关于煤层气资源量估算中可采边界的探讨

2021-05-10杨曙光

中国煤层气 2021年1期

杨曙光魏敏黄涛王刚来鹏张娜

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 830009；2.新疆乌鲁木齐国盛新能源投资开发(集团)有限公司，新疆 830001；3.新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队，新疆 830009)

在煤层气勘探过程中，计算煤层气资源量时，首先要确定估算范围，其中含气量估算边界的确定就涉及到煤层含气量边界和煤层气风化带边界的问题，一般情况下确定为风化带以下且含气量大于最低下限标准，这在中高煤阶地区一般没有问题，但在某些低煤阶地区，比如新疆的乌鲁木齐矿区、陕西彬长大佛寺矿区、鄂尔多斯盆地乌审煤田等地，风化带边界和含气量下限标准确定的边界差别很大，显然不能简单的以两种边界求交集来解决。以下将对现行的方法存在的问题进行分析，并对解决方案进行探讨。

1 现行煤层气资源量估算中含气量估算边界的确定

1.1 含气量边界

《煤层气资源/储量规范(DZ/T 0216—2010)》对煤层气资源量计算时含气量估算边界做出了明确的规定(表1)。其中，低煤阶煤层气的含气量下限标准为1m3/t，但对煤层气的成分没有明确的要求，仅规定参与资源量计算的煤层气含量测定值中应剔除浓度超过10%的非烃气体成分。

表1 煤层气资源储量计算的含气量下限标准

1.2 风化带边界

《煤层气资源勘查技术规范(GB/T 29119—2012)》不仅对煤层气资源量计算时含气量估算边界做出了规定，同时确定煤层气风化带以浅的煤层不计算煤层气资源/储量。

由于煤储层被风化改造，煤中甲烷向上运移，与此同时地面空气向煤层中渗透，使煤层中煤层气呈现出垂直分带的特征。自上而下按瓦斯成分不同划分为4个带:①氮气-二氧化碳带，二氧化碳大于20%；②氮气带，氮气大于80%、甲烷小于20%；③氮气-甲烷带，甲烷为20%～80%、氮气为80%～20%；④甲烷带，甲烷大于80%、氮气小于20%。一般把前3个带统称为甲烷风化带。

在实际应用中，甲烷风化带下界的确定一般按以下原则来进行：①在煤体中所含气体的甲烷成分大于80%；②在煤层中瓦斯压力为0.15～0.2MPa;③在相同自然条件下(如水分、温度)与瓦斯压力为0.15～0.20MPa相当的瓦斯含量，气煤为1.5～2.0m3/t，粘结煤为2.0～2.5m3/t，瘦煤为2.5～3.0m3/t，贫煤为3.0～4.0m3/t，无烟煤为5.0～7.0m3/t;④矿井相对瓦斯涌出量大于2m3/t。

在煤层气勘探过程中，部分新矿区并没有煤矿开采，因此也就没有瓦斯压力和矿井相对瓦斯涌出量的数据，所以普遍使用甲烷成分小于80%作为煤层气风化带。这样的确定方法非常简单，而且有利于操作，因此被普遍采用。

1.3 资源量估算中的含气量估算边界

综上所述，现行煤层气勘查资源量估算过程中的含气量估算边界多数人是以含气量达到下限标准(低煤阶1m3/t；中煤阶4m3/t；低煤阶8m3/t)，并且甲烷含量达到80%来确定的。

2 低煤阶煤层气含气量估算边界确定存在的问题

在煤层气勘探阶段计算煤层气资源量时，浅部边界就主要以煤层气含气量和煤层气风化带来确定。在中高煤阶地区，煤层含气量随着深度的增加增长较快，在煤层气成分中甲烷含量随着深度的增加增长同样较快，所以，以煤层气风化带划定的边界和以含气量下限标准划定的资源量计算边界相差不大。但在有些低煤阶地区，煤层含气量随着深度的变化增加相对较快，但是煤层气成分复杂，氮气和二氧化碳的含量较高，因此甲烷含量随着深度的增加增长较慢。这就造成了在这些区域，虽然含气量较高，但仍然处于煤层气风化带中。

比如在乌鲁木齐河东矿区，煤类以不粘煤和长焰煤为主，属于低煤阶煤。根据资源量计算含气量下限标准(1m3/t)确定的含气量估算边界埋深在300m左右，而在WCS-X井附近，根据甲烷成分确定的煤层气风化带埋深在900m左右。在860m左右含气量较高，一般平均值会达到6.75m3/t，虽然甲烷浓度只有72.4%，但纯甲烷含量也能达到4.89m3/t(表2)，同样具有开采价值。

表2 乌鲁木齐矿区WCS-X井煤层气含量测试数据

江西省的部分煤矿，与乌鲁木齐河东矿区相比，煤层气含量更高，最高可以达到近18.96m3/t，甲烷含量也很更高，最高可以达到12.42m3/t，但甲烷的浓度一般也都不足70%；与乌鲁木齐河东矿区不同的是：除去甲烷以外的其他成分中，乌鲁木齐河东矿区二氧化碳较高，而江西部分煤矿以氮气为主(表3)。

表3 江西省部分煤矿区煤层瓦斯测试成果表

也有另外一种观点认为，风化带应该和氮气含量密切相关，因为风化作用首先有空气的置换，而氮气是空气的主要成分，煤层气风化带的判断，氮气含量多少应该是一个主要指标。

除了新疆、江西以外，鄂尔多斯盆地煤层气成分中，甲烷含量差别也较大，仅黄陵、焦坪的甲烷体积分数在80%以上，其他样品的甲烷多低于 80%；彬长大佛寺4号煤层甲烷浓度最高值95.26%，一般在50%～80%左右；

在上述区域，煤层气含量高但甲烷浓度不足80%的情况，给煤层气资源量计算的边界划定带来了不确定性。如果考虑将甲烷浓度80%(风化带边界)作为含气量估算边界，甚至会将纯甲烷含量大于10m3/t，具有很好资源条件的区域划为不可采区域，这种现象在低煤阶地区很普遍。因此，在实际工作中这个规则需要调整，才能符合实际情况。

3 储量计算中含气量估算边界确定方法的探讨

根据以上分析，以往储量含气量估算边界的确定主要由煤层气风化带边界和煤层含气量起算下限标准共同确定的，通过分析，这种方法在低煤阶部分区域存在一定的局限性。特别是现有的煤层气风化带确定标准划定的含气量估算边界与低煤阶区域煤层气开发的经济性存在矛盾。

比如乌鲁木齐矿区某区域，根据煤层气含气量标准确定的含气量估算边界含气量为1m3/t，而在860m左右由于含气量较高，一般会达到7m3/t左右，虽然甲烷含量只有72%左右，但纯甲烷的含量也能达到近5m3/t，此时显然不能简单地以80%作为储量计算边界，这样会使很多高含气量的区域不能够进行资源量计算，与实际情况相悖。

煤层气风化带边界的确定影响因素较多，一是难以划定，二是按照以往的划定标准划分的风化带边界并不适用于煤层气资源量的计算。因此建议，在划定含气量估算边界时，可不考虑煤层气风化带。实际影响煤层气开发经济性的边界条件因素主要有三项：一是煤层气含量；二是气体成分(主要是甲烷含量百分比)；三是煤层埋深。另外从资源量计算的角度来说，含气量和气体成分才是最关键的因素。

3.1 低煤阶煤层气储量计算含气量估算边界

基于上述分析，提出以下几种确定划定储量计算含气量估算边界的方案：

3.1.1 甲烷含量法

煤层气的有效成分是甲烷，所以储量计算含气量估算边界由煤层气含量和甲烷含量百分比(甲烷浓度)共同确定：

以煤层气含量≥2m3/t，且甲烷体积百分比≥50%来确定储量计算含气量估算边界。

从现有的低煤阶煤层气开发区块来看，含气量普遍是大于2m3/t的，但有很多区域甲烷含量普遍不足80%；甲烷含量50%以上的区域含气量普遍大于2 m3/t，特别是某些区域深部600m以深虽然甲烷含量不足80%，但含气量高达6～8m3/t(图1)；基于以上原因确定了本方案。本方案同样不考虑煤层的埋深因素，优点是兼顾了深部含气量高但甲烷百分比不足80%的煤层气资源量的计算，但与《煤层气资源/储量规范(DZ/T 0216—2010)》存在较大差别，如果从纯甲烷含量的角度考虑，虽然含气量标准从1m3/t提高到了2m3/t，但纯甲烷的含量不小于1m3/t，与原标准0.8m3/t相差并不大。