基于煤體結構的煤層氣井煤粉產出規律研究

朱學申 呂玉民 郭廣山 袁 遠 曹代勇

(1.中海油研究總院，北京 100028；2. 中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029；3.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

基于煤體結構的煤層氣井煤粉產出規律研究

朱學申1呂玉民1郭廣山1袁 遠2曹代勇3

(1.中海油研究總院，北京 100028；2. 中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029；3.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

以韓城礦區為研究對象，采用煤礦井下精細觀察和描述，以及產出煤粉鏡下形態觀察的方法，闡述了不同煤體結構類型煤與煤粉產出的關系。研究表明，韓城礦區各煤層構造煤普遍發育，厚度百分比約46%，3號煤層發育鱗片煤為主，5號煤層以碎粒煤為主，碎裂煤次之，11號煤層以碎裂煤和碎粒煤為主；煤體結構類型決定了煤粉產出的破壞形式、產出特征及產出的傾向性，構造煤是煤粉產生和產出的主要控制因素。因此，查明不同煤體結構類型煤的平面展布規律和縱向分布特征，對煤層氣的區帶優選和儲層改造層段選取具有重要的指導意義。

煤體結構 煤粉 煤層氣 韓城 控制因素

1 韓城地區主力煤層特征

韓城地區位于鄂爾多斯盆地的東南緣，受區域構造應力場的控制，構造演化過程與整個鄂爾多斯盆地具有一致性，主要經歷了海西運動、燕山運動和喜山運動階段。燕山期NE向和喜山期近EW向褶皺和斷裂的發育(圖1)，為區內構造煤的發育提供了有利條件，也基本控制了區內煤層的展布。韓城煤層氣田主力開發煤層為3號、5號和11號，劃分了六個開發層系組合，主要以3+5+11號、3+11號和11號煤層為主。前人把煤體結構劃分為塊煤、塊粉煤和粉煤，基于測井信息的響應，對韓城地區主力煤層做了初步探討，指出構造煤的發育與構造帶的展布密切相關，5號煤破碎最為嚴重，分布范圍廣，圍繞著構造帶分布；3號和11號煤層相對來說破碎較輕，主要沿著東澤村構造帶和邊淺部隆起斷裂構造帶分布。

以象山煤礦為采樣點，在井下對3號、5號和11號煤層從宏觀煤巖組成、煤層特征和煤體結構方面做了精細觀察和描述：

圖1 韓城地區構造綱要圖

3號煤層以半暗型煤為主，次為暗淡型和半亮型煤，夾有鏡煤、絲炭和夾矸條帶；顯微煤巖組分以鏡質組為主，占到78.1%；煤體結構類型主要為原生結構煤和鱗片煤，厚度分別占到68.2%和31.8%(圖2)。

5號煤層以半暗型煤為主，次為暗淡型煤，光澤較暗，割理發育。煤層后期遭受嚴重破壞，煤體結構主要為原生結構煤、碎粒煤和碎裂煤，厚度分別占到33.3%、53.7%和13.0%(圖2)。

圖2 韓城象山煤礦不同煤體結構類型煤厚度統計直方圖

11號煤層上部以半亮型煤為主，下部以半暗型煤為主，完整性較好，硬度較大；煤體結構類型主要為原生結構煤、碎裂煤和碎粒煤，厚度分別占到69.1%、18.5%和12.3%(圖2)。

2 基于煤體結構類型的煤粉產出規律

煤體結構是在地質歷史演化過程中經受各種地質作用表現出來的結構特征，總的可以分為原生結構煤和構造煤。目前，對于構造煤的成因觀點不一，但構造作用對構造煤的形成受到一致認同，并且控制了構造煤的展布特征。前人關于構造煤的分類，從不同的角度入手劃分為若干類型，袁崇孚(1986)基于對瓦斯地質與瓦斯突出等特征的研究，根據煤體的宏觀和微觀架構特征，把煤體結構劃分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四種類型，被廣泛應用于研究和現場實踐。

從煤粉產出的先后順序和誘因出發，把煤粉劃分為原生和次生兩種類型。原生煤粉是指煤層中固有的煤粉，形成于地質歷史時期；次生煤粉是指煤層氣開發過程中，由于工程因素誘發產生的煤粉。結合前人的分類方案，從煤粉產生的破壞形式、產出特征以及產出傾向性，總結不同煤體結構類型煤產出煤粉的規律，如表1。

表1 不同煤體結構類型煤與煤粉產出關系

3 煤粉產出控制因素

在韓城象山煤礦3號、5號和11號煤層采塊煤樣，通過抖動可獲得抖落的煤粉樣，以此方法獲得煤層中的近似原生煤粉。在韓城煤層氣田，以恒定體積的容器，收集煤層氣井產出液樣，用濾紙過濾晾干，獲得煤層氣井產出煤粉。利用掃描電鏡觀察煤層中煤粉與煤層氣井產出煤粉的形態特征和破壞形式，具有很好的一致性，建立了二者之間的關系，表明構造煤發育對煤粉的產出具有重要控制作用。

(1)原生結構煤、碎裂煤與產出煤粉關系

煤的原生結構可見，基本保持著整體狀，裂隙發育，煤質堅硬，難以掰開，煤體較脆，在儲層改造工程中，易形成優勢裂縫，壓裂效果較好。煤層內原生煤粉較少，后期鉆井、儲層改造和排采過程中，會產生一定量的煤粉，顆粒較大且不規則。從原生結構煤和碎裂煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-1和3-2)可以看出，煤粉顆粒呈塊狀斷裂的方式脫落，沿著裂隙發育處脫落，呈塊狀，棱角分明，顆粒直徑較大，不規則。根據原生結構煤和碎裂煤煤粉的破壞形式和形態特征，結合煤層氣井產出煤粉的形態特征(圖3-3和3-4)，棱角分明，呈塊狀，且不均一，此類煤粉主要來自于這兩種煤體結構類型煤層。

(2)碎粒煤與產出煤粉關系

煤的原生結構已被破壞，煤層受到強烈的構造作用，網狀裂隙密集發育，破碎非常嚴重，煤層較軟，壓裂效果較差。煤體結構已完全破壞，煤層呈顆粒狀，原生煤粉較多，后期工程擾動易產生大量的次生煤粉。碎粒煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-5)可以看出，煤粉以粒狀的方式脫落，呈顆粒狀，棱角偶見被磨蝕，呈次棱角狀，顆粒直徑較小且變化不大，均一性好。從韓城煤層氣井產出煤粉的掃描電子顯微鏡圖像可以觀察到(圖3-6)，一些呈粒狀，磨圓相對較好，粒徑變化不大的煤粉，此類煤粉來自于碎粒煤煤層，后期在搬運過程中發生磨圓，呈現球粒狀。

(3)鱗片煤、片煤與產出煤粉關系

煤層受到嚴重破壞，光澤變暗，發育裂隙，層面上呈網狀密布，并發生一定的錯動和位移，形成鱗片狀。煤層較軟，存在大量的片狀煤粉顆粒，受工程因素影響，后期產生大量的片狀煤粉。鱗片煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-7)可以看出，煤粉以片狀剝落的方式產生，呈片狀，大小不一。從韓城煤層氣井產出煤粉的掃描電子顯微鏡圖像可以觀察到(圖3-8)，存在一些片狀煤粉，大小不等，從斷面可以看出其片狀剝落方式，此類煤粉來自于鱗片煤煤層。

4 結論

(1)韓城地區受區域構造應力場的控制，經歷了復雜的構造演化過程，燕山期NE向、喜山期近EW向褶皺和斷裂的發育，為區內構造煤的發育提供了有利條件。通過對象山煤礦3號、5號和11號煤層煤礦井下精細觀察和描述，不同類型構造煤普遍發育，占煤層總厚度的46%。3號煤層發育鱗片煤為主；5號煤層以碎粒煤為主，碎裂煤次之；11號煤層以碎裂煤和碎粒煤為主。

(2)從煤粉產生的破壞形式、產出特征以及產出傾向性，總結了煤粉產出規律，查明了不同煤體結構類型煤產出煤粉的特征，為探討煤粉的來源提供了依據。通過掃描電鏡下對比觀察分析，闡述了不同煤體結構類型煤與產出煤粉之間的關系，指出構造煤是煤粉產生的主要控制因素。

(3)在煤層氣開發過程中，查明構造煤的橫向展布規律和縱向分布特征，可以指導煤層氣的區帶優選以及儲層改造的層段選取。構造煤不發育區作為煤層氣的優先開發區，而原生結構煤和碎裂煤煤層作為儲層改造的首選層段。

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(責任編輯 黃 嵐)

Study on the Output Law of Coal Fine Produced by Different Coalbody Structure Coal from CBM Wells

ZHU Xueshen1, LV Yumin1, GUO Guangshan1, YUAN Yuan2, CAO Daiyong3

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100028; 2.Oil and Gas Survey, China Geological Survey,Beijing 100029; 3.China University of Mining &Technology(Beijing), Beijing 100083)

Based on the observation of coalbed in Hancheng Mining Area and output coalfine, Hancheng Block is taken as the study area to explore the relationship between different types of coalbody structure and coal fines produced by CBM well. Some conclusions are proposed as follows. Deformed coal is commonly developed and account for 46% of the total coalbed thicknessby the careful observation and description of coal seam No.3, No.5 and No.11 in Xiangshan coal mine. Scaled coal is mainly developed in No.3 coal seam, granulated coal in No.5 coal seam and fragmented&granulated coal in No.11 coal seam. The type of coalbodystructure determines the destructionalforms, output characteristics and proneness of coal fines, and the development of deformed coal are the control factors on the generation and output of coal fines by scanning electron microscope. Therefore, the identification of lateral and vertical distribution laws on different types of coalbody structure can provide guidance for zone optimization and selection of stimulated interval.

Coalbody structure; coal fine; coalbed methane; Hancheng; controlling factors

朱學申，男，工程師，碩士研究生，主要從事煤層氣地質研究工作。