華北地區(qū)各類煤儲(chǔ)層孔隙、吸附特征及試井成果分析

傅雪海 邢 雪 劉愛(ài)華 范炳恒 周榮福

1.新疆大學(xué)地質(zhì)與勘查工程學(xué)院 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

華北地區(qū)各類煤儲(chǔ)層孔隙、吸附特征及試井成果分析

傅雪海1，2邢 雪2劉愛(ài)華2范炳恒2周榮福2

1.新疆大學(xué)地質(zhì)與勘查工程學(xué)院 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

為系統(tǒng)總結(jié)華北地區(qū)各煤類的主要物性特征，指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)，對(duì)該區(qū)各種煤類共205件煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)，分析了各煤類孔徑結(jié)構(gòu)的比孔容、比表面積特征。基于180件煤樣的高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)，探討了朗格繆爾體積（VL，daf）、朗格繆爾壓力與煤級(jí)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)朗格繆爾體積與煤級(jí)的關(guān)系呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf隨Ro，max的增加而增大，當(dāng)Ro，max＞4%后，VL，daf隨Ro，max的增加而減少，而朗格繆爾壓力與煤級(jí)的關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)十分離散。基于該區(qū)煤層氣試井成果（170層次試井儲(chǔ)層壓力、204層次試井滲透率），劃分了煤儲(chǔ)層試井儲(chǔ)層壓力、試井滲透率類型：該區(qū)以欠壓儲(chǔ)層為主，占69.4%左右，正常壓力儲(chǔ)層占27.1%，超壓儲(chǔ)層僅占3.5%，儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)；超低滲透儲(chǔ)層占26.0%，低滲透儲(chǔ)層占36.8%，中滲透儲(chǔ)層占18.1%，高滲透儲(chǔ)層占19.1%，試井滲透率總體隨埋深的增加而減少。

華北地區(qū) 煤層氣 儲(chǔ)層 孔隙性 吸附性 朗格繆爾體積 儲(chǔ)層壓力 滲透性

截至2010年，中國(guó)施工各類煤層氣井超過(guò)5 400口［1］，其中參數(shù)井約300口，主要分布在華北地區(qū)的山西、陜西、河南、河北、安徽等省，目的煤層主要為華北地區(qū)石炭—二疊系山西組、太原組，涉及的主要煤類從氣煤至無(wú)煙煤，鏡質(zhì)組反射率介于0.40%～4.50%。前人對(duì)單一煤類或局部地區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙性、吸附性、試井儲(chǔ)層壓力、試井滲透率等進(jìn)行過(guò)研究［2－6］，但對(duì)華北地區(qū)總體煤儲(chǔ)層試井成果尚缺乏系統(tǒng)總結(jié)。

1 孔隙、吸附特征

1.1 孔隙特征

華北地區(qū)205個(gè)煤樣（煤類從褐煤至無(wú)煙煤，鏡質(zhì)組反射率介于0.40%～4.50%，表1）的壓汞實(shí)驗(yàn)表明，褐煤、長(zhǎng)焰煤各孔徑結(jié)構(gòu)中比孔容分布較均勻（表1、圖1）；其他煤類中大孔、過(guò)渡孔占較高比例，中孔不發(fā)育，除氣煤達(dá)到11.65%外，其他均低于7.18%，尤其是貧煤、無(wú)煙煤大孔占比超過(guò)50%，中孔低于6.64%（表1、圖1），成為煤層氣解吸、擴(kuò)散／滲流的“瓶頸”。

各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)中比表面積微孔、過(guò)渡孔占絕對(duì)多數(shù)（圖2、表2），成為煤層氣吸附的主要場(chǎng)所，大孔均低于0.82%，中孔除褐煤達(dá)到6.49%，長(zhǎng)焰煤達(dá)到2.07%外，其他均低于0.82%（圖2、表2）。

1.2 吸附特征

180件煤樣（Ro，max介于0.67%～8.61%）在30℃、平衡水條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)成果表明，朗格繆爾體積（VL，daf）介于4.69%～51.90%，呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf隨Ro，max的增加而增大，當(dāng)Ro，max＞4%后，VL，daf隨Ro，max的增加而減少（圖3）；朗格繆爾壓力（pL，daf）介于0.20～5.58MPa，在Ro，max＜1.3%之前，pL，daf隨Ro，max的增加而減少，當(dāng)Ro，max＞1.3%后，pL，daf隨Ro，max的增加而增大（圖3），但數(shù)據(jù)十分離散。

表1 各煤類平均比孔容特征表

圖1 各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)比孔容百分比圖

圖2 各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)比表面積百分比圖

表2 表1中各煤類平均比表面積特征表

2 試井儲(chǔ)層壓力、滲透率特征

2.1 儲(chǔ)層壓力特征

本次收集華北地區(qū)煤儲(chǔ)層試井儲(chǔ)層壓力170層次，主力煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力梯度變化范圍為（0.15～1.24）MPa／100m，平均為0.71MPa／100m。

圖3 朗格繆爾體積、壓力與煤級(jí)的關(guān)系圖

其中，嚴(yán)重欠壓儲(chǔ)層（儲(chǔ)層壓力梯度小于0.5 MPa／100m）占21.2%，欠壓儲(chǔ)層（儲(chǔ)層壓力梯度介于0.5～0.75MPa／100m）占29.4%，略欠壓儲(chǔ)層（儲(chǔ)層壓力梯度介于0.75～0.90MPa／100m）占18.8%，正常壓力儲(chǔ)層（儲(chǔ)層壓力梯度介于0.90～1.10MPa／100 m）占27.1%，超壓儲(chǔ)層（儲(chǔ)層壓力梯度大于1.10 MPa／100m）占3.5%（圖4）。儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)（圖5）。

圖4 試井儲(chǔ)層壓力梯度分布柱狀圖

圖5 試井儲(chǔ)層壓力梯度與埋深關(guān)系圖

2.2 滲透率特征

本次收集華北地區(qū)煤儲(chǔ)層試井滲透率204層次，主煤儲(chǔ)層的試井滲透率變化范圍為0.001 2～444 mD，大多小于2mD。

超低滲透儲(chǔ)層（滲透率小于0.1mD）占26.0%，低滲透儲(chǔ)層（滲透率介于0.1～1.0mD）占36.8%，中滲透儲(chǔ)層（滲透率介于1.0～5.0mD）占18.1%，高滲透儲(chǔ)層（滲透率大于5.0mD）占19.1%（圖6、表3）。試井滲透率總體隨埋深的增加而減少（圖7）。

圖6 試井滲透率分布頻率圖

3 結(jié)論

1）華北地區(qū)褐煤、長(zhǎng)焰煤各孔徑結(jié)構(gòu)中比孔容分布較均勻，其他煤類中大孔、過(guò)渡孔占較高比例，中孔不發(fā)育；各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)中比表面積微孔、過(guò)渡孔占絕對(duì)多數(shù)。

表3 華北地區(qū)試井滲透率成果表

圖7 試井滲透率與埋深關(guān)系圖

2）華北地區(qū)石炭—二疊系各煤類朗格繆爾體積與煤級(jí)的關(guān)系呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf隨Ro，max的增加而增大，當(dāng)Ro，max＞4%后，VL，daf隨Ro，max的增加而減少；朗格繆爾壓力與煤級(jí)關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)十分離散。

3）華北地區(qū)以欠壓儲(chǔ)層為主，占69.4%左右，正常壓力儲(chǔ)層占27.1%，超壓儲(chǔ)層僅占3.5%，儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

4）華北地區(qū)超低滲透儲(chǔ)層占26.0%，低滲透儲(chǔ)層占36.8%，中滲透儲(chǔ)層占18.1%，高滲透儲(chǔ)層占19.1%，試井滲透率總體隨埋深的增加而減少。

［1］趙慶波，孫粉錦，李五忠，等.煤層氣勘探開發(fā)理論與實(shí)踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［2］姚艷斌，劉大錳，湯達(dá)禎，等.沁水盆地煤儲(chǔ)層微裂隙發(fā)育的煤巖學(xué)控制機(jī)理［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，39（1）：6－12.

［3］唐書恒.煤層氣試井設(shè)計(jì)方法［J］.煤田地質(zhì)與勘探，1999（2）：29－31.

［4］葉建平，史保生，張春才.中國(guó)煤儲(chǔ)層滲透性及其主要影響因素［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1999，24（2）：118－122.

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國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“高豐度煤層氣富集機(jī)制及提高開采效率基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：2009CB219600），江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目及新疆維吾爾自治區(qū)“天山學(xué)者”計(jì)劃。

傅雪海，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師；1987年畢業(yè)于原中國(guó)礦業(yè)學(xué)院煤田地質(zhì)與勘探專業(yè)；現(xiàn)從事能源地質(zhì)教學(xué)與科研工作。地址：（221116）江蘇省徐州市三環(huán)南路中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院。電話：（0516）83591000。E－mail：fuxuehai＠163.com

傅雪海等.華北地區(qū)各類煤儲(chǔ)層孔隙、吸附特征及試井成果分析.天然氣工業(yè)，2011，31（12）：72－75.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.12.012

2011－10－10 編輯 羅冬梅）