黃河北煤田10號煤煤層氣儲層物性及特征研究

羅怡鑫，李 瑩，王懷洪，尹露生，孔凡順，王東東*

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590; 2.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，濟南 250357;3.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，濟南 250104)

0 引言

煤層氣作為一種非常規(guī)的清潔能源，備受國家的重視和開發(fā)利用，并得到了很大的推廣和發(fā)展，煤層氣產(chǎn)量取得逐年穩(wěn)步增長，成為非常規(guī)油氣能源中的熱點[ 1 ]。而煤層是煤層氣的源巖和儲層，其物性特征直接影響著煤層氣的可開發(fā)性和開發(fā)效果，所以煤層氣儲層物性特征歷來是煤層氣開發(fā)領(lǐng)域廣泛關(guān)注和熱點研究的內(nèi)容之一[ 2 ]。要提高煤層氣開發(fā)成效，必須有針對性、系統(tǒng)研究煤層氣開發(fā)區(qū)的煤層氣儲層物性特征。隨著黃河北煤田煤炭資源開采的進行，表明其存在煤層氣并具有一定的煤層氣勘探潛力。黃河北煤田巖漿作用強烈，礦區(qū)及周邊斷裂較多，主控因素較復(fù)雜，煤層氣勘探至今還沒有一定突破性進展。為此，本文基于黃河北煤田10號煤層氣地質(zhì)、相關(guān)煤層氣儲層物性參數(shù)測試資料等，應(yīng)用煤層氣地質(zhì)理論對煤田內(nèi)10號煤層氣儲層物性特征進行了研究，研究成果以期為后期煤層氣開發(fā)提供技術(shù)支撐和可靠技術(shù)參數(shù)。

1 研究區(qū)概況及基本地質(zhì)特征

黃河北煤田由于受魯中塊隆長期上升隆起的影響，區(qū)域地層總體呈明顯的平緩的單斜構(gòu)造，煤田內(nèi)次一級褶曲發(fā)育，沿地層走向發(fā)育一組短軸狀、軸向北東向的背向斜，均屬規(guī)模小的波狀起伏。煤田內(nèi)斷層較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度中等(圖1)。以趙官煤礦為例，10煤層可采范圍內(nèi)厚度0.70～1.70m，平均1.25m，煤厚整體無明顯的變化趨勢。黃河北煤田含煤地層含煤14層，其中1～5層煤賦存于山西組，6～14層煤賦存于太原組。含煤地層總厚245m，其中可采和局部可采煤層為5、6、7、8、10、11、13等7層，可采煤厚4～9m，平均5.5m，可采煤層含煤系數(shù)2.2%。本文研究的10號煤層屬于普遍發(fā)育的煤層，煤層氣含量較高，為研究區(qū)主要開發(fā)煤層之一。

圖1 構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map

2 10號煤發(fā)育特征與生烴潛力

2.1 煤層發(fā)育特征

煤層是煤層氣的生氣層和儲集層，是煤層氣勘探開發(fā)的直接對象[ 3-4]。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，是煤層氣儲層評價及優(yōu)選的重要參數(shù)[ 5-7 ]。10號煤除濟西工作區(qū)外，整個煤田普遍發(fā)育，但可采性西部優(yōu)于東部。西部的三個工作區(qū)基本上全可采，穩(wěn)定至較穩(wěn)定，厚度從西向東逐漸變薄。邱集井田厚度多在1m左右；趙官鎮(zhèn)工作區(qū)厚度多在0.8～1.0m；長清工作區(qū)西部只有0.6～0.8m，東部則不可采(表1)。自袁莊工作區(qū)向東，變?yōu)榫植靠刹?，袁莊工作區(qū)限于中部可采。煤層結(jié)構(gòu)簡單至較簡單，一般無夾石，只在趙官鎮(zhèn)工作區(qū)和長清工作區(qū)有時見厚度小于0.2m的泥巖夾石一層。頂板巖性為泥巖，底板巖性為砂巖或粉砂巖，有利于煤層氣的保存。上距二灰11～15m， 自東而西增大； 下距三灰1.2～7.6m，自西而東增大。

表1 可采煤層厚度統(tǒng)計表

2.2 煤巖特征

煤質(zhì)特征對煤層滲透性、壓裂改造方式和技術(shù)選擇具有重要影響[8]。10號煤層宏觀煤巖類型以半亮煤為主，半暗煤次之，少量暗淡煤、光亮煤。煤層均為條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。有機顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之。其中鏡質(zhì)組最小值41.5%，最大值73.5%；以基質(zhì)鏡質(zhì)體(可見膠結(jié)碎屑惰質(zhì)體、絲質(zhì)體碎片及黏土、黃鐵礦等)為主；惰質(zhì)組最小值2.7%，最大值25.9%；以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體(多呈破碎狀、碎片狀，可見胞壁斷裂胞腔破碎呈星狀結(jié)構(gòu)，胞腔多中空，少數(shù)充填黃鐵礦)為主(表2)。無機顯微組分均以黏土類為主，多為散粒狀、條帶狀、片狀、胞腔充填狀。黏土主要分布在基質(zhì)鏡質(zhì)體中；硫化物以黃鐵礦為主，呈星散狀、結(jié)核狀充填絲質(zhì)組胞腔或交代穩(wěn)定部分；碳酸鹽一般為脈狀方解石，氧化物為粒狀石英。

表2 研究區(qū)10號煤煤層顯微組分統(tǒng)計表

2.3 熱演化程度

研究區(qū)內(nèi)由于受巖漿侵入影響，煤變質(zhì)程度也不同，以10號煤趙官鎮(zhèn)勘探區(qū)為例，其最大鏡質(zhì)組反射率變化于0.775%～4.389%之間，平均為2.339%，相應(yīng)地其變質(zhì)程度屬Ⅱ～Ⅹ階段的煙煤、無煙煤、甚至部分變質(zhì)為天然焦。

煤變質(zhì)程度歷來都被看作是確定煤層氣開發(fā)前景、影響產(chǎn)氣量、選擇壓裂參數(shù)等生產(chǎn)問題的重要因數(shù)[ 9]。煤田內(nèi)煤層總體在區(qū)域變質(zhì)作用下煤類變質(zhì)程度為氣煤、氣肥煤，由于疊加了巖漿接觸變質(zhì)及巖漿熱液變質(zhì)作用影響，煤的變質(zhì)程度普遍增高，這表明10煤的生氣、儲氣能力較強。

2.4 煤層含氣量

煤層含氣量指單位煤的重量中所含的烴類氣體在標(biāo)況下的體積，單位為m3/t或mL/g[10]。煤層氣含量直接控制著煤層氣資源量的大小，對煤層氣可采性的預(yù)測有直接影響，是進行資源評價、制定煤層氣勘探規(guī)劃不可缺少的參數(shù)。根據(jù)《中國煤層氣資源》一書中煤層氣資源計算單元劃分原則，以無水基煤層氣(甲烷+重?zé)N)含量4m3/t和8m3/t兩條界線，把煤層富氣性劃分為三級(表3)。

表3 中國煤層富氣性分級表

針對黃河北煤田3個研究區(qū)煤層氣(甲烷+重?zé)N)資料進行了統(tǒng)計。①長清研究區(qū)10煤層甲烷含量兩極值4.506～5.507 m3/t，平均5.007 m3/t，局部為含甲烷區(qū)；②趙官鎮(zhèn)研究區(qū)10煤層甲烷含量兩極值0.118～16.231m3/t，平均5.890 m3/t，為富甲烷區(qū)、基本為含甲烷區(qū)；③潘店研究區(qū)10煤層甲烷含量兩極值0.000～0.164 m3/t，平均0.009～0.047 m3/t，基本全為貧甲烷區(qū)。綜合以上內(nèi)容分析，黃河北煤田10號煤層含氣量較好，可以為煤層氣的開發(fā)提供較好的氣源保障。

3 10煤的儲層物性特征

3.1 煤層孔裂隙特征

煤的孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)是影響煤層氣儲滲能力的主要因素，煤結(jié)構(gòu)的破壞可以提高煤層氣的透氣性[ 11]。煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征是研究煤層氣解吸、 擴散和滲流的基礎(chǔ)，亦是評價煤孔隙儲及煤層氣能力的重要研究內(nèi)容[ 12 ]。為了研究10號煤層裂隙系統(tǒng)的分布特征，探討影響裂隙發(fā)育的地質(zhì)因素，本次工作對采集樣品進行了宏觀和微觀裂隙特征描述和統(tǒng)計(表4)，結(jié)果表明，煤層裂隙發(fā)育程度與宏觀煤巖類型及煤體結(jié)構(gòu)關(guān)。一般情況為，宏觀煤巖類型為光亮型煤較暗淡型煤的裂隙發(fā)育，且裂隙連通性較好；煤體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)煤裂隙較原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，且裂隙連通性較好，10煤層發(fā)育少量構(gòu)造裂隙，與層理近30°～60°相交。

表4 黃河北煤田10號煤層宏觀裂隙特征

3.2 煤的吸附性

煤的吸附特性及其影響因素研究對計算煤層含氣飽和度、臨界解吸壓力和估算煤層氣的采收率等具有重要意義，亦是煤層氣勘探開發(fā)儲層評價的重要技術(shù)參數(shù)[ 13]。因此，煤層對甲烷氣體的吸附能力，決定了煤層氣在煤儲層中的賦存狀態(tài)、儲集能力和煤層氣產(chǎn)出過程。通常用Langmuir體積和Langmuir壓力來描述煤的吸附特性，這兩個參數(shù)可通過等溫吸附實驗得出(圖2)。

圖2 黃河北煤田10煤層等溫吸附曲線Figure 2 Coal No.10 isothermal adsorption curvesin Huanghebei coalfield

10煤層空氣干燥基Langmuir體積平均為30.02m3/t；干燥無灰基Langmuir體積平均為37.65m3/t；Langmuir壓力為3.22MPa。由于煤層氣吸附量多少與煤層的儲氣空間好壞密切相關(guān)，吸附量越大煤中儲集煤層氣的空間越好，反之亦然[14]。從實驗數(shù)據(jù)看， 10煤層對甲烷的吸附能力較強， 有利于煤層氣的賦存。

3.3 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[15]。通過對研究區(qū)實施的煤層氣井勘探試驗，采用注入/壓降法試井，實測10號煤層滲透率為0.53mD(表5)。與國內(nèi)其它地區(qū)煤層相比，10號煤層的滲透性比較好。

表5 10號煤層滲透率測定結(jié)果

3.4 煤儲存壓力特征

煤儲層壓力(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)動煤層氣產(chǎn)出的動能[16-17]。根據(jù)區(qū)內(nèi)已施工的煤層氣參數(shù)井測試的煤儲層壓力數(shù)據(jù)可以看出，該區(qū)實測10號煤層儲層壓力在2.16～4.20MPa之間，壓力梯度為0.418～0.797MPa/100m，為低壓儲層至常壓儲層(表6)。煤儲層壓力的大小與煤層埋深有關(guān)，從測試結(jié)果看，煤層埋藏越深，煤儲層壓力越高。

4 煤層氣的保存條件

4.1 構(gòu)造條件

斷裂構(gòu)造對煤層氣賦存的影響，斷裂構(gòu)造破壞了煤層的連續(xù)完整性，使煤層煤層氣運移條件發(fā)生變化。黃河北煤田范圍內(nèi)較大斷層主要為劉集斷層、長清斷層、桑梓店斷層和臥牛山斷層及其附屬斷層，均為高角度正斷層，斷層傾角一般在70°左右，均系區(qū)域性的開放性斷層，這組斷裂構(gòu)造的主要特點是延伸長、斷距大、附生斷層發(fā)育，常構(gòu)成勘探區(qū)的邊界。這些特點直接影響到礦區(qū)內(nèi)煤層氣的賦存狀況，在斷層帶內(nèi)或斷層附近煤層氣逸散較多，而遠離這些開放性斷層的區(qū)域，煤層氣含量相對較高。褶皺的類型、封閉情況和復(fù)雜程度對煤層氣賦存均有影響。當(dāng)煤層頂板巖石透氣性差，且未遭受構(gòu)造破壞時，背斜有利于煤層氣的儲存，是良好的儲氣構(gòu)造，背斜軸部的煤層氣會相對聚集，煤層氣含量增大。黃河北煤田為一平緩的單斜構(gòu)造，走向約北東50°，傾向北西，傾角一般在5°～8°。礦區(qū)煤層總體上由東南向西北傾斜，區(qū)內(nèi)由淺至深煤層氣含量逐漸增高。

表6 趙官煤礦10號煤儲層壓力測試成果表

4.2 埋深條件

通常情況下隨著煤層埋藏深度的增加，煤層氣含量逐漸增高。煤層埋藏深度的增加不僅加大了地應(yīng)力，使煤層與巖層的透氣性變差，而且加大了氣體向地表運移的距離，因此，煤層埋藏越深越有利于氣體的保存。研究區(qū)趙官煤礦10煤層，深度在372.62～479.06m時，氣含量為0.118～0.351 m3/t；深度在614.07～778.56m時，氣含量為4.635～16.231 m3/t(圖3)。

圖3 趙官煤礦10煤層氣含量與埋深關(guān)系圖Figure 3 Relationship between coal No.10 gas content andburied depth in Zhaoguan coalmine

4.3 水文地質(zhì)條件

煤系中的水文地質(zhì)條件對煤層氣的保存、破壞影響很大，造成不同水文地質(zhì)條件下煤的含氣量差別很大[18-19]。對煤層氣影響的水文地質(zhì)條件主要表現(xiàn)為煤層與頂板含水層之間的隔水層的發(fā)育程度、含水層的富水性、導(dǎo)水性及其補給和排泄條件。含水層的富水性和導(dǎo)水性取決于孔隙、裂隙的發(fā)育程度和連通性。此外，斷層的發(fā)育程度、兩盤巖性以及斷層帶導(dǎo)水性也對煤層氣賦存產(chǎn)生很大的影響。區(qū)內(nèi)東部靳家井田、齊東勘探區(qū)、濟東勘探區(qū)和袁莊勘探區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，含水層與煤層氣水力聯(lián)系較好，造成了煤層氣的運移而使之逸散，這是造成本區(qū)煤層氣含量較低的主要水文因素。同時區(qū)內(nèi)奧灰厚度大、靜儲存水量大、水壓較高、含水性不均一，局部富水性較強，有利于本區(qū)域下組煤煤層氣的逸散。

5 結(jié)論

1)10號煤層屬于全區(qū)普遍穩(wěn)定發(fā)育的煤層；10號煤層宏觀煤巖類型以半亮煤為主，煤中有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，無機顯微組分以黏土為主；10號煤煤變質(zhì)程度比較高，以10號煤趙官鎮(zhèn)勘探區(qū)為例，其最大鏡質(zhì)組反射率變化于0.775%～4.389%之間，平均為2.339%。

2)10煤層不同程度發(fā)育少量構(gòu)造裂隙，與層理近30°～60°相交，儲層孔裂隙發(fā)育、滲透率較低；10煤層對甲烷的吸附能力較強，有利于煤層氣的賦存；10號煤層儲層壓力為2.16～4.20MPa，壓力梯度為0.418～0.797MPa/100m，為低壓儲層至常壓儲層。因此，10煤層煤層氣資源豐富，煤層氣賦存條件好。

3)黃河北煤田呈單斜構(gòu)造，礦區(qū)煤層總體上由東南向西北傾斜，區(qū)內(nèi)由淺至深煤層氣含量逐漸增高；10號煤層隨著埋藏深度的增加，煤層氣含量逐漸增高；10號煤層含水性較好，有利于煤層氣的保存。