成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征研究*

李文桃

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

1 研究區(qū)概況

成莊煤層氣區(qū)塊位于沁水盆地南翼，晉城市西北20 km處，跨澤州和沁水兩縣。構(gòu)造總體為—走向北北東或近南北、傾向北西的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)地層平緩，傾角3°～12°，一般在8°以內(nèi)。二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為區(qū)塊內(nèi)主要含煤地層，總厚度126.94～178.06 m，平均厚度145.10 m，含煤11～21層，煤層總厚度14.30 m，含煤系數(shù)9.86%。9號(hào)煤層為區(qū)塊內(nèi)大部分可采的較穩(wěn)定煤層，3號(hào)、15號(hào)煤層為區(qū)塊內(nèi)全區(qū)穩(wěn)定可采中-厚煤層，兩煤層平均間距86 m。其中，15號(hào)煤層埋深介于200～800 m之間，其具有含氣量高、煤層氣資源豐富等特點(diǎn)。為了提前降低煤層瓦斯含量和壓力，減少或消除煤礦瓦斯事故和清潔高效利用煤層氣資源，晉煤集團(tuán)于2007年前后在該區(qū)開(kāi)展了地面煤層氣勘探開(kāi)發(fā)工程，獲得了不少15號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征參數(shù)。鑒于此，筆者對(duì)區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征資料進(jìn)行了較系數(shù)整理、分析和研究。研究成果以期對(duì)區(qū)內(nèi)后續(xù)煤層氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

2 煤層氣儲(chǔ)層物性及特征

2.1 煤層含氣性特征

（1）煤層含氣量

煤層含氣量（煤層瓦斯含量或煤層氣含量）系指單位質(zhì)量的煤層中含有煤層氣（煤礦瓦斯）的氣體體積，常用單位為m3/t或ml/g來(lái)表征。煤層含氣量是礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)、煤層氣資源儲(chǔ)量計(jì)算及煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資源潛力評(píng)價(jià)等的一項(xiàng)重要參數(shù)。成莊煤層氣區(qū)塊在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用地面鉆井取芯技術(shù)、含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定等手段，獲得了24個(gè)15號(hào)煤層原煤含氣量測(cè)定數(shù)據(jù)，如表1所示。由測(cè)定結(jié)果可知，15號(hào)煤層原煤含氣量為4.56～21.04m3/t，平均為11.20m3/t，8m3/t以上的含氣量占總測(cè)值的67%?？梢?jiàn)，研究區(qū)15號(hào)煤層的含氣量較高，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供較豐富的煤層氣資源。

表1 成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層含氣量

（2）含氣飽和度

煤層含氣飽和度系指原始狀態(tài)下煤層中孔隙被煤層氣充滿的程度，是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及優(yōu)選的重要參數(shù)之一。研究和實(shí)踐表明，煤層含氣飽和度的高低影響著煤層氣井的產(chǎn)能和最終采收率。一般而言，高含氣飽和度煤層開(kāi)發(fā)的氣井，煤層氣井的產(chǎn)量高和采收率高，反之亦然[1-2]。為了定量的表征煤層含氣飽和度，對(duì)其進(jìn)行了等級(jí)劃分[3]：即含氣飽和度大于1，為超飽和煤儲(chǔ)層（或過(guò)飽和煤儲(chǔ)層）；含氣飽和度等于1，為飽和煤儲(chǔ)層；含氣飽和度小于1，為欠飽和煤儲(chǔ)層。其可由等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)含氣量共同計(jì)算而得，計(jì)算過(guò)程參照式（1）、式（2）進(jìn)行。

式中:S飽為煤層含氣飽和度，%；V實(shí)為實(shí)測(cè)含氣量，m3/t；V理為原始儲(chǔ)層壓力條件下所對(duì)應(yīng)的煤層含氣量，m3/t；VL為L(zhǎng)angmuir體積（干燥無(wú)灰基），m3/t；P為原始儲(chǔ)層壓力，MPa；PL為L(zhǎng)angmuir壓力（干燥無(wú)灰基），MPa。

按照式（1）、（2）對(duì)成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層的含氣飽和度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果得：70.35%～98.27%，平均為84.31%?？梢?jiàn)，成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層的含氣飽和度雖小于1，但還是比較高，為稍欠飽和-接近飽和狀態(tài)。對(duì)該煤層進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)，較有利于煤層氣井的高產(chǎn)和提高煤層氣的最終采收率。

（3）煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度

煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度是指煤層中煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量與井田面積的比值，單位為：億立方米/平方公里（或×108m3/km2）。其主要用來(lái)定量評(píng)價(jià)目標(biāo)煤層的煤層氣資源的豐盈程度和煤層氣開(kāi)發(fā)資源潛力。煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中：G為煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；A為井田面積，km2；F為煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度，108m3/km2。

研究區(qū)面積為74.33 km2，3號(hào)、9號(hào)及15號(hào)煤層的煤層氣地質(zhì)總儲(chǔ)量為116.11×108m3，按照式（3）計(jì)算可得該煤層的煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度為1.56×108m3。可見(jiàn)，成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層為低等煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度煤層（按照DZ/T 0216-2010《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分），但煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量總體較大，具備較好的煤層氣資源開(kāi)發(fā)潛力。

2.2 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力為煤層孔隙中流體所承受的壓力，在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中對(duì)其研究尤為重視。煤儲(chǔ)層壓力的高低體現(xiàn)了其能量的大小，影響著煤層氣的吸附、產(chǎn)出特征及產(chǎn)出的難易程度[4]。高煤儲(chǔ)層壓力的煤儲(chǔ)層，往往煤層中的吸附瓦斯量較大，煤層氣排水降壓產(chǎn)出亦容易實(shí)現(xiàn)，煤層氣井的產(chǎn)能往往較高，反之亦然。成莊煤層氣區(qū)塊在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用煤層氣試井法對(duì)區(qū)內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層的壓力進(jìn)行了測(cè)定。如表2所示，在煤層埋深431.86～637.61 m范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)存壓力值為1.03～1.77 MPa，平均為1.52 MPa；儲(chǔ)層壓力梯度為1.95～4.05 kPa/m，平均2.92 kPa/m。可見(jiàn)，研究區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力整體較低，屬于嚴(yán)重欠壓煤儲(chǔ)層[5]。15號(hào)煤層的欠壓狀態(tài)勢(shì)必加大了煤層氣井的排采難度和周期，后期可采用高能氣體儲(chǔ)層增能、助排等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)煤層氣井的高效排采。

表2 成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力

2.3 煤的孔隙特征

煤孔隙主要指煤層中未被其他物質(zhì)所充填的有效空間，煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征是研究煤層氣解吸、擴(kuò)散和滲流的基礎(chǔ)，亦是評(píng)價(jià)煤孔隙儲(chǔ)及煤層氣能力的重要研究?jī)?nèi)容[5]。本文采用壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果可得：孔徑為3.51～130799.7 nm，孔徑分布范圍較廣，但所占比例差異較大。其中，孔徑小于10 nm（微孔）的所占比例為49.11%，孔徑10～100 nm（過(guò)渡孔）的所占比例為23.07%，孔徑100～1000 nm（中孔）的所占比例為6.49%，孔徑大于1000 nm的所占比例為21.33%?？梢?jiàn)，煤中孔隙主要以微孔和過(guò)渡孔為主、大孔次之，中孔不甚發(fā)育[7]。因此，15號(hào)煤層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，不但有利于煤層氣的大量吸附空間，亦具有較好的煤層氣產(chǎn)出孔喉通道條件。

2.4 煤層滲透率

煤層滲透率的高低，可以定量分析和評(píng)價(jià)煤層氣產(chǎn)出的難易程度，亦是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)和優(yōu)選的一項(xiàng)重要參數(shù)。煤層滲透率越高，意味著煤層中具有良好的煤層氣產(chǎn)出通道，煤層氣井的產(chǎn)能往往較高，反之亦然[6]。成莊煤層氣區(qū)塊采用采用煤層氣試井法對(duì)區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層的滲透率進(jìn)行了測(cè)定。如表3所示，煤層滲透率為0.03～6.95 mD，平均為2.54 mD。可見(jiàn)，研究區(qū)15號(hào)煤層的滲透率整體較高但差異顯著，體現(xiàn)了煤層滲透率的嚴(yán)重分異特征。煤層的高滲透性，有利于煤層氣的高效產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。

表3 成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層滲透率

2.5 煤的吸附—解吸特征

（1）煤的吸附特征

煤層是一種多孔隙介質(zhì)，對(duì)煤層氣具有吸附特性。煤的吸附特性研究是評(píng)價(jià)煤層氣吸附儲(chǔ)集空間及性能，計(jì)算煤層氣臨界解吸壓力、煤層含氣飽和度及煤層氣井采收率的一項(xiàng)重要參數(shù)[7]。煤的吸附性能常用Langmuir方程來(lái)表征，吸附性能參數(shù)主要通過(guò)煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法（簡(jiǎn)稱等溫吸附試驗(yàn)）獲得。通過(guò)15號(hào)煤層的等溫吸附試驗(yàn)可得，如表4所示。Langmuir體積（空氣干燥基）為26.94～55.81m3/t，平均為41.38m3/t。 Langmuir壓力（空氣干燥基）1.81～3.07 MPa，平均2.44 MPa；Langmuir體積（干燥無(wú)灰基）為33.44～68.25m3/t，平均為50.85m3/t。Langmuir壓力（干燥無(wú)灰基）1.81～3.07 MPa，平均2.44 MPa。

可見(jiàn)，因15號(hào)煤層的變質(zhì)程度較高（無(wú)煙煤三號(hào)），煤中微孔隙較發(fā)育，煤對(duì)煤層氣具有很強(qiáng)的吸附能力、吸附儲(chǔ)集空間亦較大。

表4 成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層等

（2）煤的解吸特征

煤的解吸特征常用來(lái)分析、描述煤儲(chǔ)層及指導(dǎo)煤層氣井的精細(xì)化排采等。煤層中的煤層氣解吸快慢或效率主要用解吸速率來(lái)對(duì)其定量表征，而解吸速率主要采用吸附時(shí)間來(lái)衡量[8]。不同煤階的煤層氣吸附時(shí)間具有很大的差異性，吸附時(shí)間的長(zhǎng)短反映著煤層氣解吸速率的快慢。吸附時(shí)間越長(zhǎng)，意味著煤層氣的解吸速率越慢，煤層氣井短期內(nèi)難以達(dá)到產(chǎn)能高峰，煤層氣井開(kāi)發(fā)周期亦相對(duì)較長(zhǎng)，反之亦然[9]。據(jù)成莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層對(duì)甲烷的解吸試驗(yàn)可知，該煤層吸附時(shí)間3.97～14.50 d，平均8.93 d。較我國(guó)其他中低煤級(jí)煤礦區(qū)的煤的吸附時(shí)間稍長(zhǎng)、解吸速率稍低。對(duì)該煤層進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)氣井短期難以達(dá)到高產(chǎn)，開(kāi)發(fā)周期有所延長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

1）15號(hào)煤層為中厚全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層氣含量、煤層含氣飽和度及煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量豐度均較高，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的開(kāi)發(fā)對(duì)象和資源條件。

2）15號(hào)煤儲(chǔ)層屬于嚴(yán)重欠壓儲(chǔ)層，對(duì)其開(kāi)發(fā)勢(shì)必加大煤層氣井的排采難度和周期；煤層滲透率整體較高，煤層氣的產(chǎn)出通道較好；煤中微孔發(fā)育較甚，為煤層氣的吸附提供了更多的空間儲(chǔ)集，進(jìn)而導(dǎo)致其吸附能力強(qiáng)、吸附量亦較大；煤層的高變質(zhì)，導(dǎo)致煤層的吸附時(shí)間較其他中低煤階稍長(zhǎng)，煤層氣井的產(chǎn)氣高峰可能到來(lái)相對(duì)較晚。

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