長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征研究

宋 誠(chéng)

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012)

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)平井田為晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司旗下一座現(xiàn)代化大型生產(chǎn)礦井，位于沁水盆地南緣高平市西北17 km處，隸屬高平市寺莊鎮(zhèn)管轄。井田地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)112°44′54.4″～112°50′51.9″，北緯35°51′02.4″～35°55′11.7″，井田面積50.8 km2，批準(zhǔn)開采山西組3號(hào)煤層，礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能300萬t/a。

長(zhǎng)平井田含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組與二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤14層，自上而下依次為1、2、3、5、6、7、8、9、10、11、13、14、15、16號(hào)煤層，其中，1～3號(hào)煤層發(fā)育于山西組，5～16號(hào)煤層發(fā)育于太原組。3號(hào)、15號(hào)煤層為全井田發(fā)育穩(wěn)定且可采煤層，8號(hào)煤層為發(fā)育不穩(wěn)定的局部可采煤層，9號(hào)、14號(hào)、16號(hào)煤層為發(fā)育不穩(wěn)定的零星可采煤層。批采的 3號(hào)煤層厚度一般為3.17～6.37 m，屬于中-厚煤層。由于該煤層具有良好的生氣、儲(chǔ)氣、蓋層條件[1]，致使煤層含氣量高、礦井瓦斯涌出量大且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，極大威脅著礦井的安全高效生產(chǎn)[2]。為解決礦井瓦斯難題和高效利用煤層氣資源，在其井田范圍內(nèi)開展了地面煤層氣抽采工程，并獲得了部分煤層氣儲(chǔ)層物性參數(shù)測(cè)定資料。煤層氣儲(chǔ)層物性參數(shù)是井上下瓦斯抽采技術(shù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，影響著井上下瓦斯抽采的成效[3-4]，當(dāng)前長(zhǎng)平井田尚未開展該方面的研究工作。為此，本文基于長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性參數(shù)，采用煤層氣地質(zhì)理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法等，系統(tǒng)開展了煤層氣儲(chǔ)層物性特征研究。研究成果以期對(duì)礦井瓦斯防治提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)3號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性及特征

2.1 煤層及煤巖特征

2.2.1 煤層發(fā)育特征

長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層屬于山西組含煤地層，位于該組下部，上距下石盒子組標(biāo)志層K8砂巖30.30～46.07 m；下距山西組標(biāo)志層K7砂巖5.63～11.81 m，平均8.97 m。據(jù)勘探、采礦和煤層氣鉆井揭露資料顯示，井田內(nèi)3號(hào)煤層屬于全井田穩(wěn)定賦存可采煤層，厚度一般為3.17～6.37 m，平均5.53 m，按照“生產(chǎn)礦井煤炭資源回采率暫行管理辦法”，3號(hào)煤層屬于中厚-厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，含0～2層炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸。頂板巖性主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖，次為粉砂巖及局部少量中、細(xì)粒砂巖或粉砂巖。底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖、粉砂巖?？梢姡L(zhǎng)平井田3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定且含煤性較好，為井田煤炭開采和煤層氣開發(fā)提供了良好對(duì)象。

2.1.2 煤巖特征

1) 宏觀煤巖特征。長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層新鮮煤體呈黑色，條痕為黑色，參差狀、貝殼狀斷口，金剛、玻璃光澤，煤變質(zhì)程度較高(R0,max=2.449%～3.04%，平均2.777%)、內(nèi)生裂隙較發(fā)育。宏觀煤巖類型主要為光亮-半光亮型，宏觀煤巖組分以亮煤為主，次為暗煤，煤中可見夾鏡煤條帶。細(xì)-中條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。

2) 顯微煤巖特征。長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層的顯微組分由有機(jī)顯微組分和無機(jī)顯微組分組成，有機(jī)顯微組分在顯微組分中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，無機(jī)顯微組分少量。其中，有機(jī)顯微組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，有部分碎屑體；絲質(zhì)組多為氧化絲質(zhì)體，火焚絲質(zhì)體少見。有少量的粗粒體和碎屑體，組分界線不清。鏡質(zhì)組含量變化在75.3%～93.1%之間，平均87.2%，惰質(zhì)組含量6.9%～24.7%，平均12.8%。無機(jī)顯微組分主要為黏土類礦物，少量碳酸鹽類。黏土類礦物含量一般為1.7%～7.9%之間，平均5.8%，呈分散狀和浸染狀分布，部分充填狀，少見脈狀方解石。

2.2 煤層氣含量

煤層氣是賦存于煤層中的氣態(tài)地質(zhì)體，其形成貫穿于整個(gè)煤化過程。為了定量表征煤層中賦存的煤層氣量多少，常用單位質(zhì)量的煤炭中含有的煤層氣賦存量表示，單位有m3/t或mL/g。煤層氣含量是煤層氣開發(fā)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及優(yōu)選、開發(fā)潛力、煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算及礦井瓦斯涌出量估算的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[5-6]。長(zhǎng)平井田在地面煤層氣井抽采3號(hào)煤層氣過程中，利用鉆井取芯和采用解吸法對(duì)煤層氣含量進(jìn)行了測(cè)定，得到了一批3號(hào)煤層氣含量測(cè)試參數(shù)。井田內(nèi)3號(hào)煤層氣含量為4.13～18.85 m3/t，平均10.64 m3/t(表1)。可見，研究區(qū)3號(hào)煤層氣含量整體較高，受煤層氣地質(zhì)條件(煤層氣生氣、儲(chǔ)氣和蓋層條件)差異性影響煤層氣賦存具有一定差異，兩極值差異顯著。井田內(nèi)高煤層氣含量，可為煤層氣地面開發(fā)或抽采提供充裕的氣源保障，但加大了礦井瓦斯防治難度和成本。

表1 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層含氣量測(cè)定結(jié)果

2.3 煤層孔滲性

2.3.1 煤的孔隙度

煤的孔隙度系指煤中能有效儲(chǔ)集煤層氣的那一部分孔隙體積(即“有效體積”)與測(cè)試煤樣總體積之比值，單位為“%”。理論和實(shí)踐表明，煤的孔隙度特征對(duì)煤層氣吸附-解吸、煤層滲透率及煤層氣井產(chǎn)能具有重要影響，是煤層氣地質(zhì)理論研究的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)[7-9]。煤的孔隙度發(fā)育特征與煤的變質(zhì)程度、煤中水分含量、煤巖特征及煤中孔裂隙連通性密切相關(guān)[10]，在長(zhǎng)期的煤田勘探、煤層氣勘探開發(fā)過程中形成了諸如密度法、壓汞法、地震屬性預(yù)測(cè)法、脈沖法等多種煤的孔隙度測(cè)試方法。為獲得長(zhǎng)平井田3號(hào)煤的孔隙度參數(shù)，為井上下煤層氣抽采提供技術(shù)參數(shù)，通過井下采集3號(hào)煤層新鮮大塊煤樣，采用PoroPDP-200 全自動(dòng)覆壓孔滲儀(脈沖法)對(duì)井田內(nèi)3號(hào)煤的孔隙度進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果顯示，長(zhǎng)平井田3號(hào)煤的孔隙度普遍較低，其值一般為4.052%～6.73%，平均5.24%(表2)，為典型的低孔煤儲(chǔ)層[11]。

表2 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層孔隙度測(cè)定結(jié)果

2.3.2 煤層滲透性

煤層滲透性系指煤層氣在一定壓差條件下，煤層允許其通過的性質(zhì)(即煤層傳到煤層氣的能力)，為了定量描述和表征煤層滲透性，煤層氣開發(fā)過程中引入“滲透率”概念，煤層氣和地下水同屬于流體且共存于煤層中，顯示中煤層滲透率系指有效滲透率。煤層滲透性優(yōu)劣(或滲透率高低)影響著煤層氣的開發(fā)潛力、可開發(fā)性和儲(chǔ)層改造工藝的選擇等[12]。長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層整體破壞相對(duì)嚴(yán)重，未見原生結(jié)構(gòu)煤，煤體結(jié)構(gòu)類型為碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤。碎粒煤和糜棱煤發(fā)育地帶煤中裂隙破壞變形以至消失，碎裂煤中的裂隙結(jié)構(gòu)及構(gòu)造保存相對(duì)完整。采用PoroPDP-200 全自動(dòng)覆壓孔滲儀(脈沖法)和煤層氣注入/壓降試井法對(duì)長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層滲透率進(jìn)行了測(cè)定(表3)，因井田內(nèi)3號(hào)煤層破壞嚴(yán)重，煤層滲透性差、滲透率普遍較低，滲透率為0.021 397 4～0.23 mD，平均0.099 031 mD，為典型的低滲煤儲(chǔ)層[13]。煤層的低滲特征，表明煤層氣滲流的“通道”通暢性差，煤層氣產(chǎn)出困難，不利于煤層氣井高產(chǎn)。

2.4 煤儲(chǔ)層壓力

煤層氣屬于流體范疇，煤微孔隙中的煤層氣受到一定壓力作用而主要以吸附態(tài)賦存，這種壓力謂之煤儲(chǔ)層壓力。理論和實(shí)踐表明，煤儲(chǔ)層壓力值高低對(duì)煤層氣井產(chǎn)能和采收率具有重要影響，亦反映了含煤地層的能力大小[14]。為了定量表征不同埋深下煤儲(chǔ)層壓力，豐富煤層氣開發(fā)理論，引入了煤儲(chǔ)層壓力梯度概念，系指單位埋深內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力的增量值，單位為MPa/100 m或kPa/m。在長(zhǎng)期的煤層氣開發(fā)中，學(xué)者們依據(jù)煤儲(chǔ)層壓力大小和對(duì)煤層氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)程度將其劃分為超(高)壓煤儲(chǔ)層(煤儲(chǔ)層壓力梯度大于1.0 MPa/100 m或10 kPa/m)、正常壓力煤儲(chǔ)層(煤儲(chǔ)層壓力梯度一般為0.95～1.0 MPa/100 m或9.5～10 kPa/m)及低(欠)壓煤儲(chǔ)層(煤儲(chǔ)層壓力梯度小于0.95 MPa/100 m或9.5 kPa/m)三種類型[15]。煤儲(chǔ)層壓力梯度值越高，煤系地層能量越強(qiáng)，越有利于煤層氣高效產(chǎn)出、煤層氣井高產(chǎn)和提高煤層氣采收，反之亦然[14]。

表3 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層滲透率測(cè)定結(jié)果

長(zhǎng)平井田在地面煤層氣抽采過程中，采用試井法對(duì)井田內(nèi)3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定過程參照“煤層氣井注入/壓降試井方法(GB/T 24504-2009)”執(zhí)行。據(jù)測(cè)定資料顯示(表4)，在3號(hào)煤層埋深457.6～531.38 m測(cè)定范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)層壓力一般為2.95～3.37 MPa，平均3.22 MPa；煤儲(chǔ)層壓力梯度值一般為5.58～7.28 kPa/m，平均6.4 kPa/m。由上述可知，長(zhǎng)平井田3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力屬于低(欠)壓煤儲(chǔ)層且普遍較低[15]，顯示了井田3號(hào)煤儲(chǔ)層的地層能量較弱，不利于煤層氣高效開發(fā)。

表4 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力及壓力梯度值測(cè)定結(jié)果

2.5 煤層氣吸附特性

煤層中煤層氣的賦存狀態(tài)有游離態(tài)、溶解態(tài)和吸附態(tài)等三種類型，并以吸附態(tài)為主賦存于煤基質(zhì)的微孔隙中[16]。煤層氣在煤基質(zhì)孔隙中的吸附特性對(duì)煤層的含氣性(煤層氣含量、含氣飽和度及資源豐度)、煤層氣產(chǎn)能及采收率等具有控制作用[17]，基于等溫吸附試驗(yàn)曲線和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)煤層儲(chǔ)氣能力的評(píng)價(jià)和采收率的估算等。有關(guān)煤層氣吸附方面的研究甚多，多采用Langmuir(朗格繆爾)單分子吸附模型來描述和表征煤層氣的吸附過程[18]，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：V為吸附壓力下的吸附量，cm3/g；P為吸附壓力，MPa；VL為L(zhǎng)angmuir體積(極限吸附量)，cm3/g；PL為L(zhǎng)angmuir壓力，MPa。

據(jù)長(zhǎng)平井田3號(hào)煤的等溫吸附試驗(yàn)資料可知(表5)：在Langmuir壓力(PL)為1.60～1.77 MPa，平均1.69 MPa條件下，空氣干燥基Langmuir體積(VL)為30.69～32.84 m3/t；干燥無灰基Langmuir體積(VL)為35.24～36.42 m3/t，平均35.83 m3/t。由上述可知，長(zhǎng)平井田3號(hào)煤在試驗(yàn)壓力下，空氣干燥基和干燥無灰基的極限吸附量均較高，顯示了煤層具有很強(qiáng)的吸附能力和儲(chǔ)存煤層氣的空間[19]。

表5 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果

3結(jié) 語(yǔ)

1) 煤層氣儲(chǔ)層物性及特征是煤層氣地質(zhì)理論最為重要的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，是煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及優(yōu)選、開發(fā)工藝選擇、產(chǎn)能效果及評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，其研究對(duì)提高井上下瓦斯抽采成效具有重要意義。

2) 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層具有較好的含煤性(為中-厚煤層)和含氣性(煤層氣含量高)，可為煤層氣開發(fā)提供良好的有利層位和氣源保障。

3) 長(zhǎng)平井田3號(hào)煤層總體破壞嚴(yán)重，構(gòu)造煤相對(duì)發(fā)育，孔裂隙系統(tǒng)在一定程度上遭受破壞，煤層孔隙度低、滲透性差；3號(hào)煤層的地層能量弱，為低(欠)壓煤儲(chǔ)層；3號(hào)煤層吸附甲烷能力強(qiáng)、吸附量大，具有良好的儲(chǔ)集煤層氣能力和空間。