沁水煤田東北部15號(hào)煤儲(chǔ)層物性及特征研究

楊昌永 ，郝春生，田慶玲，季長(zhǎng)江，邵顯華，常會(huì)珍

(1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

沁水煤田東北部是我國(guó)重要的無(wú)煙煤生產(chǎn)基地和煤層氣富集區(qū)之一，區(qū)內(nèi)礦井多為高瓦斯突出礦井，瓦斯已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的首要因素。本著煤與煤層氣協(xié)同綠色開采理念，近年來(lái)在煤田范圍內(nèi)逐步加大了地面煤層氣開發(fā)工程，為打造本質(zhì)安全、節(jié)能、高效型礦山和清潔利用煤層氣資源起到了積極作用，亦獲得了一些煤層氣儲(chǔ)層物性及特征參數(shù)。當(dāng)前，煤層氣儲(chǔ)層物性及特征研究主要集中在沁水煤田東南部晉城礦區(qū)一帶，而煤田東北部則鮮有開展[1，2]。同時(shí)，由于前期研究的時(shí)效性和參考、利用的資料有限，加之煤層氣儲(chǔ)層的極強(qiáng)不均質(zhì)性和物性差異[3]，使得研究成果未能充分體現(xiàn)研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層物性特征之實(shí)際?；诖?，筆者對(duì)沁水煤田東北部陽(yáng)泉新景礦、平定五礦、昔陽(yáng)六礦等煤層氣開發(fā)資料進(jìn)行了收集、分析及研究，研究成果對(duì)煤田后期煤層氣開發(fā)煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及優(yōu)選、有利區(qū)預(yù)測(cè)等提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及地質(zhì)背景

沁水煤田東北部地處沁水凹陷東北緣，太行隆起之中段西側(cè)，地跨陽(yáng)泉和晉中地區(qū)的平定縣和昔陽(yáng)縣。西北以郭家溝斷層為界，東南以清漳河為界，東界、北界為煤層自然露頭，西部深部界線以各勘探區(qū)和礦井邊界[4]。研究區(qū)總體為一走向北東、傾向南西的單斜構(gòu)造，單斜構(gòu)造之上發(fā)育有次一級(jí)的不同構(gòu)造[5]。地層出露由東往西由老變新，有奧陶系、石炭系、二疊系。東部、北部可見大面積奧陶系石灰?guī)r出露，南部多為二疊系和石炭系出露，西部全為二疊系[2]。下二疊系山西組和上石炭系太原組為礦區(qū)主要含煤地層，其中，下二疊系山西組含煤6層，編號(hào)為1、2、3、4、5、6號(hào)煤層；上石炭系太原組含煤12層，編號(hào)為8、8下、9上、9、11、11下、12、13、13下、15、15下、16號(hào)煤層。3、8、9號(hào)煤層為局部或大部分可采煤層，15號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2 煤儲(chǔ)層物性及特征

2.1 煤層與煤巖特征

2.1.1 煤層特征

煤層是煤層氣的生氣層和儲(chǔ)集層，是煤層氣勘探開發(fā)的直接對(duì)象。煤層厚度、結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定、可采性等特征影響著煤層氣的可采性和開發(fā)難易程度，是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及優(yōu)選的重要參數(shù)[6-8]。開發(fā)目標(biāo)煤層厚度越大、展布越穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單、可采性越好，煤層氣可采性亦越好，反之亦然[9]?；谇咚禾飽|北部地面煤層氣鉆井資料，對(duì)其范圍內(nèi)15號(hào)煤層的發(fā)育特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析(見表1)。煤層厚度2.64～10.90m，平均厚度5.12～6.79m?？梢钥闯?，15號(hào)煤層發(fā)育較好、展布穩(wěn)定，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。受成煤沉積環(huán)境及其演化控制，煤層厚度總體表現(xiàn)為中部平定五礦一帶高，北部陽(yáng)泉新景礦一帶次之，南部昔陽(yáng)六礦一帶最小的分布特征。煤層中含夾矸1～7層，2～3層者居多，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜～復(fù)雜。煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)含量高的泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖等組成，利于煤層氣的封閉保存。

表1 沁水煤田東北部15號(hào)煤發(fā)育特征

2.1.2 煤巖特征

煤巖特征是分析井壁穩(wěn)定性、了解煤儲(chǔ)層物性優(yōu)勢(shì)、預(yù)測(cè)和優(yōu)選煤層氣富集高滲區(qū)的重要研究?jī)?nèi)容[10，11]。沁水煤田東北部15號(hào)煤層為高變質(zhì)無(wú)煙煤三號(hào)，煤變質(zhì)程度表征參數(shù)煤的鏡質(zhì)組反射率由北往南總體呈遞增趨勢(shì)。北部陽(yáng)泉新景礦一帶15號(hào)煤層的平均鏡質(zhì)組最大反射率(Ro，max)一般為2.05%～2.028%，中部平定五礦一帶15號(hào)煤層的平均鏡質(zhì)組最大反射率一般為2.889%～3.108%，南部昔陽(yáng)六礦一帶15號(hào)煤層的平均鏡質(zhì)組最大反射率一般為2.873%～3.423%。受煤變質(zhì)作用及變質(zhì)程度差異影響，陽(yáng)泉新景礦一帶宏觀煤巖類型為半亮～半暗型煤，宏觀煤巖組分以亮煤和鏡煤為主。有機(jī)顯微煤巖組分以結(jié)構(gòu)均一的鏡質(zhì)組為主，以及少量的半絲質(zhì)組及絲質(zhì)組，過渡組份極少，組分界線比較明顯。無(wú)機(jī)顯微組分以粘土為主，硫化物次之，煤層中下部常見草莓狀黃鐵礦，方解石常為次生脈狀充填在有機(jī)質(zhì)當(dāng)中，石英顆粒十分罕見；平定五礦一帶宏觀煤巖類型以光亮型煤、半亮型煤為主，其次為半暗型煤。宏觀煤巖組分以光亮煤、半亮煤為主，其次為鏡煤。有機(jī)顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之。無(wú)機(jī)顯微組分以粘土礦物為主，硫化物次之。粘土礦物與有機(jī)組分、黃鐵礦混雜呈團(tuán)塊狀或微層狀分布，少量充填細(xì)胞腔；昔陽(yáng)六礦一帶宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型煤為主，少數(shù)為半暗型煤。宏觀煤巖組分多以亮煤為主，夾暗煤及絲炭條帶。有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，少量絲質(zhì)組，其他有機(jī)組分難以辨識(shí)。無(wú)機(jī)顯微組分以粘土礦物為主，呈分散狀、團(tuán)塊狀或浸染狀。并含有少量塊狀黃鐵礦或碳酸巖礦物及石英顆粒。

2.2 煤層含氣性

2.2.1 煤層含氣量

煤層含氣量系指單位數(shù)量煤體中所含的煤層氣數(shù)量，單位常用mL/g或m3/t表示。煤層含氣量是煤層氣資源量估算、煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選、礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[12]。當(dāng)前，沁水煤田東北部已開展了部分煤層氣勘探開發(fā)工作，期間采用煤層氣鉆井取芯煤層氣解吸法(測(cè)試過程按照GB/T 19559—2008執(zhí)行)獲得了一些煤層含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)。在埋深1200m以淺，15號(hào)煤層含氣量0.68～17.21m3/t，平均8.15m3/t?？梢姡?5號(hào)煤層含氣量整體較高且兩極值差異較大，體現(xiàn)了煤層氣富集程度較高且賦存的極不均衡性。研究區(qū)煤層含氣性主要受控于煤層圍巖性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)育差異和地下水徑流狀態(tài)等主要地質(zhì)因素及其耦合作用。陽(yáng)泉新景礦一帶15號(hào)煤層圍巖由泥質(zhì)含量高的完整、致密、低滲巖石組成，開放性構(gòu)造不甚發(fā)育，地下水徑流弱，有利于煤層氣保存和富集，煤層含氣量普遍較高(8.63～16.85m3/t，平均10.51m3/t)；昔陽(yáng)六礦一帶15號(hào)煤層圍巖多為致密、低滲的泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，偶見溶洞發(fā)育、性脆的灰?guī)r頂板，開放性構(gòu)造相對(duì)發(fā)育(陷落柱和少量斷距大于10m以上的斷層)，地下水徑流相對(duì)較弱，對(duì)煤層氣保存較為不利，煤層含氣量整體較低(0.74～17.21m3/t，平均7.42m3/t)且煤層氣賦存均衡性較差；平定五礦一帶圍巖巖性及其組合特征與昔陽(yáng)六礦基本一致，但陷落柱開放性構(gòu)造非常發(fā)育，地下水徑流較強(qiáng)，使得煤層氣保存條件較差，煤層含氣量普遍較低(0.68～15m3/t，平均5.28m3/t)且煤層氣賦存均衡性亦較差。

2.2.2 煤層含氣飽和度

煤層含氣飽和度系指煤中孔隙被煤層氣充滿的程度，為煤層實(shí)測(cè)含氣量與原始煤儲(chǔ)層壓力在等溫吸附曲線上所對(duì)應(yīng)的理論含氣量之比值，是煤層氣開發(fā)難易程度、煤層氣井產(chǎn)能和煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選的重要技術(shù)參數(shù)[13，14]。煤層含氣飽和度可由煤層實(shí)測(cè)含氣量、等溫吸附參數(shù)共同計(jì)算而得，計(jì)算過程按照式(1)、式(2)進(jìn)行。

Q含飽=V實(shí)測(cè)/V理論

(1)

V理論=VLP/(P+PL)

(2)

式中，Q含飽為煤層含氣飽和度，%；V實(shí)測(cè)為煤層實(shí)測(cè)含氣量，m3/t；V理論為原始煤儲(chǔ)層壓力條件下所對(duì)應(yīng)的煤層含氣量，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；PL為蘭氏壓力，MPa；P為煤儲(chǔ)層壓力，MPa。

按照式(1)、式(2)對(duì)沁水盆地東北部15號(hào)煤層的含氣飽和度進(jìn)行了計(jì)算，其值為33.27%～47.52%，平均為41.63%(見表2)。可見，15號(hào)煤層的含氣飽和度普遍相對(duì)較低，為欠飽和煤儲(chǔ)層[15]，不利于煤層氣井的高產(chǎn)和采收率的提高[16]。同時(shí)，煤層埋深及煤層含氣性對(duì)煤層含氣飽和度影響最大[13]，二者差異使得研究區(qū)15號(hào)煤層含氣飽和度總體呈現(xiàn)出由北往南遞增趨勢(shì)。

表2 沁水煤田東北部15號(hào)煤含氣飽和度計(jì)算結(jié)果表

2.3 煤層孔裂隙特征

2.3.1 煤層孔隙

煤層是屬于一種多孔介質(zhì)，其孔隙特征影響著煤層氣的賦存、擴(kuò)散、運(yùn)移和滲流特征。煤層氣在煤儲(chǔ)層的大孔中以劇烈的層流和紊流滲透為主，中孔中以緩慢的紊流滲透穩(wěn)住，過渡孔中以吸附、毛細(xì)管凝聚和擴(kuò)散為主，微孔中則以吸附為主[17]。目前，針對(duì)煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究方主要有掃描電鏡法、壓汞法、低溫氮?dú)馕椒ā⑿〗嵌萖射線衍射等[18]，為煤層孔隙的定量分析和評(píng)價(jià)提供了有力依據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)手段的差異，孔隙類型具有多種劃分方案，而B.B.霍多特的十進(jìn)制單位劃方案較受歡迎且應(yīng)用廣泛，他把孔隙劃分為大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、過渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)四種孔隙類型[17]。本文亦采用了該種方案對(duì)煤層孔隙孔徑進(jìn)行了劃分。

據(jù)沁水煤田東北部15號(hào)煤壓汞法孔隙測(cè)定資料可知：受煤質(zhì)程度影響，15號(hào)煤的孔隙度總體較高，同時(shí)孔隙特征參數(shù)值差異顯著。煤孔隙度一般為3.01～12.79%，平均8.24%；總孔容44.4～153.4mm3/g，平均88.39mm3/g；比表面積20.38～27.33m2/g，平均23.56m2/g；中值孔徑8.2～617.6nm，平均281.34nm。進(jìn)汞飽和度(大于80%)和退汞效率(60%～80%)較高[2，19]。壓汞曲線總體呈顯著的“三段式”特征(如圖1所示)：即汞入壓力0.2MPa以下時(shí)，圖1(a)、(b)的壓汞曲線均為一陡傾斜的近似直線段，但圖1(b)的壓汞曲線的平滑度沒有圖2(a)高，且壓汞曲線具有一定“波動(dòng)”，表明圖1(a)、(b)均以大孔為主，但圖1(a)中大孔的連通性相對(duì)較好，孔隙形態(tài)不及圖1(b)復(fù)雜。在較小的外界壓力作用時(shí)汞容易突破煤孔隙毛細(xì)管壓力而進(jìn)入煤孔隙中。該階段煤孔隙為主要為3～63μm的植物細(xì)胞殘留大孔和部分微裂隙，進(jìn)汞量所占比例僅在10%左右，這部分孔隙對(duì)煤層滲透率卻起到重要貢獻(xiàn)；汞入壓力0.2～2.1MPa時(shí)，圖1(a)、(b)壓汞曲線總體為一近直立的線段，但圖1(b)的壓汞曲線的平滑度沒有圖1(a)高，且壓汞曲線具有一定“波動(dòng)”，表明圖1(a)的中孔連通性相對(duì)較好，但小孔隙的發(fā)育程度和孔隙形態(tài)復(fù)雜程度不及圖1(b)。該階段汞入壓力和進(jìn)汞飽和度(約10%左右)增加，表明煤孔隙孔徑變小、孔隙毛細(xì)管壓力增加，0.4～3μm范圍的中孔不甚發(fā)育且多為孤立孔隙；汞入壓力2.1～32MPa時(shí)，圖1(a)、(b)壓汞曲線均呈一顯著的傾斜線，但圖1(a)壓汞曲線波動(dòng)較圖1(b)大。這表明，隨著汞入壓力持續(xù)增加，并突破毛細(xì)管壓力束縛使得汞大量進(jìn)入更小孔徑的孔隙中，但圖1(a)的小孔徑連通性較圖1(b)差。該階段進(jìn)汞量非常之大，高達(dá)70%以上，顯示0.4～0.016μm過渡孔相對(duì)發(fā)育且與基質(zhì)孔隙中相連的次級(jí)孔隙或植物細(xì)胞殘留大孔隙的有效孔隙率比較高。受煤孔隙特征影響，壓汞和退汞曲線之間存在明顯的“滯后環(huán)”。圖1(a)的“滯后環(huán)”較圖1(b)大，表明前者煤中不同孔隙間的連通性較后者好，退汞效率較高。

圖1 沁水煤田東北部15號(hào)煤的的壓汞、退汞曲線

2.3.2 煤層裂隙

煤層裂隙是煤層氣滲流產(chǎn)出通道，其發(fā)育程度、規(guī)模及其連通性等控制著煤層的滲透性，進(jìn)而影響煤層中煤層氣的可抽采性和開發(fā)難易程度[20]。按其成因，煤層裂隙可分為外生和內(nèi)生裂隙兩種，前者亦稱之為節(jié)理，是成煤過程或成煤期后應(yīng)力作用下發(fā)生構(gòu)造變動(dòng)所致，而后者則是煤化過程中煤體發(fā)生脫水、收縮和脫揮發(fā)分等作用所致。為了定量描述煤層裂隙發(fā)育特征，對(duì)沁水煤田東北部15號(hào)煤層的新鮮煤體進(jìn)行取樣和宏觀、微觀裂隙觀測(cè)。15號(hào)煤層的宏觀煤巖組分為光亮、半光亮和半暗型煤。光澤較強(qiáng)，似金屬、玻璃光澤，顏色為灰黑色，條痕為灰黑色，斷口為階梯狀或參差狀，夾有鏡煤條帶，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。煤中內(nèi)生、外生宏觀裂隙均可見，裂隙類型與級(jí)別以小裂隙和微裂隙為主。裂隙發(fā)育方向較零亂，大致可見兩組呈斜交裂隙，走向分別為20°～90°、272°～357°。其中，裂隙的主力優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向在20°～90°之間，裂隙發(fā)育密度為16～27條/5cm。其次，裂隙的次要發(fā)育方向一般在272°～357°之間，裂隙發(fā)育密度一般為5～10條/5cm。煤中多見煤屑及紋裂，具定向性，表面擦痕、斷口較明顯，節(jié)理多呈斜交、近直交和雁列式，見拉長(zhǎng)、定向的孔洞。節(jié)理面和孔洞多被煤屑和礦物質(zhì)所充填，連通性較差(圖2)。

圖2 沁水煤田東北部15號(hào)煤的微觀裂隙特征

2.4 煤層滲透性特征

煤層滲透性系指流體(如煤層氣、水等)在壓差作用下，通過煤層的難易程度，常用滲透率參數(shù)來(lái)定量表征[21]。煤層滲透性是評(píng)價(jià)煤層氣抽采難易程度、產(chǎn)能及產(chǎn)水量預(yù)測(cè)、井網(wǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選的重要內(nèi)容。當(dāng)前煤層滲透率測(cè)定技術(shù)方法較多，諸如無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、鉆孔瓦斯流量法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法等、孔滲儀器測(cè)定法、煤層氣試井法等，但煤層氣試井方法在煤層氣勘探開發(fā)中最為常用[22]，本文所采用的煤層滲透率數(shù)據(jù)均為煤層氣試井法所得(測(cè)試過程按照GB/T 24504—2009執(zhí)行)。煤層裂隙的發(fā)育程度及其連通性，是影響煤層滲透率的關(guān)鍵因素[21]。沁水煤田東北部15號(hào)煤層裂隙相對(duì)發(fā)育，但裂隙多被礦物質(zhì)和煤屑等充填，煤層滲透性差，滲透率普遍較低，煤層滲透率一般為0.011～0.25mD，平均0.09mD(見表3)。相比之下，研究區(qū)中部平定五礦一帶煤層滲透率相對(duì)較高，北部新景礦及南部昔陽(yáng)六礦一帶煤層滲透率相對(duì)較低且基本同為一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 沁水煤田東北部15號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率測(cè)試結(jié)果表

2.5 煤儲(chǔ)層壓力特征

煤儲(chǔ)層壓力(或孔隙流體壓力)系指作用于煤孔隙裂隙空間的流體(水、氣體)壓力，是地層能量的體現(xiàn)和驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)能[23]。煤儲(chǔ)層壓力是煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)、氣井排水降壓難易程度評(píng)價(jià)、計(jì)算煤層含氣飽和度和煤層氣采收率、煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選等的重要研究?jī)?nèi)容之一。煤儲(chǔ)層壓力大小常用壓力梯度來(lái)表征，把壓力梯度小于9.5kPa/m劃分為低壓(欠壓)煤儲(chǔ)層，壓力梯度介于9.5～10.0kPa/m劃分為正常壓力煤儲(chǔ)層，壓力梯度大于10.0kPa/m劃分為高壓(超壓)煤儲(chǔ)層[24]。沁水煤田東北部在煤層氣勘探開發(fā)過程中采用煤層氣試井法(測(cè)試過程按照GB/T 24504—2009執(zhí)行)獲得了部分15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力參數(shù)(見表4)。研究區(qū)含水層弱富水性、地下水徑流條件整體較差和較低地應(yīng)力，使得區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力較低[25]。在煤層埋深1200m以淺，煤儲(chǔ)壓力1.89～6.34MPa，平均4.67MPa；煤儲(chǔ)層壓力梯度4.07～8.93kPa/m，平均6.30kPa/m?？梢姡?5號(hào)煤儲(chǔ)層壓力普遍較低，為低壓煤儲(chǔ)層[24]。同時(shí)，煤儲(chǔ)層壓力總體呈現(xiàn)出由北往南遞減趨勢(shì)。煤儲(chǔ)層的低壓狀態(tài)，勢(shì)必加大煤層氣井排水降壓難度、削弱煤層氣吸附的壓力正效應(yīng)[26]。

表4 沁水煤田東北部15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力測(cè)試結(jié)果表

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤基質(zhì)孔隙表面的不飽和能與非極性分子間作用而產(chǎn)生“范德華力”，該力僅作用于分子的表面且不涉及外層分子，因而甲烷氣體分子在煤基質(zhì)孔隙中主要以單層吸附形式存在[27]，甲烷分子在煤中的吸附過程和吸附特性可用Langmuir方程(式(3))來(lái)描述和表征[28]。

式中，VL為L(zhǎng)angmuir體積，m3/t；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa；V為試驗(yàn)壓力P時(shí)煤對(duì)甲烷吸附量，m3/t；P為試驗(yàn)壓力，MPa。

煤的吸附特征試驗(yàn)是含氣飽和度、臨界解吸及煤層氣采收率計(jì)算，以及煤層氣儲(chǔ)集空間及儲(chǔ)集能力評(píng)價(jià)、煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選的一項(xiàng)重要內(nèi)容[29，30]。研究區(qū)15號(hào)煤層具有高變質(zhì)、低灰、低含水性，使得煤層對(duì)甲烷分子具有很強(qiáng)的吸附能力[27，31]。據(jù)煤的等溫吸附試驗(yàn)可得(見表5)：沁水煤田東北部15號(hào)煤在Langmuir壓力1.31～2.09MPa條件下，空氣干燥基Langmuir體積32.85～41.16m3/t，平均36.86m3/t。干燥無(wú)灰基Langmuir體積41.84～46.48m3/t，平均43.81m3/t?？梢?，煤不但吸附能力強(qiáng)，吸附量亦較高，說(shuō)明煤中具有大量?jī)?chǔ)集甲烷的空間[32]。

2.6.2 煤層氣解吸特征

煤層氣的產(chǎn)出須經(jīng)歷一個(gè)解吸、擴(kuò)散、滲流過程，其解吸/吸附速率的快慢常用煤層氣吸附時(shí)間來(lái)衡量[33]。吸附時(shí)間系指標(biāo)況下，實(shí)測(cè)解吸氣量累計(jì)達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，單位常用d或h表示[34]。吸附時(shí)間對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣時(shí)間及產(chǎn)氣高峰期預(yù)測(cè)、煤層氣非平衡動(dòng)力學(xué)模型評(píng)價(jià)等至關(guān)重要[33]。

表5 沁水煤田東北部15號(hào)煤的等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果表

沁水煤田東北部在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用煤層氣鉆井取芯和煤層氣吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，獲得了一些煤層氣吸附/解吸數(shù)據(jù)。通過對(duì)其統(tǒng)計(jì)分析可得(見表6)：15號(hào)煤層甲烷吸附時(shí)間2.38～22.55d，平均6.38d。煤的高變質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)的完整性及形態(tài)特征，使得15號(hào)煤甲烷的吸附時(shí)間整體較長(zhǎng)，解吸速率過慢[35]。同時(shí)，受煤變質(zhì)程度及煤體破壞程度差異影響[33]，15號(hào)煤甲烷吸附時(shí)間總體由北往南呈遞增趨勢(shì)，北部新景礦一帶15號(hào)煤甲烷吸附時(shí)間平均4.66d，中部平定五礦一帶15號(hào)煤甲烷吸附時(shí)間平均6.87d，南部昔陽(yáng)六礦一帶15號(hào)煤甲烷吸附時(shí)間平均8.00d。研究區(qū)15號(hào)煤甲烷的解吸特征，勢(shì)必加大煤層氣井的排水降壓難度和延長(zhǎng)排水降壓時(shí)間，亦不利于煤層氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和縮短煤層氣開發(fā)周期[12]。

表6 沁水煤田東北部15號(hào)煤吸附時(shí)間測(cè)定結(jié)果表

3 結(jié) 論

1)15號(hào)煤層為中厚～厚的全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，為煤層氣開發(fā)提供良好的儲(chǔ)層條件。煤的高變質(zhì)及變質(zhì)程度差異，控制著煤巖類型和煤巖組分，進(jìn)而影響著煤層氣開發(fā)工藝。

2)15號(hào)煤層含氣量整體較高，可為煤層氣開發(fā)提供較好的氣源。煤層含氣飽和度偏低，不利于煤層氣井的高產(chǎn)和采收率的提高；煤中孔裂隙相對(duì)發(fā)育，但連通性差。過渡孔的過剩發(fā)育，為煤層氣的大量?jī)?chǔ)集提供了良好空間。煤中小～微型裂隙雖較發(fā)育，但充填較甚，致使煤層的滲透率較低；煤儲(chǔ)層壓力的欠壓狀態(tài)，使得煤層氣井排水降壓驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)能較弱、排采難度亦較大，亦削弱了煤層氣的壓力吸附正效應(yīng)；煤對(duì)甲烷的吸附量大，說(shuō)明煤中具有大量?jī)?chǔ)集甲烷的空間。煤對(duì)甲烷吸附時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明煤對(duì)甲烷的解吸速率相對(duì)較低，對(duì)其煤層氣開發(fā)時(shí)氣井初期見氣晚，不利于氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和縮短煤層氣開發(fā)周期。