火燒鋪煤礦多層疊置含煤層氣系統(tǒng)發(fā)育規(guī)律

白利娜 曾家瑤

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550008；2.貴州省煤田地質局，貴州 貴陽 550008）

0 引言

貴州省煤層氣資源豐富，據(jù)最新一輪的全省煤層氣資源開發(fā)潛力評價結果顯示，貴州省上二疊統(tǒng)可采煤層推測煤層氣地質資源量為3.05×1012m3，而資源豐度可達1.12×108m3／km2，且全省煤層氣資源主要集中于西部地區(qū)［1］?；馃伱旱V位于黔西盤縣境內(nèi)，主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，“煤層多、煤層薄”的特點成為制約該地區(qū)煤層氣地面開發(fā)的瓶頸之一［2］。而多層疊置含煤層氣系統(tǒng)是指煤層含氣量或壓力系數(shù)在垂向上相悖于“吸附原理”，呈現(xiàn)出“波動式”變化，主要利用含氣量、壓力梯度、煤儲層物性等在垂向上的差異，結合沉積層序格架進行劃分。鑒于此，研究火燒鋪煤礦的多層疊置含氣系統(tǒng)對礦區(qū)后期開發(fā)有著極其重要的作用。而前人的研究大多是以煤田鉆孔煤樣為基礎進行的理論推測分析，導致多煤層疊置系統(tǒng)的規(guī)律性顯現(xiàn)受到干擾［3］。筆者基于火燒鋪煤礦最新施工的3口煤層氣參數(shù)井資料及前期地質資料，全面分析各主采煤儲層的垂向物性特征，探索該區(qū)多層疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)，以期為研究區(qū)后期煤層氣的地面開發(fā)提供指導意見。

1 煤層氣地質條件

火燒鋪煤礦位于貴州省六盤水煤田的盤縣中部，其構造位置為盤關向斜西翼南段。礦區(qū)的構造形態(tài)為向東傾斜的單斜構造，斷層火6和火5將火燒鋪煤礦分為三段。區(qū)內(nèi)褶曲不發(fā)育，但是斷層比較多，綜合來講，礦區(qū)屬于中等構造復雜程度，見圖1。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為礦區(qū)內(nèi)的主要含煤地層，沉積類型屬于海陸過渡相碎屑巖含煤沉積，含煤地層平均厚度約為216.4 m，含煤約為26～38層，其中14層為可采煤層，平均可采總厚約為24.2 m，可采含煤系數(shù)為11.18%。各煤層的宏觀煤巖類型主要為半暗型，其次為暗淡型及光亮型。區(qū)內(nèi)煤種較多，有氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤，由北向南煤的變質程度有逐漸增高的趨勢，與區(qū)域煤的變質規(guī)律相吻合［4］。

2 煤儲層物性分布特征

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質構造綱要圖

據(jù)礦區(qū)基礎地質資料顯示，區(qū)內(nèi)可采煤層分別為1號、3號、5號、7號、12號、14號、17號、20號、21號、22號、24號、24-1號、26號、27號，共計14層。其中，3號、12號煤層為全區(qū)可采煤層，1號、5號、7號、14號、17號、20號、21號、22號、24號、26號、27號共計11層為大部可采煤層，僅24-1號煤層屬于局部可采。煤層主要表現(xiàn)為中厚層及薄層。就垂向而言，下部煤層總體較薄，中、上部煤層相對較厚。

2.1 煤質垂向特征

礦區(qū)內(nèi)各主要可采煤層的原煤干燥基全硫值介于0.20%～4.96%，其中3號、5號、7號、12號、14號、17號、20號、21號煤全硫值一般介于0.20%～0.50%，1號、22號煤全硫值一般介于0.57%～0.70%，26號、27號煤全硫值一般介于2.01%～2.66%，24號、24-1號煤全硫值大于3.00%。按煤炭資源評價硫分分級，3號、5號、7號、12號、14號、17號、20號、21號煤屬特低硫煤，1號、22號煤屬低硫煤，26號、27號煤屬中高硫煤，24號、24-1號煤屬高硫煤。全區(qū)內(nèi)各主要可采煤層的原煤干燥基灰分產(chǎn)率介于13.36%～29.15%，其中，7號、12號、17號原煤干燥基灰分產(chǎn)率一般介于13.36%～15.46%，24-1號原煤干燥基灰分產(chǎn)率為29%～29.15%，其余煤層原煤干燥基灰分產(chǎn)率均介于16.01%～29.00%。按煤炭資源評價灰分進行分級，除7號、12號、17號煤層以外，區(qū)內(nèi)其余可采煤層原煤屬中灰煤?？傮w來看，礦區(qū)內(nèi)煤層硫分、灰分呈現(xiàn)出上部、下部遞減，中部遞增的規(guī)律，海水對火燒鋪煤礦硫分含量的影響還是比較明顯的，綜合分析硫分含量垂向上的變化規(guī)律，認為該規(guī)律較好地反映了晚二疊世研究區(qū)區(qū)域海退—海侵—海退的旋回過程；灰分與硫分在中下部相關性比較好，呈現(xiàn)較明顯的正相關關系，這恰好與該區(qū)域處于過渡相的沉積環(huán)境相吻合［4-5］。

2.2 煤儲層含氣性垂向特征

根據(jù)火燒鋪煤礦井下瓦斯值及煤層氣參數(shù)井的含氣量數(shù)據(jù)可知，全區(qū)煤層氣含量平均可達9.42 m3／t。各主要可采煤層的含氣量呈現(xiàn)垂向波動式變化（圖2），其中，21號、22號煤層含氣量最高，1號煤層含氣量最低。1號、3號、7號煤層含氣量呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢；12號、20號、21號、22號煤層含氣量呈現(xiàn)快速上升的趨勢；22號-27號煤層含氣量呈現(xiàn)先下降，后趨于平穩(wěn)的趨勢。以12號和22號煤層含氣量為分界線，全區(qū)從頂端至底端可大致劃分為3個旋回序列：序列一包括1號、3號、5號、7號煤層；序列二包括12號、14號、17號、20號、21號、22號煤層；序列三包括24號、24-1號、26號、27號煤層。在同一個序列內(nèi)存在如下規(guī)律：即平均含氣量隨著煤層埋深的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且當埋深增加到一定深度時，含氣量變化趨于穩(wěn)定。

圖2 各主采煤層含氣量垂向變化規(guī)律圖

考慮到火燒鋪煤礦煤層較多，為了獲取較準確的含氣量數(shù)據(jù)，根據(jù)GB／T 19559-2008《煤層氣含量測定方法》，參數(shù)井各煤層含氣量主要包括推算的逸散氣量、煤樣現(xiàn)場解析氣量、煤樣粉碎后測定的殘余氣量三部分，包括了游離氣和吸附氣。筆者使用的煤層含氣量即為逸散氣量、現(xiàn)場解析氣量、殘余氣之和。

2.3 煤儲層解吸—吸附特征

在一定的煤儲層壓力條件下，煤層單位含氣量的高低由煤的吸附能力決定，而煤層氣井的產(chǎn)能則受到其解吸能力的影響［6］，匯總研究區(qū)三口煤層氣參數(shù)井等溫吸附實驗的相關數(shù)據(jù)，其中，各煤層蘭氏體積分布于15.22～22.79 cm3／g，平均值為17.63 cm3／g；蘭氏壓力分布于1.13～2.38 MPa，平均值為1.78 MPa（表1）。結合試井獲取的儲層壓力、實測的煤層含氣量等可初步估算出部分可采性評價參數(shù)，如臨儲比、含氣飽和度等。顯示該區(qū)大部分煤層含氣性比較好，但也存在比較大的差異，這將不利于后期煤層氣井的合層排采。

表1 研究區(qū)各主采煤層等溫吸附實驗相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.4 煤儲層孔隙—裂隙特征

根據(jù)XOJIOT BB.提出的分類原則，按空間尺度將煤中孔隙劃分為大孔（大于1 000 nm）、中孔（100～1 000 nm）、小孔（10～100 nm）及微孔（小于10 nm）［7］。研究區(qū)內(nèi)煤樣壓汞試驗結果表明，礦區(qū)內(nèi)主要可采煤層的孔隙度為3.33%～5.23%，平均值為3.97%，隨著埋深增加孔隙度總體表現(xiàn)為減小趨勢。區(qū)內(nèi)各煤層孔隙中，微孔和小孔占比達到70%～80%，各煤層平均孔徑多介于15.2～25.9 nm，總孔體積平均可達5.69 cm3／g（圖3），微小孔的發(fā)育初步表明該氣田各煤層吸附能力較強，利于煤層氣的吸附及后期的解吸，進而為煤層氣的開發(fā)奠定了良好的物質基礎。

在壓汞試驗中，不同孔徑階段對應的孔隙比表面積稱為階段比表面積，階段比表面積與孔徑的關系能有效表征煤儲層中各孔徑孔隙的占比。火燒鋪煤礦階段比表面積隨孔徑的變化顯示，比表面積的顯著增加主要是來源于微、小孔的功勞。陳萍等［8］根據(jù)煤中微孔隙的結構形態(tài)，將煤孔隙劃分為開放型透氣性Ⅰ類孔（開放孔）、一端封閉的不透氣性Ⅱ類孔（半封閉孔）和細瓶頸狀Ⅲ類孔，其中，前兩者的主要區(qū)別在于開放孔具有退汞滯后環(huán)，而半封閉孔因為退汞壓力與進汞壓力相同而不出現(xiàn)滯后環(huán)。因此退汞滯后環(huán)反映了煤中孔隙的連通情況和孔隙類型，滯后環(huán)發(fā)育說明開放孔是主要的孔隙類型，因此孔隙連通性較好；滯后環(huán)不發(fā)育則表征了孔隙類型以連通性較差的半封閉孔為主?？辈閰^(qū)28件煤樣的退汞滯后現(xiàn)象均較明顯，說明該區(qū)孔隙類型以開放孔為主，孔隙連通性較好，較有利于煤層氣的滲流產(chǎn)出［9］。

圖3 各主采煤層孔隙結構垂向變化規(guī)律圖

2.5 煤儲層滲流特征

結合研究區(qū)三口參數(shù)井試井成果，剖析火燒鋪煤礦各煤層的滲透率及儲層壓力系數(shù)（圖4），從圖4可以看出，各煤層滲透率普遍較低，主要分布于0.038～0.12 mD，整體隨埋深增加呈波動式變化，煤儲層壓力系數(shù)以12號煤層、22號煤層為界，1號和3號煤層壓力系數(shù)均大于1.1，屬于超壓儲層，到12號煤層又突然下降為欠壓狀態(tài)，22號煤層之后各煤儲層壓力系數(shù)均在1左右，變化不大，屬于正常壓力儲層。這種波動式變化恰好說明了煤層內(nèi)存在多個含氣系統(tǒng)。

圖4 火燒鋪煤礦各煤層滲透率及儲層壓力系數(shù)垂向變化規(guī)律圖

滲透率及壓力系數(shù)數(shù)據(jù)均是來自三口參數(shù)井，考慮到每口參數(shù)井的試井數(shù)據(jù)有限，因此，數(shù)據(jù)可能會存在一定的片面性，不能充分顯示垂向旋回序列或者規(guī)律性較弱的特征。綜合滲透率和壓力系數(shù)數(shù)據(jù)的垂向變化，以12號和22號煤層為系統(tǒng)邊界，將煤層氣系統(tǒng)劃分為3個旋回序列：序列一，主要包括12號煤層以上的煤層；序列二，主要包括12號、14號、20號及22號煤層；序列三，主要包括22號煤層以下的煤層，見圖5。

圖5 火燒鋪煤礦各主采煤層物性綜合柱狀圖

3 結論

1）研究區(qū)內(nèi)煤儲層化學性質表現(xiàn)為規(guī)律性的波動變化：隨著煤層埋深的增加，煤儲層灰分呈現(xiàn)出波動變化，以12號、22號煤層為分界線，呈現(xiàn)出上部煤層遞減，中部煤層遞增，下部煤層遞減，并最終趨于穩(wěn)定的趨勢。而硫分的垂向變化趨勢大致與灰分一樣，特別是在下部，其變化趨勢和灰分相關性很高，煤儲層化學性質變化與該地區(qū)的沉積環(huán)境相吻合。

2）不同層位煤層的平均含氣量呈波動變化，大致以12號、22號煤層為界，初步可劃分為3個旋回序列，在每一個旋回序列中，煤層平均含氣量隨著埋深增大呈現(xiàn)逐漸升高的規(guī)律，且其下部煤層含氣量（基本為24號煤層埋深處）趨于穩(wěn)定。

3）研究區(qū)煤儲層孔隙主要表現(xiàn)為微、小孔，孔隙類型則是以連通性較好的開放孔為主，這對煤層氣的滲流產(chǎn)出比較有利。煤層氣參數(shù)井試井結果顯示：主采煤層壓力系數(shù)自頂部至底部呈現(xiàn)先降低后升高，最終趨于穩(wěn)定的趨勢。

4）綜合考慮煤質特性、含氣特性、孔隙—裂隙特征及滲流特性，將該研究區(qū)煤儲層劃分為3個獨立的含煤層氣系統(tǒng)：序列一，1號、3號、5號、7號煤層，該序列內(nèi)，灰分、硫分、總孔體積總體呈下降趨勢，含氣量、平均孔徑、滲透率總體呈現(xiàn)上升趨勢；序列二，12號、14號、17號、20號、21號、22號煤層，該序列內(nèi)，硫分、灰分、含氣量、平均孔徑總體呈現(xiàn)上升趨勢，而總孔體積、滲透率則呈現(xiàn)下降趨勢；序列三，24號、24-1號、26號、27號煤層，該序列內(nèi)，各儲層物性參數(shù)變化不大，基本趨于穩(wěn)定。