韓城礦區(qū)3號煤層物性特征研究

劉明杰

（1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責任公司，山西 太原 030000）

1 引言

韓城礦區(qū)是我國著名的煤炭開采和具有煤層氣開發(fā)潛力的礦區(qū)之一，地處鄂爾多斯盆地渭北隆起之東南緣，南臨渭河地塹，西南與澄臺礦區(qū)毗鄰，東部邊界以韓城大斷裂和黃河為界。礦區(qū)主要含煤地層石炭～二疊系蘊藏著豐富的煤炭和煤層氣資源，當前，區(qū)內(nèi)煤層氣已初步實現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)，部分煤層氣開發(fā)理論亦逐漸開展，主要集中在煤層氣賦存規(guī)律及其地質(zhì)控制因素、煤層氣開發(fā)潛力評價方面，而在煤層氣儲層物性特征方面研究甚少。本文基于韓城礦區(qū)地質(zhì)資料和煤層氣勘探開發(fā)資料，對區(qū)內(nèi)3號煤層物性特征進行了探究，研究成果對區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)提供技術(shù)支撐。

2 煤層氣儲層物性特征

2.1 煤層與煤巖特征

（1）煤層特征

煤層是煤層氣的生氣層和儲集層，亦是煤層氣開發(fā)的目標層位，其特征影響著煤層氣開發(fā)的難易程度和經(jīng)濟可采性[1]。韓城礦區(qū)3號煤層位于山西組中下部，上距2號可采煤層4.0～28.0m，一般在15m左右。3號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，累計厚度1.3～5.6m，一般在2m左右，為中～厚煤層。從該煤層礦區(qū)整體賦存情況來看，其在礦區(qū)中段東部板橋一帶最為發(fā)育，最高厚度可達5.6m，向西北部和西南部逐漸變薄，厚度一般1.5m左右。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般含矸石1～2層。煤層頂板多為湖泊相粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，老頂為河床相含白云母中～細砂巖，底板為濱湖相細砂巖或沼澤相粉砂巖、砂質(zhì)泥巖?？梢?，韓城礦區(qū)3號煤層賦存良好、煤層結(jié)構(gòu)簡單且全區(qū)穩(wěn)定可采，為煤層氣開發(fā)提供了良好對象。

（2）煤巖特征

① 宏觀煤巖特征

3號煤層為中高煤級的煙煤，其鏡質(zhì)組反射率為1.39%～1.81%。其以半光亮型煤為主，部分為光亮型、半暗淡型煤。暗煤和亮煤常形成2～3mm的線理狀和細條帶狀互層，鏡煤常呈1～2cm的薄層狀、透鏡體或條帶狀夾于煤層中，絲炭以薄層狀產(chǎn)出。煤中可見大量方解石細脈充填裂隙之中，煤層中下部有黃鐵礦成層分布現(xiàn)象，方解石含量亦較多。

② 顯微煤巖特征

顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，其次為半鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組、半絲質(zhì)組，含有少量粗粒體和碎屑絲質(zhì)體，礦物質(zhì)極少。其中，鏡質(zhì)組以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體為主。半絲質(zhì)與絲質(zhì)組以有結(jié)構(gòu)為特征，可見拉長的細胞、長軸。煤中方解石含量較高（2.8～5.0%），常以方解石脈形式充填于后生裂隙之中。粘土、黃鐵礦含量較少，他們以粒狀分散狀分布。

2.2 煤層孔裂隙特征

（1）煤層孔隙特征

煤層孔隙是煤層氣的主要聚集場所和運移通道，煤孔隙結(jié)構(gòu)及其特征是研究煤層氣賦存狀態(tài)、煤層氣解吸、擴散和滲流的主要內(nèi)容[2]。采用壓汞法對韓城礦區(qū)3號煤層孔隙結(jié)構(gòu)進行了測定：3號煤層孔隙度3.3～4.6%，煤層孔隙類型主要以微孔（小于10nm）和過渡孔（10～100nm）為主，大孔（大于1000nm）次之，中孔（100～1000nm）最少。其中，微孔和過渡孔所占比例81.30～88.15%，中孔所占比例為3.55～5.06%，大孔所占比例為8.12～13.64%。3號煤層微孔和過渡孔發(fā)育較甚的特點，有利于煤層氣的大量吸附和儲集；退汞效率偏低，為43.51～56.23%，顯示了煤層孔隙發(fā)育的多樣性和連通性稍差。

（2）煤儲層裂隙特征

煤層裂隙系統(tǒng)是煤層氣儲集、擴散、運移及滲流的通道，不同尺度的裂隙對煤層氣產(chǎn)出的作用機理各異[3]。一般認為，微裂隙系統(tǒng)主要對煤層氣起到儲集作用，而其大裂隙系統(tǒng)則主要影響著煤層氣擴散、運移及滲流[4]。通過對韓城礦區(qū)3號煤層的裂隙系統(tǒng)進行觀測和統(tǒng)計分析：割理的組合形式以網(wǎng)狀和孤立、網(wǎng)狀為主。一般面割理密度為0.8～1.5條/cm，寬度為0.2～1.2mm，無充填，均垂直層理發(fā)育，多數(shù)切層連通狀況不好，以鏡煤中發(fā)育最好。端割理密度一般0.8～1.2條/cm，裂口寬度微米級?？芍?，3號煤層裂隙比較發(fā)育，割理系統(tǒng)中礦物質(zhì)充填現(xiàn)象較少，對煤層氣的產(chǎn)出極為有利。

2.3 煤層含氣性

煤層含氣性系指煤層中含甲烷氣體的多寡，常用單位質(zhì)量或體積的煤中所含的氣體量來表征，單位為ml/g或m3/t。煤層含氣性是煤層氣區(qū)塊評價及優(yōu)選、煤層氣資源量計算、礦井瓦斯涌出量計算及預測的關(guān)鍵參數(shù)[5]。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用鉆井取芯含氣量現(xiàn)場解吸法對區(qū)內(nèi)3號煤層的原煤含氣量進行了測定，其原煤含氣量為3.00～16.07m3/t，平均11.03m3/t。同時，對其他組分亦進行了測定，煤層氣體組分以甲烷為主，次為二氧化碳和氮氣。其中，甲烷所占體積分數(shù)為86.11～96.73%，多在90%以上。次為氮氣（N2）和二氧化碳（CO2），兩者之和一般在8%左右。縱向上，煤層氣成分與煤層變質(zhì)程度同步變化，無明顯差異?？芍?號煤層含氣量和甲烷濃度總體均較高，可為煤層氣開發(fā)提供良好的資源條件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附試驗是在一定溫壓條件下評價煤對甲烷氣體分子的吸附能力、吸附量及儲集空間的重要技術(shù)手段，試驗參數(shù)是計算煤層氣臨界解吸壓力、枯竭壓力及煤層氣采收率的重要資料[6]。煤層氣在煤層中主要以單分子層吸附為主，因而遵循Langmuir吸附方程。據(jù)韓城礦區(qū)3號煤的等溫吸附試驗結(jié)果：在蘭氏壓力1.33～3.33MPa，平均2.32MPa條件下，3號煤的蘭氏體積為15.27～29.72m3/t，平均為22.06m3/t。可見，在蘭氏壓力中等～高條件下，該煤層對甲烷具有較強的吸附能力，吸附量亦相對較高，體現(xiàn)了煤中具有較好的儲集煤層氣空間。

2.5 煤儲層壓力

儲層壓力即為作用于煤巖孔隙空間內(nèi)流體上的壓力值，常用壓力梯度值來對其定量描述或表征。當前，煤儲層壓力梯度值主要基于壓力梯度大于、等于或小于淡水壓力梯度的情況來衡量的，即當煤儲層壓力梯度大于9.79kPa/m時為超壓(或高壓)煤儲層壓力異常狀態(tài)。煤儲層壓力梯度等于9.79kPa/m時，為正常煤儲層壓力狀態(tài)。煤儲層壓力梯度小于9.79kPa/m時，稱之為低壓煤儲層壓力異常狀態(tài)。采用煤層氣注入/壓降試井法對韓城礦區(qū)3號煤儲層壓力進行了測定，在煤儲層埋深601.07～672.33m范圍內(nèi)，煤儲層壓力為7.31～9.43MPa，壓力梯度為10.87～15.68kPa/m?？梢?，韓城礦區(qū)3號煤儲層壓力總體較高，為超壓異常狀態(tài)，顯示了該區(qū)地層能量較高和驅(qū)動煤層氣產(chǎn)出的動力強勁，有利于煤層氣的排水降壓產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。

2.6 煤層滲透性

煤層滲透性系指諸如水、煤層氣等流體在壓差作用下，通過煤層的難易程度，常用滲透率來定量表示。煤層滲透性是煤層氣井產(chǎn)能預測和煤層氣區(qū)塊評價及優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)之一，煤層滲透率越高，對煤層氣開發(fā)越為有利，反之亦然。據(jù)研究和煤層氣開發(fā)資料顯示，煤層滲透率介于0.55～100mD的煤層氣區(qū)塊，區(qū)內(nèi)煤層氣井多為高產(chǎn)井，滲透率過低或者過高均對煤層氣生產(chǎn)不利。采用煤層氣注入/壓降試井法對韓城礦區(qū)3號煤層滲透率進行了測定，其值為1.93～3.50mD?？梢?，韓城礦區(qū)3號煤層滲透率相對較高，煤層滲透性較好，體現(xiàn)了煤層中煤層氣運移、滲流通道良好，利于煤層氣的高效產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）3號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采的中～厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，可為煤層氣開發(fā)提供良好的目標層位；3號煤層為中高煤級的煙煤，宏觀煤巖類型以半光亮型為主，部分為光亮型、半暗淡型。宏觀煤巖組分中暗煤和亮煤常以線理狀和細條帶狀互層，絲炭以薄層狀產(chǎn)出。顯微有機煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，無機礦物質(zhì)極少。

（2）3號煤層的中高變質(zhì)，不但使得煤中大量的微孔及過渡孔隙發(fā)育，為煤層氣提供了大量吸附和儲集空間。亦導致煤中裂隙系統(tǒng)相對發(fā)育，為煤層氣提供了良好的滲流通道，滲透率相對較高。同時，煤的變質(zhì)促進了煤的大量生烴，使得煤層含氣量整體較高；煤儲層壓力為超壓異常狀態(tài)，顯示了該區(qū)地層能量較高和驅(qū)動煤層氣產(chǎn)出的動力強勁，有利于煤層氣的排水降壓產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。