安慶，張洲，吳斌，王學(xué)堅(jiān)

（1.新疆煤田地質(zhì)局161地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003）

新疆庫拜煤田煤儲(chǔ)層特征及開采技術(shù)建議

安慶1，張洲2，3，吳斌1，王學(xué)堅(jiān)1

（1.新疆煤田地質(zhì)局161地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003）

通過煤儲(chǔ)層地表及礦井下露頭觀測取樣及試驗(yàn)分析，結(jié)合鉆孔及測井資料，對(duì)新疆庫拜煤田中部近直立煤儲(chǔ)層空間展布、巖石物理特征、孔隙、微裂隙、大裂隙系統(tǒng)特征、含氣性及氣水分異特征進(jìn)行研究，認(rèn)為A5、A7煤層適合煤層氣勘探開發(fā)，并對(duì)本區(qū)煤層氣藏特征的井網(wǎng)部署、井型選擇、鉆完井等開采技術(shù)提出合理化建議。

庫拜煤田；煤儲(chǔ)層特征；煤層氣；開采技術(shù)

新疆庫拜煤田煤炭資源總量1.97×1010t，主要以中等變質(zhì)程度焦煤為主，局部發(fā)育肥焦煤和貧煤。煤層氣資源量2 000 m以淺估算為2.273 92×1011m3,具很好的煤層氣勘探開發(fā)前景。煤儲(chǔ)層巖石物理特征對(duì)含氣量、吸附性、滲透性等具重要影響，對(duì)煤層氣勘探開發(fā)具重要基礎(chǔ)研究意義[1-2]。庫拜煤田與煤層氣開發(fā)成功的沁水盆地煤層氣藏地質(zhì)特征區(qū)別較大，研究區(qū)發(fā)育近直立的煤儲(chǔ)層，在巖石物理、氣水分異等方面與水平煤儲(chǔ)層不同，因此，加強(qiáng)該區(qū)塊煤儲(chǔ)層特征研究，提出更優(yōu)的技術(shù)開發(fā)方案意義重大。

1 煤田概況

庫拜煤田西起拜城西部老虎臺(tái)鄉(xiāng)，東至庫車縣庫車河?xùn)|，面積約1 585 km2，行政區(qū)劃屬新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣、庫車縣。煤田為一南傾的單斜構(gòu)造，地層走向近EW向，傾角30°~89°，局部地段直立倒轉(zhuǎn)。主干構(gòu)造為北部的F1逆斷層，南部的F2、F3正斷層。烏迪克背斜和烏迪克向斜，位于煤田南側(cè)，屬大型褶皺。研究區(qū)位于煤田中部，地層傾角178°~184°，地層與煤儲(chǔ)層傾角在80°以上，產(chǎn)狀較穩(wěn)定（圖1）。地層由老到新依次為上三疊統(tǒng)郝家溝組、下侏羅統(tǒng)塔里奇克組、阿合組及第四系。含煤地層為塔里奇克組，巖性多為砂礫巖、粗砂巖、粉、細(xì)砂巖、泥巖及煤層。巖層平均厚168 m，煤層累計(jì)平均厚23.90 m，含煤系數(shù)14.22%。

圖1 庫拜煤田構(gòu)造綱要圖Fig.1 The structure outline map of Kuqa-Bay coalfield1.背斜構(gòu)造；2.向斜構(gòu)造；3.逆斷層；4.正斷層；5.庫拜煤田；6.研究區(qū)

2 主要煤儲(chǔ)層特征

煤儲(chǔ)層特征包括儲(chǔ)層空間展布、巖石物理、孔隙、微裂隙、大裂隙系統(tǒng)特征、含氣性及氣水分異特征等。

2.1 主要煤儲(chǔ)層空間分布

研究區(qū)主要煤儲(chǔ)層為A5、A7煤層。A5煤層厚2.06~10.72 m，平均7.96 m。該煤層煤體結(jié)構(gòu)簡單，分布穩(wěn)定，東部較厚，西部變薄，中部有分岔，深部逐漸變厚。煤層中上部有一夾矸厚約0.25 m。A7煤層厚1.35~7.02 m，平均2.95 m。該煤層中部較厚，東、西部稍薄，深部逐漸變厚。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部偶見夾矸。

2.2 主要煤儲(chǔ)層巖石物理特征

井下觀察實(shí)測A5、A7煤層，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤。井下A5煤層觀測取樣厚3.10 m，見約0.2 m穩(wěn)定夾矸，從下到上分為3層，即第I層、第II層、第III層，夾矸層不計(jì)算在內(nèi)（圖2）。

圖2 A5煤儲(chǔ)層縱剖面巖石物理性質(zhì)特征圖Fig.2 The A5 coal reservoir rock physics map in the study area1.半煤田；2.光煤田；3.暗煤田；4.砂巖；5.鏡質(zhì)組；6.惰質(zhì)組；7.無機(jī)礦物；8.黃鐵礦；9.方解石；10.粘土礦物

第I層 分層垂厚0.40 m，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，暗淡煤。鏡煤條帶發(fā)育內(nèi)生裂隙，裂隙密度4條/cm。垂直裂隙面在層理處錯(cuò)斷，密度6~7條/ 5 cm。主要礦物為方解石，呈脈狀充填于水平節(jié)理中，厚0.1~0.2 mm。灰分產(chǎn)率為15.96%，揮發(fā)分28.87%，水分1.14%，為低中灰分產(chǎn)率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質(zhì)組為64.60%，惰性組為25.80%，少見殼質(zhì)組，無機(jī)礦物9.60%，主要為方解石，少量黃鐵礦、粘土礦物。煤基質(zhì)孔隙度為8.02%。

第II層 分層垂厚1.70 m，灰黑色，碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，光亮煤。鏡煤條帶發(fā)育內(nèi)生裂隙，密度14條/5 cm。發(fā)育一組外生節(jié)理，密度6~9條/2 cm，裂隙面見方解石脈填充?；曳之a(chǎn)率為11.05%，揮發(fā)分為28.27%，水分為1.18%，為低中灰分產(chǎn)率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質(zhì)組67.00%，惰質(zhì)組27.80%，少見殼質(zhì)組，無機(jī)礦物5.20%，主要為方解石、粘土礦物，少量黃鐵礦。煤基質(zhì)孔隙度為7.63%。

第III層 分層垂厚0.80 m，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，半暗煤。發(fā)育一組垂直層面外生節(jié)理，密度14條/5cm，延伸1~5 cm，裂隙面見輕微礦物填充，主要充填礦物為方解石，呈薄層狀局部充填。灰分產(chǎn)率為13.84%，揮發(fā)分為25.75%，水分為1.14%，為低中灰分產(chǎn)率、中等揮發(fā)分、特低全水分煤。顯微組分鏡質(zhì)組59.20%，惰質(zhì)組31.40%，未見殼質(zhì)組。無機(jī)礦物9.40%，主要為方解石、粘土礦物，少量黃鐵礦。煤基質(zhì)孔隙度8.15%。

A7煤儲(chǔ)層與A5煤儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)特征基本相似，見表1。

2.3 主要煤儲(chǔ)層孔隙特征

A5煤儲(chǔ)層大、中孔發(fā)育，部分被粘土礦物充填，孔隙度較高，連通性較好。A5煤儲(chǔ)層BET比表面積0.012 9 m2/g，平均孔徑160.956 92 nm?？紫额愋蜑橐欢朔忾]孔的“墨水瓶”型孔及開放性的連通孔(兩端開口圓筒形孔、四邊開放的平行板孔)。

A7煤儲(chǔ)層大、中孔較發(fā)育，部分被粘土礦物和方解石充填，孔隙連通性一般。A7煤儲(chǔ)層BET比表面積0.807 3 m2/g，平均孔徑8.870 97 nm?？紫稙槎喾N孔隙的復(fù)合，包含“墨水瓶”型孔及部分開放性連通孔?？兹葜饕谴笥?0 nm的小孔貢獻(xiàn)的。

表1 主要煤儲(chǔ)層巖石物理測試數(shù)據(jù)Table 1 The main coal reservoir rock physical test data

2.4 主要煤儲(chǔ)層微裂隙特征

A5煤儲(chǔ)層微裂隙不發(fā)育，延伸在1×104~ 1×106nm級(jí)，張開1×103~1×104nm級(jí)。基質(zhì)孔隙與裂隙系統(tǒng)連通性較好，有利于煤層氣運(yùn)移。微裂隙發(fā)育處產(chǎn)粉較少，煤層氣運(yùn)移過程不易堵塞。鏡下可見雁行狀微裂隙，同時(shí)可見微裂隙截切錯(cuò)動(dòng)，部分微裂隙截切與錯(cuò)動(dòng)起溝通微裂隙作用，有助于連通性的提高。此外可見部分微裂隙被無機(jī)礦物充填（圖3）。A7煤儲(chǔ)層微裂隙不發(fā)育，延伸為1×104~1×106nm級(jí)，張開1×103~1×104nm級(jí)，與A5煤儲(chǔ)層相似。基質(zhì)孔隙與裂隙系統(tǒng)連通性一般，不利于煤層氣運(yùn)移。微裂隙發(fā)育處產(chǎn)粉較多，煤層氣運(yùn)移過程易堵塞。2.5主要煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)特征

圖3 A5煤層鏡下微裂隙與無機(jī)礦物充填圖Fig.3 The microscopic microcracks and inorganic mineral filling map of the A5 coal reservoirsa——雁行狀微裂隙；b——微裂隙截切錯(cuò)動(dòng)；c——黃鐵礦充填微裂隙；d——切穿絲質(zhì)體的方解石脈

煤儲(chǔ)層大裂隙包括內(nèi)生裂隙、氣脹節(jié)理、外生節(jié)理[3]。煤層中節(jié)理裂隙構(gòu)造很大程度上決定了煤層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和物理性質(zhì)，并對(duì)煤層氣的生儲(chǔ)、聚集及可采性等起直接或間接控制作用[4]，同時(shí)也是滲透率主要貢獻(xiàn)者和煤層氣勘探開發(fā)成功與否的關(guān)鍵因素。

研究區(qū)地表出露A5煤層中主要發(fā)育兩組外生節(jié)理裂隙：287°∠44°，5條/m，45°∠88°，15條/10 cm。井下煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙發(fā)育，20條/10 cm，長10~15 cm，產(chǎn)狀273°∠83°、232°∠41°；外生裂隙可見4組，其中外生節(jié)理產(chǎn)狀271°∠86°，115°∠44°，2~4條/m，延伸性好，發(fā)育規(guī)則，貫穿可見范圍；外生節(jié)理20°∠30°，該組節(jié)理略微變形，節(jié)理密度達(dá)6條/m，90°∠65°的一組節(jié)理發(fā)育較少。經(jīng)綜合統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)塊煤儲(chǔ)層中天然裂隙主要發(fā)育3個(gè)優(yōu)勢方向，為NW向、NE向、NS向。

2.6 主要煤儲(chǔ)層含氣性特征

研究區(qū)煤層露頭良好，近地表煤層氣散逸，屬瓦斯風(fēng)化帶。新疆煤田地質(zhì)局在研究區(qū)標(biāo)高2 120 m，埋深80 m處，實(shí)測瓦斯含量5.34 m3/t，隨埋深的增加，瓦斯含量逐步增加。煤層埋深與瓦斯含量關(guān)系式：y=0.005 6x+5.148 9，R2=0.855 3；其中y為瓦斯含量，m3/t；x為煤層埋深，m[5]。測試蘭氏壓力為1.31~2.81 MPa，平均1.86 MPa，蘭氏體積為19.98~ 27.18 m3/t，平均23.71 m3/t，含氣飽和度為65%。

據(jù)鉆孔瓦斯測定結(jié)果，A5煤層埋深176 m處，CH4含量5%，A7煤層埋深217 m處，CH4含量為64.74%。淺部煤層的CH4含量偏低，屬瓦斯風(fēng)化帶。

2.7 煤層氣藏內(nèi)部氣水分異特征

研究區(qū)主采煤層A5、A7為中變質(zhì)程度、煤層近直立的焦煤。與沁水盆地高變質(zhì)程度，近水平的無煙煤，在氣水分異上差別較大?，F(xiàn)今氣藏遭后期構(gòu)造破壞，外來水進(jìn)入煤層更易停留在大的節(jié)理和裂隙系統(tǒng)內(nèi)，很難克服阻力進(jìn)入煤的微裂隙及孔隙中。大裂隙中存在的自由煤層水，基本是成煤后期進(jìn)入的外來水。在重力作用下，水向下運(yùn)動(dòng)，氣往上運(yùn)動(dòng)，造成明顯的氣水分異現(xiàn)象。因此，研究區(qū)煤儲(chǔ)層內(nèi)氣水分異主要表現(xiàn)在縱向上，沁南盆地氣水分異主要表現(xiàn)在平面上。

3 煤層氣開采技術(shù)建議

庫拜煤田中部A5、A7煤層厚度較大，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤，低中灰分產(chǎn)率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤，顯微組分主要為鏡質(zhì)組63.60%，次為惰質(zhì)組28.30%，少見殼質(zhì)組，無機(jī)礦物含量8.10%，煤基質(zhì)孔隙度為7.90%。煤儲(chǔ)層大、中孔發(fā)育，孔隙度較高，連通性較好。煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育，含氣量隨深度增加而增大，縱向上氣水分異明顯。據(jù)新疆阜康等區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)資料[6-7]，認(rèn)為庫拜煤田中部A5、A7煤層適合煤層氣勘探開發(fā)。

3.1 井型選擇

研究區(qū)煤層水分布受重力分異作用明顯，下部煤層水較多，上部游離氣相對(duì)較多。儲(chǔ)層壓力為煤層水壓力，排水降壓效果明顯。上部煤層水排掉，儲(chǔ)層開始解吸產(chǎn)氣，與水平煤層區(qū)別較大。煤層水分布賦存受儲(chǔ)層裂隙制約，煤層的近直立產(chǎn)狀，使煤層水存儲(chǔ)及滲流優(yōu)勢方向垂直向下，井型的選擇需逐步排水采氣，壓降范圍在水平方向連通擴(kuò)展，解吸面積增大，提高了單井產(chǎn)量和采收率。因此，開發(fā)井型在充分考慮煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)和煤層水滲流優(yōu)勢方向的基礎(chǔ)上，建議順煤層走向鉆井[8]。

3.2 井網(wǎng)部署

煤層氣井網(wǎng)部署考慮的主要因素是天然裂隙的延伸方向，也是滲透率優(yōu)勢方向。經(jīng)地表煤層露頭實(shí)測和井下煤層對(duì)比解析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊天然裂隙主要發(fā)育3個(gè)優(yōu)勢方向，為NW向、NE向和NS向。因此，井網(wǎng)部署時(shí)應(yīng)考慮矩形井網(wǎng)樣式。井網(wǎng)方位布置在3個(gè)優(yōu)勢方向上，井距可大些，非優(yōu)勢方向上，井距則小些。

3.3 鉆完井技術(shù)

研究區(qū)A5、A7煤層強(qiáng)度較低，多屬欠壓儲(chǔ)層。煤層含水量小，鉆井應(yīng)考慮井眼穩(wěn)定性和儲(chǔ)層傷害問題。建議采用鉆井液為微泡沫的欠平衡鉆井技術(shù)，完井采用套管射孔壓裂技術(shù)[9]。同時(shí)A5煤層在中上部發(fā)育一層0.2 m的夾矸，A7煤層靠近底板位置發(fā)育2~5 cm軟煤帶和一層0.3 m夾矸，因此，在A5、A7煤層中鉆進(jìn)時(shí)，井眼軌跡設(shè)計(jì)在煤層中需避開夾矸和軟煤帶的位置。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）研究區(qū)A5、A7煤層厚度大，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤，低中灰分產(chǎn)率、中高揮發(fā)分、特低全水分煤，煤儲(chǔ)層大、中孔發(fā)育，孔隙度較高且孔隙連通性較好。煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)主要為NW向、NE向和NS向，煤儲(chǔ)層深部封閉性好，含氣量及甲烷濃度隨深度增加而增大，縱向上氣水分異明顯，該區(qū)塊適合煤層氣勘探開發(fā)。

（2）研究區(qū)A5煤儲(chǔ)層厚度一般大于8 m，煤體結(jié)構(gòu)為碎裂煤，鏡質(zhì)組含量高，孔、裂隙發(fā)育，含氣量較高，有利于煤層氣開發(fā)，可作為優(yōu)選目標(biāo)層。

（3）針對(duì)研究區(qū)發(fā)育近直立的煤儲(chǔ)層及附屬煤儲(chǔ)層特征，建議順煤層走向鉆井，布置矩形井網(wǎng)樣式，采用鉆井液為微泡沫的欠平衡鉆井技術(shù)，套管射孔壓裂完井技術(shù)，預(yù)防砂堵。

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The Research of Coal Reservoir Characteristics and Mining Technology of Kuqa-Bay Coalfield,Xinjiang

An Qing1,Zhang Zhou2,3,Wu Bin1,Wang Xuejian1
(1.No.161 Geological Exploration Team,Bureau of Xinjiang Coalfield Geology,Urumqi,Xinjiang,830000,China; 2.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074,China; 3.School of Resource and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China)

Coal seam outcrops observation,samples and test analysis methods were adopted to study the coal reservoir characteristics of Kuqa-Bay coalfield.The content of the study include spatial distribution characteristics of coal reservoir, coal structure characteristics,petrophysical characteristics of coal reservoir,pores characteristics,micro fracture characteristics,large fracture characteristics,gas bearing characteristics,gas water differentiation characteristics.Through synthetically analysis the author thinks that has a great potential for CBM development in this area.Base on this study,the author put forward some rationalized suggestion for existing mining technology.

Kuqa-Bay coalfield;Coal reservoir characteristics;Coalbed Methane(CBM);Mining technology proposal

1000-8845(2016)02-286-05

P618.11

A

項(xiàng)目資助：國家重大專項(xiàng)（2016ZX05043-004）資助

2015-08-18;

2015-09-01;作者E-mail：767396332@qq.com

安慶（1968-），男，新疆伊犁人，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于新疆工學(xué)院，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)勘查，煤層氣勘探開發(fā)

張洲（1979-），男，云南通海人，講師，博士，從事煤層氣勘探與開發(fā)研究，E-mail：zhangzhou@hpu.edu.cn