潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層物性特征研究

武 杰，劉 捷

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030000；3.中國石油西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

1 研究區(qū)概況

潘莊煤層氣區(qū)塊位于沁水盆地東南部晉城礦區(qū)，地理坐標為東經(jīng)112°24' 00"～112°36'00"，北緯35°40' 00"～35°34' 43"，面積為157.755 km2。區(qū)塊內(nèi)煤系地層相對發(fā)育，煤層累計厚度大、可采煤層多，具有良好的含煤性和含氣性。為解決煤層高瓦斯給礦井煤炭開采造成的難題，晉煤集團于20世紀90年代在該區(qū)開展了地面煤層氣抽采、相關煤層氣地質及勘探開發(fā)理論方面的研究工作，為我國“采煤采氣一體化”的煤與煤層氣綠色共采開創(chuàng)出了一條新路[1-2]。煤層是煤層氣的生氣層和儲集層，具有極強的非均質性，其物性特征不僅影響著煤層氣開發(fā)技術選擇，亦是造成不同煤礦區(qū)、不同井田、塊段煤層氣開發(fā)成效的關鍵之因[3-5]。本文基于潘莊煤層氣區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)資料、地質及煤層氣地質資料，采用煤層氣地質理論，對區(qū)塊內(nèi)15號煤儲層物性特征進行研究，研究成果以期為區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治提供有益技術參數(shù)。

2 煤儲層物性特征研究

2.1 煤儲層特征

煤儲層厚度大小、展布形態(tài)等煤層特征影響著煤炭資源及煤層氣資源的可開發(fā)價值及開發(fā) 技術工藝[6-7]。理論和實踐表明，煤儲層厚度越大越有利于煤層氣開發(fā)和煤層氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[8]。潘莊煤層氣區(qū)塊屬于多煤層疊置發(fā)育區(qū)，二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，兩組地層共計含煤16層，自上而下編號為1、2、3、4、5、6、7、8-1、8-2、9、10、11、12、13、15、16。其中，山西組3號煤儲層、太原組9、15號煤儲層為全區(qū)塊較穩(wěn)定、穩(wěn)定可采煤層，其他為不穩(wěn)定、不可采煤層。本文研究的15號煤層位于太原組之下部，上距3、9號煤儲層平均距離分別為87.20 m和40.04 m。煤儲層總體展布穩(wěn)定，相對厚煤區(qū)主要發(fā)育在區(qū)塊的北部及北東部，相對薄煤區(qū)主要發(fā)育在區(qū)塊的北西部，區(qū)塊的其他區(qū)域煤儲層厚度變化不大(圖1)，區(qū)塊內(nèi)15號煤儲層厚度為0.30～6.17 m，平均3.21 m。煤儲層結構相對復雜，煤中含泥質、炭質泥巖夾矸0～4層。可以看出，15號煤儲層具有較好的含煤性，可為煤層氣開發(fā)和煤炭資源開采提供良好的目標層位[6,8]。

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層厚度等值線

2.2 煤儲層含氣性

2.2.1 煤儲層含氣量

煤儲層含氣量又稱煤層氣含量或瓦斯含量，系指單位煤炭質量或體積中所含的氣體量，是表征煤層含氣性的最直接參數(shù)，常用單位為cm3/g或m3/t。煤儲層含氣量是煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預測、煤層氣資源儲量計算、礦井瓦斯防治技術措施選擇的重要技術參數(shù)[9-10]。研究區(qū)在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用煤層氣井鉆井繩索取芯解吸法獲得了一些15號煤層含氣量數(shù)據(jù)。由煤儲層含氣量測定結果可知(表1)，潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣量(空氣干燥基)普遍較高且賦存不均衡性顯著，煤儲層含氣量一般為5.62～28.45 m3/t，平均15.72 m3/t。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣性好，可為煤層氣開發(fā)提供較好的氣源保障，是煤層氣高產(chǎn)富集的關鍵之因[11-12]，但亦加大了礦井瓦斯防治的難度。

表1 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣量測定結果

2.2.2 煤儲層含氣飽和度

煤儲層含氣飽和度是表征煤層含氣性、煤層氣井產(chǎn)能預測及評價等的重要參數(shù)，系指煤中孔隙被煤層氣充滿的程度。煤儲層含氣飽和度主要基于煤的等溫吸附曲線進行求取[13]，即利用實際測定煤層含氣量和煤儲層壓力下在等溫吸附曲線上所對應的煤的理論吸附量的比值，其表達公式如下：

S含=V實/V理

(1)

式中：S含為煤儲層含氣飽和度，%；V實為實測含氣量，m3/t；V理為理論吸附量，m3/t。

基于煤的等溫吸附試驗曲線，并利用公式(1)對潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣飽和度進行了計算，其含氣飽和度一般為90.9%～101.7%，平均為95.6%(表2)。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣飽和度普遍較高，煤儲層含氣飽和度為近飽和-過飽和，有利于煤層氣井高產(chǎn)和提高煤層氣采收率[14]。

表2 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層含氣飽和度計算結果

2.3 煤的孔裂隙特征

2.3.1 煤的孔隙特征

煤是一種具有孔裂隙發(fā)育的雙孔介質，煤中孔隙特征(孔隙度、孔徑大小、孔隙連通性(或被充填情況)等)影響著煤層氣的吸附、儲集和運移[15-16]。在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用多技術手段對潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層的孔隙結構特征進行了研究，15號煤的變質程度較高(煤類為無煙煤)，導致了煤中孔隙相對發(fā)育，孔隙度較高，一般為 7.83%～11.67%，平均為9.14%(表3)。同時，煤中孔隙以小孔和微孔為主，中孔次之，大孔最不發(fā)育[17]，有利于煤層氣的大量吸附儲集。同時，煤中孔隙多被礦物質所充填，孔隙間連通性和透氣性相對較差，勢必影響煤層氣的高效擴散、滲流等運移行為和煤層氣井的高產(chǎn)[18]。

表3 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層孔隙度測定結果

2.3.2 煤的裂隙特征

煤的裂隙特征影響著煤層的滲透性能、煤層氣擴散及滲流行為、煤層氣抽采難易程度及煤層氣井的產(chǎn)氣量等，在煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治方面尤為重視其研究[19-20]。為了提高煤層氣勘探開發(fā)成效和礦井瓦斯防治水平，對潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層的裂隙特征進行了觀測和研究。該區(qū)15號煤儲層的裂隙相對發(fā)育，煤中裂隙可見三個優(yōu)勢發(fā)育方向，即第一裂隙系優(yōu)勢發(fā)育方向為10～20°和110～120°，第二裂隙系優(yōu)勢發(fā)育方向為40～50°和130～140°，第三個裂隙系優(yōu)勢發(fā)育方向為60～70°和150～160°；裂隙系統(tǒng)相對發(fā)育，煤中裂隙發(fā)育密度一般為1～10.8 條/cm，平均5.7 條/cm；裂隙寬度一般為2～48 μm，鏡煤中裂隙寬度多小于亮煤和暗煤中裂隙寬度；裂隙形態(tài)多樣、復雜，裂隙中可見階梯狀、齒狀、分叉狀、S狀和縫合線，斜交或近垂直層理面；煤中裂隙常見粒狀、脈狀等黃鐵礦、方解石等礦物所充填。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層裂隙系統(tǒng)相對發(fā)育，裂隙發(fā)育類型為較密-密型，對煤層氣擴散、滲流提供了良好通道，但裂隙中礦物質充填在一定程度上影響了煤層的透氣性能。

2.4 煤儲層壓力

煤儲層壓力是指煤中孔隙內(nèi)煤層氣、地下水等流體所承受的壓力，常用單位為MPa。煤儲層壓力是煤層氣有利區(qū)評價及優(yōu)選、煤層氣井產(chǎn)能評價及采收率估算等的重要技術參數(shù)，是煤層氣地質理論和煤層氣開發(fā)實踐的重要研究內(nèi)容之一[21-22]。在煤層氣開發(fā)過程中，為了便于定量表征不同埋深下煤儲層的壓力值大小，常用煤儲層壓力梯度值來表征。煤儲層壓力梯度為煤儲層壓力與對應埋深之比值，單位為MPa/100 m或kPa/m。研究區(qū)采用煤層氣井注入/壓降方法對區(qū)內(nèi)15號煤儲層壓力進行了測定，在試井深度341.90～775.2 m范圍內(nèi)，煤儲層壓力為1.82～2.93 MPa，平均2.34 MPa。煤儲層壓力梯度為0.28～0.60 MPa/100 m，平均0.42 MPa/100 m(表4)。煤儲層壓力大小體現(xiàn)了地層能量強弱，其值越高體現(xiàn)地層能量越強，有利于驅動煤層氣滲流產(chǎn)出和煤層氣井高產(chǎn)，反之亦然[22]。潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層壓力普遍較低，屬于“欠壓”煤儲層[22]，體現(xiàn)地層能量相對較弱，驅動煤層氣高效產(chǎn)出相對困難。

2.5 煤儲層滲透性

煤儲層透氣性系指煤中孔隙內(nèi)煤層氣、地下水等流體在一定壓差條件下，流體通過煤儲層的困難程度。煤層氣在煤的割理裂隙中滲流符合達西流定律，因而常用煤層滲透率來定量描述和表征[23]。煤層滲透率是煤層氣開發(fā)有利區(qū)評價及優(yōu)選、煤層氣井產(chǎn)能預測及煤層氣開發(fā)潛力評價等的關鍵技術參數(shù)[24-25]。研究區(qū)采用煤層氣井注入/壓降方法對區(qū)內(nèi)15號煤儲層滲透率進行了測定，其值一般為0.33～21.12 mD，平均為3.97 mD(表5)。可以看出，由于煤儲層中滲流系統(tǒng)過甚發(fā)育和各向異性，使得潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層滲透率整體較高且具有顯著的分異特征，明顯高于我國其他高煤階煤礦區(qū)煤儲層滲透率。同時，顯示了研究區(qū)15號煤儲層具有良好的滲透性能和煤層氣產(chǎn)出通道，有利于煤層氣的高效滲透產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)[24]。

表4 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層壓力測定結果

表5 潘莊煤層氣區(qū)塊15煤儲層滲透率測定結果

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤層氣在煤中以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)存在，煤基質與甲烷分子之間由于范德華力的存在，使得煤對甲烷具有很強的吸附能力，煤層氣主要以吸附態(tài)存在于煤層之中[26]。甲烷分子在煤中吸附符合單分子層吸附模型，因此，煤對甲烷的吸附可用Langmuir(朗格繆爾)方程來表征[27]。現(xiàn)實中，常用煤的等溫吸附試驗來表征煤的吸附特性，同時，實現(xiàn)煤層氣儲集空間定性評價、煤層氣采收率計算、臨界解吸壓力計算等。因此，煤的等溫吸附是煤層氣地質理論和煤層氣開發(fā)選區(qū)評價的重要技術參數(shù)[28]。Langmuir(朗格繆爾)方程表達式如下：

(2)

式中：V為理論吸附量，m3/t；P為原始煤儲層壓力，MPa；VL為試驗壓力條件下的吸附量(或蘭氏體積)，m3/t；PL為試驗壓力(或蘭氏壓力)，MPa。

潘莊煤層氣區(qū)塊在煤層氣勘探開發(fā)過程中，采用等溫吸附試驗對區(qū)塊內(nèi)15號煤儲層的吸附性能進行了實驗研究。結果表明：在試驗溫度(或原始儲層溫度)19～25℃，蘭氏壓力(PL)2.44～3.27 MPa條件下，煤的最大吸附量(VL)為34.85～48.93 m3/t(表6)。可見，潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層吸附煤層氣能力強、吸附量大，表明煤層中具有良好的儲集煤層氣空間[29]。

2.6.2 煤的解吸特征

理論和實踐證實，煤層氣的產(chǎn)出需經(jīng)歷由煤基質孔隙脫附解吸、裂隙通道滲流產(chǎn)出的過程[30]。煤層氣的解吸特征影響著煤層氣解吸效率、煤層氣井產(chǎn)能和氣井首次見氣時間[31]。為了定量研究煤的解吸特征對煤層氣開發(fā)影響，常用煤的吸附時間參數(shù)表征。煤的吸附時間系指標準溫度和壓力條件下累計實測解吸氣體量達到總解吸氣量的63.2%時所耗的時間[32]。時間越長，表明煤中氣體解吸速度慢、解吸效率低，反之亦然。潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層吸附時間一般為1.92～5.81 d，平均3.09 d(表6)。可以看出，研究區(qū)15號煤儲層的吸附時間相對較長，表明煤儲層中煤層氣解吸效率和產(chǎn)出效率較低，有利于煤層氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)，但煤層氣首次見氣時間相對較晚[32]。

表6 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤層等溫吸附試驗結果

3 結 語

1) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤層發(fā)育良好且展布穩(wěn)定，煤層氣含量和含氣飽和度較高(即含氣性較好)，可為煤層氣開發(fā)提供良好的儲層條件和氣源保障，但較好的煤層含氣性勢必加大礦井瓦斯防治的難度。

2) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤為變質程度較高的無煙煤，促使煤中發(fā)育有大量孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育。煤中孔隙以小孔和微孔為主，有利于煤層氣的吸附儲集；煤中裂隙相對發(fā)育且存在三個明顯的優(yōu)勢發(fā)育方向，裂隙發(fā)育程度為較密-密型，不同煤巖顯微組分中裂隙發(fā)育程度和形態(tài)各異。煤中孔裂隙過甚發(fā)育特點，對煤層氣滲流較為有利，煤層滲透率較高。

3) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤儲層地層能量普遍較弱，煤儲層壓力為“欠壓”狀態(tài)，不利于煤層氣高效產(chǎn)出、氣井高產(chǎn)和采收率的提高。

4) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號煤對煤層氣具有很強的吸附能力、吸附量大，體現(xiàn)煤中具有較好的儲集煤層氣空間。但煤對煤層氣的吸附時間相對較長，煤中的煤層氣解吸速率較低，有利于煤層氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)，但煤層氣井的見氣時間相對較晚且氣井開發(fā)周期較長。