張廣政，徐文慧

(1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院, 貴陽 55006; 2.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心, 貴陽 55006)

都格井田多層疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)發(fā)育特征

張廣政1，徐文慧2

(1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院, 貴陽 55006; 2.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心, 貴陽 55006)

查明六盤水市水城縣都格井田煤層氣儲層地質(zhì)條件，對后期煤層氣生產(chǎn)開發(fā)的有序進(jìn)行具有重要的指導(dǎo)意義。基礎(chǔ)地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合開發(fā)井測井結(jié)果及相關(guān)試驗測試數(shù)據(jù)，對該區(qū)多煤儲層垂向特征進(jìn)行系統(tǒng)分析及概括。在此基礎(chǔ)上，借鑒于多層疊置含煤層氣系統(tǒng)理論將該區(qū)煤層氣系統(tǒng)劃分為多個旋迴系統(tǒng)，結(jié)果表明：研究區(qū)多煤儲層化學(xué)性質(zhì)變化呈明顯的“階段式”變化，以7#、16#為界局部呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律趨勢：煤儲層硫分含量變化隨煤層深度變化規(guī)律大致與灰分變化一致，以7#、16#為界均存在三個旋迴變化；不同層位煤層平均含氣量同一序列內(nèi)隨埋深增大逐漸降低，但當(dāng)埋深達(dá)到一定深度(17#)時含氣量隨埋深變化趨勢趨于穩(wěn)定；各煤儲層滲透率分布在0.004～0.17mD，呈現(xiàn)三段式波動性變化，儲層壓力系數(shù)普遍小于1；煤儲層孔隙以微孔、小孔為主，孔隙類型以開放的、連通性好的管狀毛細(xì)孔或墨水瓶孔為主，有利于后期儲層壓降。結(jié)合地層層序格架最大海泛面，綜合分析將該區(qū)煤儲層劃分為3個獨立含煤層氣系統(tǒng)：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#；

煤層氣；多層疊置；都格井田

0 引言

煤層氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，促使煤層氣地質(zhì)研究由煤層氣選區(qū)評價及單一(兩層)煤層往煤層氣成藏條件研究、煤層氣勘探目標(biāo)評價及多煤層評價等方面傾斜[1-3]。針對于此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對多煤層發(fā)育地區(qū)進(jìn)行了大量的研究，主要包括多煤儲層含氣性、滲透性、孔隙結(jié)構(gòu)差異性分析及相關(guān)選區(qū)評價研究[4～9]。查明煤儲層的物性垂向差異直接影響到區(qū)域煤層氣開發(fā)層段優(yōu)選級合層排采技術(shù)的合理性。水城都格井田屬六盤水煤田沉積盆地的一部分，龍?zhí)督M煤層發(fā)育具有“多而薄”的特征，導(dǎo)致該地區(qū)煤儲層在層間、層內(nèi)和平面上表現(xiàn)出明顯的高非均質(zhì)性特點。受多種客觀因素制約，黔西-滇東煤層氣開發(fā)程度較低，前人研究多依賴于有限井下煤樣及理論推測分析，從而對該區(qū)煤儲層物性的準(zhǔn)確描述產(chǎn)生很大影響，影響了該區(qū)的多煤層疊置成藏研究。故本文以都格井田可采煤層為研究目標(biāo)，基于相關(guān)測試成果，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)背景，系統(tǒng)分析各可采煤儲層垂向孔滲特征，探究該區(qū)多層疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)發(fā)育模式，以期為指導(dǎo)該區(qū)煤層氣的有序開發(fā)提供理論借鑒。

1 煤層氣地質(zhì)條件

研究區(qū)位于六盤水煤田，處于楊梅樹向斜北翼，楊梅樹向斜總體構(gòu)造形態(tài)為一復(fù)式向斜，NE為馬龍向斜，SW為妥倮向斜，全區(qū)斷層相對不發(fā)育，以NW-SE走向為主。含煤地層傾角深部約10°～16°，淺部可達(dá)20°左右，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等(圖1)。井田內(nèi)含煤地層為龍?zhí)督M，為一套海陸交互相含煤沉積，以碎屑巖為主，夾少量泥灰?guī)r、灰?guī)r，含煤46～80層，平均厚度419.28m，煤層平均總厚度47.35m，含煤系數(shù)11.29%；含可采煤層18層，煤層可采平均總厚度22.23m，可采含煤系數(shù)5.3%?？刹擅簩用簬r成分以暗煤為主，煤巖類型以半暗型煤為主，半暗-半亮型、半亮型、破碎煤、半亮-半暗型次之，鏡質(zhì)組反射率均在1.33%～1.78%，平均為1.51%，以煙煤為主[10]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Study area regional tectonic outline map

2 煤儲層物性分布特征

基于基礎(chǔ)地質(zhì)資料分析，該研究區(qū)含可采煤層18層(編號為：1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#、16#、17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#)，其中穩(wěn)定煤層4層，為3#、5-2#、7#、13-2#，平均可采厚度之和為7.09m，占可采總厚度的32%；較穩(wěn)定煤層8層，為5-3#、10#、12#、13-1#、14#、15-2#、16#、34#，平均可采厚度之和為9.62m，占可采總厚度的43%；不穩(wěn)定煤層6層，為1#、17#、21#、23-1#、23-2#、33#，平均可采厚度之和為5.52m，占可采總厚度的25%；穩(wěn)定和較穩(wěn)定煤層共12層，占可采總厚度的75%。研究區(qū)煤層穩(wěn)定程度類型為較穩(wěn)定。本次研究對象以18層可采煤層為研究目標(biāo)煤層進(jìn)行分析，劃分含煤層氣系統(tǒng)。主采煤層特征見圖2。

圖2 松沙井田主采煤層綜合地層柱狀圖Figure 2 Comprehensive stratigraphic column of main mineable coal seam in Songsha minefield

2.1 煤巖煤質(zhì)垂向特征

綜合研究區(qū)200件樣品化驗結(jié)果分析煤層氣主要成分為甲烷，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥無灰基(甲烷+重?zé)N)濃度為43.07%～99.95%，全區(qū)平均為89.98%。其次為N2濃度全區(qū)平均為9.47%。少量CO2平均為1.33%(圖3)。

圖3 可采煤層煤層氣化學(xué)成分垂向分布Figure 3 Mineable coal seams CBM chemical components vertical distribution

如圖4所示，煤儲層化學(xué)性質(zhì)變化呈現(xiàn)明顯的“階段式”：煤儲層灰分隨煤層深度增加呈波動變化，以7#、16#為界局部呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律變化。煤儲層硫分含量變化隨煤層深度變化規(guī)律大致與灰分變化一致，以7#、16#為界均存在三個旋迴變化，水分含量相對變化較小但仍存在不同程度的旋迴現(xiàn)象。初步推測與“最大海泛面”控制的地層層序格架有關(guān)。

圖4 可采煤層煤質(zhì)化學(xué)特征垂向分布Figure 4 Mineable coal seams coal quality chemical features vertical distribution

2.2 煤儲層含氣性垂向特征

煤層含氣量是煤層埋藏演化過程中經(jīng)過多次生氣儲存、逸散后，在現(xiàn)今地質(zhì)條件下動平衡的產(chǎn)物，是確定煤層含氣性必不可少的參數(shù)。研究區(qū)內(nèi)各主要可采煤層含氣量平均含量在3.94～29.95 ml/g，全區(qū)平均含量為12.48 ml/g(圖5、圖6)。含氣量垂向變化規(guī)律呈波動式：同一煤層23勘查線軸部以北東部，瓦斯含量隨煤層埋藏深度增大而增高，當(dāng)深度達(dá)1000m以后，煤層瓦斯含量趨于常量 ，軸部以南，南西北翼由于受斷層影響，瓦斯含量不隨煤層埋藏深度增大而增高。平面上，煤層越厚，產(chǎn)生的瓦斯量越充沛，煤層厚度從南西北至北東變薄，但北東部煤層埋藏較深，瓦斯含量隨煤層厚度的增加而增加的規(guī)律性不明顯。不同層位煤層平均含氣量大致以10#/16#煤為界，初步劃分為三個旋迴序列：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#；其中同一序列內(nèi)符合隨著埋深增大含氣量逐漸降低的總體變化趨勢。當(dāng)埋深達(dá)到一定深度(17#)時含氣量隨埋深變化趨勢趨于穩(wěn)定。

圖5 煤儲層含氣性垂向變化規(guī)律Figure 5 Coal reservoir gas-bearing property vertical variation pattern

圖6 煤儲層孔隙度垂向變化規(guī)律Figure 6 Coal reservoir porosity vertical variation pattern

2.3 煤儲層解吸-吸附特征

綜合研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料分析，該研究區(qū)煤儲層吸附-解吸能力存在較大差異。各層位煤層蘭氏體積約在16.53～21.00m3/t，平均17.75 m3/t，蘭氏壓力約在0.75～1.60MPa，平均1.15MPa(表1)。根據(jù)實測含氣量、儲層壓力、等溫吸附曲線等計算初步推測臨界解吸壓力、臨儲比、含氣飽和度等可采性評價參數(shù)，顯示該井大部分煤層含氣性好，但同時垂向上同一含氣系統(tǒng)或不同含氣系統(tǒng)各煤層在臨界解吸壓力、含氣飽和度、可采性等方面存在較大差異，這將給后期多煤層合層排采帶來挑戰(zhàn)。

表1 研究區(qū)各可采煤層等溫吸附數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of isothermal adsorption data of mineable coal seams in study area

2.4 煤儲層孔隙-裂縫特征

壓汞法基于進(jìn)汞壓力與孔隙半徑的函數(shù)關(guān)系來獲取煤中有關(guān)孔隙大小、孔徑分布、孔隙類型等孔隙發(fā)育信息，對于中孔以上的孔隙具有較高的精確度，可有效反映煤儲層的滲流特征?？讖絼澐植捎檬M(jìn)制劃分法，即微孔,10nm；小孔，在10～100nm；中孔，在100nm～1000nm；大孔，>1000nm，本文將裂隙也列為“大孔”的范疇。基于現(xiàn)有資料分析，研究區(qū)可采煤層孔隙率為3.567%～7.001%，平均為5.82%；隨埋深增加總體呈現(xiàn)呈減小變化趨勢。壓汞測試結(jié)果表明，研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)以微孔為主，孔徑多分布于15.0～20.2nm?？偪左w積多在3.52～6.09 m2/g，平均約為4.38m2/g(圖7)。微孔、小孔等的發(fā)育，一定程度上有利于煤層氣的吸附與后期解吸，對后期煤層氣地質(zhì)開發(fā)工作提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖7 各可采煤層孔隙結(jié)構(gòu)垂向表征Figure 7 Pore structure vertical characterization of mineable coal seams

利用壓汞曲線分析，選取典型煤層3#/7#/32#/33#四組進(jìn)/退汞曲線進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析。圖8表明研究區(qū)退汞滯后環(huán)相對不明顯，表明煤儲層孔隙以微孔、小孔為主，反映孔隙類型是開放的、連通性好的兩端開口而體腔寬闊的管狀毛細(xì)孔或墨水瓶孔，此為后期儲層壓降及解吸速率的提高提供了良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(圖8)。

2.5 煤儲層滲流特征

綜合搜集研究區(qū)試井結(jié)果，選取三口參數(shù)井試井測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對其10層可采煤層進(jìn)行滲透率及儲層壓力系數(shù)垂向分析表明(圖9)，各煤儲層滲透呈現(xiàn)波動性變化，滲流能力普遍較低，滲透率分布在0.004～0.17mD。儲層壓力系數(shù)普遍小于1，大多屬于低壓儲層，僅有7#存在超壓現(xiàn)象，不利于后期煤層氣排采工作的降壓解吸工作。

值得注意的是，本次滲透率及壓力系數(shù)數(shù)據(jù)取自于不同參數(shù)井，由于測試手段及數(shù)據(jù)提取過程的差異，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及片面性可能導(dǎo)致垂向疊置現(xiàn)象不甚明顯或規(guī)律性較弱。如圖8所示，多層疊置含煤層氣系統(tǒng)理論表明同一含氣系統(tǒng)內(nèi)隨著煤層埋深增加滲透率呈單調(diào)遞減趨勢變化[]?；诖死碚摚?#/16#/23#為系統(tǒng)邊界，劃分為三個旋迴。

3 結(jié)論

基于對典型鉆孔及相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析，對該區(qū)煤層氣地質(zhì)賦存條件進(jìn)行了系統(tǒng)剖析和論證，闡明了該區(qū)獨立疊置含煤層氣系統(tǒng)的垂向分布特征及形成機制。并在此基礎(chǔ)上從煤巖煤質(zhì)、含氣性分布、吸附-解吸特征、孔隙-裂隙特征及滲流特征等5個方面進(jìn)行煤儲層物性垂向差異性分析，最終劃分各獨立含煤層氣系統(tǒng)，并對各系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行闡述分析，主要取得了以下分析：

1)煤儲層化學(xué)性質(zhì)變化呈現(xiàn)明顯的“階段式”變化：煤儲層灰分隨煤層深度增加呈波動變化，以7#、16#為界局部呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律變化。煤儲層硫分含量變化隨煤層深度變化規(guī)律大致與灰分變化一致，以7#、16#為界均存在三個旋迴變化，煤儲層化學(xué)性質(zhì)變化與“最大海泛面”控制的地層層序格架有關(guān)。

圖8 主要可采煤層壓/退汞曲線Figure 8 Mercury intrusion/withdrawal curves of main mineable coal seam

圖9 可采煤層滲透率及儲層壓力系數(shù)垂向分布特征Figure 9 Permeability and reservoir pressure vertical distribution features of mineable coal seams

2)不同層位煤層平均含氣量大致以10#/16#煤為界，初步劃分為三個旋迴序列；其中同一序列內(nèi)符合隨著埋深增大含氣量逐漸降低的總體變化趨勢。當(dāng)埋深達(dá)到一定深度(17#)時含氣量隨埋深變化趨勢趨于穩(wěn)定。

3)該研究區(qū)各煤儲層層蘭氏體積約在16.53～21.00m3/t，平均17.75 m3/t，蘭氏壓力約在0.75～1.60MPa，平均1.15MPa。根據(jù)實測含氣量、儲層壓力、等溫吸附曲線等計算初步推測臨界解吸壓力、臨儲比、含氣飽和度等可采性評價參數(shù)，顯示該研究區(qū)大部分煤層含氣性好。

4)研究區(qū)煤儲層孔隙以微孔、小孔為主，孔隙類型以開放的、連通性好的兩端開口而體腔寬闊的管狀毛細(xì)孔或墨水瓶孔為主，有利于后期儲層壓降。結(jié)合地層層序格架最大海泛面，綜合上述因素分析，將該研究區(qū)煤儲層劃分為3個獨立含煤層氣系統(tǒng)：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#。

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Development Features of Multilayer Superimposed Independent CBM-bearing System in Duge Minefield

Zhang Guangzheng1, Xu Wenhui2

(1.Geological Exploration and Research Institute, Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550006; 2.Guizhou Coalmine Geological Engineering and Geological Environment Monitoring Center, Guiyang, Guizhou 550006)

To find out CBM reservoir geological condition in the Duge minefield, Shuicheng County, Lupanshui City has important guiding significance on subsequent CBM production development proceeded orderly.Based on study area basic geological data, combined with exploitation well logging results and related test data have carried out systematic analysis and summarization for vertical features of multiple coal reservoirs in the area.On this basis, copied from the multilayer superimposed CBM system theory, partitioned the CBM system in the area into multiple cyclic systems.The result has shown that the chemical property variation of multiple coal reservoirs in the area present obvious periodicity; taking the coal seam Nos.7 and 16 as the boundaries, locally present a regular trend of increasing first then decreasing.Coal reservoir sulfur content variation is roughly consistent with ash content variation along with the coal seam depth variation; the boundaries have divided the CBM system into three cycles.Average gas content of coal seam in different horizons within the same sequence will gradually lower along with the increasing of buried depth, but when reach to a certain depth (coal No.17), the gas content variation tends to be stable.Permeability of coal reservoirs is between 0.004～0.17m/d, and present three staged undulatory property; reservoir pressure coefficient generally <1.Pores in coal reservoir are mainly micropore and minipore; pore types have mainly open, good connected tubular capillary pores or ink-bottle pores, propitious to subsequent reservoir pressure dropping.Combined with strata sequence framework maximum marine-flooding surface, comprehensively analyzed the coal reservoir in the area into three independent CBM-bearing systems: Sequence I, coal seam Nos.1,3,5-2,5-3,7;Sequence II, coal seam Nos.10,12,13-1,13-2,14,15-2;Sequence III,coal seam Nos.17,21,23-1,23-2,33,34.

CBM; multilayer superimposed; Duge minefield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.07

1674-1803(2017)07-0028-05

張廣政(1984—)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，2007年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，工程師，主要從事煤田地質(zhì)勘查工作。

2017-04-11

責(zé)任編輯：宋博輦

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