貴州雨谷井田煤儲層物性特征及煤層氣開采條件研究

謝色新 馬俊強

(中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣州 510440)

貴州素有“江南煤海”之稱，現(xiàn)正以其豐富的煤層氣資源、優(yōu)越的儲層條件吸引越來越多的投資者目光，引起了新一輪煤層氣開發(fā)熱潮[1-4]。煤儲層物性特征及煤層氣開采條件是評價是否適合進行煤層氣開采的主要因素，前人對此已進行了大量研究[5-9]。

雨谷井田位于貴州省盤縣南部，井田內(nèi)響水煤礦是國家煤炭重點規(guī)劃礦區(qū)的特大型骨干礦井，該礦為煤與瓦斯突出礦井，曾分別于2005年12月24日和2012年11月24日發(fā)生煤與瓦斯突出事故[10]。為開發(fā)利用煤層氣資源和降低礦井瓦斯危害，對井田內(nèi)煤儲層物性和煤層氣開采條件進行了研究，以期實現(xiàn)“先采氣、后采煤”的構(gòu)想，在開采清潔能源的同時為煤礦安全生產(chǎn)保駕護航。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過一系列的實驗測試，并結(jié)合已有資料[11]，分析探討了3#、12#煤儲層物性特征及煤層氣開采條件，并對該區(qū)域的煤層氣開發(fā)工作提出了一些建議。

1 構(gòu)造

大地構(gòu)造位置處于六盤水斷陷、普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)黔西南渦輪構(gòu)造帶的盤南背斜與下甘河斷裂之間，屬盤南背斜南東翼西端(圖1)。區(qū)域構(gòu)造特征表明，井田內(nèi)構(gòu)造面貌主要與燕山運動有關(guān)。在燕山運動過程中，出現(xiàn)南北向的正反兩次直扭構(gòu)造運動復合疊加，后期順時針直扭運動可能為燕山運動中、晚期產(chǎn)物。所以盤南背斜是在先期反時針直扭運動形成的北東向構(gòu)造形跡的背景又疊加了順時針直扭運動。盤南背斜屬不對稱的復式背斜，軸向N60°E，呈一反“S”型褶曲。

Figure 1 Study area situation圖1 研究區(qū)位置

井田地層走向自西向東30°～40°至100°～60°，傾向南及南東，傾角10°～30°(西陡東緩)，東部撒開，向北凸起的孤形，整體為單斜構(gòu)造，次級褶曲不明顯，規(guī)模很小?？傮w來說，本區(qū)構(gòu)造相對簡單，對煤層氣保存有利。

2 煤層煤質(zhì)

雨谷井田主要含煤地層為龍?zhí)督M，埋深500～1 000m，平均厚252 m，含煤層20～40層，一般28層，總厚度23.14～44.85 m，平均厚33.64 m，含煤系數(shù)13.30%(表1)。

(1)煤層結(jié)構(gòu)。3#煤層：位于龍?zhí)督M上段頂部，厚0.38～5.86 m，平均厚2.98 m，一般含夾矸2層。煤層采用厚度變化不大，呈由西向東逐漸變小的趨勢，規(guī)律性明顯。

12#煤層：厚0～4.47 m，平均厚1.18 m。一般含0.10 m左右泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)較單一，煤層采用厚度變化較大，在可采區(qū)內(nèi)采用厚度變化不大。

表1 井田可采煤層特征一覽表Table 1 Data sheet of mineable coal seam features in minefield

表2 煤層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 2 Coal seam fundamental data sheet

3 儲層物性特征

(1)電鏡觀測。對區(qū)內(nèi)煤樣進行掃描電鏡觀測，煤層掃描電鏡結(jié)果見圖2。

該區(qū)域煤層天然裂隙較為發(fā)育，呈交叉分布，少量充填，局部裂隙開啟程度較高，連通性較好，便于煤層氣運移產(chǎn)出，對煤層氣開采有利。

(2)壓汞測試。采用AUTOPORE9505壓汞儀對煤的孔隙結(jié)構(gòu)進行測試(圖3)。

壓汞測試得到3#煤孔隙率10.387%，12#煤孔隙率12.48%，總孔容分別為0.069 2 mL/g和0.086 9 mL/g，孔隙發(fā)育；由進退汞曲線可以看出，二者均存在明顯滯后環(huán)，進汞曲線“陡升陡降”現(xiàn)象現(xiàn)象不明顯，且退汞曲線平緩。說明孔隙類型以開放性為主，有效孔隙率高，封閉和連通性差的“細頸瓶”孔較少，孔隙整體連通性好，與掃描電鏡下觀測到的孔隙發(fā)育情況相符。

(3)滲透性。滲透性是影響煤層氣是否可采的一個重要因素[12-13]，相較于室內(nèi)覆壓滲透性受諸多因素影響，煤層氣裸眼試井更能客觀評價儲層原位滲透性。根據(jù)煤層氣參數(shù)井裸眼注入-壓降試井數(shù)據(jù)，3#煤層原位滲透率為0.125 mD，12#煤層為0.262 mD，屬低-中等滲透性儲層，從縱向看，主要與其儲層物性有關(guān)，受埋深影響較小。因煤層無機組分以氧化物及硫化物為主，黏土含量不高，且為原生結(jié)構(gòu)煤，結(jié)合實際煤巖特征，本區(qū)適宜進行水力壓裂改造。

(a)3#煤 (b)12#煤圖2 井田煤樣掃描電鏡觀測圖Figure 2 Minefield coal sample scanning electron microscopic photos

(1)3#煤 (2)12#煤圖3 煤樣進退汞曲線Figure 3 Coal sample mercury intrusion and withdrawal curves

4 含氣性及吸附特征

4.1 含氣性

資料顯示，本區(qū)3#煤層煤層氣含量在8.31～12.5 m3/t，12#煤層的煤層氣含量在10.4～19.1 m3/t，此次研究依據(jù)《煤層氣含量測定方法》(GB/T 19559-2008)，鉆孔煤心實測含氣量及組分見表3。

總體上，區(qū)內(nèi)煤層氣含量在平面上分布較穩(wěn)定，符合煤層氣含量隨埋深增大而增加的總體趨勢。從組分來看，甲烷含量均在90%以上，含部分N2和少量CO2、C2H6等。同時，煤層氣含量較高，已達到《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》(2012)規(guī)定的煤層氣資源估算指標含量下限標準(中階煤含氣量≥4m3/t)，和寧夏大地出版社《最新煤層氣地質(zhì)綜合勘探開發(fā)技術(shù)與資源量預測評價分析實物全書》提到的噸煤含氣量≥8m3，有利于煤層氣開發(fā)。較高的煤層氣含量可為煤層氣開發(fā)提供充足的資源量保障。

4.2 吸附性

采用IS-300型等溫吸附儀，分別在30℃條件下對3#、12#煤層空氣干燥基煤樣進行等溫吸附測試，得到等溫吸附曲線(圖4)。

心有靜氣，才能客觀看待人事，沉著思考問題。反之，心有怒氣，整個人就會淪為情緒的奴隸，辨不清是非真假，自然容易出亂子。

表3 煤層氣含量及組分Table 3 CBM contents and compositions

(a)3#煤 (b)12#煤等溫吸附曲線圖4 雨谷井田煤樣等溫吸附曲線(空氣干燥基)Figure 4 Yugu minefield coal sample isothermal adsorption curves (air-dried basis)

根據(jù)等溫吸附測試得到的吸附常數(shù)(朗格繆爾體積VL和朗格繆爾壓力VL)，結(jié)合表3中儲層壓力和含氣量，分別根據(jù)公式(1)(2)可以計算得到含氣飽和度、臨界解吸壓力等參數(shù)(表4)。

Sg=(Vm/VL)×[(PL+Pf)/Pf]

(1)

η=1-VL×Pad/Vm(Pad+PL)

(2)

式中：Sg—含氣飽和度，%；Vm—實測含氣量，m3/t；Pf—儲層壓力，MPa；η—理論采收率，%；Pad—廢棄壓力，MPa，根據(jù)美國目前的經(jīng)驗，取0.70 MPa進行計算[14]。

表4 井田參數(shù)井典型煤層儲層壓力及梯度Table 4 Minefield parameter well typical coal seam reservoir pressures and gradients

相較前人研究結(jié)論[15]，結(jié)合3#、12#煤層變質(zhì)程度，可以看出本區(qū)煤層吸附極限值偏低，可能與其灰分稍高有關(guān)。由表4，3#煤層含氣飽和度為82%，為近飽和煤層，12#煤層為過飽和煤層，表明儲層內(nèi)存在較多的游離態(tài)及水溶態(tài)氣體。3#、12#煤層理論采收率分別可達到59%和74%，屬較理想狀態(tài)。

4.3 壓力特征

煤儲層壓力受地質(zhì)構(gòu)造演化、水文地質(zhì)條件、埋深、含氣量、地應(yīng)力等諸多因素的影響，其中埋深、含氣量和地應(yīng)力是最主要的控制因素[16]。結(jié)合表3中煤層埋深和實測儲層壓力、公式(3)，可分別得到儲層壓力梯度、理論臨界解吸壓力和臨儲比(表5)。

Pcd=VmPL/(VL-Vm)

(3)

式中：Pcd—理論臨界解吸壓力，MPa；Vm—實際含氣量，m3/t；PL—朗格繆爾壓力，MPa；VL—朗格繆爾體積，m3/t。

表5 煤層壓力情況表Table 5 Coal seam pressure situations

壓力梯度分別為0.96、0.98 MPa/100 m，屬正常壓力梯度，符合前人對該地區(qū)主要壓力梯度的研究成果。同時臨儲比(臨界解吸壓力與儲層壓力比值)較高，利于縮短見氣時間。

5 水文地質(zhì)

井田位于南盤江匯水型水文地質(zhì)單元的補給區(qū)。北部以玄武巖為隔水邊界；東、西兩側(cè)以阻水斷層為隔水邊界；向南徑流、排泄，形成半封閉的地下水力系統(tǒng)。地下水類型主要為裂隙水，由北向南運移。巖性對地下水的賦存起著主導作用，含煤地層(龍?zhí)督M)富水性弱。由于含煤地層大多為塑、柔性巖石，斷層破碎帶發(fā)育寬度小，且被泥質(zhì)物充填，因此斷層含水性也不強?？傮w來說，地下水活動弱，對煤層氣儲存有利。

6 結(jié)論

(1)井田內(nèi)構(gòu)造相對簡單、地下水活動弱，有利于煤層氣保存，且煤層埋深介于500～1 000 m，開采難度小，經(jīng)濟性好。

(2)煤變質(zhì)程度主要介于焦煤-貧煤之間，煤體結(jié)構(gòu)多為原生結(jié)構(gòu)，煤層孔隙、裂隙發(fā)育，且開放程度較高，滲透性低-中等，符合煤層氣開發(fā)的要求。

(3)煤層含氣量高，甲烷濃度大，可以為煤層氣開發(fā)提供充足的氣源，且含氣飽和度、臨儲比高，有利于縮短見氣時間，對煤層氣開發(fā)有利。

(4)煤層層數(shù)多，煤體結(jié)構(gòu)簡單，建議今后工作中加強“小層射孔、分段壓裂、合層排采”的研究應(yīng)用，實現(xiàn)多煤層共用一個井筒產(chǎn)氣的目標，將煤層多、總煤厚大的地質(zhì)條件轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢，改善貴州“富煤、貧油、少氣”的現(xiàn)狀。