介于兩者之間，屬中低滲儲層?？傮w上具有隨煤層埋深增加滲透率呈現(xiàn)變小的趨勢。

研究區(qū)主要煤儲層壓力介于1.21～12.41 MPa之間，平均為8.34 MPa；儲層壓力梯度處于0.65～2.73 MPa/hm范圍內(nèi)，平均為1.07 MPa/hm(圖4)。煤儲層壓力隨埋深增加而增大，壓力梯度隨埋深增加逐漸減小。煤儲層的壓力系統(tǒng)決定煤層氣產(chǎn)出的能量大小及有效驅動能量持續(xù)作用時間[29-30]。

表3 老廠礦區(qū)煤層氣井試井部分參數(shù)統(tǒng)計

研究區(qū)各儲層能量總體上處于正常偏高，臨近正常壓力狀態(tài)，部分煤層為高壓儲層。4個目的煤層的儲層壓力在1.21～12.41 MPa內(nèi)，平均為7.26 MPa；壓力梯度為0.65～2.73 MPa/hm，平均值是1.07 MPa/hm。4個目的煤層處于正常儲層壓力狀態(tài)，為常壓儲層，地層能量較好。

圖4 目標煤層儲層壓力與埋深關系 Fig.4 Relationship between reservoir pressure and burialdepth of target coal seams

3 煤層吸附性與含氣性

煤層含氣性與吸附性是計算煤層氣資源量和預測煤層氣井產(chǎn)能的重要參數(shù)之一，也是進行煤層氣勘探與開發(fā)地質選區(qū)的重要依據(jù)[31-32]。區(qū)內(nèi)主采煤層空氣干燥基蘭氏體積介于6.37～52.90 m3/t之間，平均為34.14 m3/t；干燥無灰基蘭氏體積處于15.21～52.55 m3/t范圍內(nèi)，平均值是34.55 m3/t；蘭氏壓力在0.51～3.53 MPa內(nèi)，平均值為1.60 MPa；吸附時間處于0.12～28.01 d之間，平均3.98 d。主采煤層吸附能力較強，并且隨煤層埋深增加而增強(圖5)，其可能是由于埋深影響下的儲層壓力和變質程度增強了儲層吸附能力。

圖5 老廠礦區(qū)煤層蘭氏體積隨深度變化Fig.5 Curves of coal seam VL with depth in Laochang block

圖6 含氣飽和度與儲層壓力、實測含氣量、埋深關系Fig.6 Relationship between gas saturation and reservoir pressure, measured gas content and burial depth

區(qū)內(nèi)空氣干燥基含氣飽和度為7.44%～94.57%，平均34.51%；干燥無灰基含氣飽和度2.28%～97.89%，平均30.71%；同煤層空氣干燥基和干燥無灰基含氣飽和度的加權平均值為2.28%～96.23%，平均30.49%。整體表現(xiàn)為低含氣飽和度特征，其中C2煤層、C3煤層以及C9煤層的含氣飽和度均在10%以下。對研究區(qū)區(qū)各煤層含氣飽和度、儲層壓力、含氣量、埋深等因素展開分析，在區(qū)內(nèi)埋深504.64～1 225.39 m范圍內(nèi)，各煤層儲層壓力與埋深呈正相關。儲層含氣飽和度與實測含氣量的相關度較高，具體表現(xiàn)為含氣飽和度隨實測含氣量的增加而增大(圖6)，而儲層含氣飽和度同儲層壓力總體呈負相關關系(圖7)。

圖7 儲層含氣飽和度與儲層壓力關系圖 Fig.7 Relationship between reservoir gas saturation andreservoir pressure

4 煤層資源潛力評價

本次研究采用體積法計算煤層氣資源量。經(jīng)計算，老廠礦區(qū)(道班房+雨汪)埋深2 000 m以淺含煤面積335.25 km2，煤層氣地質資源量為1 395.10億m3，煤層氣資源豐度高達4.16 億m3/ km2。從平面分布來看，50%以上的煤層氣資源集中賦存在道班房區(qū)塊德黑向斜和箐口向斜，地質資源量為727.55 億m3；道班房區(qū)塊南部煤層氣地質資源量為396.62 億m3，占整個老廠礦區(qū)的28.43%；雨汪區(qū)塊地質資源量270.93 億m3，占整個老廠礦區(qū)的19.42%。盡管道班房區(qū)塊的地質資源量更多，但雨汪區(qū)塊的煤層氣資源均賦存于埋深1 000 m以淺，更有利于煤層氣開發(fā)。因此，雨汪區(qū)塊可作為煤層氣勘探開發(fā)首選區(qū)。

表4 老廠礦區(qū)煤層氣地質資源量統(tǒng)計

表5 老廠礦區(qū)主要煤層煤層氣地質資源量統(tǒng)計

從縱向分布來看，整個老廠礦區(qū)(道班房區(qū)塊+雨汪區(qū)塊)埋深1 000 m以淺的煤層氣地質資源量為422.82 億m3，占30.31%；埋深1 000～1 500 m煤層氣地質資源量343.36 億m3，占24.61%；埋深1 500～2 000 m煤層氣地質資源量628.91 億m3，占45.08%(表4)。

4套主采煤層中，C13煤層煤層氣地質資源量為174.75 億m3，平均資源豐度0.53 億m3/km2，對全區(qū)煤層氣地質資源量貢獻率為12.53%；C19煤層煤層氣地質資源量為136.18 億m3，平均資源豐度0.44 億m3/km2，對全區(qū)煤層氣地質資源量貢獻率為9.76%(表5)。經(jīng)計算，C7+8煤層煤層氣地質資源量約190 億m3，C16煤層煤層氣地質資源量約110 億m3。全礦區(qū)4套主采煤層的煤層氣地質資源量總計超過600 億m3。各目的煤層預測煤層氣資源量均大于100 億m3，但平均地質資源豐度屬中-低豐度，單一煤層煤層氣資源富集程度相對較低，需要采用合層開采的方式生產(chǎn)。

5 結 論

(1)云南老廠礦區(qū)煤層宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型和半暗型為主。煤巖顯微組分以鏡質組為主，多為無結構鏡質體，結構鏡質體和碎屑鏡質體次之。煤層頂?shù)装寰心鄮r、粉砂巖等封閉性良好的蓋層，有助于煤層氣的保存。

(2)目標煤層屬于高階煤，煤層孔隙度介于1.30%～11.98%之間，平均4.85%，各層裂縫均較為發(fā)育，受充填作用影響，滲透率具有隨煤層埋深增加而變小的趨勢，為中低滲儲層。

(3)目標煤層整體上屬于常壓儲層，吸附能力較強，并且隨煤層埋深增加而增強；含氣飽和度整體偏低，呈現(xiàn)出與含氣量呈正相關、儲層壓力負相關的特征。

(4)老廠礦區(qū)煤層氣成藏地質條件優(yōu)越，煤層氣資源豐富。雨汪區(qū)塊范圍內(nèi)埋藏深度小于1 000 m的煤層氣資源量為270.93億m3，資源豐度為3.20億m3/km2，開采條件優(yōu)越，可作為后續(xù)煤層氣勘探開發(fā)首選區(qū)。