湘中地區(qū)漣源凹陷煤層氣儲(chǔ)層物性特征

王克營(yíng) 杜 江

（湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

1 研究區(qū)基本地質(zhì)特征

研究區(qū)位于湘中凹陷中北部，其構(gòu)造位置如圖1所示。地質(zhì)歷史演化過(guò)程中，研究區(qū)內(nèi)主要沉積了石炭系測(cè)水組、二疊系龍?zhí)督M兩套海陸交互相煤系。測(cè)水組形成于瀉湖或潮坪環(huán)境，厚30～85m，下段為主要含煤巖系，含煤1～7層，其中3#、5#煤層為主采煤層，厚0～7m。區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M以“北型”為主[5]，形成于潮坪環(huán)境，僅發(fā)育上段，厚34～53.01m，含煤2～3層，2#煤層為主采煤層，厚2.0～3.2m。

2 煤儲(chǔ)層物性特征

2.1 煤巖學(xué)特征

（1）顯微煤巖特征

測(cè)水組宏觀煤巖類型以半亮型煤和半暗型煤為主，次為暗淡型煤，光亮型煤不常見。顯微組分以鏡質(zhì)組為主，次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組（穩(wěn)定組）少見。鏡質(zhì)組主要由均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體組成，次為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，其余組分少量；惰質(zhì)組由絲質(zhì)體或半絲質(zhì)體組成，或主要由粗粒體組成。無(wú)機(jī)組分主要為石英、黏土礦物，次為方解石和微量黃鐵礦、赤鐵礦。

龍?zhí)督M宏觀煤巖類型一般以半亮～半暗型煤為主，光亮型煤較少，鏡質(zhì)組為47.7%～96.4%，惰質(zhì)組為3.6%～35.6%，殼質(zhì)組0%～13.3%。鏡質(zhì)組中主要以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體常見，偶見團(tuán)塊鏡質(zhì)體、膠質(zhì)鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組中主要以半絲質(zhì)體、粗粒體、絲質(zhì)體常見，另外還有微粒體、碎屑體。無(wú)機(jī)組分為0.62%～9.84%，以黏土礦物為主。

（2）煤質(zhì)及煤類特征

測(cè)水組原煤灰分（Ad）一般為7.6%～78.7%，凹陷邊緣原煤灰分高，凹陷中部原煤灰分低；干燥基全硫（St,d）0.04%～24.18%，靠近凹陷邊緣硫分較低，而凹陷中部硫分較高。

龍?zhí)督M原煤灰分（Ad）一般為8.61%～24.26%，多為低灰～中灰煤；干燥基全硫（St,d）0.48%～6.44%，洪山殿礦區(qū)為高硫煤，其他地段多為特低硫～中硫煤。

測(cè)水組煤類以無(wú)煙煤為主，在西側(cè)古陸邊緣為貧煤條帶。龍?zhí)督M凹陷邊緣均為高變質(zhì)煙煤或無(wú)煙煤，中心是低變質(zhì)的煙煤，一般為氣煤。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2.2 煤儲(chǔ)層孔裂隙特征

（1）孔裂隙特征

研究區(qū)煤層中宏觀裂隙較為發(fā)育，裂隙面大多光滑平直，密度為13條/m；微裂隙較發(fā)育，密度為19～35條/5cm，其中一部分為張裂隙，并且有的連通性較好。

研究區(qū)煤層中微觀裂隙亦較發(fā)育。測(cè)水組3煤孔隙為殘留胞腔孔（如圖2a所示），發(fā)育靜壓裂隙（如圖2b所示）、層間裂隙、層面裂隙，剪性裂隙（X形）、角礫孔等。煤體顯微構(gòu)造有的原生結(jié)構(gòu)完整，有的煤體已變形，角礫、碎粒、糜棱質(zhì)多見。5煤組分以鏡質(zhì)組為主，瀝青質(zhì)體較多，含礦物質(zhì)，局部可見裂隙（如圖2c所示），組分間隙，煤體顯微構(gòu)造的原生結(jié)構(gòu)完整。龍?zhí)督M發(fā)育殘留胞腔孔（如圖2e所示），氣孔，局部見裂隙（如圖2f所示），組分間隙。測(cè)水組與龍?zhí)督M煤體顯微構(gòu)造的原生結(jié)構(gòu)均較完整。

（2）比表面及孔徑分析結(jié)果

測(cè)水組3煤比表面積為0.532m2/g，BJH最可幾孔徑為4.048nm，總孔體積為1.436×10-3cm3/g；5煤比表面積為24.987m2/g，BJH最可幾孔徑為4.074nm，總孔體積為20.99-3cm3/g。總體上，測(cè)水組5煤相對(duì)于3煤具有更大的比表面積和孔體積，有利于吸附更多的甲烷氣體。此外，低溫液氮吸附曲線顯示（如圖3a、3b所示），3煤與5煤孔隙類型相同，均以兩端開口的孔和墨水瓶孔為主。

圖2 煤儲(chǔ)層鏡下特征

龍?zhí)督M煤層比表面積為0.425m2/g，BJH最可幾孔徑為4.066nm，總孔體積為1.7603cm3/g，具有較低的比表面積和總孔體積，不利于煤層氣賦存。煤的低溫液氮吸附曲線呈倒S型（如圖3c所示），表明孔隙類型以四面開放的尖壁形孔和錐形或雙錐形管狀孔為主。

圖3 研究區(qū)煤樣低溫液氮吸脫附曲線

2.3 煤儲(chǔ)層孔滲性

（1）孔隙度特征

測(cè)水組煤樣孔隙度介于8.61%～21.04%之間，分布范圍較廣，屬于中、高孔隙度儲(chǔ)層；龍?zhí)督M煤樣的測(cè)試值介于6.59%～15.94%之間，分布相對(duì)集中，且大部分都在9%附近，屬于中、高孔隙度儲(chǔ)層。

總體上研究區(qū)主要煤層隨著鏡質(zhì)組含量增加，孔隙度具有減小的趨勢(shì)，其主要原因是鏡質(zhì)組多含小孔、微孔，從而導(dǎo)致孔隙度減小。隨著惰質(zhì)組含量增加，孔隙度增加，這是由于惰質(zhì)組通常多含中大孔，因此惰質(zhì)組含量與孔隙度正相關(guān)（如圖4所示）。

圖4 研究區(qū)孔隙度地質(zhì)控制

（2）滲透率特征

研究區(qū)垂向巖心滲透率普遍較小，集中在0.004～0.030mD之間。垂向巖心滲透率偏小的主要原因是埋深大，煤體破碎，地應(yīng)力高。水平巖心滲透率相對(duì)垂向滲透率較大，主要是集中在0.01～0.1mD之間?？傮w上看，研究區(qū)煤層滲透性較差，滲透率較低，為低滲透性儲(chǔ)層。

2.4 煤儲(chǔ)層壓力特征

研究區(qū)煤儲(chǔ)層壓力及壓力梯度都比較高。由圖5可知，煤儲(chǔ)層壓力受埋深、地應(yīng)力影響較大，線性關(guān)系較好。較高的儲(chǔ)層壓力表明煤層具有較高的地層能量，有利于儲(chǔ)層壓力釋放，促進(jìn)煤層氣解吸。僅從該角度來(lái)看，有利于煤層氣開發(fā)。

2.5 煤儲(chǔ)層吸附性特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)煤層等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)煤層臨界解吸壓力較高，達(dá)到4.26MPa，臨/儲(chǔ)壓力比為0.92，說(shuō)明儲(chǔ)層能量較高，有利于煤層氣的解吸。計(jì)算得到研究區(qū)煤層的理論飽和度為66%，實(shí)測(cè)飽和度為97%，飽和度較高，為近飽和煤層，煤層氣資源較好。理論采收率高達(dá)61.7%。

圖5 研究區(qū)煤儲(chǔ)層壓力與埋深、地應(yīng)力關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔裂隙較為發(fā)育，測(cè)水組5煤相對(duì)于測(cè)水組3煤及龍?zhí)督M煤層具有更大的比表面積和孔體積，有利于吸附更多的甲烷氣體。

（2）研究區(qū)煤儲(chǔ)層屬中、高孔隙度儲(chǔ)層，屬低滲透性儲(chǔ)層。

（3）研究區(qū)煤儲(chǔ)層具有較高的地層能量，有利于儲(chǔ)層壓力釋放，促進(jìn)煤層氣解吸。

（4）研究區(qū)煤儲(chǔ)層臨界解吸壓力較高，有利于煤層氣的解吸，為近飽和煤層，煤層氣資源較好。