高 亮，上官拴通，張國斌，李英英，閆家棟

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺 054000）

邢臺含煤區(qū)煤儲層物性特征及煤層氣資源潛力

高 亮，上官拴通，張國斌，李英英，閆家棟

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北邢臺 054000）

為了評價邢臺含煤區(qū)煤層氣開發(fā)潛力，采集不同礦井的2、8、9號煤樣進行了煤巖組分、孔裂隙分布、等溫吸附及水單相滲透率實驗分析，采用體積法和綜合排隊系數(shù)法對底板標高-2000 m以淺的煤層氣資源量進行了預(yù)測和評價。結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)目的煤層厚度、煤級適中，具有較好的生儲條件；煤巖的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量依次減少，水分隨煤化程度的增加呈現(xiàn)先減小后增大，揮發(fā)分隨煤化程度的增加而減少；孔隙度隨煤化程度增大而增大，且孔徑分布不均勻，微孔的孔容和比表面積所占比例最大；顯微裂隙密度級別為一級，部分裂隙被脈狀方解石和粒狀黃鐵礦充填；煤的吸附量受煤級控制，且在一定壓力范圍內(nèi)，吸附量隨壓力增加而增大，吸附能力隨壓力增加而減?。幻簩訚B透率離散性較大，屬中～高級滲透率。估算底板標高-2000 m以淺潛在的煤層氣資源量為427.31億m3，優(yōu)選出中等有利區(qū)塊6個，其中FY區(qū)、QHY區(qū)、GZ區(qū)為煤層氣勘探首選區(qū)塊。

煤層氣；儲層物性；資源量評價；區(qū)塊優(yōu)選

0 引言

煤層氣是一種新型潔凈能源，其勘探開發(fā)已受到我國各級政府的高度重視[1]。為推進煤層氣實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，“十一五”以來，國家相繼出臺了一系列煤層氣(煤礦瓦斯)產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持政策[2]。邢臺含煤區(qū)位于河北省南部，含煤地層為石炭-二疊系，煤層平均總厚度約19.60 m，含煤系數(shù)8.8%左右[3-4]。截至2014年底，區(qū)內(nèi)主要煤炭勘查區(qū)和生產(chǎn)礦井底板標高-2 000 m以淺煤炭資源總量約為87.49億t，其中底板標高-1000 m以淺煤炭資源量約為19.51億t，僅占總資源量的22.3%。限于目前礦山開采技術(shù)條件及煤礦建設(shè)項目核準要求[5]，邢臺含煤區(qū)深部煤炭資源采用常規(guī)的井礦開采并不可行，故針對深部煤炭資源進行煤層氣開發(fā)應(yīng)是資源開發(fā)利用的有效途徑之一。目前，我國煤層氣已經(jīng)在沁水、鄂東、阜新、鐵法等地區(qū)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)量達到23×108m3[6]。煤層氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，使得淺部煤層氣基礎(chǔ)研究和勘探開發(fā)方面積累了大量經(jīng)驗，為進行深部煤層氣勘探開發(fā)試驗奠定了基礎(chǔ)[7]。

以往學(xué)者對本區(qū)煤層氣含氣性特征、控氣因素等方面開展過較多研究[8-12]，且主要集中在淺部生產(chǎn)礦井，缺乏針對煤儲層物性特征和資源潛力評價的區(qū)域性研究?；诖耍敬螌Σ勺詤^(qū)內(nèi)自不同礦井的6個煤樣進行了煤巖組分、孔裂隙分布、等溫吸附及水單相滲透率實驗分析，結(jié)合以往煤田地質(zhì)勘查成果資料，通過對本區(qū)煤層氣賦存地質(zhì)背景、生氣地質(zhì)條件及煤儲層物性特征的研究，評價了本區(qū)煤層氣資源開發(fā)潛力，并對目標區(qū)塊進行優(yōu)選。

1 煤層氣賦存地質(zhì)背景

本次研究針對邢臺市轄區(qū)內(nèi)主要生產(chǎn)礦井以及東部含煤區(qū)（圖1），以層位賦存穩(wěn)定的2、8、9號煤為研究目的煤層。自古生代含煤地層形成至今，本區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場經(jīng)歷了海西期、印支-中燕山期、晚燕山-喜山期三個主應(yīng)力期，構(gòu)造相對復(fù)雜。區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂、巖漿巖及陷落柱均有發(fā)育，其中斷裂構(gòu)造是本區(qū)的主體構(gòu)造樣式[13]，總體以走向NNE、NE最為發(fā)育，走向NWW、NW次之[14]。受燕山期巖漿侵入的影響，從北東向南西煤的變質(zhì)程度隨巖漿作用的增強而逐漸增高，煤變質(zhì)程度的增高，補充了煤中煤層氣的來源[15-16]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要及目標區(qū)分布示意圖Figure 1 Sketch map of study area structural outline and target area distribution

2 煤層、煤巖與煤質(zhì)特征

2.1 煤層特征

本次研究目的煤層平均總厚度約8.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單-中等。統(tǒng)計區(qū)內(nèi)鉆孔資料發(fā)現(xiàn)，除8號煤層頂板為大青灰?guī)r外，2、9號煤層頂、底板及8號煤層底板均以透氣性較差的粉砂巖、泥巖為主（表1），這為本區(qū)煤層氣資源的保存提供了有利條件。

2.2 煤巖與煤質(zhì)特征

本次對目的煤層進行了工業(yè)分析及煤巖顯微組分分析，結(jié)果表明：鏡質(zhì)組為44.9%～93.3%，平均為72.99%；惰質(zhì)組為5.0%～46.7%，平均為22.93%；殼質(zhì)組為0～12.1%，平均為4.23%（表2）。鏡質(zhì)組最大反射率（Ro，max）為 0.529%～6.814%，煤類以氣煤、氣肥煤、1/3焦煤面積最大，此階段處在熱降解氣生成階段初期[17]，生成大量的烴類物質(zhì)。空氣干燥基水分（Mad）含量為0.07%～20.78%，總體隨煤變質(zhì)程度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢（圖2a），干燥無灰基的揮發(fā)分（Vdaf）隨煤變化程度的增加呈現(xiàn)減小趨勢（圖2b），樣品灰分（Ad）的平均值低于20%。

表1 煤層頂、底板主要巖性統(tǒng)計表Table 1 Statistics of coal roof and floor main lithology

表2 目的煤層工業(yè)分析及煤巖顯微組分測試結(jié)果Table 2 Target coal seam proximate analysis and coal lithologic maceral tested results

圖2 Ro，max與Mad，Vdaf的關(guān)系Figure 2 Relationship between Ro，maxand Mad,Vdaf

3 煤儲層物性特征

煤儲層物性特征包括孔隙特征、裂隙特征、滲透率及煤對甲烷的吸附性等[18-19]。

3.1 孔隙度、孔徑分布特征

煤孔隙結(jié)構(gòu)是研究煤層氣賦存狀態(tài)、氣、水介質(zhì)與煤基質(zhì)塊間物理、化學(xué)作用以及煤層氣解吸、擴散和滲流的基礎(chǔ)[20]。利用煤樣的真密度和視密度，采用容量瓶法計算出本區(qū)目的煤層孔隙度為1.44%～21.20%，平均為6.10%，孔隙度隨煤層埋深增大有減小趨勢（圖3a），隨煤變質(zhì)程度增加有增大趨勢（圖3a）。

煤中大孔、中孔對煤層氣的運移有利，過渡孔、微孔則與甲烷的吸附有關(guān)[21]。采用汞侵入法對煤的孔徑結(jié)構(gòu)進行了研究，依據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者B.B.霍多特孔隙分類標準進行劃分：大孔孔徑＞1 000 nm、中孔孔徑100～1000 nm、過渡孔孔徑10～100 nm、微孔孔徑＜10 nm。壓汞實驗結(jié)果表明，總比孔容為279～725×10-4cm3/g，平均為496.5×10-4cm3/g，其中大孔平均占20.50%，中孔平均占5.21%，過渡孔平均占25.85%，微孔平均占48.44%（表3）；總比表面積為12.621～31.050 cm2/g，平均為21.596 cm2/g，其中大孔平均占0.01%，中孔平均占0.17%，過渡孔平均占10.86%，微孔平均占88.97%（表4）。由此可見，本區(qū)孔容以微孔最多，過渡孔次之，微孔比表面積占絕對優(yōu)勢。這種孔隙系統(tǒng)有利于煤層氣的儲集，但影響煤層氣的運移。

圖3 孔隙度與煤層埋深，Ro，max的關(guān)系Figure 3 Relationship between porosity and coal buried depth,Ro，max

表3 煤樣孔容測定結(jié)果Table 3 Coal sample pore volume tested results

表4 煤樣比表面積測定結(jié)果Table 4 Coal sample specific surface area tested results

另外，筆者根據(jù)壓汞曲線對本區(qū)煤孔隙的形態(tài)和連通性做過專門的研究[22]，認為本區(qū)進汞、退汞曲線形態(tài)大體相同且均近于平行，無明顯“滯后環(huán)”，孔隙類型以半封閉孔甚至封閉孔為主，孔隙連通性較差。

3.2 裂隙特征

煤中天然裂隙的發(fā)育特征直接影響煤儲層滲透率的大小和方向[23]，是煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。本區(qū)關(guān)于煤層裂隙的研究較少，從單孔資料關(guān)于煤心的描述中可以看出，除DP礦、YS區(qū)和LD區(qū)2號煤內(nèi)生裂隙不發(fā)育外，其它區(qū)煤內(nèi)生裂隙均較發(fā)育，以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造。6個樣品的顯微裂隙觀察結(jié)果表明：煤樣中裂隙發(fā)育1～3組，裂隙較為平直，局部彎曲，裂隙密度級別為一級（表5、圖4），部分裂隙被脈狀方解石和粒狀黃鐵礦充填（圖5），可能在一定程度上影響煤儲層的滲透性。

3.3 等溫吸附特征

樣品的平衡水煤樣等溫吸附實驗結(jié)果表明（30℃），煤的朗格繆爾體積（空氣干燥基）為9.4～21.34 m3/t，朗格繆爾壓力為1.26～8.37 MPa。從等溫吸附曲線可以看出（圖6），在等溫等壓條件下，高煤階煤（樣品GQ-1、GQ-2）的吸附量最大。吸附量隨壓力增加而增大，吸附能力隨壓力增加而減小，當增大到一定壓力時，煤吸附量趨于飽和，幾乎不再隨

壓力增加而變化。

表5 煤樣顯微裂隙特征Table 5 Coal sample microscopic fissure features

圖5 煤樣裂隙充填情況Figure 5 Coal sample fissure filling state

圖6 30℃下的等溫吸附曲線Figure 6 Isothermal adsorption curves under temperature 30℃

3.4 滲透性特征

滲透率是表征煤儲層滲透性大小的參數(shù)，研究煤巖的滲透率特征可為合理設(shè)計煤層氣鉆井方案提供理論依據(jù)[24]。區(qū)內(nèi)尚無煤層氣試井，僅從水單相滲透率實驗測試數(shù)據(jù)來看，煤滲透率為0.038381× 10-3μm2～40.8929×10-3μm2，離散性很大，且滲透率大小與煤層埋深存在一定的相關(guān)性，滲透率隨煤層埋深增大呈減小趨勢（圖7）。按我國煤儲層滲透率等級劃分，本區(qū)煤儲層整體屬于中-高滲透率煤儲層。

圖7 滲透率-煤層埋深關(guān)系圖Figure 7 Permeability-coal buried depth relationship chart

由于實驗室條件和原始地下條件存在很大差異，通常煤心測試滲透率比單井測試的滲透率要小很多，且在煤層氣開采過程中，煤儲層滲透率隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化[25-26]，故實驗室條件下的滲透率測試結(jié)果，僅在一定程度上反映煤儲層的滲透性特征。

4 煤層氣資源量評價

煤層氣的勘探開發(fā)，首先要求勘探區(qū)煤層中賦存有足夠的煤層氣資源作保證[27]。本區(qū)尚無煤層氣參數(shù)井和試驗井，故煤層氣資源均為潛在的資源量。地勘時期測得煤層氣含氣量數(shù)值偏低，且鉆孔越深測值偏低越嚴重[28]，故參照河北省以往研究中煤層氣井與地勘鉆孔含氣量同煤類比值法求出的校正系數(shù)[29]，對地勘鉆孔含氣量值進行校正，對于深部煤層使用梯度法、壓力-吸附法進行含氣量預(yù)測。

采用體積法對目標區(qū)2、8、9號煤層底板標高-2000 m以淺潛在的煤層氣資源進行了估算，總資源量為427.31億m3，資源量豐度0.61億m3/km2，儲量規(guī)模為大型，但資源量豐度偏低。其中-1500 m以淺潛在的煤層氣資源量為132.42億m3，-1500～-2000 m潛在的煤層氣資源量為294.89億m3。從煤類來說，煤層氣資源量主要集中分布在氣煤-瘦煤中，以氣、肥煤類為主，為406.46億m3，占總量的95.12%。

5 煤層氣目標區(qū)塊優(yōu)選

對目標區(qū)煤層氣資源開發(fā)潛力進行優(yōu)選評價，結(jié)合本區(qū)實際情況，本次研究采用風(fēng)險概率法和綜合排隊系數(shù)法，基于煤層氣資源特征、儲層物性特征和地質(zhì)條件3大項，含氣量、滲透率、理論采收率、煤厚、封蓋能力等8小項，對16個區(qū)塊進行綜合排隊優(yōu)選評價計算（GQ礦目的煤層基本全部處于瓦斯風(fēng)化帶，故未參與計算）。結(jié)果表明：該區(qū)共劃分出中等有利區(qū)6個，分別為NH區(qū)、FY區(qū)、XJW區(qū)、QHY區(qū)、GZ區(qū)和DP礦，其它為不利區(qū)；區(qū)內(nèi)不存在有利和較有利區(qū)?？紤]前期煤田勘探程度、煤層埋深、煤層氣資源量因素，建議FY區(qū)、QHY區(qū)、GZ區(qū)為煤層氣勘探的首選區(qū)塊。

6 結(jié)論

（1）本區(qū)目的煤層厚度、煤級適中，具有較好的生氣條件和封蓋條件；煤巖的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量依次減少，水分隨煤化程度的增加呈現(xiàn)先減小后增大，揮發(fā)分隨煤化程度的增加而減少；

（2）煤的孔隙度隨煤化程度增大而增大，且孔容分布不均勻，微孔最多，約占48.44%，孔比表面積以微孔占絕對優(yōu)勢，約占88.97%，有利于煤層氣的儲集，但影響煤層氣的運移；顯微裂隙密度級別為一級，部分裂隙被脈狀方解石和粒狀黃鐵礦充填；

（3）等溫吸附實驗結(jié)果表明煤的吸附量受煤級控制，且在一定壓力范圍內(nèi)，吸附量隨壓力增加而增大，吸附能力隨壓力增加而減?。粚嶒炇覝y試滲透率離散性較大，整體表現(xiàn)為中-高滲透率煤儲層；

（4）估算目標區(qū)2、8、9號煤層底板標高-2000 m以淺潛在的煤層氣資源量為427.31億m3，優(yōu)選出中等有利區(qū)6個，其中FY區(qū)、QHY區(qū)、GZ區(qū)為煤層氣勘探首選區(qū)塊。

致謝：中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院傅雪海教授對本次工作給予了許多指導(dǎo)，論文成文后得到河南理工大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院任建剛博士的認真審閱并提出寶貴意見，在此一并致謝！

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Coal Reservoir Physical Property Features and CBM Resource Potential in Xingtai Coal-bearing Region

Gao Liang,Shangguan Shuantong,Zhang Guobin,Li Yingying and Yan Jiadong
(The Second Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Xingtai,Hebei 054000)

To assess CBM exploitation potential in the Xingtai coal-bearing region,collected coal samples from coal seam Nos.2,8 and 9 in different coalmines,carried out experimental analysis of coal lithotype,pore and fissure distribution,isothermal adsorption and water single-phase permeability.Through the volumetric method and integrated queuing coefficient method carried out prediction and assessment of CBM resources above floor elevation-2000 m.The result has shown that the target coal thickness and coal rank are moderate,thus have better CBM generation and preservation conditions.Contents of coal macerals vitrinite,inertinite and exinite are sequentially deceasing;moisture content increasing along with coalification degree increasing presents deceasing first than increasing;volatile matter decreasing along with coalification degree increasing.Porosity is increasing along with coalification degree increasing,and pore diameter inhomogeneously distributed;pore volume and specific surface area of micropores occupied largest proportion.Microfissure density belongs to grade I,part of fissures have filled with vein calcite and granular pyrite.Coal adsorptive capacity is controlled by coal ranks,within a certain pressure range,the capacity increasing along with the pressure increasing,while the adsorptivity deceasing along with the pressure increasing.Coal permeability has large discreteness,belongs to medium to high grade permeability.Estimated potential CBM resources above floor elevation-2000 m have 42.731 billion m3,optimized 6 moderate favorable blocks,among them, the blocks FY,QHY and GZ are preferred for CBM exploration.

CBM;reservoir physical property;resources assessment;block optimization

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.09

1674-1803(2017)02-0040-06

P618.11

A

邢臺市2014年礦產(chǎn)資源類專項資金項目（邢國土資字〔2014〕90號）

高亮（1984—），男，河北石家莊人，工程師，本科，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，從事礦產(chǎn)勘查及評價研究工作。

2016-09-18

責(zé)任編輯：宋博輦