鶴崗盆地煤層氣賦存特征及勘探開發潛力

摘 要

摘要：鶴崗盆地煤層氣勘探程度很低，目前僅有3口煤層氣參數井，對該區開展煤層氣勘探開發潛力的評價工作具有重要意義。為此，從區域構造特征、含煤地層特征、儲層特征(煤層埋深、煤
摘要：鶴崗盆地煤層氣勘探程度很低，目前僅有3口煤層氣參數井，對該區開展煤層氣勘探開發潛力的評價工作具有重要意義。為此，從區域構造特征、含煤地層特征、儲層特征(煤層埋深、煤層厚度、煤巖特征、煤變質程度、煤層氣含氣量)3個方面入手，分析了該區煤層氣的賦存特征。結果顯示：主要含煤地層為白堊系城子河組，含煤40余層，可采或局部可采36層，煤層累計厚度為30～70m，主力煤層為15#、18#煤層，單層厚度超過10m；煤質主要以氣煤為主，受巖漿巖作用，煤變質程度由南往北逐漸增高。煤層氣資源量預測結果表明：該區煤層氣資源量主要分布在1500m以淺的范圍內，煤炭儲量有48.12×108t，煤層氣資源量為496.4×108m3。其中南山-新一礦為鶴崗礦區的主要含氣區，含氣量介于7～16m3/t，煤層氣資源量為352.4×108m3，占總資源量的70%，說明該區具有良好的勘探開發潛力。
關鍵詞：煤層氣；含氣量；煤素質；資源量；瓦斯突出；變質程度；鶴崗礦區；勘探開發潛力
    鶴崗盆地位于黑龍江省東北部小興安嶺東麓與三江平原的接壤處，南北長100km，東西寬平均28km，總面積約2800km2。其煤層氣生產礦區南北長42km，東西寬(傾斜長)6km，面積約252km2[1～2]，由北到南依次為石頭廟子、興山、新一、鳥山、南山、大陸、富力、興安、峻德、新華等10個礦區，工業儲量16×108t，可采儲量8×108t。
    目前鶴崗礦業集團公司僅在南山礦開展瓦斯抽放和利用[3]。2004年，南山礦絕對瓦斯涌出量達112.68m3/min，相對瓦斯涌出量達19.37m3/t。全年抽放量為2003×104m3，抽放率超過30%，可供25×104居民燃氣使用[4]。
    該區煤層氣勘探程度很低，到目前為止僅有3口煤層氣參數井，分別是1998年黑龍江省計委、中聯煤層氣責任有限公司、黑龍江省煤管局、鶴崗礦務局、鶴崗市政府5方合作在峻德和興安2個礦區施工的HE-01、HE-02井2口煤層氣參數井；2002年黑龍江省計委、中聯煤層氣責任有限公司、黑龍江省煤田地質局在新一礦施工完成的鶴參3煤層氣參數井[5]。
1 煤層氣賦存特征
1.1 區域構造特征
    鶴崗盆地在構造位置上處于吉黑褶皺系佳木斯地塊的西北部。盆地西緣為規模宏大的呈南北向展布的青黑山斷裂帶，東南緣被依蘭伊通斷裂帶西緣斷裂所截切。由于西側小鶴立河斷裂及東側的鴨蛋河斷裂同生構造控制，使鶴崗盆地呈長形箕狀。基底主要由元古界黑龍江群、麻山群及元古代花崗巖、華力西期花崗巖等共同組成，盆地蓋層由中生代和新生代沉積組成(圖1)[6]。
    鶴崗盆地內巖漿活動較頻繁，巖漿巖以深成侵入巖及噴出巖為主。深層侵入巖包括元古代侵入巖、華力西晚期侵入巖及燕山期侵入巖，主要分布于盆地的北部和西北部基底；噴出巖則以火山活動較強烈的燕山期和喜山期火山巖為主，一般分布于盆地的東部和西北部。
1.2 含煤地層特征
鶴崗礦區主要含煤地層為下白堊統鶴崗群的城子河組，其次為穆棱組。
 
    城子河組地層總厚度為700～1310m，共含煤40余層，其中含可采和局部可采36層，煤層累計厚度為30～70m，多為中厚和厚煤層，個別為特厚煤層。巖性主要由灰白色礫巖、中粗砂巖、細砂巖、夾灰黑色粉砂巖、泥巖及煤層組成。沉積環境以河流相為主，盆地北部以湖泊相沉積占主導地位，縱向上呈現一大型由粗到細的沉積旋回，橫向上由南向北粒度變細。該組夾有4層凝灰巖，質純、致密，單層厚度為0.4～15m，全區發育，是良好的區域蓋層[7]。
    穆棱組覆蓋于城子河組之上，地層總厚度為600～955m，含煤5～18層，均為薄煤層，局部可采4～5層，與城子河組整合接觸。巖性由灰白一黃褐色礫巖、灰色和灰褐色砂巖、粉砂巖、灰黑色泥巖夾綠色凝灰巖組成。主要分布于礦區的北部。
    鶴崗礦區主要可采煤層包括3#、11#、15#、17#、18#、21#、22#、30#、33#等9個煤層。各主要煤層在走向上大致以新一礦、南山礦為中心，向南、向北有層數減少、厚度變薄的趨勢。主力煤層為15#和18#煤層，煤層平均厚度可超過10m(圖2)[4]。
1.3 儲層特征
    煤層既是烴源巖，又是儲集層。煤系地層在煤化作用過程中，所伴生出的煤層氣一般足以達到煤層吸附所需求的氣量，煤層是否含有工業性煤層氣，主要決定于煤儲層的特性及后期保存條件。因此研究與評價煤儲層特征對于評價一個地區的煤層氣前景及選區重點勘探至關重要[8～10]。
1.3.1煤層埋深
    鶴崗礦區西部邊緣煤層出露地表，向東逐漸加深，但深層煤層變薄，甚至尖滅。鉆井揭露煤層最大埋深為1284.7m，地震解釋最大埋深可達2000m。煤層埋藏深度較有利于煤層氣的勘探開發[7]。
1.3.2煤層厚度
對125口井的煤層累計厚度進行了統計，煤層累計厚度為30～70m。從全區煤層發育情況來看，橫向上煤層連續性較好，但厚度上具有多個聚煤中心，其中大于40m的主要分布在新一、南山礦(分布面積為24.2km2)和興安、峻德礦的局部地區(分布面積為5.5km2)；石頭廟子礦區煤層發育較差，厚度一般小于10m(圖3)。在南山、新一礦煤層厚度較大，直接決定了煤層氣生成及吸附能力較其他礦區強，導致瓦斯涌出量相對偏高。
 

1.3.3煤巖特征
    煤的宏觀煤巖類型在一定程度上也反映了煤的生氣能力，光亮煤生氣能力高于暗淡煤。鶴崗礦區煤的宏觀煤巖類型以半亮煤為主，次為半暗煤和光亮煤，由厚度不等的亮煤、鏡煤、暗煤和絲炭組成，呈細條帶狀-中條帶狀結構。
    煤的各種有機顯微組分在煤化作用過程中熱解生烴能力和成烴規律是有差異的，殼質組生烴能力最高，其次為鏡質組，但腐殖煤中鏡質組為主要成分，整體來看鏡質組是形成煤層氣的重要母質。
    鶴崗礦區煤巖顯微組分主要成分為鏡質組，其含量介于52.2%～82.3%(含礦物基)；半鏡質組含量在1.0%～15.2%；惰質組含量為2.3%～26.3%；殼質組含量為0.2%～6.2%；礦物質含量為2.7%～37.8%，主要為黏土礦物、石英碎屑、黃鐵礦和碳酸鹽[7]。
1.3.4煤變質程度
    一般認為，煤變質程度越高，煤層含氣量就越大[11～13]。鶴崗礦區煤的變質程度以氣煤、肥煤為主，在縱向上隨埋藏深度的增加煤的變質程度增大，其反射率梯度為0.01/100m；在橫向上由于燕山期巖漿巖的侵入，使煤層發生了熱接觸變質作用，發生了不同程度的變質，由南向北煤質逐漸增高。
    例如峻德、興安礦區主要為氣煤和長焰煤，興安北部的富力、大陸、南山礦變為肥煤，至新一礦深部、鳥山區變為焦煤，再向北分布有貧煤和無煙煤(圖4)。因此煤變質程度較高的南山、新一礦煤層瓦斯含量相應增高，使得礦井瓦斯涌出量較大，屬高瓦斯突出礦區。
 

1.3.5煤層含氣量
    通過對鶴崗礦區南部的2口參數井(HE-01和HE-02井)的實測數據分析，發現各煤層含氣量很低：HE-01井的含氣量為1.14～2.41m3/t，平均2.3m3/t，HE-02井的含氣量為1.06～5.01m3/t。在33個樣品中，CH4含量大于80%的僅有5個，占15%(分析數據僅供參考)，間接說明礦區南部煤層氣資源較少[7]。
    筆者采用礦井瓦斯涌出量推算的方法來預測不同深度煤層含氣量。首先利用各礦區瓦斯相對涌出量與開采深度實測數據擬合出相應關系式，然后將鉆井解吸測定的含氣量對應的深度值代入關系式，得到此深度對應的瓦斯相對涌出量；再用此瓦斯涌出量除該深度的解吸含量，得到瓦斯涌出量與煤層氣含量的折算系數；最后利用開采深度與瓦斯涌出量的相關公式，計算出不同深度的瓦斯相對涌出量；再利用計算出的瓦斯相對涌出量除以折算系數，得出不同深度的含氣量數據。
    通過礦井瓦斯涌出量折算方法，預測全區500～1500m之間煤層的含氣量為1.63～19m3/t，其中南山礦、新一礦含氣量較高，能夠達到8.14～15.4m3/t，表明該礦區煤層氣儲量具有一定的規模。
2 煤層氣資源量預測
    鶴崗礦區煤炭資源豐富，主要分布于1500m以淺。筆者以垂深1500m為界線，將鶴崗礦區劃分為5個區塊，分別對其煤層氣資源量進行預測：煤炭儲量共有48.12×104t，含氣量為7～16m3/t，預測煤層氣資源量為496.4×108m3(表1)。其中南山區(Ⅲ區)和新一-鳥山區(Ⅳ區)為主要含氣區，資源量分別為172.9×108m3和179.5×108m3，占1500m以淺煤層氣總資源量的70%(圖5)[5]。
 

    1) 鶴崗礦區主要以氣煤為主，受巖漿巖作用，煤受到不同程度的變質，由南向北煤質逐漸變高，由南部峻德、興安礦的氣煤，到中部富力、大陸、南山礦的肥煤，至新一、鳥山礦的焦煤，再往北分布的貧煤和無煙煤。該區以中煤階為主，煤層厚度大，累計厚度可達70m，單層厚度能夠超過20m，為煤層氣的賦存提供了富集的場所。
    2) 煤層氣資源非常可觀，垂深1500m以淺，具含煤面積300km2，煤層氣資源量可達496.4×108m3，資源豐度1.5m3/km2。其中南山、新一、鳥山礦區含有豐富的煤層氣資源，垂深1500m以淺的煤層氣資源量為352.4×108m3，占整個礦區1500m以淺煤層氣資源量的70%，是煤層氣勘探開發的有利區。
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(本文作者：楊敏芳1，2 孫斌2 張麗琳3 田文廣2 陳剛2 孫欽平2 1.中國地質大學(北京)；2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院；3.中國石油渤海鉆探工程公司第二錄井分公司)