謝色新 馬俊強(qiáng)

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣州 510440)

貴州素有“江南煤?！敝Q(chēng)，現(xiàn)正以其豐富的煤層氣資源、優(yōu)越的儲(chǔ)層條件吸引越來(lái)越多的投資者目光，引起了新一輪煤層氣開(kāi)發(fā)熱潮[1-4]。煤儲(chǔ)層物性特征及煤層氣開(kāi)采條件是評(píng)價(jià)是否適合進(jìn)行煤層氣開(kāi)采的主要因素，前人對(duì)此已進(jìn)行了大量研究[5-9]。

雨谷井田位于貴州省盤(pán)縣南部，井田內(nèi)響水煤礦是國(guó)家煤炭重點(diǎn)規(guī)劃礦區(qū)的特大型骨干礦井，該礦為煤與瓦斯突出礦井，曾分別于2005年12月24日和2012年11月24日發(fā)生煤與瓦斯突出事故[10]。為開(kāi)發(fā)利用煤層氣資源和降低礦井瓦斯危害，對(duì)井田內(nèi)煤儲(chǔ)層物性和煤層氣開(kāi)采條件進(jìn)行了研究，以期實(shí)現(xiàn)“先采氣、后采煤”的構(gòu)想，在開(kāi)采清潔能源的同時(shí)為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并結(jié)合已有資料[11]，分析探討了3#、12#煤儲(chǔ)層物性特征及煤層氣開(kāi)采條件，并對(duì)該區(qū)域的煤層氣開(kāi)發(fā)工作提出了一些建議。

1 構(gòu)造

大地構(gòu)造位置處于六盤(pán)水?dāng)嘞荨⑵瞻残?gòu)造變形區(qū)黔西南渦輪構(gòu)造帶的盤(pán)南背斜與下甘河斷裂之間，屬盤(pán)南背斜南東翼西端(圖1)。區(qū)域構(gòu)造特征表明，井田內(nèi)構(gòu)造面貌主要與燕山運(yùn)動(dòng)有關(guān)。在燕山運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)南北向的正反兩次直扭構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)合疊加，后期順時(shí)針直扭運(yùn)動(dòng)可能為燕山運(yùn)動(dòng)中、晚期產(chǎn)物。所以盤(pán)南背斜是在先期反時(shí)針直扭運(yùn)動(dòng)形成的北東向構(gòu)造形跡的背景又疊加了順時(shí)針直扭運(yùn)動(dòng)。盤(pán)南背斜屬不對(duì)稱(chēng)的復(fù)式背斜，軸向N60°E，呈一反“S”型褶曲。

Figure 1 Study area situation圖1 研究區(qū)位置

井田地層走向自西向東30°～40°至100°～60°，傾向南及南東，傾角10°～30°(西陡東緩)，東部撒開(kāi)，向北凸起的孤形，整體為單斜構(gòu)造，次級(jí)褶曲不明顯，規(guī)模很小?？傮w來(lái)說(shuō)，本區(qū)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)煤層氣保存有利。

2 煤層煤質(zhì)

雨谷井田主要含煤地層為龍?zhí)督M，埋深500～1 000m，平均厚252 m，含煤層20～40層，一般28層，總厚度23.14～44.85 m，平均厚33.64 m，含煤系數(shù)13.30%(表1)。

(1)煤層結(jié)構(gòu)。3#煤層：位于龍?zhí)督M上段頂部，厚0.38～5.86 m，平均厚2.98 m，一般含夾矸2層。煤層采用厚度變化不大，呈由西向東逐漸變小的趨勢(shì)，規(guī)律性明顯。

12#煤層：厚0～4.47 m，平均厚1.18 m。一般含0.10 m左右泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)較單一，煤層采用厚度變化較大，在可采區(qū)內(nèi)采用厚度變化不大。

表1 井田可采煤層特征一覽表Table 1 Data sheet of mineable coal seam features in minefield

表2 煤層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 2 Coal seam fundamental data sheet

3 儲(chǔ)層物性特征

(1)電鏡觀測(cè)。對(duì)區(qū)內(nèi)煤樣進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)，煤層掃描電鏡結(jié)果見(jiàn)圖2。

該區(qū)域煤層天然裂隙較為發(fā)育，呈交叉分布，少量充填，局部裂隙開(kāi)啟程度較高，連通性較好，便于煤層氣運(yùn)移產(chǎn)出，對(duì)煤層氣開(kāi)采有利。

(2)壓汞測(cè)試。采用AUTOPORE9505壓汞儀對(duì)煤的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試(圖3)。

壓汞測(cè)試得到3#煤孔隙率10.387%，12#煤孔隙率12.48%，總孔容分別為0.069 2 mL/g和0.086 9 mL/g，孔隙發(fā)育；由進(jìn)退汞曲線可以看出，二者均存在明顯滯后環(huán)，進(jìn)汞曲線“陡升陡降”現(xiàn)象現(xiàn)象不明顯，且退汞曲線平緩。說(shuō)明孔隙類(lèi)型以開(kāi)放性為主，有效孔隙率高，封閉和連通性差的“細(xì)頸瓶”孔較少，孔隙整體連通性好，與掃描電鏡下觀測(cè)到的孔隙發(fā)育情況相符。

(3)滲透性。滲透性是影響煤層氣是否可采的一個(gè)重要因素[12-13]，相較于室內(nèi)覆壓滲透性受諸多因素影響，煤層氣裸眼試井更能客觀評(píng)價(jià)儲(chǔ)層原位滲透性。根據(jù)煤層氣參數(shù)井裸眼注入-壓降試井?dāng)?shù)據(jù)，3#煤層原位滲透率為0.125 mD，12#煤層為0.262 mD，屬低-中等滲透性?xún)?chǔ)層，從縱向看，主要與其儲(chǔ)層物性有關(guān)，受埋深影響較小。因煤層無(wú)機(jī)組分以氧化物及硫化物為主，黏土含量不高，且為原生結(jié)構(gòu)煤，結(jié)合實(shí)際煤巖特征，本區(qū)適宜進(jìn)行水力壓裂改造。

(a)3#煤 (b)12#煤圖2 井田煤樣掃描電鏡觀測(cè)圖Figure 2 Minefield coal sample scanning electron microscopic photos

(1)3#煤 (2)12#煤圖3 煤樣進(jìn)退汞曲線Figure 3 Coal sample mercury intrusion and withdrawal curves

4 含氣性及吸附特征

4.1 含氣性

資料顯示，本區(qū)3#煤層煤層氣含量在8.31～12.5 m3/t，12#煤層的煤層氣含量在10.4～19.1 m3/t，此次研究依據(jù)《煤層氣含量測(cè)定方法》(GB/T 19559-2008)，鉆孔煤心實(shí)測(cè)含氣量及組分見(jiàn)表3。

總體上，區(qū)內(nèi)煤層氣含量在平面上分布較穩(wěn)定，符合煤層氣含量隨埋深增大而增加的總體趨勢(shì)。從組分來(lái)看，甲烷含量均在90%以上，含部分N2和少量CO2、C2H6等。同時(shí)，煤層氣含量較高，已達(dá)到《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》(2012)規(guī)定的煤層氣資源估算指標(biāo)含量下限標(biāo)準(zhǔn)(中階煤含氣量≥4m3/t)，和寧夏大地出版社《最新煤層氣地質(zhì)綜合勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)與資源量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)分析實(shí)物全書(shū)》提到的噸煤含氣量≥8m3，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。較高的煤層氣含量可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供充足的資源量保障。

4.2 吸附性

采用IS-300型等溫吸附儀，分別在30℃條件下對(duì)3#、12#煤層空氣干燥基煤樣進(jìn)行等溫吸附測(cè)試，得到等溫吸附曲線(圖4)。

心有靜氣，才能客觀看待人事，沉著思考問(wèn)題。反之，心有怒氣，整個(gè)人就會(huì)淪為情緒的奴隸，辨不清是非真假，自然容易出亂子。

表3 煤層氣含量及組分Table 3 CBM contents and compositions

(a)3#煤 (b)12#煤等溫吸附曲線圖4 雨谷井田煤樣等溫吸附曲線(空氣干燥基)Figure 4 Yugu minefield coal sample isothermal adsorption curves (air-dried basis)

根據(jù)等溫吸附測(cè)試得到的吸附常數(shù)(朗格繆爾體積VL和朗格繆爾壓力VL)，結(jié)合表3中儲(chǔ)層壓力和含氣量，分別根據(jù)公式(1)(2)可以計(jì)算得到含氣飽和度、臨界解吸壓力等參數(shù)(表4)。

Sg=(Vm/VL)×[(PL+Pf)/Pf]

(1)

η=1-VL×Pad/Vm(Pad+PL)

(2)

式中：Sg—含氣飽和度，%；Vm—實(shí)測(cè)含氣量，m3/t；Pf—儲(chǔ)層壓力，MPa；η—理論采收率，%；Pad—廢棄壓力，MPa，根據(jù)美國(guó)目前的經(jīng)驗(yàn)，取0.70 MPa進(jìn)行計(jì)算[14]。

表4 井田參數(shù)井典型煤層儲(chǔ)層壓力及梯度Table 4 Minefield parameter well typical coal seam reservoir pressures and gradients

相較前人研究結(jié)論[15]，結(jié)合3#、12#煤層變質(zhì)程度，可以看出本區(qū)煤層吸附極限值偏低，可能與其灰分稍高有關(guān)。由表4，3#煤層含氣飽和度為82%，為近飽和煤層，12#煤層為過(guò)飽和煤層，表明儲(chǔ)層內(nèi)存在較多的游離態(tài)及水溶態(tài)氣體。3#、12#煤層理論采收率分別可達(dá)到59%和74%，屬較理想狀態(tài)。

4.3 壓力特征

煤儲(chǔ)層壓力受地質(zhì)構(gòu)造演化、水文地質(zhì)條件、埋深、含氣量、地應(yīng)力等諸多因素的影響，其中埋深、含氣量和地應(yīng)力是最主要的控制因素[16]。結(jié)合表3中煤層埋深和實(shí)測(cè)儲(chǔ)層壓力、公式(3)，可分別得到儲(chǔ)層壓力梯度、理論臨界解吸壓力和臨儲(chǔ)比(表5)。

Pcd=VmPL/(VL-Vm)

(3)

式中：Pcd—理論臨界解吸壓力，MPa；Vm—實(shí)際含氣量，m3/t；PL—朗格繆爾壓力，MPa；VL—朗格繆爾體積，m3/t。

表5 煤層壓力情況表Table 5 Coal seam pressure situations

壓力梯度分別為0.96、0.98 MPa/100 m，屬正常壓力梯度，符合前人對(duì)該地區(qū)主要壓力梯度的研究成果。同時(shí)臨儲(chǔ)比(臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力比值)較高，利于縮短見(jiàn)氣時(shí)間。

5 水文地質(zhì)

井田位于南盤(pán)江匯水型水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給區(qū)。北部以玄武巖為隔水邊界；東、西兩側(cè)以阻水?dāng)鄬訛楦羲吔?；向南徑流、排泄，形成半封閉的地下水力系統(tǒng)。地下水類(lèi)型主要為裂隙水，由北向南運(yùn)移。巖性對(duì)地下水的賦存起著主導(dǎo)作用，含煤地層(龍?zhí)督M)富水性弱。由于含煤地層大多為塑、柔性巖石，斷層破碎帶發(fā)育寬度小，且被泥質(zhì)物充填，因此斷層含水性也不強(qiáng)。總體來(lái)說(shuō)，地下水活動(dòng)弱，對(duì)煤層氣儲(chǔ)存有利。

6 結(jié)論

(1)井田內(nèi)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、地下水活動(dòng)弱，有利于煤層氣保存，且煤層埋深介于500～1 000 m，開(kāi)采難度小，經(jīng)濟(jì)性好。

(2)煤變質(zhì)程度主要介于焦煤-貧煤之間，煤體結(jié)構(gòu)多為原生結(jié)構(gòu)，煤層孔隙、裂隙發(fā)育，且開(kāi)放程度較高，滲透性低-中等，符合煤層氣開(kāi)發(fā)的要求。

(3)煤層含氣量高，甲烷濃度大，可以為煤層氣開(kāi)發(fā)提供充足的氣源，且含氣飽和度、臨儲(chǔ)比高，有利于縮短見(jiàn)氣時(shí)間，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)有利。

(4)煤層層數(shù)多，煤體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建議今后工作中加強(qiáng)“小層射孔、分段壓裂、合層排采”的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多煤層共用一個(gè)井筒產(chǎn)氣的目標(biāo)，將煤層多、總煤厚大的地質(zhì)條件轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，改善貴州“富煤、貧油、少氣”的現(xiàn)狀。