新疆維吾爾自治區(qū)吉木乃縣哈爾交煤礦區(qū)煤層氣儲層物性特征

柳順彬 范莎

摘要：哈爾交煤礦位于托斯特盆地南部地區(qū)薩吾爾復向斜的南翼，含煤地層為下二疊統(tǒng)卡拉崗組（P1kl），由一套噴發(fā)和沉積建造巖系組成，為二疊系斷陷盆地沉積。筆者通過對研究區(qū)實際樣品采集測試成果的綜合整理，對該區(qū)煤儲層的等溫吸附性、含氣性、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性、地應(yīng)力參數(shù)和儲層溫度等物性特征進行了歸納、分析和研究，系統(tǒng)的評價了研究區(qū)煤層氣賦存的地質(zhì)條件及各項物性參數(shù)，為下階段煤層氣勘探提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：儲層特征；煤層氣；哈爾交煤礦

研究區(qū)位于吉木乃縣哈爾交煤礦以北區(qū)域，處于薩吾爾復向斜的南翼，地層傾向為北北東—北東向，總體形態(tài)表現(xiàn)為傾向北的單斜構(gòu)造，地層走向103°～105°，傾向25°～30°，巖層傾角一般在10°～25°。煤層賦存于卡拉崗組第三巖性段—含煤段（P1kl3）地層中，由一套噴發(fā)和沉積建造巖系組成[1]。含可采煤層2～5層，平均可采總厚約11.06m，以無煙煤為主，局部有貧煤點。

根據(jù)煤層氣采樣測試成果，5號煤層含氣量最高達8.19m3/t，甲烷含量73.6%，研究區(qū)煤層氣地質(zhì)條件較好，具有一定的開發(fā)前景。

為了本次研究，區(qū)內(nèi)對哈爾交煤礦勘探區(qū)及東部詳查區(qū)進行了系統(tǒng)的采樣，并對煤層煤樣分別進行了工業(yè)分析、煤巖顯微組份鏡質(zhì)體反射率測定，和等溫吸附試驗，以準確測定煤的性質(zhì)和煤組，了解煤的儲集性。對目標煤層進行了試井壓裂，對塊樣進行孔隙度、滲透率測定，以研究煤的孔滲性能。采樣及煤質(zhì)分析煤巖測定結(jié)果見表1。

1.煤儲層的煤巖特征

鏡下顯微組分中，煤層有機煤巖組分主要以鏡質(zhì)組分、惰質(zhì)組分和穩(wěn)定組分組成。煤巖中的有機組分中惰質(zhì)體含量很高，少量鏡質(zhì)體，殼質(zhì)體鏡下幾乎不可見。

鏡質(zhì)體鏡下可見少量的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，細胞腔結(jié)構(gòu)不明顯，微量的均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，油浸反射色灰色—深灰色，形態(tài)呈碎片狀分布，鏡下可用于測定最大反射率的鏡質(zhì)體很少，測定結(jié)果僅供參考。惰質(zhì)體可見大量的絲質(zhì)體，少量的半絲質(zhì)體，微量的碎屑惰質(zhì)體，形態(tài)多呈碎片狀，碎屑狀分布。

研究區(qū)內(nèi)煤巖中的礦物質(zhì)含量很低，鏡下僅見微量的粘土礦物和極個別的硫化物類。

鏡質(zhì)組最大反射率5號煤為2.24%～4.1%；5-1號煤為1.85%～4.06%。各煤層變質(zhì)階段大多為Ⅸ階段，煤化程度分級均為高煤級煤Ⅰ。見表2。

2.煤儲層物性特征

本次煤層氣勘查研究工作對ZKH1205、ZKH1104、ZKH1103三孔進行了煤層氣含氣量測試和樣品的采集。其中，ZKH1205、ZKH1103孔中所采集的5號、5-1號煤層還進行了孔隙率、堅固性系數(shù)、等溫吸附、瓦斯放散初速度等指標進行了測試（表3），并對ZKH1103孔參數(shù)井進行了氣測錄井和試井工作。針對以上探井及參數(shù)井的成果資料對研究區(qū)內(nèi)煤儲層物性特征進行評價。

2.1煤的吸附性

煤層等溫吸附線反映了在給定溫度下氣體吸附量隨壓力的變化特征[2]。

由表3及插圖1—插圖4得知：5號煤層蘭氏體積為11.2710m3/t～18.8916m3/t，煤層有比較強的吸附能力，對儲集煤層氣比較有利；蘭氏壓力為1.0979MPa～1.5940MPa；5-1號煤層蘭氏體積為19.9940m3/t，蘭氏壓力較低，對儲集煤層氣比較有利，蘭氏壓力為1.2075MPa。

2.2煤層含氣性

區(qū)內(nèi)煤類以貧煤—無煙煤為主，從測試結(jié)果看（表4），5號煤層氣總含氣量為0.13m3/t～0.19m3/t，平均0.15m3/t。5-1號煤層氣總含氣量為0.13m3/t～1.49m3/t，平均0.81m3/t。其中，僅ZKH1205孔5-1號煤層總含氣量最高為1.49m3/t，含氣量也低于無煙煤含氣量8m3/t下限標準。但在瓦斯樣品測試過程中ZKH1001孔5號煤層（中粘煤23號）氣含量可達8.19m3/t，達到了煤層氣含量下限標準（4.0m3/t）的要求。 ZKH1205孔5號、5-1號煤層含氣量解吸見圖5、圖6。

根據(jù)以上鉆孔煤層含氣量統(tǒng)計成果可知，各煤層以現(xiàn)場解吸氣量為主，其次為殘余氣，損失氣最少，說明煤層中烴類氣體以吸附氣為主，其次為少量游離氣。

2.3煤儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征

由表5測試結(jié)果可知：5號煤層的孔隙率為2.93%～ 3.65%；5-1煤層的孔隙率為3.45%～3.80%（表6-4），按照煤層最小孔隙率為2%～4%之間，井田內(nèi)各煤層的孔隙率均大于煤層最小孔隙率最小值，所以井田內(nèi)煤層孔隙率較好，對煤層氣具有較好的儲存與排采條件?？讖襟w積占比中，以0.10>過渡孔>0.006um為主，占比36.10%～45.15%，微孔（微孔<0.06um）和大孔（大孔>10um）次之，兩者含量相當，0.10um<終孔<10um最少。

2.4煤儲層的滲透性

煤層滲透性是描述煤層中流體在壓力差作用下，通過有效孔隙流動的能力，常用滲透率來表征。它的好壞直接影響到產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣歷程，其大小取決于煤儲層的裂隙、孔隙特征[3]。在注入/壓降資料的解釋過程中，由于煤層的滲透性不均勻，對壓降數(shù)據(jù)均采用了徑向復合模型分析。ZKH1103孔5號+5-1號煤層的滲透率為0.0191mD。屬于低滲透率煤儲層。

2.5儲層壓力

煤儲層壓力指煤儲層孔隙內(nèi)流體承受的壓力，一般都是指原始儲層壓力，即儲層被開采前，處于壓力平衡狀態(tài)時測得的儲層壓力。其一般隨煤層埋深的增加而增高，對煤儲層壓力的研究有重要意義，不僅煤層含氣量、氣體賦存狀態(tài)有重要影響，而且也是氣體和水從裂隙流向井筒的能量。根據(jù)注入/壓降發(fā)測試成果顯示，ZKH1103孔5號+5-1號煤層的儲層壓力為6.98MPa，儲層壓力梯度為1.56MPa/100m。5號+5-1號煤層屬于超壓儲層。

2.6煤層地應(yīng)力參數(shù)

根據(jù)ZKH1103孔測試成果，5號+5-1號煤層的破裂壓力為14.10MPa，破裂壓力梯度為3.15MPa/100m；5號+5-1號煤層的閉合壓力為13.96MPa，閉合壓力梯度為3.12MPa/100m。從破裂梯度、閉合梯度數(shù)值分析，5號+5-1號煤層屬于高破裂壓力、高閉合壓力煤層，所有地應(yīng)力參數(shù)在正常范圍之內(nèi)。

2.7儲層溫度

5號+5-1號煤層儲層溫度13.36℃，通過對煤層氣ZKH1103孔5號+5-1號煤層進行注入/降壓測試，獲取了5號+5-1號煤層的表皮系數(shù)，表皮系數(shù)為-1.61℃，調(diào)查半徑（Ri）為4.50m。

2.8煤儲層的堅固性系數(shù)及放散初速度

2.8.1煤儲層的堅固性系數(shù)

根據(jù)巖石的堅固性系數(shù)，可把巖石堅固性系數(shù)分成10個等級，等級越高，巖石越容易破碎。

由表6測試結(jié)果可知：5號煤層堅固性系數(shù)（f）為1.0～ 2.0；5-1煤層堅固性系數(shù)（f）為1.10。各煤層的堅固性系數(shù)（f）在1.0～2.0之間，屬Ⅶ-Ⅵ級別，軟—比較狀。

2.8.2煤儲層的放散初速度

根據(jù)實際測定的煤層最大瓦斯壓力P、軟分層煤的破壞類型、煤的瓦斯放散初速度Δp和煤的堅固性系數(shù)f等指標來鑒定煤層突出（表6）。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，除ZKH1205孔5號煤層的放散初速度為6.9mmHg，煤層放散初速度△P小于10mmHg外，其余的ZKH1205孔5-1煤層及ZKH1103孔5號煤層放散初速度△P均≥10mmHg。因此，研究區(qū)內(nèi)5號、5-1號煤層具有一定的煤層突出的危險性（表6）。

3.結(jié)果分析及結(jié)論

通過ZKH1205、ZKH1104煤層氣探井及ZKH1103參數(shù)井采樣測試定量分析，煤巖類型單元在整個儲層內(nèi)，無論是在垂向還是側(cè)向，都是以不規(guī)則形式分布的。通過分析研究區(qū)內(nèi)5號、5-1號煤層滲透率很差，煤層孔隙裂隙屬于基本不發(fā)育，以小孔微孔為主，說明煤層導流能力很弱，缺乏供煤層氣產(chǎn)出的大型裂隙通道；又因煤層氣的地面抽采要進行排水降壓，雖然煤層儲存壓力較高，但是煤層的破裂和閉合壓力也相對較高，不利于煤層壓裂；同時觀察鉆井取芯發(fā)現(xiàn)煤層頂、底板巖性為含炭沉凝灰?guī)r，煤層接近于頂、底板巖性。盡管煤層氣含量普遍較低，只有個別區(qū)域達到煤層氣資源量估算要求。由于煤層賦存的不均一性，不排除井田因煤層埋深和厚度變化，存在煤層氣局部富集的可能性。基于地區(qū)經(jīng)濟需求和國家自治區(qū)清潔能源發(fā)展規(guī)劃，本區(qū)仍需進一步加強煤層氣勘查工作。

注釋：

①新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊. 2017.新疆維吾爾自治區(qū)吉木乃縣哈爾交煤礦東部詳查報告（內(nèi)部資料）.

參考文獻：

[1]柳順彬，陳立，樊利強主編，新疆維吾爾自治區(qū)吉木乃縣哈爾交煤礦東部詳查. 2017年12月.

[2]張建博，王宏巖，趙慶波主編，中國煤層氣地質(zhì)[M]，北京：地質(zhì)出版社， 2000.

[3]李小彥，杜新鋒，陳鴻春，等；新集礦區(qū)煤的孔滲性實驗室測定研究[J].煤田地質(zhì)與勘探， 2001，（6）29： 23～25.