沁水煤田東北部15號煤儲層物性及特征研究

楊昌永 ，郝春生，田慶玲，季長江，邵顯華，常會珍

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；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)

沁水煤田東北部是我國重要的無煙煤生產基地和煤層氣富集區之一，區內礦井多為高瓦斯突出礦井，瓦斯已成為制約礦井安全高效生產的首要因素。本著煤與煤層氣協同綠色開采理念，近年來在煤田范圍內逐步加大了地面煤層氣開發工程，為打造本質安全、節能、高效型礦山和清潔利用煤層氣資源起到了積極作用，亦獲得了一些煤層氣儲層物性及特征參數。當前，煤層氣儲層物性及特征研究主要集中在沁水煤田東南部晉城礦區一帶，而煤田東北部則鮮有開展[1，2]。同時，由于前期研究的時效性和參考、利用的資料有限，加之煤層氣儲層的極強不均質性和物性差異[3]，使得研究成果未能充分體現研究區煤層氣儲層物性特征之實際。基于此，筆者對沁水煤田東北部陽泉新景礦、平定五礦、昔陽六礦等煤層氣開發資料進行了收集、分析及研究，研究成果對煤田后期煤層氣開發煤層氣儲層評價及優選、有利區預測等提供技術支撐。

1 研究區概況及地質背景

沁水煤田東北部地處沁水凹陷東北緣，太行隆起之中段西側，地跨陽泉和晉中地區的平定縣和昔陽縣。西北以郭家溝斷層為界，東南以清漳河為界，東界、北界為煤層自然露頭，西部深部界線以各勘探區和礦井邊界[4]。研究區總體為一走向北東、傾向南西的單斜構造，單斜構造之上發育有次一級的不同構造[5]。地層出露由東往西由老變新，有奧陶系、石炭系、二疊系。東部、北部可見大面積奧陶系石灰巖出露，南部多為二疊系和石炭系出露，西部全為二疊系[2]。下二疊系山西組和上石炭系太原組為礦區主要含煤地層，其中，下二疊系山西組含煤6層，編號為1、2、3、4、5、6號煤層；上石炭系太原組含煤12層，編號為8、8下、9上、9、11、11下、12、13、13下、15、15下、16號煤層。3、8、9號煤層為局部或大部分可采煤層，15號煤層為全區穩定可采煤層。

2 煤儲層物性及特征

2.1 煤層與煤巖特征

2.1.1 煤層特征

煤層是煤層氣的生氣層和儲集層，是煤層氣勘探開發的直接對象。煤層厚度、結構及其穩定、可采性等特征影響著煤層氣的可采性和開發難易程度，是煤層氣儲層評價及優選的重要參數[6-8]。開發目標煤層厚度越大、展布越穩定、結構越簡單、可采性越好，煤層氣可采性亦越好，反之亦然[9]。基于沁水煤田東北部地面煤層氣鉆井資料，對其范圍內15號煤層的發育特征參數進行統計和分析(見表1)。煤層厚度2.64～10.90m，平均厚度5.12～6.79m。可以看出，15號煤層發育較好、展布穩定，為全區穩定可采煤層。受成煤沉積環境及其演化控制，煤層厚度總體表現為中部平定五礦一帶高，北部陽泉新景礦一帶次之，南部昔陽六礦一帶最小的分布特征。煤層中含夾矸1～7層，2～3層者居多，煤層結構較復雜～復雜。煤層頂底板為泥質含量高的泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖等組成，利于煤層氣的封閉保存。

表1 沁水煤田東北部15號煤發育特征

2.1.2 煤巖特征

煤巖特征是分析井壁穩定性、了解煤儲層物性優勢、預測和優選煤層氣富集高滲區的重要研究內容[10，11]。沁水煤田東北部15號煤層為高變質無煙煤三號，煤變質程度表征參數煤的鏡質組反射率由北往南總體呈遞增趨勢。北部陽泉新景礦一帶15號煤層的平均鏡質組最大反射率(Ro，max)一般為2.05%～2.028%，中部平定五礦一帶15號煤層的平均鏡質組最大反射率一般為2.889%～3.108%，南部昔陽六礦一帶15號煤層的平均鏡質組最大反射率一般為2.873%～3.423%。受煤變質作用及變質程度差異影響，陽泉新景礦一帶宏觀煤巖類型為半亮～半暗型煤，宏觀煤巖組分以亮煤和鏡煤為主。有機顯微煤巖組分以結構均一的鏡質組為主，以及少量的半絲質組及絲質組，過渡組份極少，組分界線比較明顯。無機顯微組分以粘土為主，硫化物次之，煤層中下部常見草莓狀黃鐵礦，方解石常為次生脈狀充填在有機質當中，石英顆粒十分罕見；平定五礦一帶宏觀煤巖類型以光亮型煤、半亮型煤為主，其次為半暗型煤。宏觀煤巖組分以光亮煤、半亮煤為主，其次為鏡煤。有機顯微煤巖組分以鏡質組為主，惰質組次之。無機顯微組分以粘土礦物為主，硫化物次之。粘土礦物與有機組分、黃鐵礦混雜呈團塊狀或微層狀分布，少量充填細胞腔；昔陽六礦一帶宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型煤為主，少數為半暗型煤。宏觀煤巖組分多以亮煤為主，夾暗煤及絲炭條帶。有機顯微組分以鏡質組為主，少量絲質組，其他有機組分難以辨識。無機顯微組分以粘土礦物為主，呈分散狀、團塊狀或浸染狀。并含有少量塊狀黃鐵礦或碳酸巖礦物及石英顆粒。

2.2 煤層含氣性

2.2.1 煤層含氣量

煤層含氣量系指單位數量煤體中所含的煤層氣數量，單位常用mL/g或m3/t表示。煤層含氣量是煤層氣資源量估算、煤層氣區塊評價及優選、礦井瓦斯涌出量預測預報等的一項關鍵技術參數[12]。當前，沁水煤田東北部已開展了部分煤層氣勘探開發工作，期間采用煤層氣鉆井取芯煤層氣解吸法(測試過程按照GB/T 19559—2008執行)獲得了一些煤層含氣量測試數據。在埋深1200m以淺，15號煤層含氣量0.68～17.21m3/t，平均8.15m3/t。可見，15號煤層含氣量整體較高且兩極值差異較大，體現了煤層氣富集程度較高且賦存的極不均衡性。研究區煤層含氣性主要受控于煤層圍巖性質、構造發育差異和地下水徑流狀態等主要地質因素及其耦合作用。陽泉新景礦一帶15號煤層圍巖由泥質含量高的完整、致密、低滲巖石組成，開放性構造不甚發育，地下水徑流弱，有利于煤層氣保存和富集，煤層含氣量普遍較高(8.63～16.85m3/t，平均10.51m3/t)；昔陽六礦一帶15號煤層圍巖多為致密、低滲的泥巖、砂質泥巖和炭質泥巖組成，偶見溶洞發育、性脆的灰巖頂板，開放性構造相對發育(陷落柱和少量斷距大于10m以上的斷層)，地下水徑流相對較弱，對煤層氣保存較為不利，煤層含氣量整體較低(0.74～17.21m3/t，平均7.42m3/t)且煤層氣賦存均衡性較差；平定五礦一帶圍巖巖性及其組合特征與昔陽六礦基本一致，但陷落柱開放性構造非常發育，地下水徑流較強，使得煤層氣保存條件較差，煤層含氣量普遍較低(0.68～15m3/t，平均5.28m3/t)且煤層氣賦存均衡性亦較差。

2.2.2 煤層含氣飽和度

煤層含氣飽和度系指煤中孔隙被煤層氣充滿的程度，為煤層實測含氣量與原始煤儲層壓力在等溫吸附曲線上所對應的理論含氣量之比值，是煤層氣開發難易程度、煤層氣井產能和煤層氣區塊評價及優選的重要技術參數[13，14]。煤層含氣飽和度可由煤層實測含氣量、等溫吸附參數共同計算而得，計算過程按照式(1)、式(2)進行。

Q含飽=V實測/V理論

(1)

V理論=VLP/(P+PL)

(2)

式中，Q含飽為煤層含氣飽和度，%；V實測為煤層實測含氣量，m3/t；V理論為原始煤儲層壓力條件下所對應的煤層含氣量，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；PL為蘭氏壓力，MPa；P為煤儲層壓力，MPa。

按照式(1)、式(2)對沁水盆地東北部15號煤層的含氣飽和度進行了計算，其值為33.27%～47.52%，平均為41.63%(見表2)。可見，15號煤層的含氣飽和度普遍相對較低，為欠飽和煤儲層[15]，不利于煤層氣井的高產和采收率的提高[16]。同時，煤層埋深及煤層含氣性對煤層含氣飽和度影響最大[13]，二者差異使得研究區15號煤層含氣飽和度總體呈現出由北往南遞增趨勢。

表2 沁水煤田東北部15號煤含氣飽和度計算結果表

2.3 煤層孔裂隙特征

2.3.1 煤層孔隙

煤層是屬于一種多孔介質，其孔隙特征影響著煤層氣的賦存、擴散、運移和滲流特征。煤層氣在煤儲層的大孔中以劇烈的層流和紊流滲透為主，中孔中以緩慢的紊流滲透穩住，過渡孔中以吸附、毛細管凝聚和擴散為主，微孔中則以吸附為主[17]。目前，針對煤層孔隙結構特征的研究方主要有掃描電鏡法、壓汞法、低溫氮氣吸附法、小角度X射線衍射等[18]，為煤層孔隙的定量分析和評價提供了有力依據。由于實驗方法和測試技術手段的差異，孔隙類型具有多種劃分方案，而B.B.霍多特的十進制單位劃方案較受歡迎且應用廣泛，他把孔隙劃分為大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、過渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)四種孔隙類型[17]。本文亦采用了該種方案對煤層孔隙孔徑進行了劃分。

據沁水煤田東北部15號煤壓汞法孔隙測定資料可知：受煤質程度影響，15號煤的孔隙度總體較高，同時孔隙特征參數值差異顯著。煤孔隙度一般為3.01～12.79%，平均8.24%；總孔容44.4～153.4mm3/g，平均88.39mm3/g；比表面積20.38～27.33m2/g，平均23.56m2/g；中值孔徑8.2～617.6nm，平均281.34nm。進汞飽和度(大于80%)和退汞效率(60%～80%)較高[2，19]。壓汞曲線總體呈顯著的“三段式”特征(如圖1所示)：即汞入壓力0.2MPa以下時，圖1(a)、(b)的壓汞曲線均為一陡傾斜的近似直線段，但圖1(b)的壓汞曲線的平滑度沒有圖2(a)高，且壓汞曲線具有一定“波動”，表明圖1(a)、(b)均以大孔為主，但圖1(a)中大孔的連通性相對較好，孔隙形態不及圖1(b)復雜。在較小的外界壓力作用時汞容易突破煤孔隙毛細管壓力而進入煤孔隙中。該階段煤孔隙為主要為3～63μm的植物細胞殘留大孔和部分微裂隙，進汞量所占比例僅在10%左右，這部分孔隙對煤層滲透率卻起到重要貢獻；汞入壓力0.2～2.1MPa時，圖1(a)、(b)壓汞曲線總體為一近直立的線段，但圖1(b)的壓汞曲線的平滑度沒有圖1(a)高，且壓汞曲線具有一定“波動”，表明圖1(a)的中孔連通性相對較好，但小孔隙的發育程度和孔隙形態復雜程度不及圖1(b)。該階段汞入壓力和進汞飽和度(約10%左右)增加，表明煤孔隙孔徑變小、孔隙毛細管壓力增加，0.4～3μm范圍的中孔不甚發育且多為孤立孔隙；汞入壓力2.1～32MPa時，圖1(a)、(b)壓汞曲線均呈一顯著的傾斜線，但圖1(a)壓汞曲線波動較圖1(b)大。這表明，隨著汞入壓力持續增加，并突破毛細管壓力束縛使得汞大量進入更小孔徑的孔隙中，但圖1(a)的小孔徑連通性較圖1(b)差。該階段進汞量非常之大，高達70%以上，顯示0.4～0.016μm過渡孔相對發育且與基質孔隙中相連的次級孔隙或植物細胞殘留大孔隙的有效孔隙率比較高。受煤孔隙特征影響，壓汞和退汞曲線之間存在明顯的“滯后環”。圖1(a)的“滯后環”較圖1(b)大，表明前者煤中不同孔隙間的連通性較后者好，退汞效率較高。

圖1 沁水煤田東北部15號煤的的壓汞、退汞曲線

2.3.2 煤層裂隙

煤層裂隙是煤層氣滲流產出通道，其發育程度、規模及其連通性等控制著煤層的滲透性，進而影響煤層中煤層氣的可抽采性和開發難易程度[20]。按其成因，煤層裂隙可分為外生和內生裂隙兩種，前者亦稱之為節理，是成煤過程或成煤期后應力作用下發生構造變動所致，而后者則是煤化過程中煤體發生脫水、收縮和脫揮發分等作用所致。為了定量描述煤層裂隙發育特征，對沁水煤田東北部15號煤層的新鮮煤體進行取樣和宏觀、微觀裂隙觀測。15號煤層的宏觀煤巖組分為光亮、半光亮和半暗型煤。光澤較強，似金屬、玻璃光澤，顏色為灰黑色，條痕為灰黑色，斷口為階梯狀或參差狀，夾有鏡煤條帶，條帶狀結構，層狀構造。煤中內生、外生宏觀裂隙均可見，裂隙類型與級別以小裂隙和微裂隙為主。裂隙發育方向較零亂，大致可見兩組呈斜交裂隙，走向分別為20°～90°、272°～357°。其中，裂隙的主力優勢發育方向在20°～90°之間，裂隙發育密度為16～27條/5cm。其次，裂隙的次要發育方向一般在272°～357°之間，裂隙發育密度一般為5～10條/5cm。煤中多見煤屑及紋裂，具定向性，表面擦痕、斷口較明顯，節理多呈斜交、近直交和雁列式，見拉長、定向的孔洞。節理面和孔洞多被煤屑和礦物質所充填，連通性較差(圖2)。

圖2 沁水煤田東北部15號煤的微觀裂隙特征

2.4 煤層滲透性特征

煤層滲透性系指流體(如煤層氣、水等)在壓差作用下，通過煤層的難易程度，常用滲透率參數來定量表征[21]。煤層滲透性是評價煤層氣抽采難易程度、產能及產水量預測、井網設計及優化、煤層氣區塊評價及優選的重要內容。當前煤層滲透率測定技術方法較多，諸如無損檢測技術、鉆孔瓦斯流量法、數理統計預測法等、孔滲儀器測定法、煤層氣試井法等，但煤層氣試井方法在煤層氣勘探開發中最為常用[22]，本文所采用的煤層滲透率數據均為煤層氣試井法所得(測試過程按照GB/T 24504—2009執行)。煤層裂隙的發育程度及其連通性，是影響煤層滲透率的關鍵因素[21]。沁水煤田東北部15號煤層裂隙相對發育，但裂隙多被礦物質和煤屑等充填，煤層滲透性差，滲透率普遍較低，煤層滲透率一般為0.011～0.25mD，平均0.09mD(見表3)。相比之下，研究區中部平定五礦一帶煤層滲透率相對較高，北部新景礦及南部昔陽六礦一帶煤層滲透率相對較低且基本同為一個數量級。

表3 沁水煤田東北部15號煤儲層滲透率測試結果表

2.5 煤儲層壓力特征

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，是地層能量的體現和驅動煤層氣產出的動能[23]。煤儲層壓力是煤層氣高產富集區預測、氣井排水降壓難易程度評價、計算煤層含氣飽和度和煤層氣采收率、煤層氣區塊評價及優選等的重要研究內容之一。煤儲層壓力大小常用壓力梯度來表征，把壓力梯度小于9.5kPa/m劃分為低壓(欠壓)煤儲層，壓力梯度介于9.5～10.0kPa/m劃分為正常壓力煤儲層，壓力梯度大于10.0kPa/m劃分為高壓(超壓)煤儲層[24]。沁水煤田東北部在煤層氣勘探開發過程中采用煤層氣試井法(測試過程按照GB/T 24504—2009執行)獲得了部分15號煤儲層壓力參數(見表4)。研究區含水層弱富水性、地下水徑流條件整體較差和較低地應力，使得區內煤儲層壓力較低[25]。在煤層埋深1200m以淺，煤儲壓力1.89～6.34MPa，平均4.67MPa；煤儲層壓力梯度4.07～8.93kPa/m，平均6.30kPa/m。可見，15號煤儲層壓力普遍較低，為低壓煤儲層[24]。同時，煤儲層壓力總體呈現出由北往南遞減趨勢。煤儲層的低壓狀態，勢必加大煤層氣井排水降壓難度、削弱煤層氣吸附的壓力正效應[26]。

表4 沁水煤田東北部15號煤儲層壓力測試結果表

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤基質孔隙表面的不飽和能與非極性分子間作用而產生“范德華力”，該力僅作用于分子的表面且不涉及外層分子，因而甲烷氣體分子在煤基質孔隙中主要以單層吸附形式存在[27]，甲烷分子在煤中的吸附過程和吸附特性可用Langmuir方程(式(3))來描述和表征[28]。

式中，VL為Langmuir體積，m3/t；PL為Langmuir壓力，MPa；V為試驗壓力P時煤對甲烷吸附量，m3/t；P為試驗壓力，MPa。

煤的吸附特征試驗是含氣飽和度、臨界解吸及煤層氣采收率計算，以及煤層氣儲集空間及儲集能力評價、煤層氣區塊評價及優選的一項重要內容[29，30]。研究區15號煤層具有高變質、低灰、低含水性，使得煤層對甲烷分子具有很強的吸附能力[27，31]。據煤的等溫吸附試驗可得(見表5)：沁水煤田東北部15號煤在Langmuir壓力1.31～2.09MPa條件下，空氣干燥基Langmuir體積32.85～41.16m3/t，平均36.86m3/t。干燥無灰基Langmuir體積41.84～46.48m3/t，平均43.81m3/t。可見，煤不但吸附能力強，吸附量亦較高，說明煤中具有大量儲集甲烷的空間[32]。

2.6.2 煤層氣解吸特征

煤層氣的產出須經歷一個解吸、擴散、滲流過程，其解吸/吸附速率的快慢常用煤層氣吸附時間來衡量[33]。吸附時間系指標況下，實測解吸氣量累計達到總解吸氣量的63.2%時所對應的時間，單位常用d或h表示[34]。吸附時間對煤層氣井產氣時間及產氣高峰期預測、煤層氣非平衡動力學模型評價等至關重要[33]。

表5 沁水煤田東北部15號煤的等溫吸附試驗結果表

沁水煤田東北部在煤層氣勘探開發過程中，采用煤層氣鉆井取芯和煤層氣吸附/解吸實驗，獲得了一些煤層氣吸附/解吸數據。通過對其統計分析可得(見表6)：15號煤層甲烷吸附時間2.38～22.55d，平均6.38d。煤的高變質、煤體結構的完整性及形態特征，使得15號煤甲烷的吸附時間整體較長，解吸速率過慢[35]。同時，受煤變質程度及煤體破壞程度差異影響[33]，15號煤甲烷吸附時間總體由北往南呈遞增趨勢，北部新景礦一帶15號煤甲烷吸附時間平均4.66d，中部平定五礦一帶15號煤甲烷吸附時間平均6.87d，南部昔陽六礦一帶15號煤甲烷吸附時間平均8.00d。研究區15號煤甲烷的解吸特征，勢必加大煤層氣井的排水降壓難度和延長排水降壓時間，亦不利于煤層氣井的高產、穩產和縮短煤層氣開發周期[12]。

表6 沁水煤田東北部15號煤吸附時間測定結果表

3 結 論

1)15號煤層為中厚～厚的全區穩定可采煤層，為煤層氣開發提供良好的儲層條件。煤的高變質及變質程度差異，控制著煤巖類型和煤巖組分，進而影響著煤層氣開發工藝。

2)15號煤層含氣量整體較高，可為煤層氣開發提供較好的氣源。煤層含氣飽和度偏低，不利于煤層氣井的高產和采收率的提高；煤中孔裂隙相對發育，但連通性差。過渡孔的過剩發育，為煤層氣的大量儲集提供了良好空間。煤中小～微型裂隙雖較發育，但充填較甚，致使煤層的滲透率較低；煤儲層壓力的欠壓狀態，使得煤層氣井排水降壓驅動煤層氣產出的動能較弱、排采難度亦較大，亦削弱了煤層氣的壓力吸附正效應；煤對甲烷的吸附量大，說明煤中具有大量儲集甲烷的空間。煤對甲烷吸附時間較長，說明煤對甲烷的解吸速率相對較低，對其煤層氣開發時氣井初期見氣晚，不利于氣井的高產、穩產和縮短煤層氣開發周期。