海孜煤礦深部勘查區(qū)中組煤層氣儲(chǔ)層物性特征分析

孫林 郭鴻

摘 要：【目的】煤層氣儲(chǔ)層的物性特征是進(jìn)行煤層氣開發(fā)研究的關(guān)鍵因子。【方法】重點(diǎn)對(duì)海孜煤礦深部勘探區(qū)域中組煤儲(chǔ)層的物性參數(shù)進(jìn)行調(diào)查，以對(duì)井田內(nèi)中組煤儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行研究。【結(jié)果】研究表明，煤層的物性特征適宜開采，其中有機(jī)顯微組分占優(yōu)，無機(jī)顯微組分次之。該煤層含氣量多，雖然煤層滲透率相對(duì)較小，但符合煤層氣開采條件。煤層開采時(shí)的吸附作用一般，但有利于煤層氣儲(chǔ)集和縮短煤層氣的開發(fā)周期。【結(jié)論】研究結(jié)果可為該研究區(qū)煤層氣抽采提供可靠的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：海孜煤礦深部勘查區(qū)；中組煤；煤層氣儲(chǔ)層物性特征

中圖分類號(hào)：TD712.6；TE37；P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）05-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.008

Analysis of Physical Characteristics of Coal-Bed Methane Reservoirs in the Middle Group in the Deep Exploration Area of Haizi Coal Mine

SUN Lin GUO Hong

（The Third Exploration Team of Anhui Coalfield Geological Bureau， Suzhou 234000， China）

Abstract： [Purposes] The physical characteristics of CBM reservoirs are key factors in conducting CBM development studies. [Methods] The study focuses on the investigation of the physical parameters of the Middle Group coal reservoirs in the deep exploration area of the Haizi coal mine and investigates the physical characteristics of the Middle Group coal reservoirs in the well field. [Findings] Research showsthe physical properties of the coal seam are suitable for mining， with the organic microfractions predominant and the inorganic microfractions second. The coal seam contains a lot of gas and although the permeability of the seam is relatively small， it meets the conditions for CBM mining. The adsorption of the coal seam during mining is average， but it facilitates CBM storage and reduces the CBM development cycle. [Conclusions] The results of the study can provide reliable technical parameters for the extraction of CBM in this study area.

Keywords： deep exploration area of Haizi coal mine； middle group coal； physical characteristics of coal bed methane reservoirs

0 引言

煤層氣作為我國(guó)重要的礦產(chǎn)資源［1］，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。其可開采量較豐富，其中1 500～3 000 m埋深的煤層氣地質(zhì)資源量約為30.37×1012 m3，是1 500 m以上淺煤層氣資源量的兩倍［2］。煤層氣的開采受眾多地質(zhì)因素影響，因此，對(duì)煤層氣儲(chǔ)層開展物性特征研究是煤層氣高效開發(fā)的先決條件［3］。本研究通過對(duì)海孜煤礦深部勘查區(qū)的物性特征進(jìn)行研究，為煤層氣開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

海孜煤礦深部勘查范圍地處淮北煤田的中部，位于安徽省濉溪縣境內(nèi)，如圖1所示。地質(zhì)坐標(biāo)范圍是東經(jīng)116°35′20″—116°40′28″、北緯33°41′05″—33°43′22″，勘查區(qū)域面積約為27.73 km2。區(qū)域內(nèi)的基本構(gòu)造類型基本上為一個(gè)東西走向、向北傾斜的單斜構(gòu)造，是從海孜礦井區(qū)向深部的自然延伸地帶。但局部也有較小的起伏，且地層結(jié)構(gòu)斜度也比較平均，通常為10°～20°；區(qū)內(nèi)有構(gòu)造斷面20個(gè)，其構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。斷層走向通常以北東向與中東西向?yàn)橹鳎呦蜷g隔一般較長(zhǎng)。由于相對(duì)強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，從而導(dǎo)致煤層、煤質(zhì)受到了相當(dāng)程度的破壞。

海孜煤礦深部勘查范圍主要包括二疊系下統(tǒng)的山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，大致涵蓋了1～11個(gè)煤層（組），其中又以3、4、7、8、9、10為可采煤層，其厚度約為10.08 m。其中，1～3號(hào)煤層發(fā)育于上石盒子組，4～9號(hào)煤層發(fā)育于下石盒子組，10、11煤層群發(fā)育于山西組。3煤層為部分可采煤層，4～10為發(fā)育較均勻穩(wěn)定的區(qū)域［4］。中組煤系指下石盒子組下部7、8、9煤層，煤層平均厚度為1.88～2.65 m，均屬于中厚煤層，具體情況見表1。由于中組煤成煤時(shí)間較早、埋藏密閉條件較好，所以煤層含氣量較大。為此，根據(jù)海孜煤礦深部勘查區(qū)中組煤儲(chǔ)層的物性參數(shù)，分析區(qū)內(nèi)中組煤儲(chǔ)層的物性特征。

2 中組煤物性特征

2.1 煤層及煤巖特征

海孜煤礦深部勘查區(qū)中組煤屬下石盒子組含煤地層，位于該組下部，上距上石盒子組底部標(biāo)志層K3砂巖153.2～355.5 m；下距下石盒子組底部標(biāo)志層K2鋁質(zhì)泥巖5.9～33.9 m，平均17.1 m。據(jù)勘探及發(fā)掘資料證實(shí)：7、8煤層開采區(qū)大部分為可開采較穩(wěn)定煤層，9煤層開發(fā)全區(qū)主要為可開采較穩(wěn)定煤層，厚度一般為1.88～2.65 m，即上中組煤層均屬中厚煤層。其含有0～2個(gè)夾矸，夾矸主要是炭質(zhì)泥巖和泥質(zhì)巖，構(gòu)造類型比較簡(jiǎn)單。煤層頂板主要由泥巖組成，粉砂巖次之，少許小砂巖和中砂巖。而煤層底板則主要由泥巖組成。由此可見，本區(qū)中組煤屬較穩(wěn)定煤層，含煤性較好，為煤層氣開發(fā)和煤炭開采提供了條件。

中分組煤層的色澤一般呈棕黑或黑色，條痕呈灰黑色，有玻璃光澤，內(nèi)生裂隙多，斷口階梯狀或參差狀，條帶結(jié)構(gòu)，性脆易碎，在鏡質(zhì)中的最大反照率變化程度通常為1.33%～1.57%，屬中煤級(jí)煤，即煤變質(zhì)程度高。宏觀煤巖組成上則以亮煤為主，其次為暗煤。

中組煤具有有機(jī)顯微組分較多而無機(jī)顯微組分較少的特點(diǎn)。其中，無機(jī)顯微組分大多為黏土類礦物，還有少量碳酸鹽類和硫化物。鏡質(zhì)組含量平均值為80.33%，惰質(zhì)組含量平均值為18.85%，不含殼質(zhì)組。

2.2 煤層氣吸附性

科學(xué)研究已經(jīng)證明，煤炭可以對(duì)甲烷吸附物產(chǎn)生很大的吸附力。而影響煤炭吸附能力的因素主要包括煤巖成分、變質(zhì)程度、孔隙類型、儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層溫度及含水程度等［5］。煤層的等溫吸收曲線表示在煤儲(chǔ)層溫度、不同壓強(qiáng)下煤層存儲(chǔ)甲烷的能力。所以，煤層開采對(duì)甲烷的吸收能力，決定著煤層氣在煤儲(chǔ)層內(nèi)的賦存能力、儲(chǔ)集能力及煤層氣生產(chǎn)活動(dòng)。目前，大多采用蘭格繆爾（Langmuir）單分子吸收模型來研究煤層氣的吸附過程，其表達(dá)式見式（1）。

[V=VLPPL+P] （1）

式中：V為吸附壓力下的吸附量，cm3/g；P為吸附壓力，MPa；VL為蘭格繆爾體積（極限吸附量），cm3/g；PL為蘭格繆爾壓力，MPa。

中組煤層的等溫吸收曲線如圖2所示，等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果見表2。在蘭格繆爾壓力（PL）為1.92～2.16 MPa、平均值為2.06 MPa的條件下，空氣干燥基蘭格繆爾容積VL為13.85～15.13 m3/t；干燥無灰基蘭格繆爾容積VL為16.67～17.86 m3/t，平均值為17.23 m3/t，說明該區(qū)中組煤層在試驗(yàn)壓力下，煤層的吸附能力中等。

2.3 煤層氣含量

煤層氣含量，是指在一定情況下單位質(zhì)量煤體中所包含的氣含量，單位為m3/t或mL/g。煤層氣含量是煤層氣開采的儲(chǔ)層描述以及發(fā)展?jié)摿Α⒚簩託鈨?chǔ)量預(yù)測(cè)和對(duì)煤礦瓦斯涌出總量進(jìn)行預(yù)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。該區(qū)域1#參數(shù)井采用鉆井取芯、現(xiàn)場(chǎng)解吸法對(duì)中組煤層氣含量進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可知，該區(qū)域中組煤層氣含量為5.57～8.23 m3/t，平均為6.08～8.23 m3/t。由此可見，該區(qū)域中組煤層氣含量中等，局部氣含量較高，這無疑會(huì)增加未來礦井瓦斯防治工作的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)成本。

2.4 煤層滲透性

煤層滲透性通常采用煤層滲透率表示。煤層滲透率是煤儲(chǔ)層研究的一個(gè)最主要的因素，通常所指的煤儲(chǔ)層滲透率，實(shí)質(zhì)上是指在煤層氣或礦產(chǎn)資源開采背景下，對(duì)煤層內(nèi)裂隙系統(tǒng)所表現(xiàn)的流體流動(dòng)能力的專業(yè)量化評(píng)估。煤層滲透率的高低，直接決定著煤層氣的運(yùn)移能力［6］。根據(jù)1#參數(shù)井及其他勘查鉆孔觀測(cè)結(jié)果，中組煤呈粉狀、碎塊狀，少量呈餅狀、塊狀及碎粒狀，發(fā)育大量構(gòu)造滑面。煤體極疏松，手捻成粉狀，層理消失，煤巖成分及裂隙無法觀測(cè)。該區(qū)域以糜棱結(jié)構(gòu)煤為主，其次為碎裂結(jié)構(gòu)煤，煤體結(jié)構(gòu)較差。1#參數(shù)井用煤層氣注入/壓降試井法測(cè)定中組煤儲(chǔ)層的滲透率，此方法測(cè)試結(jié)果為0.013 mD，屬于典型的中低滲煤儲(chǔ)層，具體見表4。研究表明，其煤層氣滲流性差、產(chǎn)出性差，不利于煤層氣抽采。后期抽采應(yīng)通過壓裂技術(shù)改造煤層滲透性，以提高煤層氣的產(chǎn)出性。

2.5 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力直接決定著煤層內(nèi)對(duì)甲烷等吸附類氣體的吸附能力及解吸性能，是影響煤層氣開采的重要參數(shù)［7］。通常采用煤儲(chǔ)層壓力梯度來量化描述不同埋深的煤儲(chǔ)層壓力，煤儲(chǔ)層壓力梯度是同垂深煤貯層壓力的增量。在煤層氣開發(fā)過程中，根據(jù)煤儲(chǔ)層壓力大小將煤儲(chǔ)層劃分為高壓煤儲(chǔ)層、正常壓力煤儲(chǔ)層及低壓儲(chǔ)層等三種類型，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表5。煤儲(chǔ)層壓力梯度值越大，則代表煤系地層產(chǎn)狀壓力也越大，這樣則越有利于煤層氣開采、煤層氣礦井的高產(chǎn)建設(shè)和煤層氣采收，反之則不利于煤層氣的開發(fā)利用。

根據(jù)《煤層氣井注入/壓降試井方法》（GB/T 24504－2009），可采用試井方法測(cè)定中組煤的儲(chǔ)層壓力，由表4中的試驗(yàn)結(jié)果可知，在中組煤平均埋深1 124.14～1 149.94 m的區(qū)域內(nèi)，最大的儲(chǔ)層壓力為9.65 MPa，最大儲(chǔ)層壓力梯度為8.73×10-3 MPa/m，臨界解吸壓為1.29～2.49 MPa，臨儲(chǔ)比為0.13～0.26。由此可見，中組煤屬于低壓煤儲(chǔ)層，不利于煤層氣的高效開發(fā)［8］。

3 結(jié)語(yǔ)

海孜煤礦深部勘查區(qū)中組煤屬中厚煤層，煤層氣含量較大，滲透性差，其吸附甲烷能力中等，吸附量較大，儲(chǔ)氣能力和空間較好，為煤層氣開發(fā)提供了良好的開采條件和氣源保障。中組煤層滲透性差，屬低壓煤儲(chǔ)層，不利于煤層氣的高效開發(fā)，但有利于煤層氣儲(chǔ)集和縮短煤層氣的開發(fā)周期。

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