淮南礦區(qū)煤層氣含氣性分析
——以13煤為例

劉會(huì)虎，琚其定，胡友彪，黃 暉，徐宏杰

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001； 2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮南 232001)

0 引言

淮南煤田煤層氣于二十一世紀(jì)初期才開(kāi)始大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)，到近期，煤層氣的可利用資源量己達(dá)到5×1010m3[1-2]。煤層的含氣性是決定煤層氣資源量的一個(gè)重要因素，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層氣含氣量的評(píng)價(jià)方法主要有：現(xiàn)場(chǎng)解吸法、等溫吸附法、測(cè)井解釋法等，潘和平等人發(fā)現(xiàn)煤層含氣量與煤層溫度、壓力及碳分、灰分含量具有密切關(guān)系，從而建立了煤層含氣量的多元線性回歸預(yù)測(cè)方法[3-5]。張群推導(dǎo)出新的煤吸附甲烷的溫度-壓力綜合吸附模型,給出了模型中特征常數(shù)的求取方法，并指出該方法比蘭格繆爾等溫吸附模型的功能更強(qiáng)，適用范圍更寬[6-9]。測(cè)井解釋法是將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)建立含氣量的測(cè)井解釋模型，可以預(yù)測(cè)含氣量并減少實(shí)驗(yàn)成本，但結(jié)果有一定的誤差；等溫吸附法獲得的是煤的最大吸附量，未考慮游離氣，但它正確表征了煤層的吸附特征；現(xiàn)場(chǎng)解吸法反映了樣品的實(shí)際含氣量,但受取心方式和提鉆時(shí)間影響,損失氣估算誤差較大[10]。本文將通過(guò)收集淮南礦區(qū)的鉆探資料，對(duì)淮南礦區(qū)13煤進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)所得到的理論含氣量對(duì)13煤層的理論飽和度進(jìn)行了計(jì)算，最后以研究區(qū)13#煤層的含氣量數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了其隨深度的垂向分布特征及水平分布規(guī)律。

1 研究區(qū)13煤層含氣性分析

1.1 煤層氣吸附解吸特征

1.1.1 顧橋礦

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，對(duì)顧橋礦45個(gè)鉆孔取心煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。由圖1和圖2可以看出，八補(bǔ)4孔取樣13-1煤在干燥無(wú)灰條件下最大吸附量為17.156 3 m3/t，八-九補(bǔ)1孔取樣13-1煤在干燥無(wú)灰條件下最大吸附量為16.857 8 m3/t，吸附常數(shù)分別為0.676 8 MPa-1和0.580 8 MPa-1。將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力，則八補(bǔ)4孔和八～九補(bǔ)1孔13-1煤進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)所得到朗格繆爾壓力分別為1.478MPa、 1.722MPa。

Q=17.156 3×0.676 8p/(1+0.676 8p)采樣深度：963.8～969.32m圖1 八補(bǔ)4孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 1 Borehole BB No.4 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=16.857 8×0.580 8p/(1+0.580 8p)采樣深度：901.19～908.37m圖2 八～九補(bǔ)1孔13-1煤的等溫吸附曲線Figure 2 Borehole B～JB No.1 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

對(duì)顧橋45個(gè)鉆孔的13-1煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果中理論吸附量和朗格繆爾體積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1。

表1 顧橋礦13-1煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)(干燥無(wú)灰基)

由表1可知，顧橋礦13-1煤理論吸附量變化于15.852 3～17.804 6 m3/t，平均為17.011 m3/t，朗格繆爾壓力為1.198～1.940MPa，平均為1.616MPa。

1.1.2 潘三礦

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，對(duì)潘三礦40口鉆孔取心煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。圖3和圖4分別為ⅩⅢ東13孔和ⅩⅣ東15孔的13-1煤的等溫吸附曲線。由圖3-15和圖3-16可以看出，ⅩⅢ東13孔和ⅩⅣ東15孔13-1煤的最大吸附量分別為17.136 4m3/t、17.449 5m3/t，將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力分別為1.568 MPa、1.288 MPa。

Q=17.136 4×0.637 99p/(1+0.637 9p)采樣深度：812.55～817.70m圖3 ⅩⅢ東13孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 3 Borehole XIII E No.13 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=17.449 5×0.776 3p/(1+0.776 3p)采樣深度：851.10～855.68m圖4 ⅩⅣ東15孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 4 Borehole XIV E No.15 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

根據(jù)等溫吸附曲線及等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力，對(duì)研究區(qū)潘三礦13-1煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2。由表2，13-1煤的最大吸附量介于16.293 1～20.120 3 m3/t，平均值為17.773 0 m3/t，朗格繆爾壓力介于1.067～1.941MPa，平均為1.391MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，潘三礦13-1煤最大吸附量較高，略高于顧橋礦，朗格繆爾壓力較低，略低于顧橋礦。

表2 潘三礦13-1煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)(干燥無(wú)灰基)

1.1.3 丁集礦

表3為丁集礦13-1煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)(其中朗格繆爾壓力由等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果中吸附常數(shù)換算而成)。

由表3可知，丁集礦13-1煤的最大吸附量變化于16.760 4～18.280 0 m3/t，平均為17.207 7 m3/t，朗絡(luò)繆爾壓力變化于0.895～1.369 MPa，平均值為1.103MPa。由丁集礦13-1煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果可知，13-1煤的朗格繆爾壓力較低，理論吸附量較高。

表3 丁集礦13-1煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)參數(shù)(干燥無(wú)灰基)

1.2 煤層氣含氣量變化特征

對(duì)顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣量進(jìn)行分析，如圖5。由圖5可知：顧橋礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于1.43～23.65 m3/t，平均為6.18 m3/t；潘三礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于0.48～31.9 m3/t，平均為12.55 m3/t；丁集礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于3.43～20.30 m3/t，平均為9.32 m3/t。

由顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣量分析可知，煤層含氣量的分布離散，不同鉆孔取樣測(cè)試的煤層含氣量差異很大，表明受地質(zhì)因素影響不同部位煤層的含氣性差異明顯。將這三個(gè)礦區(qū)的含氣量特征進(jìn)行比較，可以得出三個(gè)礦區(qū)的含氣量分布變化特征基本一致。

1.3 煤層氣理論飽和度變化特征

根據(jù)顧橋礦和潘三礦主要煤層實(shí)測(cè)含氣量和等溫吸附實(shí)驗(yàn)所得到的理論含氣量，對(duì)主要煤層的理論飽和度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖6。由圖6可知：顧橋礦13-1煤的理論飽和度變化于8.48%～138.07%，平均理論飽和度36.75%；潘三礦13-1煤的理論飽和度2.93%～186.43%，平均理論飽和度70.71%；丁集礦13-1煤的理論飽和度19.89 %～117.67%，平均理論飽和度54.21 %；11-2煤的理論飽和度變化于33.12 %～74.04 %，平均52.25 %。

圖5 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)含氣量統(tǒng)計(jì)分布Figure 5 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) gas content statistical distributions

圖6 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)13-1煤理論飽和度Figure 6 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 theoretical saturations

由顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣理論飽和度可知，絕大部分煤層的理論飽和度變化于20%～60%，局部煤層的理論飽和度較高。研究結(jié)果顯示：在不同區(qū)域或不同部位均為不飽和狀態(tài)，揭示出研究區(qū)顧橋礦和丁集礦煤層的含氣程度均為不飽和。通過(guò)比較三個(gè)礦區(qū)的飽和度，潘三礦有相當(dāng)一部分超過(guò)了100%，達(dá)到了飽和其至過(guò)飽和，這表明潘三礦不同區(qū)域中的不同煤層的含氣程度存在飽和或過(guò)飽和的現(xiàn)象。

1.4 煤層氣空間分布特征

(1)煤層含氣垂向變化特征。圖7分別為顧橋礦、潘三礦和丁集礦13-1煤層含氣量與煤層埋深之間的關(guān)系。13煤層煤層氣量與煤層埋深之間的關(guān)系離散，基本上沒(méi)有明顯相關(guān)性，表明煤層埋深對(duì)煤層含氣量的影響很弱。

(2)煤層含氣量水平變化特征。通過(guò)選取顧橋礦、潘三礦和丁集礦的穩(wěn)定可采煤層13-1煤，依據(jù)13-1煤層的煤層含氣量數(shù)據(jù)，繪制了煤層含氣量等值線圖，如圖11所示。

由圖8可知，研究區(qū)13-1煤的煤層含氣量變化規(guī)律呈現(xiàn)出南部高北部低的特點(diǎn)。13-1煤含氣量的分布具體表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：在潘三礦的東南和西南部位分別出現(xiàn)高值區(qū)域，含氣量自南向北降低；顧橋礦的13-1煤的含氣量整體呈現(xiàn)由東南往西北降低的特點(diǎn)，局部出現(xiàn)異常高值或異常低值區(qū)域。

圖7 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)13-1煤含氣量與煤層埋深的關(guān)系Figure 7 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 relationship between gas content and coal seam buried depth

圖8 研究區(qū)13-1煤含氣量等值線圖Figure 8 Isogram of coal No.13-1 gas content in study area

2 結(jié)論

(1)13#煤層最大吸附量變化范圍為15.85～20.12 m3/t，平均為17.33 m3/t，朗格繆爾壓力為0.89～1.94 MPa，平均為1.37 MPa；13#煤層氣含氣量變化于0.48～31.90 m3/t，平均為9.35 m3/t;13#煤層的理論飽和度變化于2.93%～186.43%，平均理論飽和度為53.89%；

(2)不同鉆孔取樣測(cè)試的煤層含氣量差異很大，最高可達(dá)33.5 m3/t，最低為4.9 m3/t。

(3)13#煤層含氣量與煤層埋深之間的關(guān)系離散，沒(méi)有明顯相關(guān)性，煤層氣含氣量隨深度變化的差異不明顯，13-1煤含氣量在平面上由南到北整體上呈逐漸降低的趨勢(shì)。