高階煤含氣及可采性影響因素分析

祁彥

摘 要：煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。煤儲層的含氣性是指煤層本身在目前地質條件下儲集煤層氣的能力和數量，由煤層氣的生產、保存條件和地質控制因素決定。煤層含氣性是評價煤層氣勘探開發前景的決定因素之一，是煤層氣遠景評價和選區的重要基礎。沁水盆地南部為本次研究區，作為當前煤層氣儲量最豐富的區域，從煤儲層埋深、煤厚、變質程度、灰分產率、顯微組分和滲透率等方面討論了煤層氣含氣性、可采性的影響因素。

關鍵詞：煤層氣；甲烷；沁水盆地；地層溫度

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.120

1 煤儲層埋深和煤厚

煤儲層埋深直接影響著煤儲層的地層壓力、地層溫度、煤層氣的吸附量和臨界解吸壓力等。因此，煤儲層的埋深對煤層氣的保存、富集和開采技術條件有著非常重要的意義。

研究區煤儲層埋深：3號煤儲層為130～1 060 m，平均約516 m，最薄點位于研究區西南角，約為130 m，最厚點位于研究區東北部，約為1 060 m；15號煤儲層埋深為205～1 150 m，平均約610 m，最薄點位于研究區西南角，約為205 m，最厚點位于研究區東北部，約為1 150 m。

根據以往的研究資料證實，通常情況下，煤層所受壓力是埋藏深度的函數，隨著煤層埋藏深度的增加，一方面，煤層所受的壓力、靜水壓力、地應力，儲層壓力、有利含氣量都會增加；另一方面，隨著煤層埋藏深度的增加，儲層溫度會越高，吸附量越小。因此，在一定的深度范圍內，煤層含氣量將隨煤層埋藏深度的增加而增大，該規律在本區表現較為明顯。同一層煤在本區的埋藏深度由南西向北東逐漸加大，煤層的含氣量也逐漸增大，東部埋深大于西部，東部的含氣量大于西部。西南部3號煤儲層的埋深約為290 m，含氣量約為3 m3/t，而東北部3號煤儲層的埋深為950 m，含氣量約為20 m3/t，埋深增加了660 m，含氣量增加了17.00 m3/t。經過統計，3號煤儲層的含氣量梯度為2.0 m3/100 m左右，15號煤儲層的含氣量梯度為1.5 m3/100 m左右。

煤層厚度與含氣量有直接的因果關系——煤層越厚，供氣能力越強，產量越大。美國主要開采煤層氣盆地單井累積厚度為6～91 m，比如美國圣胡安盆地，煤層氣高產區煤層累積厚度主要分布在9～30 m之間。因煤層氣主要是吸附在煤層中，只有少部分游離在煤層中，所以，在同一區域、同一層煤中，在吸附力和圍巖相同的情況下，厚煤層要比薄煤層吸附得多；在同一區域、同一煤層中，割理、裂隙發育相同的情況下，厚煤層中的空間更大，因此，厚煤層中要比薄煤層中游離的煤層氣多。比如MB-007井，3號煤儲層純煤厚3.6 m，含氣量約為3 m3/t；MB-017井，3號煤煤儲層純煤厚5.4 m，含氣量約為17 m3/t。MB-017井煤厚是MB-007井的1.5倍，而含氣量是5.7倍。因此，厚煤帶也是含氣量高的部位。

2 煤變質程度

3號和15號煤儲層的變質程度均為無煙煤，屬高變質階段，此階段煤對甲烷的吸附量高。煤級直接影響煤中的含氣量和煤儲層中孔隙—裂隙的發育狀況。煤級太低，往往含氣量低，不利于煤層氣藏的形成；中煤階煤較有利煤層氣藏的形成；高煤階煤對煤層氣富集成藏有利有弊，如果變質程度太高，煤層已失去儲層氣能力，則基本不吸附煤層氣，孔隙度降低，儲氣能力有限，無法形成煤層氣藏。此外，由于構造運動影響和基質收縮會產生一定量的裂隙，這對煤層滲透性有很大改善，如果構造環境穩定、煤層封閉條件好，則有可能形成煤層氣藏。經過多年的研究和資料證明，沁水煤田的煤層氣藏就是在這種條件下形成的。

3 灰分產率

灰分是煤燃燒后的殘渣，在煤層其他條件相同的情況下，該參數可直接反映煤層含氣量。煤層氣在煤中主要以吸附狀態存儲于煤中，煤中的灰分主要來源于煤中的無機物，而無機物質表面與甲烷之間沒有親合力，因此，無機物質不吸附甲烷氣體。由于煤中無機物質含量增高，勢必會代替有機物質占據的空間，從而縮小有機物質吸附氣體的總表面積。因此，在同一煤階的煤層中，其煤層氣的含量隨著灰分產率的增加而減小，即灰分含量越低，煤層氣含氣量相對越高。

4 煤顯微組分含量

煤的含氣量與煤本身的煤巖特征有很大的關系，研究區內的3號和15號煤儲層變質程度高，煤中內在水分少，煤的疏水性大，接觸角大，煤層中的水在氣的驅使下進入煤儲層的大裂隙系統。在良好的封閉條件下，這些煤層水被保存在煤層氣藏內的大裂隙中。

不同的成煤環境會生成不同的顯微組分，不同的顯微組分含不同類型和級別的孔隙，比如鏡質組中的基質鏡質體多含一些小孔或微孔，因此，煤的顯微特征對煤層氣的吸附有較大的影響。

5 煤儲層滲透率

煤層的滲透率取決于煤中裂隙系統的發育程度，煤層滲透率直接決定著煤層氣的運移和產出。一直以來，人們都認為煤層的滲透率是影響煤層氣產出的重要因素之一，這是因為煤層氣的產出要經歷從煤層中解吸出來的過程，煤層氣的解吸量是煤層壓力的函數，而煤層氣的儲層壓力與滲透率有關，同時，也與煤層的孔隙度有關，與孔隙度是正相關關系，總趨勢為孔隙度越大，滲率越高，但也不完全是直線形式的關系。

煤層滲透率也與地層最小主應力有關，應力松馳地區的滲透率高，隨深度增加的變化幅度不大，儲層產氣量也較高；高應力地區的滲透率較低。

煤儲層滲透率對煤層氣井的產量起著決定性作用。滲透率過低，煤儲層卸壓速率和煤層氣解吸速率將會過低，導致壓降漏斗（抽排）范圍有限。滲透率過高，表明滲流通道發育，一方面，當氣藏邊界有充足的壓力補給時，會形成穩定流，即氣藏中各點壓力不隨時間改變，如果此時井底壓力尚未降至臨界解吸壓力以下，則氣藏無法產氣；另一方面，會導致產水量過大，使煤儲層泄壓困難，不但需增加排水設備，還需花費很大的精力進行水處理，也不利于煤層氣井的生產。