新疆庫拜煤田煤儲層特征及開采技術建議

安慶，張洲，吳斌，王學堅

（1.新疆煤田地質局161地質勘探隊，新疆 烏魯木齊 830009；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；3.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454003）

新疆庫拜煤田煤儲層特征及開采技術建議

安慶1，張洲2，3，吳斌1，王學堅1

（1.新疆煤田地質局161地質勘探隊，新疆 烏魯木齊 830009；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074；3.河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454003）

通過煤儲層地表及礦井下露頭觀測取樣及試驗分析，結合鉆孔及測井資料，對新疆庫拜煤田中部近直立煤儲層空間展布、巖石物理特征、孔隙、微裂隙、大裂隙系統(tǒng)特征、含氣性及氣水分異特征進行研究，認為A5、A7煤層適合煤層氣勘探開發(fā)，并對本區(qū)煤層氣藏特征的井網部署、井型選擇、鉆完井等開采技術提出合理化建議。

庫拜煤田；煤儲層特征；煤層氣；開采技術

新疆庫拜煤田煤炭資源總量1.97×1010t，主要以中等變質程度焦煤為主，局部發(fā)育肥焦煤和貧煤。煤層氣資源量2 000 m以淺估算為2.273 92×1011m3,具很好的煤層氣勘探開發(fā)前景。煤儲層巖石物理特征對含氣量、吸附性、滲透性等具重要影響，對煤層氣勘探開發(fā)具重要基礎研究意義[1-2]。庫拜煤田與煤層氣開發(fā)成功的沁水盆地煤層氣藏地質特征區(qū)別較大，研究區(qū)發(fā)育近直立的煤儲層，在巖石物理、氣水分異等方面與水平煤儲層不同，因此，加強該區(qū)塊煤儲層特征研究，提出更優(yōu)的技術開發(fā)方案意義重大。

1 煤田概況

庫拜煤田西起拜城西部老虎臺鄉(xiāng)，東至庫車縣庫車河東，面積約1 585 km2，行政區(qū)劃屬新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣、庫車縣。煤田為一南傾的單斜構造，地層走向近EW向，傾角30°~89°，局部地段直立倒轉。主干構造為北部的F1逆斷層，南部的F2、F3正斷層。烏迪克背斜和烏迪克向斜，位于煤田南側，屬大型褶皺。研究區(qū)位于煤田中部，地層傾角178°~184°，地層與煤儲層傾角在80°以上，產狀較穩(wěn)定（圖1）。地層由老到新依次為上三疊統(tǒng)郝家溝組、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組、阿合組及第四系。含煤地層為塔里奇克組，巖性多為砂礫巖、粗砂巖、粉、細砂巖、泥巖及煤層。巖層平均厚168 m，煤層累計平均厚23.90 m，含煤系數(shù)14.22%。

圖1 庫拜煤田構造綱要圖Fig.1 The structure outline map of Kuqa-Bay coalfield1.背斜構造；2.向斜構造；3.逆斷層；4.正斷層；5.庫拜煤田；6.研究區(qū)

2 主要煤儲層特征

煤儲層特征包括儲層空間展布、巖石物理、孔隙、微裂隙、大裂隙系統(tǒng)特征、含氣性及氣水分異特征等。

2.1 主要煤儲層空間分布

研究區(qū)主要煤儲層為A5、A7煤層。A5煤層厚2.06~10.72 m，平均7.96 m。該煤層煤體結構簡單，分布穩(wěn)定，東部較厚，西部變薄，中部有分岔，深部逐漸變厚。煤層中上部有一夾矸厚約0.25 m。A7煤層厚1.35~7.02 m，平均2.95 m。該煤層中部較厚，東、西部稍薄，深部逐漸變厚。煤層結構簡單，局部偶見夾矸。

2.2 主要煤儲層巖石物理特征

井下觀察實測A5、A7煤層，煤體結構為原生結構-碎裂煤。井下A5煤層觀測取樣厚3.10 m，見約0.2 m穩(wěn)定夾矸，從下到上分為3層，即第I層、第II層、第III層，夾矸層不計算在內（圖2）。

圖2 A5煤儲層縱剖面巖石物理性質特征圖Fig.2 The A5 coal reservoir rock physics map in the study area1.半煤田；2.光煤田；3.暗煤田；4.砂巖；5.鏡質組；6.惰質組；7.無機礦物；8.黃鐵礦；9.方解石；10.粘土礦物

第I層 分層垂厚0.40 m，黑色，條帶狀結構，層狀構造，暗淡煤。鏡煤條帶發(fā)育內生裂隙，裂隙密度4條/cm。垂直裂隙面在層理處錯斷，密度6~7條/ 5 cm。主要礦物為方解石，呈脈狀充填于水平節(jié)理中，厚0.1~0.2 mm?；曳之a率為15.96%，揮發(fā)分28.87%，水分1.14%，為低中灰分產率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質組為64.60%，惰性組為25.80%，少見殼質組，無機礦物9.60%，主要為方解石，少量黃鐵礦、粘土礦物。煤基質孔隙度為8.02%。

第II層 分層垂厚1.70 m，灰黑色，碎裂結構，塊狀構造，光亮煤。鏡煤條帶發(fā)育內生裂隙，密度14條/5 cm。發(fā)育一組外生節(jié)理，密度6~9條/2 cm，裂隙面見方解石脈填充?；曳之a率為11.05%，揮發(fā)分為28.27%，水分為1.18%，為低中灰分產率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質組67.00%，惰質組27.80%，少見殼質組，無機礦物5.20%，主要為方解石、粘土礦物，少量黃鐵礦。煤基質孔隙度為7.63%。

第III層 分層垂厚0.80 m，黑色，條帶狀結構，層狀構造，半暗煤。發(fā)育一組垂直層面外生節(jié)理，密度14條/5cm，延伸1~5 cm，裂隙面見輕微礦物填充，主要充填礦物為方解石，呈薄層狀局部充填。灰分產率為13.84%，揮發(fā)分為25.75%，水分為1.14%，為低中灰分產率、中等揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質組59.20%，惰質組31.40%，未見殼質組。無機礦物9.40%，主要為方解石、粘土礦物，少量黃鐵礦。煤基質孔隙度8.15%。

A7煤儲層與A5煤儲層巖石物理性質特征基本相似，見表1。

2.3 主要煤儲層孔隙特征

A5煤儲層大、中孔發(fā)育，部分被粘土礦物充填，孔隙度較高，連通性較好。A5煤儲層BET比表面積0.012 9 m2/g，平均孔徑160.956 92 nm?？紫额愋蜑橐欢朔忾]孔的“墨水瓶”型孔及開放性的連通孔(兩端開口圓筒形孔、四邊開放的平行板孔)。

A7煤儲層大、中孔較發(fā)育，部分被粘土礦物和方解石充填，孔隙連通性一般。A7煤儲層BET比表面積0.807 3 m2/g，平均孔徑8.870 97 nm?？紫稙槎喾N孔隙的復合，包含“墨水瓶”型孔及部分開放性連通孔?？兹葜饕谴笥?0 nm的小孔貢獻的。

表1 主要煤儲層巖石物理測試數(shù)據(jù)Table 1 The main coal reservoir rock physical test data

2.4 主要煤儲層微裂隙特征

A5煤儲層微裂隙不發(fā)育，延伸在1×104~ 1×106nm級，張開1×103~1×104nm級。基質孔隙與裂隙系統(tǒng)連通性較好，有利于煤層氣運移。微裂隙發(fā)育處產粉較少，煤層氣運移過程不易堵塞。鏡下可見雁行狀微裂隙，同時可見微裂隙截切錯動，部分微裂隙截切與錯動起溝通微裂隙作用，有助于連通性的提高。此外可見部分微裂隙被無機礦物充填（圖3）。A7煤儲層微裂隙不發(fā)育，延伸為1×104~1×106nm級，張開1×103~1×104nm級，與A5煤儲層相似?；|孔隙與裂隙系統(tǒng)連通性一般，不利于煤層氣運移。微裂隙發(fā)育處產粉較多，煤層氣運移過程易堵塞。2.5主要煤儲層大裂隙系統(tǒng)特征

圖3 A5煤層鏡下微裂隙與無機礦物充填圖Fig.3 The microscopic microcracks and inorganic mineral filling map of the A5 coal reservoirsa——雁行狀微裂隙；b——微裂隙截切錯動；c——黃鐵礦充填微裂隙；d——切穿絲質體的方解石脈

煤儲層大裂隙包括內生裂隙、氣脹節(jié)理、外生節(jié)理[3]。煤層中節(jié)理裂隙構造很大程度上決定了煤層的結構構造和物理性質，并對煤層氣的生儲、聚集及可采性等起直接或間接控制作用[4]，同時也是滲透率主要貢獻者和煤層氣勘探開發(fā)成功與否的關鍵因素。

研究區(qū)地表出露A5煤層中主要發(fā)育兩組外生節(jié)理裂隙：287°∠44°，5條/m，45°∠88°，15條/10 cm。井下煤儲層內生裂隙發(fā)育，20條/10 cm，長10~15 cm，產狀273°∠83°、232°∠41°；外生裂隙可見4組，其中外生節(jié)理產狀271°∠86°，115°∠44°，2~4條/m，延伸性好，發(fā)育規(guī)則，貫穿可見范圍；外生節(jié)理20°∠30°，該組節(jié)理略微變形，節(jié)理密度達6條/m，90°∠65°的一組節(jié)理發(fā)育較少。經綜合統(tǒng)計分析，該區(qū)塊煤儲層中天然裂隙主要發(fā)育3個優(yōu)勢方向，為NW向、NE向、NS向。

2.6 主要煤儲層含氣性特征

研究區(qū)煤層露頭良好，近地表煤層氣散逸，屬瓦斯風化帶。新疆煤田地質局在研究區(qū)標高2 120 m，埋深80 m處，實測瓦斯含量5.34 m3/t，隨埋深的增加，瓦斯含量逐步增加。煤層埋深與瓦斯含量關系式：y=0.005 6x+5.148 9，R2=0.855 3；其中y為瓦斯含量，m3/t；x為煤層埋深，m[5]。測試蘭氏壓力為1.31~2.81 MPa，平均1.86 MPa，蘭氏體積為19.98~ 27.18 m3/t，平均23.71 m3/t，含氣飽和度為65%。

據(jù)鉆孔瓦斯測定結果，A5煤層埋深176 m處，CH4含量5%，A7煤層埋深217 m處，CH4含量為64.74%。淺部煤層的CH4含量偏低，屬瓦斯風化帶。

2.7 煤層氣藏內部氣水分異特征

研究區(qū)主采煤層A5、A7為中變質程度、煤層近直立的焦煤。與沁水盆地高變質程度，近水平的無煙煤，在氣水分異上差別較大?，F(xiàn)今氣藏遭后期構造破壞，外來水進入煤層更易停留在大的節(jié)理和裂隙系統(tǒng)內，很難克服阻力進入煤的微裂隙及孔隙中。大裂隙中存在的自由煤層水，基本是成煤后期進入的外來水。在重力作用下，水向下運動，氣往上運動，造成明顯的氣水分異現(xiàn)象。因此，研究區(qū)煤儲層內氣水分異主要表現(xiàn)在縱向上，沁南盆地氣水分異主要表現(xiàn)在平面上。

3 煤層氣開采技術建議

庫拜煤田中部A5、A7煤層厚度較大，煤體結構為原生結構-碎裂煤，低中灰分產率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤，顯微組分主要為鏡質組63.60%，次為惰質組28.30%，少見殼質組，無機礦物含量8.10%，煤基質孔隙度為7.90%。煤儲層大、中孔發(fā)育，孔隙度較高，連通性較好。煤儲層裂隙發(fā)育，含氣量隨深度增加而增大，縱向上氣水分異明顯。據(jù)新疆阜康等區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)資料[6-7]，認為庫拜煤田中部A5、A7煤層適合煤層氣勘探開發(fā)。

3.1 井型選擇

研究區(qū)煤層水分布受重力分異作用明顯，下部煤層水較多，上部游離氣相對較多。儲層壓力為煤層水壓力，排水降壓效果明顯。上部煤層水排掉，儲層開始解吸產氣，與水平煤層區(qū)別較大。煤層水分布賦存受儲層裂隙制約，煤層的近直立產狀，使煤層水存儲及滲流優(yōu)勢方向垂直向下，井型的選擇需逐步排水采氣，壓降范圍在水平方向連通擴展，解吸面積增大，提高了單井產量和采收率。因此，開發(fā)井型在充分考慮煤儲層裂隙系統(tǒng)和煤層水滲流優(yōu)勢方向的基礎上，建議順煤層走向鉆井[8]。

3.2 井網部署

煤層氣井網部署考慮的主要因素是天然裂隙的延伸方向，也是滲透率優(yōu)勢方向。經地表煤層露頭實測和井下煤層對比解析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊天然裂隙主要發(fā)育3個優(yōu)勢方向，為NW向、NE向和NS向。因此，井網部署時應考慮矩形井網樣式。井網方位布置在3個優(yōu)勢方向上，井距可大些，非優(yōu)勢方向上，井距則小些。

3.3 鉆完井技術

研究區(qū)A5、A7煤層強度較低，多屬欠壓儲層。煤層含水量小，鉆井應考慮井眼穩(wěn)定性和儲層傷害問題。建議采用鉆井液為微泡沫的欠平衡鉆井技術，完井采用套管射孔壓裂技術[9]。同時A5煤層在中上部發(fā)育一層0.2 m的夾矸，A7煤層靠近底板位置發(fā)育2~5 cm軟煤帶和一層0.3 m夾矸，因此，在A5、A7煤層中鉆進時，井眼軌跡設計在煤層中需避開夾矸和軟煤帶的位置。

4 認識與結論

（1）研究區(qū)A5、A7煤層厚度大，煤體結構為原生結構-碎裂煤，低中灰分產率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤，煤儲層大、中孔發(fā)育，孔隙度較高且孔隙連通性較好。煤儲層裂隙系統(tǒng)主要為NW向、NE向和NS向，煤儲層深部封閉性好，含氣量及甲烷濃度隨深度增加而增大，縱向上氣水分異明顯，該區(qū)塊適合煤層氣勘探開發(fā)。

（2）研究區(qū)A5煤儲層厚度一般大于8 m，煤體結構為碎裂煤，鏡質組含量高，孔、裂隙發(fā)育，含氣量較高，有利于煤層氣開發(fā)，可作為優(yōu)選目標層。

（3）針對研究區(qū)發(fā)育近直立的煤儲層及附屬煤儲層特征，建議順煤層走向鉆井，布置矩形井網樣式，采用鉆井液為微泡沫的欠平衡鉆井技術，套管射孔壓裂完井技術，預防砂堵。

[1] 王生維.煤儲層巖石物理研究與煤層氣勘探選區(qū)——以華北若干煤區(qū)為例[M].武漢:中國地質大學出版社,1997.

[2] 秦勇,傅雪海,葉建平,等.中國煤儲層巖石物理學因素控氣特征及機理[J].中國礦業(yè)大學學報,1999,28(1):14-19.

[3] 王生維,段連秀,張明,等.煤儲層評價原理、技術方法及應用[M].武漢:中國地質大學出版社,2012.

[4] 侯光久,王生維,張先進.晉城成莊礦煤層中節(jié)理研究及其意義[J].天然氣工業(yè),2005,25(1):41-43.

[5] 周梓欣,楊曙光,張偉,等.庫拜煤田瓦斯地質規(guī)律與瓦斯分布特征初步研究[J].中國煤層氣,2012,9(2):29-31.

[6] 尹淮新.新疆阜康煤礦區(qū)煤層氣資源勘探前景及開發(fā)建議[J].中國煤層氣,2009,(2):16-18.

[7] 楊曙光,周梓欣,秦大鵬,等.新疆阜康市阜試1井煤層氣產氣分析及小井網布設建議[J].中國西部科技,2010,(26):3-4.

[8] 王生維,王峰明,侯光久,等.新疆阜康白楊河礦區(qū)急傾斜煤層的煤層氣開發(fā)井型[J].煤炭學報,2014,39(9):1919-1918.

[9] 李趙陽,王延斌,程嘉輝,等.沙爾湖地區(qū)煤層氣成藏特征及開采技術探究[J].新疆地質,2014,32(3):396-399.

The Research of Coal Reservoir Characteristics and Mining Technology of Kuqa-Bay Coalfield,Xinjiang

An Qing1,Zhang Zhou2,3,Wu Bin1,Wang Xuejian1
(1.No.161 Geological Exploration Team,Bureau of Xinjiang Coalfield Geology,Urumqi,Xinjiang,830000,China; 2.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074,China; 3.School of Resource and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China)

Coal seam outcrops observation,samples and test analysis methods were adopted to study the coal reservoir characteristics of Kuqa-Bay coalfield.The content of the study include spatial distribution characteristics of coal reservoir, coal structure characteristics,petrophysical characteristics of coal reservoir,pores characteristics,micro fracture characteristics,large fracture characteristics,gas bearing characteristics,gas water differentiation characteristics.Through synthetically analysis the author thinks that has a great potential for CBM development in this area.Base on this study,the author put forward some rationalized suggestion for existing mining technology.

Kuqa-Bay coalfield;Coal reservoir characteristics;Coalbed Methane(CBM);Mining technology proposal

1000-8845(2016)02-286-05

P618.11

A

項目資助：國家重大專項（2016ZX05043-004）資助

2015-08-18;

2015-09-01;作者E-mail：767396332@qq.com

安慶（1968-），男，新疆伊犁人，高級工程師，1990年畢業(yè)于新疆工學院，現(xiàn)從事煤田地質勘查，煤層氣勘探開發(fā)

張洲（1979-），男，云南通海人，講師，博士，從事煤層氣勘探與開發(fā)研究，E-mail：zhangzhou@hpu.edu.cn