第32卷11期2020年11月
Vol. 32 No. 11Nov. 2020
COAL GEOLOGY OF CHINA
doi ：10. 3969/j. issn. 1674-1803. 2020. 11. 05
文章编号：1674-1803(2020) 11-0021-05
申小龙V，蔺亚兵1宀，刘 军1，2，杨东峰°
（1.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安710021；
2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安710021；
3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221116；
4.陕西煤田地质化验测试有限公司，西安710054）
摘 要：黄陇煤田具有丰富的低阶煤层气资源，具有良好的煤层气资源开发前景。为了提高研究区煤层气开发效
果和推动区域上整体开发，基于煤层气含量为主的资源条件和以渗透率为主的开采条件的优势叠合及其与煤厚、 埋深、煤质等地质因素相互优势耦合的思路开展高渗富集区的预测研究。建立了以含气量和渗透率为高渗富集区
的主控因素，煤层厚度，埋深、地应力，煤体结构、灰分、变质程度6个地质因素作为次级控制因素指标的高渗富集
区加权指数预测方法。预测结果与实际煤层气开发效果具有一致性。本次预测的高渗富集I 类区主要集中在彬 长矿区南部（大佛寺，小庄，亭南，以及下沟煤矿的西部区域）、焦坪矿区南部的下石节以及黄陵矿区北部，面积共计 电梯试验塔673. 7km 2o 针对煤层气地质条件较差的II 类和皿类区提出了井上井下联动抽采建议。研究成果可为黄陇煤田下
一步煤层气开发和瓦斯防治提供地质依据。
关键词：低阶煤；煤层气；高渗富集区；开发建议；黄陇煤田
中图分类号:P16& 13 文献标识码:A
Optimizing Prediction and Exploitation Proposals of Low Ranked Coal CBM High Permeability
Enriched Area in Huanglong Coalfield
Shen Xiaolong 1, 2 , Lin Yabing 1, 3*
* , Liu Jun 1, 2 and Yang Dongfeng 4基金项目：陕西省重点研发计划项目（2018GY-094）。
第一作者简介：申小龙（1964-），男，河南孟县人，教授级高工，从事
煤与煤层气地质、地热能开发利用等方面生产与管理 工作。
*通讯作者简介：蔺亚兵（1985—），男，陕西宝鸡人，工程师，博士研
究生，研究方向为煤系气地质与勘探开发。
收稿日期:2020-06-28责任编辑：宋博辇
(1. Shaanxi Coal Geological Exploration Institute , Co. Ltd. ,Xi' an, Shaanxi 710021 ；
2. Ministry of Natural Resources Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization ,
Xi'an, Shaanxi 710021 ；
3. Ministry of Education Key Laboratory of Goalbed Methane Resources and Reservoir Fonnation Process , CUMT,
Xuzhou , Jiangsu 221116；
4. Shaanxi Coal Geological Laboratory Co. Ltd. , Xi * an , Shaanxi 710054)
Abstract : Low ranked coal CBM resources are abundant in the Huanglong coalfield with better exploitation prospect. To promote CBM
exploitation effect and push forward regionally integrated exploitation in the study area, based on predominances stacked resource mining conditions mainly CBM content and permeability as well as mutual predominances coupled coal thickness , buried depth and coal
quality geological factors carried out high permeability enriched area prediction study. A high permeability enriched area weighting in dex prediction method has been established taking the methane content and penneability as high permeability enriched area main control factors , and coal thickness , buried depth, ground stress , coal mass structure , ash content and degree of metamorphism 6 geological
factors as secondary control factors. Predicted result and actual CBM exploitation effect has consistence. This predicted high permeabil ity enriched category I areas are mainly concentrated in the southern Binchang mining area ，s Dafbsi , Xiaozhuang , Tingnan and Xiagou
coalmine western part; southern Jiaoping mining area * s Xiashijie ； as well as northern Huangling mining area ； total area is 673. 7km 2. In allusion to CBM geological condition relatively inferior categories II and III areas have put forward surface and underground joint
drainage proposal. The research findings can be geological basis
for further CBM exploitation and gas prevention and governance
in Huanglong coalfield.
Keywords :low ranked coal; CBM ； high permeability enriched area ； exploitation proposal ； Huanglong coalfield
0引言
我国煤层气资源丰富，开发利用煤层气不仅能
22中国煤炭地质第32卷够减少瓦斯事故率、减少煤矿温室气体排放，还可作
为清洁能源产生巨大的经济效益，对保障我国煤矿
安全生产和提高天然气产量具有十分重要意义⑷0
目前规模性煤层气开发主要集中在沁水盆地和鄂尔
多斯盆地东缘地区，从“十三五”开始，我国煤层气
开发区域逐渐向滇东黔西多煤层地区和西北低煤级
等地区扩展⑵。我国低阶煤层气资源量达16X
1012m3，约占煤层气总资源量的47%，但可供商业
开发的低阶煤层气资源较少，由此寻低阶煤煤层
气高渗富集区是成功开发的关键炉勺。黄陇煤田位于鄂尔多斯盆地西南缘，总面积近8000kn?，煤层气资源量270.28X108m3，是我国西北低煤阶煤层气开发的重点区域⑸。黄陇煤田近年来在彬长矿区大佛寺井田和焦坪矿区下石节井田取得工业性气流，其中大佛寺井田DFS-C01和DFS-133直井已经三年多稳产2000m3/d,DFS-C02多分支水平井日产气突破30000m3/d[6]。黄陇煤田煤层气资源丰富，且高瓦斯矿井10余处，然而煤层气开发仅在局部地区取得成功且单井产气量差异较大切。黄陇煤田平面上含气性和渗透率差异较大，煤储层物性非均质性极强，导致煤层气富集区、高渗区及高产区分布不均匀，由此优选研究区煤层气开发的高渗富集区可有效保障低阶煤层气井位成功部署，对推动研究区煤层气开发具有重要意义。
1地质背景及参数选取
1.1地质背景
黄陇煤田主体位于渭北隆起北部的庙彬凹陷，西部以普社-凤翔断裂为界，其西为李家河-南湾岭坳陷区（西部坳陷），东部为彬长坳陷，煤田东部以夜虎庄背斜为界，南部属彬长坳陷，北部为陕北单斜（图1）。研究区地层由老到新有：三叠系中统铜川组（丁2。、侏罗系下统富县组（J^）、侏罗系中统延安组（」2刃、宜罗组（卷刃、组（J2。），侏罗系上统芬芳河组，白垩系下统宜君组（K』）
、洛河组（KJ）、华池组（K#），罗汉洞组（KJ），泾川组（KJ），新近系（N）及第四系。侏罗系延安组是研究区煤层气开发主要层位，其埋深一般为300~1000m，地层倾角一般小于5。。黄陇侏罗纪煤田延安组按沉积特征及含煤性，由东北往西南可分黄陵矿区、焦坪-彬长矿区及永陇矿区三个含煤区域：其中黄陵矿区主采2 号煤层，煤厚0~7.39m,—般厚2~3m，为中厚煤层；焦坪-彬长矿区主采煤层一层（即焦坪、旬东的4"煤和彬长的4号煤），煤厚0~43.87m，属厚-特厚煤层；永陇矿区主采煤层为第一段的3号煤，煤厚0-27.75m[8]o
EE胸造线日煤田边界□黄陇煤田
图1黄陇煤田构造纲要图
Figure1Structural outline map Huanglong coalfield
1.2煤层气地质条件
黄陇煤田镜质组最大反射率R”一般为0.51%~0,72%，煤变质程度具有由西到东，由南向北逐渐增大的趋势。中西部地区煤质类型以长焰煤，不黏煤为主，东部以弱黏煤为主。近年来随着国家对煤炭地质勘查过程中煤层气资源兼探要求的加强，黄陇煤田施工了一批煤层气参数井，取得了丰富的地质资料[9-10]o依据黄陇煤田已施工的部分煤层气井含气量测试结果，研究区煤层气含量分布为0.0-6.88m3/t，
平均1.80m3/t，甲烷含量分布为0~ 4.42m%，平均1.37m%。区域上煤层气含量差异较大，焦坪矿区和彬长矿煤层气含量明显要高于其他区域。通过对黄陇煤田28口煤层气参数井气体组分分析结果显示：甲烷组分分布为44.39%~ 91.64%，平均74.34%；二氧化碳含量为0.32%~ 4.65%，平均1.56%；氮气含量为6.89%-45.00%，平均21.53%；重桂含量为0.00-6.74%，平均0.62%，其中焦坪矿区和永陇矿区含有少量重姪，而彬长矿区基本不含重桂。本次研究采集的不同矿区的9组煤样平衡水条件的等温吸附结果表明，研究区低阶煤的饱和吸附量为6.46-10.49n?/t，平均7.82n?/t，吸附能力较弱。兰氏压力分布为1.90~ 3.94MPa，平均2.75MPa，兰氏压力整体较高易于煤层气解吸。煤层气试井结果表明黄陇煤田煤储层渗透率分布为0.0084~5.73mD，平均为1.52mD。其中黄陵矿区渗透性最好，其次是彬长矿区和焦坪矿区，永陇矿区最差。煤储层渗透率发育区主要集中在黄陵矿区北部黄陵二矿和黄陵一矿区域，焦坪矿区的南部下石节煤矿，彬长矿区南部的大佛寺，小庄，亭南煤矿等区域，而煤田西部的永陇矿区煤储层渗透率整体较差。
2低阶煤高渗富集影响地质因素
影响煤层气资源开发的因素很多，如埋藏深度、
11期申小龙，等：黄陇煤田低阶煤层气高漫富集区优选预测及开发建议23
含煤性、煤层厚度、含气量、渗透性、资源量、资源丰度、吸附能力、储层压力、煤级、含气饱和度
、煤体结构、地质构造复杂性、地应力、水文地质条件等，而且因素之间关系错综复杂[2-n-12]o在这些因素中含气量和渗透率是煤层气开发的必要条件，由此，高渗富集区优选是煤层气勘探开发的重要基础工作，也是煤层气井获得高产的关键，因此本次高渗富集区的预测也可理解为高产区预测。含气量和渗透率作为影响煤层气开发的主控因素，二者与其它地质因素也有着较为密切的关系。含气量与地质构造、水文条件、沉积环境，煤岩煤质、变质程度、煤层埋深及厚度密切相关。渗透率与地应力、孔裂隙、胶接程度、煤层埋深、煤体结构、力学性质等密切相关。由此高渗富集区不单纯是高含气量区和高渗区的几何叠加，而是二者与其它相关因素共同耦合的作用结果。由于研究区整体地质构造较为简单，区域上成煤环境均为河流湖沼相沉积，所以地质构造和沉积环境不作为有利区预测指标。研究区煤储层基本为弱富水性和弱透水岩层，水文地质条件区域上差别不大。由此，结合研究区煤层气地质特点及现有煤层气参数井地质资料，选择含气量和渗透率为高渗富集区的主控因素，煤层厚度，埋深、地应力，煤体结构、灰分、变质程度六个地质因素作为次级控制因素指标。3低阶煤层气高渗富集预测方法
3.1预测方法
众多专家学者针对不同地质情况提出了不同的优选方法，如关键要素递阶优选、选区数学方法、成藏动力条件法。其中，数学方法包含层次分析法、模糊物元法、灰评估法、灰类聚法及多层次模糊数学综合评价法等[13-15]o本次高渗富集有利区的预测基于煤层气含量为主的资源条件和以渗透率为
主的开采条件的优势叠合及其与煤厚、埋深、煤质等地质因素相互优势耦合的思路开展预测研究。加权指数法是按各评价因素参数对煤层气开发有利及不利的程度计算出分值，再按每个指标对评价对象的高产的影响程度给出权重，利用加权平均的方法算出各评价指标的综合得分，最后依据实际生产经验确定的评价等级方案判定煤层气开发区优劣等级如句。
3.2评价指标确定
首先依据各评审指标对产能的重要性给出权值系数(5)，权重系数越高，对煤层气高产影响越大。高渗和高含量是煤层气井获得高产的关键，也是本次预测目标，所以依据专家经验及实际分别给予渗透率及含气量0.25系数。煤层埋深和厚度是影响煤层气资源及开发地质条件的重要参数，给予0.15系数，其它指标分别给予0.05系数。然后依据研究区已有煤层气井单井产能、相关规范、煤层气实际资源条件，以及开发地质条件确定最有利值(G)和最不利值(P)(表1)。由于文章篇幅有限，此处对有利值与不利值取值依据不做赘述。根据以往研究结果表明碎裂煤渗透性最好，原生结构煤其次，而碎粒煤和糜棱煤最差。由于煤体结构无法用数值表示，所以根据以往经验给予碎裂结构煤取值1.0，原生结构煤0.6，碎粒煤和糜棱煤在研究区不存在，暂不考虑。
表1评价指标的权重及其有利值与不利值Table1Assessment index weights and their favorable
3d打印玻纤and unfavorable values
金属表面涂料
序号指标权重-
G
取值范围
P 1含气量/m?-t_10.2541
2渗透率/mD0.2530.03
3厚ffi/m0.1582
4埋深/m0.15500~700<200或>1000 5地应力/MPa0.05<10>20
6煤体结构0.05碎裂煤糜棱煤
7灰分/%0.051540
8煤变质程度/%0.050.70.50
3.3指标得分计算与有利区分级标准
3.3.1单项得分计算
单项得分可分三种情况：对于参数值越大表示越有利于高产的参数以公式(1)来计算单项得分。对于参数值越小表示越有利于高产的参数以公式(2)来计算单项得分。
式中:X为参数井取值;G为有利参数值;P为不利参数值。S"值为0~1。当S"值大于1时，取其最大值等于1。
对于埋深影响的分段函数将深度300m定为取值的最小深度,1000m定位取值的最大深度，埋藏最佳深度取值为500~700m。线性分段函数如下：当埋深HW300m时，
S"=0；
当300<H<500m时，
S m=(H-H,.)/(500-H-.)；
24中国煤炭地质第32卷
当500<77<700m时,S m=l；
当HM700m时，
=700)o
其中^min=300m,H imax=l000m o由此可得埋深线性分段函数图2O
图2埋深线性分段函数图
Figure2Buried depth piecewise linear function diagram
3.3.2综合评价指标(RE/)计算
采用公式(3)将各个单项得分乘以各自的权重系数求和即可得出综合评价指标得分。
n
REI=IX©
i=1
n
REI="SzS W8)(3)
i=I
3.3.3高渗富集区分级标准建立
综合评价值REI的取值范围为0〜l,REI值越高，表明开发条件越好。根据加权指数法综合评价结果，依据以往生产经验将黄陇煤田高渗富集区划分为3类。评价级别划分方案见表2O
表2煤层气高渗富集区级别划分方案
Table2CBM high permeability enriched area category
partitioning schem
级别RE/取值范围评价
I0.80-1.00开发有利区
n0.55~0.80开发中等区
m 2.5-0.55开发不利区
4预测结果与开发建议
4.1预测结果
本次统计了黄陇煤田不同矿区37个煤储层数据，由于个别钻孔个别数据无法全部收集，因此在参数确定过程中参考了钻孔所在井田地勘时期相关资料。另外，旬耀矿区煤层气地质条件较差，且缺乏煤层气参数井资料，本次不做预测，直接划定为不利区。首先依据上述单项指标计算方法，计算了各个参数S m结果，然后依据各项指标权重依据公式(3)计算了各单项指标得分及最终得分。依据表2的高渗富集区级别划分方案，预测了研究区高渗富集开发有利区(图3)。从预测结果来看研究区煤层气有利区分布极不均匀，同一钻孔不同煤层，或者同一矿区不同位置差异较大，但区域整体上有成片有利区和不利区。由图3可以看出I类区主要集中在彬长矿区南部(大佛寺，小庄，亭南，以及下沟煤矿的西部区域)、焦坪矿区南部的下石节以及黄陵矿区北部，面积*1+673.7km2o黄陵矿区北部地区在煤田地质勘探过程中有数十个钻孔有油气显示，有利区面积大，具有良好的开发前景。综上所述，可将黄陇煤田彬长矿区南部和焦坪矿区南部及黄陵矿区北部作为下一步优先勘探区。
黄陵矿区
/'/黄陵
/焦坪矿区
八:;.>^.2km2 N o.1?km
J Scale
永陇矿区
47.4
彬长矿区
O■-
麟游
\/
旬耀矿区
图3黄陇煤田高渗富集区优选预测结果图Figure3Optimizing predicted result of high permeability
enriched area in Huanglong coalfield
4.2预测结果可靠性分析
为了使上述预测结果更符合煤层气开发实际，从黄陇煤田整体地质条件对预测结果的可靠性加以分析。从目前黄陇煤田煤层气开发现状来看，在彬长矿区的南部大佛寺井田、焦坪矿区南部的下石节井田，以及黄陵矿区中北部黄陵二矿都取得了成功，这些区域与本次预测的I类高渗富集有利区范围基本一致，说明了本次预测方法的实用性和预测结构的可靠性。从预测指标来分析，高渗富集有利区出现在渗透率高，含气量好，煤层厚度大，埋深在500~ 700m及地应力较小的区域。煤变质程度、煤体结构及灰分对煤层气开发有利区影响较小，说明煤岩煤质特征对研究区煤层气开发有利区的判识影响较小。由于区域上煤层分布不连片，在II类区边界圈定过程中考虑了煤层气零线边界。所以黄陇煤田煤层气开发有利区主要受渗透率、含气量及埋深综合因素影响
。
面包炉11期申小龙，等：黄陇煤田低阶煤层气高漫富集区优选预测及开发建议25
4.3开发建议
本次高渗富集有利区优选结果表明黄陇煤田大部分地区为中等或者较差区块，但是这些区块大部分由于煤矿开采规模的增加为高瓦斯矿井。II类区在今后煤层气开发过程有具有一定优势，这类区域煤层厚度大，资源潜势较大，该区域多个煤矿在煤矿开采中被鉴定为高瓦斯矿区，如永陇矿区的郭家河煤矿，彬长矿区胡家河煤矿、陈家山煤矿，崔家沟煤矿等。随着煤层气开发技术水平的提高，这类区域将成为I类区域的接替区。hi类区域主要位于永陇矿区，彬长矿区西部及北部，旬耀矿区，其主要是煤层气含气差，部分地区受控于深度和渗透率的影响，不利于煤层气开发。这类区域煤层气开发应以井下抽放为主。建议中等及较差区块在煤矿开采过程中采用“三区联动”即地面预抽、井上下联动抽采、井下区域递进式抽采。同时还可借助CDM碳排放协议相关政策，对煤层气(煤矿瓦斯)进行综合利用，提高煤炭开采企业经济效益。
5结论
(1)黄陇煤田具有丰富的低阶煤层气资源，区域上地质构造简单，煤储层厚度大和埋深适中。煤层气含量分布为0.0-6.88m3/t，平均1.80m3/t，甲烷含量分布为0~4.42m3/t，平均1.37m3/t，区域上煤层气含量差异较大。甲烷组分分布为44.39%~ 91.64%，平均74.34%，甲烷组分偏低。试井结果表明黄陇煤田煤储层渗透率分布为0.0084-5.73mD，平均为1.52mD o其中黄陵矿区渗透性最好，其次是彬长和焦坪矿，永陇矿区最差。
(2)基于煤层气含量为主的资源条件和以渗透率为主的开采条件的优势叠合及其与煤厚、埋深、煤质等地质因素相互优势耦合的思路开展高渗富集区预测研究。建立了以含气量和渗透率为高渗富集区的主控因素，煤层厚度，埋深、地应力，煤体结构、灰分、变质程度六个地质因素作为次级控制因素指标的高渗富集区加权指数预测方法。
(3)本次预测高渗区富集I类区主要集中在彬长矿区南部(大佛寺，小庄，亭南，以及下沟煤矿的西部区域)、焦坪矿区南部的下石节以及黄陵矿区北部，面积共计673.7km2。针对不同预测区类型提出了煤层气开发建议。
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