王劍英

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048012)

煤層氣是一種清潔高效的非常規(guī)天然氣資源，據(jù)新一輪煤層氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)結(jié)果資料，我國(guó)埋深2 000 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量30.05萬(wàn)億m3，可采資源量12.50萬(wàn)億m3，位居世界第三[1]。煤層是煤層氣的源巖和儲(chǔ)層，其物性特征直接影響著煤層氣的可開(kāi)發(fā)性和開(kāi)發(fā)效果，煤層氣儲(chǔ)層物性特征歷來(lái)是煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣泛關(guān)注和熱點(diǎn)研究的內(nèi)容之一[2-4]。

我國(guó)煤礦區(qū)成煤期多，聚煤地域廣闊，成煤環(huán)境多樣，煤的物質(zhì)組成復(fù)雜，多煤階，成煤期后構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，導(dǎo)致我國(guó)煤層氣資源賦存條件復(fù)雜，煤層氣儲(chǔ)層物性差異顯著[5-6]。沁水盆地和鄂爾多斯東緣成熟的煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)難以適應(yīng)其他地區(qū)的煤層氣儲(chǔ)層物性條件，已開(kāi)發(fā)區(qū)域仍存在煤層氣開(kāi)發(fā)效果不理想情況。鑒于不同煤礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層物性條件的顯著差異性，要提高煤層氣開(kāi)發(fā)成效，必須有針對(duì)性、系統(tǒng)研究煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)的煤層氣儲(chǔ)層物性特征。為此，本文基于寺家莊井田煤層氣地質(zhì)、煤層氣勘探開(kāi)發(fā)及相關(guān)煤層氣儲(chǔ)層物性參數(shù)測(cè)試資料等，應(yīng)用煤層氣地質(zhì)理論對(duì)井田內(nèi)8號(hào)煤層氣儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行了研究，研究成果以期為后期煤層氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐和可靠技術(shù)參數(shù)。

1 研究區(qū)基本地質(zhì)特征

寺家莊井田位于沁水盆地東部邊緣的中北部，太行隆起之西翼[7]，行政區(qū)劃隸屬晉中市昔陽(yáng)縣管轄，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°32′09″-113°39′28″，北緯37°30′52″-37°40′19″，井田面積120.252 5 km2。其基本構(gòu)造形態(tài)為傾向SWW的單斜構(gòu)造。在此單斜上又發(fā)育次級(jí)的波狀褶曲，地層傾角一般約為10 °，區(qū)內(nèi)斷層較少，分布集中，次級(jí)褶曲發(fā)育，軸向不一。斷層、褶曲軸向多為NE，少數(shù)為NW，在露頭淺部和北端，陷落柱比較發(fā)育，該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度總體為簡(jiǎn)單-中等類(lèi)。

石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組為井田主要含煤地層，共含煤16層，由上而下編號(hào)為1、2、3、4、5、6、8、9上、9、11、12、13、14、14下、15及16號(hào)。1～6號(hào)煤層屬于山西組，8～16號(hào)煤層屬于太原組。8煤層為局部可采煤層，9號(hào)為大部可采煤層，15號(hào)煤層全區(qū)可采煤層。本文研究的8號(hào)煤層含氣量高，煤層氣資源較好(6.83億m3)，為研究區(qū)煤層氣主力開(kāi)發(fā)煤層之一。

2 煤儲(chǔ)層物性特征

2.1 煤層及煤質(zhì)特征

1) 煤層特征。煤層是煤層氣的生氣層和儲(chǔ)氣層[8]，其厚度大小(或含煤性)、分布特征對(duì)煤層氣井產(chǎn)能、煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)選擇、開(kāi)發(fā)技術(shù)難度、煤層氣資源量等具有重要控制作用[9-11]。通過(guò)對(duì)寺家莊井田煤層氣鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，8號(hào)煤層凈厚度為0.01～5.73 m，平均1.76 m，多數(shù)約在2 m，屬于局部可采的不穩(wěn)定煤層。煤厚較大區(qū)域主要分布在井田北部、中部及西南部小范圍，南部及東部則出現(xiàn)大面積煤厚小于0.8 m的不可采區(qū)。煤層傾角較小(平均約10°)，展布平緩。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，有時(shí)含一層或二層泥質(zhì)、炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.04～0.42 m。頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

2) 煤質(zhì)特征。煤質(zhì)特征對(duì)煤層滲透性、壓裂改造方式和技術(shù)選擇具有重要影響[12-13]。8號(hào)煤層為鋼灰色、深灰色，灰黑色-黑色條痕，玻璃光澤，具有層狀和條帶狀結(jié)構(gòu)，階梯狀、貝殼狀斷口，內(nèi)外生裂隙相對(duì)發(fā)育，煤的硬度較大，塊煤率高。

宏觀煤巖類(lèi)型以光亮型和半光亮型為主，宏觀煤巖組分以亮煤為主，少部分夾暗煤及絲炭條帶。煤的變質(zhì)程度較高(鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max=2.579%～3.154%，平均2.873%)，有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主(平均96.1%)，絲質(zhì)組少量(平均3.1%)，因煤變質(zhì)程度高，惰質(zhì)組無(wú)法辨識(shí)。無(wú)機(jī)顯微組分以分散狀、團(tuán)塊狀或浸染狀黏土礦物為主(平均10.2%)，有少量塊狀黃鐵礦(平均2.9%)、碳酸巖礦物和石英顆粒(平均0.4%)。

2.2 煤層含氣量

煤層含氣量(又名煤層氣含量、煤層瓦斯含量)，系指單位煤的重量中所含的烴類(lèi)氣體在標(biāo)況下的體積，單位為m3/t或ml/g。煤層含氣量是煤層氣儲(chǔ)量計(jì)算、礦井瓦斯防治、煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)、煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一[14-16]。當(dāng)前，煤層含氣量測(cè)定方法主要有直接測(cè)定法、解吸測(cè)定法及間接測(cè)定法，為煤層含氣性定量表征提供了技術(shù)支撐[17]。寺家莊井田在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用鉆井繩索取芯煤層氣現(xiàn)場(chǎng)解吸方法對(duì)井田內(nèi)8號(hào)煤層的含氣量進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定過(guò)程遵循“GB/T 19559-2008 煤層氣含量測(cè)定方法”。由測(cè)定結(jié)果可知，研究區(qū)8號(hào)煤層原煤含氣量為0.27～22.82 m3/t，平均13.55 m3/t。8 m3/t以上測(cè)值占總測(cè)值數(shù)量的85.88%。高煤層含氣量區(qū)主要分布在井田中部和西部埋深相對(duì)較大區(qū)域，煤層含氣量基本在11 m3/t以上；而東部及東南部煤層埋深相對(duì)較淺區(qū)域的煤層含氣量較低，基本在8 m3/t以下。同時(shí)，煤層含氣量高低與構(gòu)造密切相關(guān)，次級(jí)褶皺軸部及轉(zhuǎn)折段的煤層含氣量較高，陷落柱及開(kāi)放性斷層附近煤層含氣量普遍較低。

由此可知，寺家莊井田8號(hào)煤層含氣量總體較高，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供資源保障，但勢(shì)必加大礦井瓦斯防治難度。

2.3 煤的孔滲性

1) 煤孔隙特征。煤孔隙是煤層氣主要賦存空間和運(yùn)移通道，煤孔隙大小、被充填狀態(tài)及連通性影響著煤層氣的吸附、擴(kuò)散和滲流行為[18-19]。本文利用掃描電子顯微鏡和覆壓孔滲測(cè)量?jī)x對(duì)寺家莊井田8號(hào)煤孔隙特征進(jìn)行了觀測(cè)和精細(xì)定量表征，煤孔隙類(lèi)型主要有煤化階段“生氣”和“聚氣”作用形成的氣孔和煤中有機(jī)顯微組分碎片或粒狀間形成的屑間孔[20]。孔隙大小一般為幾千納米至20 μm，多數(shù)小于5 μm。孔隙間基本不連通且孔隙中常見(jiàn)粒狀、片狀碎屑物質(zhì)充填(圖1)。煤中有效孔隙少、孔隙度低，一般為3.53%～5.69%，平均4.18%，屬于典型的低孔煤儲(chǔ)層。

2) 煤層滲透性。煤層滲透性系指像煤層氣、地下水等這樣的流體介質(zhì)在一定壓差下通過(guò)煤層的難易程度，常采用滲透率參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其定量表征。煤層滲透率是煤層氣有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、產(chǎn)能預(yù)測(cè)及模擬等重要技術(shù)參數(shù)之一[21]，當(dāng)前，煤層滲透率測(cè)定方法具有多種[22-23]，而注入/壓降試井法因其技術(shù)成熟、操作方便、測(cè)試結(jié)果可靠等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤儲(chǔ)層滲透率測(cè)定[24]。寺家莊井田在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用煤層氣井注入/壓降試井法對(duì)井田內(nèi)8號(hào)煤層滲透率進(jìn)行了測(cè)定，煤層滲透率一般為0.03～0.54 mD，平均0.191 4 mD(表1)?？芍?，寺家莊井田8號(hào)煤層滲透率普遍較低，屬于滲透率性差煤層，不利于煤層氣高效滲流產(chǎn)出和煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[25]。后期可以通過(guò)人工壓裂煤儲(chǔ)層改造方式提高煤層滲透率，提高煤層氣抽采成效。

圖1 掃描電鏡下寺家莊井田8號(hào)煤微孔隙特征

表1 寺家莊井田8號(hào)煤層滲透率測(cè)定結(jié)果

2.4 煤儲(chǔ)層壓力特征

煤孔隙中的煤層氣、地下水等流體受壓力作用，煤層氣地質(zhì)領(lǐng)域把孔隙流體所受的壓力謂之煤儲(chǔ)層壓力，多用煤儲(chǔ)層壓力梯度值來(lái)對(duì)其定量表征。煤儲(chǔ)層壓力是驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力，其值高低體現(xiàn)地層能量大小，是計(jì)算煤層氣臨界解吸壓力及含氣飽和度、煤層氣有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的重要參數(shù)之一[26]。本文研究所用的寺家莊井田8號(hào)煤儲(chǔ)層壓力及煤儲(chǔ)層壓力梯度值均為煤層氣井注入/壓降試井法測(cè)定所得，由測(cè)定結(jié)果可知(表2)：在試井深度362.16～758.91 m，平均564.55 m范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)層壓力為1.65～3.85 MPa，平均2.68 MPa。煤儲(chǔ)層壓力梯度為0.37～0.51 MPa/hm，平均0.43 MPa/hm。在煤層氣開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)理論研究方面，學(xué)者們根據(jù)研究區(qū)煤儲(chǔ)層壓力梯度值大小，將煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)劃分為低壓(欠壓)煤儲(chǔ)層(壓力梯度值小于0.95 MPa/hm)、正常壓力煤儲(chǔ)層(壓力梯度值為0.95～1.0 MPa/hm)及高壓(超壓)煤儲(chǔ)層(壓力梯度值大于1.0 MPa/hm)[27]。由上述可知，寺家莊井田8號(hào)煤儲(chǔ)層壓力和煤儲(chǔ)層壓力梯度值普遍較低，煤儲(chǔ)層壓力為低壓(欠壓)狀態(tài)。亦表明井田內(nèi)8號(hào)煤儲(chǔ)層能量和驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力較弱，不利于煤層氣井高產(chǎn)和采收率的提高[26]。

表2 寺家莊井田8號(hào)煤儲(chǔ)層壓力測(cè)定結(jié)果

2.5 煤的吸附-解吸特性

1) 煤的吸附特性。煤是一種孔裂隙發(fā)育的多孔介質(zhì)，為天然的吸附劑，在范德華力作用下煤層氣大量吸附于煤基質(zhì)微孔隙表面，因此煤中氣體賦存狀態(tài)主要以吸附態(tài)為主[28]。因煤層氣在煤中為物理吸附，因此，眾多學(xué)者使用Langmuir吸附方程來(lái)描述煤層氣的等溫吸附過(guò)程[29]。利用煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)，可以獲得煤層氣的Langmuir體積(煤層氣最大吸附量)、Langmuir壓力參數(shù)，同時(shí)基于等溫吸附曲線、實(shí)測(cè)含氣量等可以直接讀取煤層氣臨界解吸壓力、殘余壓力讀取和煤層氣采收率的計(jì)算。據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)可知(表3)，寺家莊井田8號(hào)原煤樣品在Langmuir壓力(PL)2.02～2.44 MPa，平均2.23 MPa條件下，Langmuir體積(VL)為28.99～36.36 m3/t，平均32.68 m3/t；空氣干燥劑樣品在Langmuir壓力(PL)2.02～2.44 MPa，平均2.23 MPa條件下，Langmuir體積(VL)為40.16～41.49 m3/t，平均40.83 m3/t。煤層氣吸附量多少與煤層的儲(chǔ)氣空間好壞密切相關(guān)，吸附量越大煤中儲(chǔ)集煤層氣的空間越好，反之亦然[26]。由此可見(jiàn)，寺家莊井田8號(hào)煤層吸附量普遍較高，表明煤中儲(chǔ)集煤層氣的空間較好。

2) 煤的解吸特性。煤層氣產(chǎn)出需經(jīng)歷煤基質(zhì)表面解吸、微孔隙擴(kuò)散、割理系統(tǒng)滲流三個(gè)不同且密切相關(guān)的運(yùn)移過(guò)程，煤層氣抽采主要是基于“排水降壓”來(lái)實(shí)現(xiàn)煤層氣的產(chǎn)出[30]。煤層氣解吸特征(解吸速度快慢)受煤變質(zhì)程度、灰分、顯微煤巖類(lèi)型、裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度等諸多因素影響[31]，為了衡量煤層氣解吸或吸附速度，學(xué)者們引入了“吸附時(shí)間”參數(shù)[31-33]。吸附時(shí)間是煤層氣開(kāi)發(fā)中一項(xiàng)重要參數(shù)，被定義為煤層氣的解吸量達(dá)到總解吸量63.2%時(shí)所需的時(shí)間，單位為“小時(shí)(h)”或“天(d)”[33]。吸附時(shí)間越長(zhǎng)，表明煤層氣解吸速度越慢，反之亦然。通過(guò)煤的吸附-解吸實(shí)驗(yàn)可知(表4)，寺家莊井田8號(hào)煤的吸附時(shí)間為1.37～3.35 d，平均2.57 d?？梢钥闯觯c沁水盆地東南部柿莊、寺河區(qū)塊及壽陽(yáng)區(qū)塊等無(wú)煙煤礦區(qū)煤吸附時(shí)間相比，井田內(nèi)8號(hào)煤吸附時(shí)間處于中低水平[34]，表明煤層氣井產(chǎn)氣高峰期到來(lái)時(shí)間較以上區(qū)塊早，有利于縮短煤層氣開(kāi)發(fā)周期。

表3 寺家莊井田8號(hào)煤等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 寺家莊井田8號(hào)煤吸附時(shí)間測(cè)定結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 寺家莊井田8號(hào)煤的物理性質(zhì)較好，煤中顯微組分以有機(jī)顯微組分鏡質(zhì)組為主，有利于煤層生烴和煤層氣吸附，但煤中黏土礦物存在，要做好鉆井液及壓裂液配伍性試驗(yàn)工作，防止黏土礦物膨脹、軟化，對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害。

2) 寺家莊井田8號(hào)煤層含煤性相對(duì)較好，煤層氣含量較高、煤層氣資源相對(duì)豐富，是井田內(nèi)煤炭規(guī)劃開(kāi)采和煤層氣主力開(kāi)發(fā)煤層之一。

3) 寺家莊井田8號(hào)煤層屬于低孔低滲儲(chǔ)層，不利于煤層氣高效滲流產(chǎn)出；煤儲(chǔ)層壓力為欠壓狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力較弱，亦不利于煤層氣井高產(chǎn)；煤儲(chǔ)集煤層氣空間較好、吸附能力強(qiáng)，煤層氣吸附量較高。煤的吸附時(shí)間相對(duì)較短，煤層氣解吸速度較快。