陽泉寺家莊礦煤儲層孔裂隙系統(tǒng)及滲透性特征

郝春生

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000)

陽泉寺家莊礦煤儲層孔裂隙系統(tǒng)及滲透性特征

郝春生

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048000)

通過對陽泉煤田南部臨近寺家莊煤礦進行觀測，并進行室內(nèi)壓汞試驗，系統(tǒng)分析陽泉寺家山等多個礦的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤儲層大裂隙發(fā)育特征與孔隙結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，該區(qū)煤層大裂隙發(fā)育，有利于煤層的滲透率;煤層氣解吸與滲流的關(guān)鍵是微裂隙和植物細胞殘留大孔隙;滲透率高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部，馬鞍山和上馬郡頭一帶的滲透率可能較低。

煤儲層;裂隙;孔隙結(jié)構(gòu);特征;滲透率

1 概述

煤層具有雙孔隙系統(tǒng)特征，煤層中的孔隙為煤層氣的富集場所，裂隙為煤層氣滲流通道［1］．裂縫孔隙度、開度、間距性質(zhì)影響著滲透率的大小，對煤層氣的產(chǎn)出也有很大影響［2］．正確認識煤的孔裂隙特征，是研究煤儲層孔滲性和煤層氣可采性的重要基礎［3］．本文通過對陽泉煤田南部臨近寺家莊煤礦進行觀測，并進行室內(nèi)壓汞試驗，系統(tǒng)分析陽泉寺家莊等多個礦的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤儲層大裂隙發(fā)育特征與孔隙結(jié)構(gòu)特征。

寺家莊礦位于山西省晉中市昔陽縣境內(nèi)，南北長約17 km，東西寬約9 km，面積約124 km2［4］．地層走向為NNE向，傾向SWW向，區(qū)內(nèi)斷層較少，分布集中。褶曲發(fā)育，軸向不一。陷落柱較多，構(gòu)造復雜程度總體為簡單類，北部由于陷落柱發(fā)育，構(gòu)造屬中等類［5］．該區(qū)主采煤層有山西組3#煤層與太原組8#、 9#、15#煤層，3#、8#、9#煤層為局部可采，15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2 煤儲層裂隙特征

2.1 15#煤儲層

15#煤儲層的裂隙系統(tǒng)發(fā)育良好，大裂隙中兩組外生節(jié)理的線密度為0.1～7條/20 cm．其中馬郡頭、李家溝的外生節(jié)理線密度低，和順前南峪礦外生節(jié)理線密度變化大，比較發(fā)育的是和順馬鞍山礦、昔陽紅土溝和白羊嶺礦。

15#煤儲層鏡煤中的內(nèi)生裂隙高度多為2～3 mm，亮煤中的內(nèi)生裂隙高度為1～10 cm，前者的線密度為8～13條/5 cm，后者多為3～6條/5 cm．15#煤中鏡煤比例通常為2%～15%，個別達30%以上。亮煤的比例通常為10%～20%，個別達40%．15#煤儲層的內(nèi)生裂隙孔隙度較高，北部李家莊、馬郡頭為較高，南部馬鞍山、前南峪為較低，中部南峪、白羊嶺一帶最高。寺家莊礦鄰近礦區(qū)內(nèi)生裂隙孔隙度表見表1．

表1 寺家莊礦鄰近礦區(qū)內(nèi)生裂隙孔隙度表

綜合15#煤儲層的大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征可知，其內(nèi)生裂隙孔隙度較高，外生節(jié)理發(fā)育。

2.2 3#、8#和9#煤儲層

3#煤儲層中的外生節(jié)理格外發(fā)育，線密度為4～20條/20 cm，長度在20 cm左右。外生節(jié)理發(fā)育程度明顯好于太原組15#煤，3#煤中的內(nèi)生裂隙的載體比例高。內(nèi)生裂隙孔隙度也較高，煤基巖塊孔隙度為5%～9%，其中微裂隙略比15#煤發(fā)育。

8#煤和9#煤發(fā)育的區(qū)域存在不均一性，兩儲層相距僅7～10 m，儲層物性比較接近。8#和9#煤儲層中的外生節(jié)理欠發(fā)育，雖然節(jié)理較長，但線密度僅有0.2條/20 cm，在本研究區(qū)內(nèi)屬發(fā)育最差的煤儲層。發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，大多分層在50%以上。內(nèi)生裂隙孔隙度比較高，為1.17%～2.918%，屬于比較發(fā)育的煤儲層，這主要與煤中灰分低有關(guān)。8#煤和9#煤的基巖塊孔(微裂)隙度較低，大多在5%以下。微裂隙不甚發(fā)育。

綜合8#煤和9#煤儲層孔隙(裂隙)系統(tǒng)發(fā)育特征可知，其內(nèi)生裂隙發(fā)育良好，發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，內(nèi)生裂隙孔隙度高。其應該有較好的滲透率。其微裂隙、孔隙發(fā)育特征大體與15#煤相似。

3 煤儲層孔隙特征

煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)不僅制約著煤層氣的含氣量，而且對其可采性也有重要影響［6］．煤基巖塊中普遍發(fā)育3種孔隙，即植物細胞殘留孔隙、基質(zhì)孔隙和次生孔隙［7］．

3.1 15#煤儲層

15#煤中主要發(fā)育植物細胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙。

15#煤的基巖塊內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)尚可(見圖1，圖2)．進汞飽和度較高達80%以上(壓力為32 MPa)，最高達90%以上(紅土溝15#煤)。其毛管壓力曲線總體呈不太典型的三段式結(jié)構(gòu)。其分布特征如下:在壓力0.2 MPa以下為一陡傾斜的斜線段，表明煤基巖塊中孔喉半徑為3～63μm的植物細胞殘留孔隙和部分微裂隙發(fā)育，其占總進汞量的比例僅有10%左右。這部分孔隙對滲透率的貢獻在煤基巖塊中占主導地位。這一斜線段的排驅(qū)壓力中值較低，大約為0.02 MPa．在壓力為0.2～2.1MPa條件下，毛管壓力曲線大體為一直立的直線段，進汞飽和度僅增加10%左右。這表明孔喉半徑為0.4～3μm的孔隙不發(fā)育或有效孔隙率低。顯微觀察結(jié)果表明，孔徑在這一范圍的孔隙較少而且多為孤立孔隙。在壓力為2.1～32 MPa條件下，毛管壓力曲線又為一明顯的斜線。其代表孔喉半徑為0.4～0.016μm的與植物細胞殘留大孔隙或基質(zhì)孔隙中相連的次級孔隙的有效孔隙率比較高，其占總進汞量的70%以上。表明本區(qū)無煙煤中的微孔隙連通性較好，有利于煤層的解吸與擴散。

圖1 平定馬郡頭15#煤毛管壓力曲線圖

圖2 昔陽紅土溝15#煤毛管壓力曲線圖

3.2 3#、8#和9#煤儲層

3#煤中的植物細胞殘留孔隙比較發(fā)育，保存較好，其次是基質(zhì)孔隙。由于夾矸的發(fā)育，煤中顯微可見礦物質(zhì)的比例偏高，其中以黏土為主。3#煤中比較發(fā)育的微裂隙和植物細胞殘留孔隙有利于煤層氣的解吸擴散與產(chǎn)出。8#、9#煤基巖塊中以植物細胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙為主，基巖塊孔隙度較低。

4 煤儲層滲透率評價

相互連通的裂隙網(wǎng)絡構(gòu)成了煤層氣流動的通道?？?、裂隙結(jié)構(gòu)直接影響到煤層氣的吸附和滲流［8］．

本區(qū)的外生節(jié)理除在馬鞍山和紅土溝礦較為發(fā)育，對滲透率有較大影響外，其余幾個采樣點的外生節(jié)理均欠發(fā)育，考慮到其受地應力的明顯影響，其對滲透率的貢獻有限。內(nèi)生裂隙與微裂隙滲透率對煤儲層滲透率的貢獻通常比較大，決定其大小的兩個重要參數(shù)為裂隙孔隙度及其裂隙之間的連通狀況。15#煤儲層內(nèi)生裂隙孔隙度參數(shù)表見表2．

表2 15#煤儲層內(nèi)生裂隙孔隙度參數(shù)表

表2列出了本區(qū)15#煤內(nèi)生裂隙、孔隙度統(tǒng)計參數(shù)。其中南峪和白羊嶺一帶的內(nèi)生裂隙孔隙度較高，而馬鞍山、李家溝和上馬郡頭一帶的內(nèi)生裂隙孔隙度較低。依據(jù)研究區(qū)15#煤儲層的大裂隙發(fā)育特征，對比已知的壽陽太原組煤儲層滲透率值，在埋深1 000 m左右的深度范圍內(nèi)，15#煤的滲透率大體為0.5×10－3～ 1×10－3μm2．其高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部，其在這一帶的滲透率也有可能高達1.5×10－3μm2．馬鞍山和上馬郡頭一帶15#煤的滲透率有可能要低一些。對比3#煤和15#煤的大裂隙發(fā)育特征，兩者大體相近。也可能為0.5×10－3～1×10－3μm2．8#和9#煤儲層中的大裂隙明顯比15#煤儲層中的發(fā)育，其有可能比15#煤的滲透率高0.3×10－3～0.5× 10－3μm2．

5 結(jié)論

1)15#煤儲層的微裂隙尚不發(fā)育，內(nèi)生裂隙孔隙度較高，外生節(jié)理發(fā)育。3#煤儲層外生節(jié)理發(fā)育程度明顯好于15#煤，內(nèi)生裂隙的載體比例高。8#煤和9#煤儲層內(nèi)生裂隙發(fā)育良好，發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，內(nèi)生裂隙孔隙度高，應該有較好的滲透率。

2)15#煤中主要發(fā)育植物細胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙。煤基巖塊的塊度在同煤級煤中偏小，其有利于煤層氣的流動產(chǎn)出。煤基巖塊的孔(微裂)隙度偏低，特別是微裂隙欠發(fā)育。3#煤中的植物細胞殘留孔隙比較發(fā)育，保存較好，其次是基質(zhì)孔隙。8#、9#煤基巖塊中以植物細胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙為主，基巖塊孔隙度較低。

3)據(jù)研究區(qū)15#煤儲層的大裂隙發(fā)育特征，對比已知的壽陽太原組煤儲層滲透率值，在埋深1 000 m左右的深度范圍內(nèi)，15#煤的滲透率大體為0.5×10－3～1×10－3μm2．其高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部。馬鞍山和上馬郡頭一帶15#煤的滲透率有可能要低一些。對比3#煤和15#煤的大裂隙發(fā)育特征，兩者大體相近。8#和9#煤儲層中的大裂隙明顯比15#煤的發(fā)育，其有可能比15#煤的滲透率高。

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Pore Fracture System and Permeability Characteristics of Coal Reservoir in Yangquan Sijiazhuang Mine

HAO Chunshen

The southern of Yangquan coalfield near Sijiazhuang coalmine is observed，and themercury injection test is conducted，fracture development characteristics and pore structure characteristics of coal reservoir in 3#，8#，9 #and 15#coal is systematically analyzed．The results show that the coal seam fracture development，benefits the coal seam permeability．The keys of coalbed methane desorption and seepage aremicrofissure and plant cells remaining large pore．The high value areas of permeabilitymay be in the deep of Nanyu and Baiyangling，and the permeability of Maanshan and Shangmujuntou may be lower．

Coal reservoir;Fracture;Pore structure;Characteristics;Permeability

TD163+．1

A

1672－0652(2015)09－0053－04

2015－06－28

郝春生(1970—)，男，山西祁縣人，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(北京)，碩士研究生，工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)研究與開發(fā)工作(E－mail)chzhj052@126．com