長平井田3號煤層氣儲層物性及特征研究

宋 誠

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048012)

1 研究區概況

長平井田為晉城無煙煤礦業集團有限責任公司旗下一座現代化大型生產礦井，位于沁水盆地南緣高平市西北17 km處，隸屬高平市寺莊鎮管轄。井田地理坐標范圍為東經112°44′54.4″～112°50′51.9″，北緯35°51′02.4″～35°55′11.7″，井田面積50.8 km2，批準開采山西組3號煤層，礦井設計產能300萬t/a。

長平井田含煤地層主要為石炭系上統太原組與二疊系下統山西組，共含煤14層，自上而下依次為1、2、3、5、6、7、8、9、10、11、13、14、15、16號煤層，其中，1～3號煤層發育于山西組，5～16號煤層發育于太原組。3號、15號煤層為全井田發育穩定且可采煤層，8號煤層為發育不穩定的局部可采煤層，9號、14號、16號煤層為發育不穩定的零星可采煤層。批采的 3號煤層厚度一般為3.17～6.37 m，屬于中-厚煤層。由于該煤層具有良好的生氣、儲氣、蓋層條件[1]，致使煤層含氣量高、礦井瓦斯涌出量大且具有煤與瓦斯突出危險性，極大威脅著礦井的安全高效生產[2]。為解決礦井瓦斯難題和高效利用煤層氣資源，在其井田范圍內開展了地面煤層氣抽采工程，并獲得了部分煤層氣儲層物性參數測定資料。煤層氣儲層物性參數是井上下瓦斯抽采技術研究的關鍵內容，影響著井上下瓦斯抽采的成效[3-4]，當前長平井田尚未開展該方面的研究工作。為此，本文基于長平井田3號煤層氣儲層物性參數，采用煤層氣地質理論和數理統計分析方法等，系統開展了煤層氣儲層物性特征研究。研究成果以期對礦井瓦斯防治提供技術支撐。

2 研究區3號煤層氣儲層物性及特征

2.1 煤層及煤巖特征

2.2.1 煤層發育特征

長平井田3號煤層屬于山西組含煤地層，位于該組下部，上距下石盒子組標志層K8砂巖30.30～46.07 m；下距山西組標志層K7砂巖5.63～11.81 m，平均8.97 m。據勘探、采礦和煤層氣鉆井揭露資料顯示，井田內3號煤層屬于全井田穩定賦存可采煤層，厚度一般為3.17～6.37 m，平均5.53 m，按照“生產礦井煤炭資源回采率暫行管理辦法”，3號煤層屬于中厚-厚煤層。煤層結構相對簡單，含0～2層炭質泥巖、泥巖夾矸。頂板巖性主要是砂質泥巖、泥巖，次為粉砂巖及局部少量中、細粒砂巖或粉砂巖。底板巖性主要為砂質泥巖、黑色泥巖、粉砂巖?？梢?，長平井田3號煤層賦存穩定且含煤性較好，為井田煤炭開采和煤層氣開發提供了良好對象。

2.1.2 煤巖特征

1) 宏觀煤巖特征。長平井田3號煤層新鮮煤體呈黑色，條痕為黑色，參差狀、貝殼狀斷口，金剛、玻璃光澤，煤變質程度較高(R0,max=2.449%～3.04%，平均2.777%)、內生裂隙較發育。宏觀煤巖類型主要為光亮-半光亮型，宏觀煤巖組分以亮煤為主，次為暗煤，煤中可見夾鏡煤條帶。細-中條帶狀結構，層狀構造。

2) 顯微煤巖特征。長平井田3號煤層的顯微組分由有機顯微組分和無機顯微組分組成，有機顯微組分在顯微組分中占絕對優勢，無機顯微組分少量。其中，有機顯微組分以基質鏡質體為主，均質鏡質體次之，有部分碎屑體；絲質組多為氧化絲質體，火焚絲質體少見。有少量的粗粒體和碎屑體，組分界線不清。鏡質組含量變化在75.3%～93.1%之間，平均87.2%，惰質組含量6.9%～24.7%，平均12.8%。無機顯微組分主要為黏土類礦物，少量碳酸鹽類。黏土類礦物含量一般為1.7%～7.9%之間，平均5.8%，呈分散狀和浸染狀分布，部分充填狀，少見脈狀方解石。

2.2 煤層氣含量

煤層氣是賦存于煤層中的氣態地質體，其形成貫穿于整個煤化過程。為了定量表征煤層中賦存的煤層氣量多少，常用單位質量的煤炭中含有的煤層氣賦存量表示，單位有m3/t或mL/g。煤層氣含量是煤層氣開發儲層評價及優選、開發潛力、煤層氣儲量計算及礦井瓦斯涌出量估算的一項關鍵技術參數[5-6]。長平井田在地面煤層氣井抽采3號煤層氣過程中，利用鉆井取芯和采用解吸法對煤層氣含量進行了測定，得到了一批3號煤層氣含量測試參數。井田內3號煤層氣含量為4.13～18.85 m3/t，平均10.64 m3/t(表1)?？梢姡芯繀^3號煤層氣含量整體較高，受煤層氣地質條件(煤層氣生氣、儲氣和蓋層條件)差異性影響煤層氣賦存具有一定差異，兩極值差異顯著。井田內高煤層氣含量，可為煤層氣地面開發或抽采提供充裕的氣源保障，但加大了礦井瓦斯防治難度和成本。

表1 長平井田3號煤層含氣量測定結果

2.3 煤層孔滲性

2.3.1 煤的孔隙度

煤的孔隙度系指煤中能有效儲集煤層氣的那一部分孔隙體積(即“有效體積”)與測試煤樣總體積之比值，單位為“%”。理論和實踐表明，煤的孔隙度特征對煤層氣吸附-解吸、煤層滲透率及煤層氣井產能具有重要影響，是煤層氣地質理論研究的一項重要技術參數[7-9]。煤的孔隙度發育特征與煤的變質程度、煤中水分含量、煤巖特征及煤中孔裂隙連通性密切相關[10]，在長期的煤田勘探、煤層氣勘探開發過程中形成了諸如密度法、壓汞法、地震屬性預測法、脈沖法等多種煤的孔隙度測試方法。為獲得長平井田3號煤的孔隙度參數，為井上下煤層氣抽采提供技術參數，通過井下采集3號煤層新鮮大塊煤樣，采用PoroPDP-200 全自動覆壓孔滲儀(脈沖法)對井田內3號煤的孔隙度進行了測定。結果顯示，長平井田3號煤的孔隙度普遍較低，其值一般為4.052%～6.73%，平均5.24%(表2)，為典型的低孔煤儲層[11]。

表2 長平井田3號煤層孔隙度測定結果

2.3.2 煤層滲透性

煤層滲透性系指煤層氣在一定壓差條件下，煤層允許其通過的性質(即煤層傳到煤層氣的能力)，為了定量描述和表征煤層滲透性，煤層氣開發過程中引入“滲透率”概念，煤層氣和地下水同屬于流體且共存于煤層中，顯示中煤層滲透率系指有效滲透率。煤層滲透性優劣(或滲透率高低)影響著煤層氣的開發潛力、可開發性和儲層改造工藝的選擇等[12]。長平井田3號煤層整體破壞相對嚴重，未見原生結構煤，煤體結構類型為碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤。碎粒煤和糜棱煤發育地帶煤中裂隙破壞變形以至消失，碎裂煤中的裂隙結構及構造保存相對完整。采用PoroPDP-200 全自動覆壓孔滲儀(脈沖法)和煤層氣注入/壓降試井法對長平井田3號煤層滲透率進行了測定(表3)，因井田內3號煤層破壞嚴重，煤層滲透性差、滲透率普遍較低，滲透率為0.021 397 4～0.23 mD，平均0.099 031 mD，為典型的低滲煤儲層[13]。煤層的低滲特征，表明煤層氣滲流的“通道”通暢性差，煤層氣產出困難，不利于煤層氣井高產。

2.4 煤儲層壓力

煤層氣屬于流體范疇，煤微孔隙中的煤層氣受到一定壓力作用而主要以吸附態賦存，這種壓力謂之煤儲層壓力。理論和實踐表明，煤儲層壓力值高低對煤層氣井產能和采收率具有重要影響，亦反映了含煤地層的能力大小[14]。為了定量表征不同埋深下煤儲層壓力，豐富煤層氣開發理論，引入了煤儲層壓力梯度概念，系指單位埋深內煤儲層壓力的增量值，單位為MPa/100 m或kPa/m。在長期的煤層氣開發中，學者們依據煤儲層壓力大小和對煤層氣井產能貢獻程度將其劃分為超(高)壓煤儲層(煤儲層壓力梯度大于1.0 MPa/100 m或10 kPa/m)、正常壓力煤儲層(煤儲層壓力梯度一般為0.95～1.0 MPa/100 m或9.5～10 kPa/m)及低(欠)壓煤儲層(煤儲層壓力梯度小于0.95 MPa/100 m或9.5 kPa/m)三種類型[15]。煤儲層壓力梯度值越高，煤系地層能量越強，越有利于煤層氣高效產出、煤層氣井高產和提高煤層氣采收，反之亦然[14]。

表3 長平井田3號煤層滲透率測定結果

長平井田在地面煤層氣抽采過程中，采用試井法對井田內3號煤儲層壓力進行了測定，測定過程參照“煤層氣井注入/壓降試井方法(GB/T 24504-2009)”執行。據測定資料顯示(表4)，在3號煤層埋深457.6～531.38 m測定范圍內，煤儲層壓力一般為2.95～3.37 MPa，平均3.22 MPa；煤儲層壓力梯度值一般為5.58～7.28 kPa/m，平均6.4 kPa/m。由上述可知，長平井田3號煤儲層壓力屬于低(欠)壓煤儲層且普遍較低[15]，顯示了井田3號煤儲層的地層能量較弱，不利于煤層氣高效開發。

表4 長平井田3號煤儲層壓力及壓力梯度值測定結果

2.5 煤層氣吸附特性

煤層中煤層氣的賦存狀態有游離態、溶解態和吸附態等三種類型，并以吸附態為主賦存于煤基質的微孔隙中[16]。煤層氣在煤基質孔隙中的吸附特性對煤層的含氣性(煤層氣含量、含氣飽和度及資源豐度)、煤層氣產能及采收率等具有控制作用[17]，基于等溫吸附試驗曲線和參數，可以實現煤層儲氣能力的評價和采收率的估算等。有關煤層氣吸附方面的研究甚多，多采用Langmuir(朗格繆爾)單分子吸附模型來描述和表征煤層氣的吸附過程[18]，其表達式如下：

(1)

式中：V為吸附壓力下的吸附量，cm3/g；P為吸附壓力，MPa；VL為Langmuir體積(極限吸附量)，cm3/g；PL為Langmuir壓力，MPa。

據長平井田3號煤的等溫吸附試驗資料可知(表5)：在Langmuir壓力(PL)為1.60～1.77 MPa，平均1.69 MPa條件下，空氣干燥基Langmuir體積(VL)為30.69～32.84 m3/t；干燥無灰基Langmuir體積(VL)為35.24～36.42 m3/t，平均35.83 m3/t。由上述可知，長平井田3號煤在試驗壓力下，空氣干燥基和干燥無灰基的極限吸附量均較高，顯示了煤層具有很強的吸附能力和儲存煤層氣的空間[19]。

表5 長平井田3號煤等溫吸附試驗結果

3結 語

1) 煤層氣儲層物性及特征是煤層氣地質理論最為重要的基礎研究內容，是煤層氣儲層評價及優選、開發工藝選擇、產能效果及評價的關鍵參數，其研究對提高井上下瓦斯抽采成效具有重要意義。

2) 長平井田3號煤層具有較好的含煤性(為中-厚煤層)和含氣性(煤層氣含量高)，可為煤層氣開發提供良好的有利層位和氣源保障。

3) 長平井田3號煤層總體破壞嚴重，構造煤相對發育，孔裂隙系統在一定程度上遭受破壞，煤層孔隙度低、滲透性差；3號煤層的地層能量弱，為低(欠)壓煤儲層；3號煤層吸附甲烷能力強、吸附量大，具有良好的儲集煤層氣能力和空間。