韓城礦區(qū)11號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征分析

李進(jìn)強(qiáng)

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 引言

韓城礦區(qū)地處鄂爾多斯盆地的東南緣，總體呈一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)含煤地層發(fā)育，煤層賦存良好，煤層層數(shù)和可采煤層多，累計(jì)厚度大。煤層含氣量、煤層氣資源儲(chǔ)量豐度均較高，資源量大。當(dāng)前，礦區(qū)內(nèi)還未開(kāi)展過(guò)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征方面的研究工作，在一定程度上制約著煤層氣開(kāi)發(fā)效果。為此，基于韓城礦區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資料，采用煤層氣地質(zhì)理論對(duì)區(qū)內(nèi)11號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征進(jìn)行了分析。

2 煤層氣儲(chǔ)層物性特征

2.1 煤層特征

11號(hào)煤層為韓城礦區(qū)全區(qū)賦存穩(wěn)定可采煤層，亦為區(qū)內(nèi)主力開(kāi)采煤層之一。其位于含煤地層太原組中下部，上距3號(hào)可采煤層平均64 m，下距奧灰頂面平均23 m。煤層厚度2～10.80m，平均3.50m，相對(duì)厚煤區(qū)主要集中分布在礦區(qū)中部文家?guī)X井田和南部東段象山井田范圍。煤層含夾矸1～4層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層偽頂主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖，直接頂多為泥灰?guī)r及石灰?guī)r，老頂一般為石灰?guī)r或中粒砂巖，底板為鋁質(zhì)泥巖。韓城礦區(qū)11號(hào)煤層賦存良好，展布穩(wěn)定，是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的良好對(duì)象。

2.2 煤層孔裂隙特征

2.2.1 煤層孔隙特征

煤層是一種具有孔裂隙發(fā)育的雙重介質(zhì)結(jié)構(gòu)，煤層孔隙發(fā)育特征（主要為孔徑大小及其連通性）影響著煤層氣在煤層中的儲(chǔ)集狀態(tài)和儲(chǔ)集空間、運(yùn)移、滲流難易程度和煤層中煤層氣的可抽采性。研究表明：直徑0.1～1μm的中孔構(gòu)成了瓦斯緩慢流動(dòng)的層流滲透區(qū)，直徑1～100μm的大孔構(gòu)成速度較快的層流滲透區(qū)，直徑100 μm以上以至更大的肉眼可見(jiàn)孔隙、裂隙，構(gòu)成層流和紊流的混合滲透區(qū)[1]。煤層中大孔和中孔越發(fā)育，其滲透性能往往越好。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用壓汞法對(duì)11號(hào)煤層的孔隙特征進(jìn)行了測(cè)定，由測(cè)定結(jié)果可知：11號(hào)煤層的孔隙度為2.60%～4.31%，孔徑小于0.1μm的過(guò)渡孔和微孔最為發(fā)育，大于1000μm的大孔發(fā)育次之，介于100～1000μm的中孔相對(duì)不甚發(fā)育。其中，過(guò)渡孔和微孔所占比例高達(dá)75%左右，大孔所占比例15%左右，中孔所占比例僅為10%左右。退汞效率相對(duì)較高，一般為63.60%～66.87%，表明煤中雖有形態(tài)各異的孔隙發(fā)育，但彼此連通性相對(duì)較好。

2.2.2 煤層裂隙特征

煤層中裂隙按其發(fā)育尺度、規(guī)模大小可分為宏觀裂隙和顯微裂隙，前者肉眼可以進(jìn)行觀測(cè)，后者主要借助顯微鏡進(jìn)行鏡下觀測(cè)。煤層裂隙是煤層氣的擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出通道，其特征影響控制著煤層的滲透性能和煤層氣井的產(chǎn)能。為了較全面地認(rèn)識(shí)煤層裂隙的發(fā)育特征，對(duì)煤層宏觀裂隙和顯微裂隙均進(jìn)行了觀測(cè)。

（1）宏觀裂隙觀測(cè)

就宏觀裂隙而言，煤中裂隙發(fā)育規(guī)模以小型為主，中型次之，未見(jiàn)大型和巨型裂隙發(fā)育。煤層中面割理發(fā)育也非常好，裂隙密度較密，一般為13條/7cm～39條/6.3cm，割理寬度0.1～0.3mm，延伸穩(wěn)定，開(kāi)啟性好。端割理密度較密，一般1.2～3條/1cm，寬度0.1～0.3mm，無(wú)充填。受割理切割，煤層十分破碎、松散。

（2）顯微裂隙觀測(cè)

煤的顯微裂隙觀測(cè)主要借助高倍掃描電鏡進(jìn)行觀測(cè)，因掃描電鏡觀測(cè)法樣品制備簡(jiǎn)便快速，不破壞和損傷樣品，能全面地對(duì)樣品表面多種信息進(jìn)行綜合分析。通過(guò)對(duì)煤的掃描電鏡下觀測(cè)可知：不同煤體結(jié)構(gòu)煤中的顯微裂隙的發(fā)育程度有所不同，其中，碎裂煤鏡下可見(jiàn)原始層理和微細(xì)層理發(fā)育，微層面上多分布黏土礦物；煤切割成碎裂狀，多被礦物充填；裂隙多垂直或斜交層理，局部裂隙被碎粒或角礫充填；原始層理發(fā)育，裂隙以內(nèi)生裂隙、層間裂隙為主，但礦物的存在堵塞了層理與裂隙之間的通道，且穿層裂隙不發(fā)育；碎粒煤中裂隙較平直并呈開(kāi)啟狀，內(nèi)生裂隙少見(jiàn)，外生裂隙較發(fā)育，裂隙中常見(jiàn)礦物充填現(xiàn)象；糜棱煤中可見(jiàn)剪切作用形成鱗片結(jié)構(gòu)，并形成多組“X”型剪切裂隙，內(nèi)生裂隙幾乎不見(jiàn)；煤中發(fā)育滑移面等顯微構(gòu)造，面上多發(fā)育微裂隙并呈開(kāi)啟狀，裂隙中亦常見(jiàn)礦物充填現(xiàn)象。

2.3 煤層含氣性

煤層含氣性是指煤層中所含煤層氣的多少，主要用煤層含氣量來(lái)表征。煤層含氣量是煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算、煤層氣開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)及礦井瓦斯涌出量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)地面鉆井取芯含氣量測(cè)定和氣體組分測(cè)定，獲得了一批11號(hào)煤層含氣性數(shù)據(jù)。在煤層埋深范圍內(nèi)，煤層氣中成分以甲烷為主，占煤層氣體積分?jǐn)?shù)的74.88%～96.95%，多在90%～95%之間。次為氮?dú)夂投趸?，兩者之和一般?.41%～22.45%左右；煤層氣含量總體上較高，一般為5.87～19.73m3/t，平均13.60m3/t，絕大部分在8m3/t以上。相對(duì)低煤層氣含量區(qū)主要分布在礦區(qū)北部、北東部、中段東部及南段以西小范圍?？梢?jiàn)，11號(hào)煤層地處甲烷帶，煤層含氣量較高，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的資源條件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附特性系指甲烷氣體分子在基質(zhì)孔隙表面的吸附性能，甲烷分子在煤基質(zhì)孔隙表面以單分子層吸附，因而其吸附過(guò)程常用朗格繆爾吸附方程來(lái)表征。吸附性能參數(shù)的獲取由煤對(duì)甲烷的等溫吸附試驗(yàn)得出，基于吸附試驗(yàn)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)煤層含氣飽和度、煤層氣最終采收率、臨界解吸壓力的計(jì)算及對(duì)煤層中儲(chǔ)集煤層氣空間、儲(chǔ)集性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)煤的等溫吸附試驗(yàn)（試驗(yàn)過(guò)程參照《GB/T 19560-2008 煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》執(zhí)行）可知：11號(hào)煤的蘭氏體積為18.57～26.88m3/t，平均為23.43m3/t。蘭氏壓力 1.07～2.56MPa，平均 1.84MPa?？梢?jiàn)，中-高蘭氏壓力條件下，韓城礦區(qū)11號(hào)煤層對(duì)甲烷的吸附量相對(duì)較高，表明11號(hào)煤層中微小孔隙（主要指微孔和過(guò)渡孔）相對(duì)發(fā)育，為甲烷的儲(chǔ)集提供了良好的儲(chǔ)集空間[2]。

2.5 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力是指作用于煤巖孔隙內(nèi)流體上的壓力，其是地層能量的體現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力。煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)常用儲(chǔ)層壓力梯度值來(lái)表征，根據(jù)儲(chǔ)層壓力梯度大于、等于或小于相同深度下淡水壓力梯度的情況來(lái)表征煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)，即把煤儲(chǔ)層壓力梯度值小于9.5kPa/m時(shí)為欠壓異常狀態(tài)煤儲(chǔ)層，煤儲(chǔ)層壓力梯度值介于9.5～10.0kPa/m時(shí)為正常壓力狀態(tài)煤儲(chǔ)層，煤儲(chǔ)層壓力梯度值大于10.0kPa/m時(shí)為超壓狀態(tài)煤儲(chǔ)層[3]。煤儲(chǔ)層壓力梯度值越高，越有利于煤層氣井排水降壓達(dá)到高產(chǎn)和提高煤層氣采收率，這一點(diǎn)已在研究和實(shí)踐中得到證實(shí)。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用煤層氣注入/壓降試驗(yàn)對(duì)11號(hào)煤儲(chǔ)層壓力進(jìn)行了測(cè)定：在煤層埋深692.50～723.95m范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)壓力為6.32～8.47MPa，平均7.70 MPa。煤儲(chǔ)壓力梯度為9.13～12.10kPa/m，平均10.91kPa/m?？梢?jiàn)，韓城礦區(qū)11號(hào)煤儲(chǔ)層壓力梯度值整體較高，煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)以超壓為主，利于煤層氣的高效產(chǎn)出、氣井的高產(chǎn)和提高煤層氣采收率。

2.6 煤層滲透性

煤層滲透性是指流體在一定壓力差作用下，通過(guò)煤層的難易程度，主要用滲透率來(lái)定量表示。煤層滲透性是煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選、煤層中煤層氣可抽性及抽采難易程度的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。影響煤層滲透率的因素較多且復(fù)雜，諸如煤體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤巖類型、煤質(zhì)特征、煤類和裂隙發(fā)育特征等均可影響煤層的滲透率[4]。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用煤層氣注入/壓降試井法對(duì)區(qū)內(nèi)11號(hào)煤層滲透率進(jìn)行了測(cè)定，其值為0.22～1.96mD，平均1.29mD。理論研究和實(shí)踐表明，煤層氣高產(chǎn)井區(qū)一般位于滲透率0.55×10-15～100×10-15m2的地區(qū)，滲透率過(guò)低或者過(guò)高都不利于煤層氣井生產(chǎn)[5]?？梢?jiàn)，韓城礦區(qū)11號(hào)煤層滲透率整體較高，可為煤層氣的滲流產(chǎn)出提供良好通道和高產(chǎn)條件。

3 結(jié)論

（1）11號(hào)煤層為中-厚全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)含量高的致密低滲巖性組成，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的對(duì)象和煤層氣保存條件。

（2）11號(hào)煤層孔隙以過(guò)渡孔和微孔為主，大孔次之，中孔不甚發(fā)育，有利于煤層氣的吸附儲(chǔ)集；煤層宏觀裂隙以小型和微型為主，面割理、端割理均發(fā)育較密，但前者更甚，為煤層氣的滲流提供了良好通道，煤層滲透率整體較高。不同煤體結(jié)構(gòu)煤中顯微裂隙發(fā)育程度各異，煤體破壞越嚴(yán)重，其原始層理和內(nèi)生裂隙越發(fā)少見(jiàn)，滲透率亦越低。

（3）11號(hào)煤層地處甲烷帶，煤層含氣量整體較高，但礦區(qū)內(nèi)煤層氣賦存具有一定不均衡性；煤對(duì)甲烷吸附量大，顯示了煤中具有良好的儲(chǔ)集甲烷空間；煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)以超壓為主，利于煤層氣的排水降壓產(chǎn)出和煤層氣井高產(chǎn)。