王德利 李鳳義 楊曙光

(新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心，新疆 830091)

準(zhǔn)南煤田煤儲(chǔ)層和圍巖對(duì)煤層氣聚集的影響分析

王德利 李鳳義 楊曙光

(新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心，新疆 830091)

準(zhǔn)南煤田煤層氣資源量豐富且賦存條件較好，具有重大的研究意義。本文通過(guò)煤層氣參數(shù)井及部分煤礦井的采樣測(cè)試數(shù)據(jù)，從煤體結(jié)構(gòu)、煤層裂隙、滲透性、儲(chǔ)層壓力等方面分析了煤儲(chǔ)層特征。在總結(jié)準(zhǔn)南煤田煤儲(chǔ)層及圍巖特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了煤儲(chǔ)層及其圍巖對(duì)煤層氣聚集的影響，為今后的煤層氣開(kāi)發(fā)工作提供依據(jù)。

準(zhǔn)南煤田 煤儲(chǔ)層 圍巖 煤層氣 影響分析

本文研究區(qū)東起吉木薩爾的水西溝，西到烏蘇四棵樹(shù)，東西長(zhǎng)約450km，大地構(gòu)造位于天山-興蒙褶皺系一級(jí)構(gòu)造單元下的二級(jí)構(gòu)造單元天山褶皺帶北部，含煤時(shí)代為下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組。研究區(qū)總的煤層氣資源量是3618.68×108m3，其中 1000m以淺的資源量為 1651.97×108m3;1500m以淺的資源量2942.98×108m3。煤層氣資源豐度在0.4180×108m3/km2～11.6694×108m3/km2之間，平均1.1626 ×108m3/km2。

1 煤儲(chǔ)層特征

1.1煤體結(jié)構(gòu)特征

在原地氣含量達(dá)到臨界可采界限時(shí)，有無(wú)高的回采率關(guān)鍵取決于煤層的滲透率。因此，煤體結(jié)構(gòu)對(duì)于煤儲(chǔ)層滲透性和煤層壓裂完井作業(yè)效果有重要影響，研究表明原生結(jié)構(gòu)煤層對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)比較有利。

圖1 準(zhǔn)南煤田煤層氣勘查程度圖

在本研究區(qū)，霍爾果斯河-三屯河區(qū)段的呼圖壁礦區(qū)以原生結(jié)構(gòu)煤層為主，三屯河-烏魯木齊河區(qū)段的硫磺溝煤礦為原生結(jié)構(gòu)煤層，烏魯木齊河-四工河區(qū)段的六道灣煤礦為碎裂結(jié)構(gòu)-糜棱結(jié)構(gòu)，大黃山煤礦區(qū)以碎裂結(jié)構(gòu)-糜棱結(jié)構(gòu)煤層為主，后峽煤礦區(qū)的四井田煤礦為碎裂結(jié)構(gòu)煤層，后峽煤礦區(qū)的二井田煤礦為原生結(jié)構(gòu)。

1.2 宏觀裂隙特征

為研究本區(qū)域煤儲(chǔ)層的宏觀裂隙特征，對(duì)采集的樣品，進(jìn)行宏觀裂隙觀測(cè)，確定裂隙的幾何形態(tài)參數(shù)。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤中裂隙觀測(cè)結(jié)果表

由表1數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)煤層裂隙相對(duì)發(fā)育，在裂隙橫向上延伸遠(yuǎn)，縱向上切穿煤層高度大。一般都有兩組相互垂直或近似于垂直的裂隙發(fā)育，長(zhǎng)度可達(dá)幾十厘米或幾米，高度也可達(dá)到十厘米或幾十厘米。部分構(gòu)造煤為碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，裂隙未被礦物質(zhì)充填，是開(kāi)放性裂隙，增加了煤層的滲透性，如大浦溝煤礦，煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂結(jié)構(gòu)，構(gòu)造斷裂發(fā)育，正斷層比比皆是;另一部分受強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓，地層發(fā)生褶皺，煤層成陡立狀，嚴(yán)重揉皺為糜棱結(jié)構(gòu)，如大黃山煤礦。同時(shí)，可見(jiàn)八道灣組煤層裂隙比西山窯組煤層裂隙發(fā)育，長(zhǎng)度和高度大，頻率高。

1.3 煤的滲透性

為研究本地區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性情況，在烏魯木齊河?xùn)|烏參1井、阜康白楊河阜參1井、阜康建新煤礦阜參2-3井均進(jìn)行了試井，對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 各參數(shù)井測(cè)試煤層滲透率一覽表

從表2測(cè)試結(jié)果來(lái)看，除了阜康建新煤礦測(cè)試的煤層滲透率較低以外，其它地區(qū)煤層的滲透率均較高，最高達(dá)到13.48mD，對(duì)煤層氣的開(kāi)采十分有利。按煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)屬低-中滲儲(chǔ)層;具(微)裂縫者可達(dá)高滲儲(chǔ)層級(jí)別。研究表明其變化與層位、孔隙度和巖石密度似無(wú)直接線性關(guān)系，而與煤巖類型有關(guān)。初步分析，暗淡煤的滲透率最低，由半暗煤-半亮煤-光亮煤，其滲透率有增高趨勢(shì)。

1.4 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力對(duì)煤層氣含量、氣體賦存狀態(tài)起著重要作用。同時(shí)，儲(chǔ)層壓力也是水和氣體從煤中裂隙流向井筒的能量，當(dāng)降低煤儲(chǔ)層壓力，煤孔隙中吸附的氣體開(kāi)始解吸，向裂隙方向擴(kuò)散，在壓力差作用下從裂隙向井筒流動(dòng)。現(xiàn)實(shí)中一般用壓力梯度去衡量?jī)?chǔ)層壓力的大小，將儲(chǔ)層壓力劃分為三種類型 (見(jiàn)表3)。

表3 儲(chǔ)層壓力類型劃分方案

在烏魯木齊河?xùn)|烏參1井、阜康白楊河阜參1井、阜康建新煤礦阜參2-3井均進(jìn)行了試井，對(duì)滲透率、儲(chǔ)層壓力等進(jìn)行了測(cè)試，得到數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 各參數(shù)井測(cè)試煤層儲(chǔ)層壓力一覽表

烏魯木齊河?xùn)|地區(qū)屬于低壓和正常壓力儲(chǔ)層;阜康大黃山礦區(qū)基本屬于正常壓力儲(chǔ)層;阜康建新煤礦屬于低壓儲(chǔ)層。

1.5 煤儲(chǔ)層含氣量

1.5.1 氣含量的平面分布特征

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)氣含量從2～15cm3/g均有分布，氣體含量較大的地區(qū)阜康大黃山和烏魯木齊礦區(qū)最高氣含量均達(dá)到15cm3/g左右。阜康大黃山為侏羅系下統(tǒng)八道灣組地層，烏魯木齊礦區(qū)則為侏羅系中統(tǒng)西山窯組地層。

準(zhǔn)南煤田煤層氣含量總體表現(xiàn)為東部和中部高，向西部逐漸變小的趨勢(shì)。西部的石河子到烏蘇四棵樹(shù)地區(qū)，由于煤層變薄，構(gòu)造復(fù)雜，煤層氣開(kāi)采價(jià)值不大。

1.5.2 氣含量及氣成分的垂向分布特征

垂向上，氣含量與深度呈正相關(guān)關(guān)系，一般隨埋深增大氣含量逐漸增加，說(shuō)明淺部煤層氣保存條件差，煤層氣含量低，深部地區(qū)煤層氣保存條件好，煤層氣含量高;而氣成分與埋深的關(guān)系總體來(lái)說(shuō)似乎不明顯，但烏參1井測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，氣體成分 (甲烷含量)與深度具有較好的相關(guān)性 (圖2)。

圖2 烏參1井甲烷含量平均值與深度的關(guān)系曲線

2 煤儲(chǔ)層特征對(duì)煤層氣聚集的影響

本區(qū)煤儲(chǔ)層相對(duì)很厚，對(duì)煤層氣的封閉極為有利。例如硫磺溝區(qū)西山窯組厚度大于10m的煤層有3層，八道灣組厚度大于10m的煤層有1層;烏魯木齊河?xùn)|區(qū)西山窯組厚度大于8m的煤層有8層，厚度大于20m的有5層，八道灣組厚度大于10m的煤層有4層。這些巨厚煤層生成的氣體賦存在煤的孔隙表面，一般情況下不易發(fā)生運(yùn)移，構(gòu)成了煤層氣保存的有利場(chǎng)所。

據(jù)傅雪海 (2001)研究，煤儲(chǔ)層中微裂隙與煤巖類型關(guān)系密切，從光亮煤-半亮煤-半暗煤-暗淡煤，微裂隙發(fā)育程度逐漸減弱。本區(qū)煤層主要為光亮煤和半亮煤，煤儲(chǔ)層中的微裂隙發(fā)育程度較高。

根據(jù)本區(qū)煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育情況和傅雪海(2001)研究成果，屬于矩形網(wǎng)狀形態(tài)，裂隙彼此近于直交，連通性較好，因而具有較高的滲透性，滲透率的方向性中等。

以上諸因素，決定了本區(qū)煤的滲透性能好，為本區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)奠定了良好的儲(chǔ)層條件。

3 煤層頂?shù)装逄卣?/h2>

本文在搜集大量準(zhǔn)南煤田地勘期間鉆孔資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)出本區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性組合多為以下幾種:細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖等。為了闡明煤層氣的保存條件，本次按照巖性粒度大小及其對(duì)氣體的封閉能力，把煤層頂?shù)装鍘r性組合劃歸為兩類:即粗碎屑巖、細(xì)碎屑巖。礫巖及粗砂巖、中砂巖歸類到粗碎屑巖，粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖及其互層歸類為細(xì)碎屑巖。根據(jù)這一歸類對(duì)主要煤層的頂?shù)装鍘r性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3 各區(qū)煤層頂板巖性比例示意圖

圖4 各區(qū)煤層底板巖性比例示意圖

研究區(qū)頂?shù)装寮?xì)碎屑巖均占60%以上，吉木薩爾水西溝最高達(dá)91%;底板細(xì)碎屑巖均占70%以上，烏魯木齊河-四工河最高達(dá)到100%，從以上結(jié)果可以看出，各區(qū)煤層頂板和底板巖性均以細(xì)碎屑巖為主。

4 圍巖對(duì)煤層氣聚集的影響

4.1 頂板巖性對(duì)煤層氣保存的影響

煤儲(chǔ)層頂板對(duì)煤層氣的封閉作用有三種機(jī)制:毛細(xì)管封閉、壓力封閉和濃度封閉。毛細(xì)管封閉和壓力封閉可以阻止氣體運(yùn)移;濃度封閉主要阻止氣體的擴(kuò)散。蓋層毛細(xì)管封閉能力的大小主要表現(xiàn)為排驅(qū)壓力，而烴濃度封閉能力與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系密切。處于飽和或過(guò)飽和狀態(tài)的煤層，如果缺乏良好的蓋層，其中的游離氣就會(huì)逸散，游離氣散失導(dǎo)致壓力降低，吸附氣也會(huì)因濃度差從孔隙表面發(fā)生解吸，流入裂隙系統(tǒng)成為游離氣而散失，使得煤層成為欠飽和煤層。所以，煤層氣要很好的保存，圍巖的封閉作用不可或缺。

煤層本身既是生氣層又是儲(chǔ)集層，造成氣體濃度差異的機(jī)遇很少存在，煤層特殊的雙孔隙結(jié)構(gòu)，微孔隙發(fā)育，主要表現(xiàn)為毛細(xì)管力，蓋層的毛細(xì)管力阻止氣體的逸散。毛細(xì)管力的大小取決于毛細(xì)管半徑大小及其分布，蓋層巖石的巖性、粒度以及致密程度控制著毛細(xì)管大小。由上文分析可知，研究區(qū)煤層頂板和底板巖性均以細(xì)碎屑巖為主，均屬于低滲透型隔擋層，透氣性差，有利于煤層氣的保存。

圍巖封閉能力不僅在于粒度，圍巖厚度也是很重要的。細(xì)粒致密的巖性和一定厚度的配合，大面積的穩(wěn)定分布是煤層氣保存的最佳條件。

4.2 煤系地層的封閉影響

煤層氣以吸附狀態(tài)賦存在煤孔隙中，吸附量一般達(dá)到90%～95%以上，處于游離態(tài)和溶解在水中的氣是很少的。吸附狀態(tài)的氣體如果沒(méi)有外界壓力降的作用不容易散失，煤系地層的壓力，維系著煤中氣體解吸-吸附的動(dòng)態(tài)平衡，阻止氣體逸散。

煤層氣儲(chǔ)層封蓋層的性能也與厚度有關(guān)，煤層的偽頂厚度小，其巖性對(duì)煤層氣的保存影響很小。研究區(qū)侏羅紀(jì)含煤地層一般可達(dá)2500m左右，硫磺溝區(qū)、烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)含煤地層厚度由東向西逐漸增大，沉積環(huán)境由沖積相向河流相、湖泊相過(guò)渡，沉積粒度由西向東由粗變細(xì)。

垂向上，八道灣組含煤地層一般厚800余m，粗碎屑巖占53.6%，集中分布在該組下部，細(xì)碎屑巖46.1%，發(fā)育在上部;三工河組厚580m，粗碎屑巖占48.6%，細(xì)碎屑巖占51.4%，下部粒度粗上部粒度細(xì);西山窯組含煤地層厚900余m，粗碎屑巖占35.6%，細(xì)碎屑巖占57.3%。這一巖性變化趨勢(shì)與上節(jié)煤層頂?shù)装鍘r性統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的，西山窯組位于煤系上部，細(xì)碎屑巖比例高，封閉性最好。

垂向上的沉積巖性變化說(shuō)明，3個(gè)煤系地層組為3個(gè)由粗到細(xì)的水進(jìn)序列沉積，八道灣組的扇三角洲和西山窯組的湖泊三角洲沉積體系，水域比較穩(wěn)定，水體動(dòng)能小，構(gòu)成了較厚的細(xì)碎屑巖含煤地層，對(duì)煤層氣的封堵起了重要作用。

總體上，研究區(qū)煤層多、煤層厚度大，目標(biāo)煤層頂?shù)装鍘r性和煤系地層的厚度和巖性均以細(xì)碎屑巖為主，有利于本區(qū)煤層氣的保存。

5 結(jié)論

本區(qū)煤儲(chǔ)層相對(duì)很厚，煤層層數(shù)多，在垂向上構(gòu)成多層封堵，減少和延緩了氣體的散失，對(duì)煤層氣的封閉極為有利。另外，本區(qū)煤變質(zhì)程度低，煤孔隙度高，處于低生多儲(chǔ)類型。煤的氣含量低、孔隙度高，吸附能力相對(duì)強(qiáng)，煤層生成的氣體被就地保存在煤的孔隙中。

煤儲(chǔ)層頂?shù)装鍘r性多為細(xì)碎屑巖，可以占到60%以上;煤系地層中，八道灣組地層巖性粗碎屑巖稍占優(yōu)勢(shì)，中上部的三工河組和西山窯組地層，巖性以細(xì)碎屑巖為主，圍巖的巖性及厚度對(duì)煤層氣的保存很有利。

煤層孔隙度高達(dá)10%左右，壓汞試驗(yàn)煤的比表面積和孔容比等變質(zhì)其它地區(qū)煤層的大，孔隙結(jié)構(gòu)以裂隙-孔隙型為主，微孔可占50%以上;裂隙發(fā)育，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤層滲透率高，在儲(chǔ)層壓力條件下 (4MPa)，可達(dá)1.33mD～70.8mD;這對(duì)于煤層氣開(kāi)采非常有利。

［1］新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)報(bào)告 ［R］.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心.2009.

［2］楊曙光，田繼軍;準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層特征 ［J］.中國(guó)煤層氣.2011，8(2):20-23.

［3］王俊民;準(zhǔn)噶爾含煤盆地構(gòu)造演化與聚煤作用［J］.新疆地質(zhì).1998，12(1):25-30.

［4］蔚遠(yuǎn)江;準(zhǔn)噶爾盆地低煤級(jí)煤儲(chǔ)層及煤層氣成藏初步研究 ［D］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位論文.2002.

［5］李瑞明;新疆準(zhǔn)南煤田烏魯木齊礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層特征 ［J］.中國(guó)西部科技.2009，8(16):1-3.

［6］張國(guó)慶;準(zhǔn)南煤田煤層氣資源開(kāi)發(fā)前景 ［J］.中國(guó)煤田地質(zhì).2001，13(2):34-35.

The Influence Analysis of Coal Reservoir and Surrounding Rock on CBM Accumulation in Zhunnan Coalfield

Wang Deli，Li Fengyi，Yang Shuguang
(CBM R＆D Center of Xinjiang Coal?Geological Bureau，Xinjiang 830091)

Zhunnan coalfield has rich CBM resources with good occurrence condition，which is of great research significance.The paper analyze features of the coal reservoir form the aspects of coal structure，fractures in the coal seams，permeability，storage pressure，etc.through the data of test samples from the CBM parameter wells and parts of the coal mines.Based on the features summary of the coal reservoir and surrounding rock in Zhunnan coalfield，it analyzes the influence of the coal reservoir and surrounding rock on CBM accumulation，which will be provided as a reference for CBM development in the future.

Zhunnan coalfield;coal reservoir;surrounding rock;CBM;influence analysis

王德利，男，地質(zhì)工程師，工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)于新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開(kāi)發(fā)中心從事煤及煤層氣地質(zhì)相關(guān)工作。

(責(zé)任編輯 桑逢云)