孫景龍 郎海亮 張 偉 崔 英

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)，新疆 830009；2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830009)

1 概況

井田位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山地槽褶皺系和準(zhǔn)噶爾盆地南緣結(jié)合部。東西長(zhǎng)15.6km，南北寬2.78～11.1km，面積78km2，為了研究該井田煤層氣分布及煤層氣資源情況，區(qū)內(nèi)共收集煤田勘探孔100余個(gè)，煤層氣參數(shù)井8口，排采試驗(yàn)井2口，井田內(nèi)主力煤層6層，煤炭資源總量為188508×104t，瓦斯風(fēng)化帶下限至2000m以淺煤層氣資源量133億m3。

2 煤層特征

西山窯組為井田內(nèi)主要的含煤地層，地層厚度731.38m，含煤22層,平均純煤總厚53.31m，總體為一向西南傾斜的單斜構(gòu)造，傾角多在10°～85°之間，11線以東地層傾角較大，一般在60～85°之間，11線以西地層傾角較小，一般在10～30°之間，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造。主力勘查開(kāi)發(fā)煤層6層，編號(hào)分別為B12、B10、B8、B5、B4、B3煤層(表1)。

表1 西山窯組煤層特征一覽表

各煤層的變質(zhì)階段均為Ⅰ-Ⅱ階 ，鏡煤最大反射率Ro,max≤0.70。煤的變質(zhì)程度低，屬于低變質(zhì)階段的煙煤。B3、B4、B5、B8煤層以不粘煤和弱粘煤為主。B10煤層以弱粘煤為主、B12煤層則以長(zhǎng)焰煤為主。

3.煤儲(chǔ)層物性特征

3.1 煤巖特征

(1)煤巖宏觀特征

各可采煤層物理性質(zhì)基本相同，均為黑色，塊狀、碎塊狀及粉未狀，性脆，易破碎，蠟狀-瀝青光澤，參差狀、平坦?fàn)顢嗫冢瑮l帶狀結(jié)構(gòu)，水平層狀構(gòu)造，節(jié)理及內(nèi)生裂隙發(fā)育。

(2)顯微煤巖特征

各煤層顯微煤巖組分有機(jī)質(zhì)組分占76.0%～98.5%，平均98.1%，無(wú)機(jī)質(zhì)組分占1.6%～22.0%，平均6.7%。有機(jī)組成以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量一般在51.3%～74.0%之間，平均64.8%；惰質(zhì)組含量在26.0%～48.7%之間,平均35.2%。

3.2 等溫吸附特征

煤層氣以游離、吸附和溶解三種狀態(tài)賦存于煤層中，主要為吸附狀態(tài)，其中吸附氣占90%以上，主要成分為甲烷，占80%以上。因此，煤吸附甲烷的性能成為定量研究煤層氣儲(chǔ)集條件的重要指標(biāo)，它能綜合反映煤巖溫度、壓力、煤質(zhì)等條件對(duì)煤吸附能力的影響(見(jiàn)表2)。

表2 煤層等溫吸附特征一覽表

當(dāng)溫度一定時(shí)，煤巖對(duì)甲烷的吸附量服從蘭格繆爾等溫方程：

V=VL×P/(PL+P)

式中：V為壓力P下單位質(zhì)量固體所吸附的氣體體積(m3/t)；VL為蘭氏體積(m3/t)；PL為蘭氏壓力(MPa)；P為氣體壓力(MPa)。

蘭氏體積是反映煤吸附能力大小，一般它的值越大，吸附性能越好。蘭氏壓力主要是影響等溫吸附曲線形態(tài)的參數(shù)，該指標(biāo)越大，煤層中吸附氣體解吸越容易，開(kāi)發(fā)就越有利。

由表2可以看出區(qū)內(nèi)各煤層蘭氏體積和蘭氏壓力相對(duì)較大，所以各煤層吸附氣體體積較大，煤層氣開(kāi)發(fā)潛力大。區(qū)內(nèi)CS-1井排采資料顯示，實(shí)際的臨/儲(chǔ)比為0.92。排采井降壓量在0.75MPa，目的煤層就開(kāi)始解吸產(chǎn)氣。實(shí)際生產(chǎn)表明，主力煤層具有較高的臨界解吸壓力，煤層氣容易采出。

3.3 煤層封蓋條件

煤層頂?shù)装鍘r性是影響煤層的封蓋條件的重要因素。結(jié)合井田內(nèi)的煤田、煤層氣鉆孔取芯資料與測(cè)井資料，井田內(nèi)主力煤層頂?shù)讕r性涵蓋了泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖，雖巖性變化較大，但測(cè)井解釋多為滲透性較差、含水性較弱的層位，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時(shí)也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

3.4 煤層孔隙、裂隙及滲透性

煤儲(chǔ)層具有由孔隙-裂隙組成的雙重孔隙結(jié)構(gòu)。煤化作用過(guò)程中生成的大量揮發(fā)性物質(zhì)以吸附態(tài)賦存在基質(zhì)孔隙中，氣體的產(chǎn)出須從煤體內(nèi)表面解吸，通過(guò)微孔擴(kuò)散，流入裂隙系統(tǒng)，最終匯入井筒。因此，裂隙是氣體運(yùn)移的主要通道，它關(guān)系到儲(chǔ)層的滲透性，決定開(kāi)發(fā)井的產(chǎn)能高低。

(1)煤層的孔隙度

3口煤層氣井煤層壓汞實(shí)驗(yàn)表明，區(qū)塊內(nèi)主力煤層的孔隙度不高，一般小于10%，屬于低孔隙度儲(chǔ)層，屬于低-中孔隙儲(chǔ)層。

(2)煤層的裂隙發(fā)育

通過(guò)對(duì)煤芯煤樣資料的觀察和研究，主力煤層B12煤面割理3.9條/cm，端割理5.3條/cm，割理較發(fā)育；B10煤面割理密度3.2～7.9條/cm，端割理密度1.8～4.9條/cm，割理發(fā)育-較發(fā)育；B8煤面割理密度5.1～5.3條/cm，端割理密度4.1～4.8條/cm，割理發(fā)育-較發(fā)育；B5煤面割理密度7.3條/cm，端割理密度4.5條/cm，割理發(fā)育；B4煤面割理密度3.4～3.9條/cm，端割理密度5.4～6.5條/cm，割理較發(fā)育；B3煤面割理密度10.1條/cm，端割理密度3.1條/cm，割理發(fā)育，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。

(3)煤層的滲透率

煤層的滲透性用于衡量多孔介質(zhì)允許通過(guò)的能力，是影響煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)注入/壓降測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，各主力煤層表現(xiàn)為較好的滲透率，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)(表3)。

表3 煤層滲透性特征表

由表3可以看出區(qū)內(nèi)各煤層滲透力大部分屬于中高滲儲(chǔ)層，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。區(qū)內(nèi)CS-1井在排采過(guò)程中，日常水量在6.245～36.576m3之間，平均日產(chǎn)水量為18.98m3，反映出區(qū)內(nèi)煤層為較高的煤層滲透率。

3.5 儲(chǔ)層壓力和溫度

煤層氣的有效壓力系統(tǒng)決定了煤層氣產(chǎn)出的能量大小及有效驅(qū)動(dòng)能量持續(xù)作用時(shí)間。儲(chǔ)層壓力越高、臨界解吸壓力越大、有效地應(yīng)力越小，煤層氣的解吸-擴(kuò)散-滲流過(guò)程進(jìn)行得越徹底，表現(xiàn)為采收率增大，氣井產(chǎn)能增大。通過(guò)注入/壓降試井獲取。井田內(nèi)儲(chǔ)層壓力基本正常，具有欠壓-常壓特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)井測(cè)溫儲(chǔ)層溫度梯度1.96～3.31℃/100m，屬低-常溫(表4)。

表4 煤層儲(chǔ)層特征一覽表

4.煤層含氣性

4.1 煤層氣氣含量

井田內(nèi)有4口井進(jìn)行了煤層氣解析實(shí)驗(yàn)，分別是CS-1、TCS-1、TC-2、TC-3，含氣性變化范圍大，從0.88m3/t～9.51m3/t，這與井的位置有直接關(guān)系，井田基本是一南傾的單斜構(gòu)造，北部埋深淺，保存條件相對(duì)差，而南部煤層埋深加大，保存條件變好，含氣量隨埋深的增加而增大(圖1)，南部為煤層氣富集區(qū)。

圖1 瓦斯數(shù)據(jù)與深度關(guān)系圖

井田內(nèi)煤層氣含量變化規(guī)律主要受深度影響，即隨著深度增加煤層含氣量不斷增加，而且隨著深度的增加含氣量增加的梯度變緩。根據(jù)構(gòu)造的不同將井田分為東西兩個(gè)有利區(qū)(圖2)。

圖2 B8號(hào)煤層含氣量等值線圖

井田西部構(gòu)造緩坡區(qū)B12煤層氣含量9.85m3/t；B10煤層氣含氣量為5.28m3/t～9.69m3/t；B8煤層煤層氣含氣為5.92m3/t～9.69m3/t；B5煤層氣含量為5.19m3/t～8.98m3/t；B4煤層氣含量為4.4m3/t～7.86m3/t；B3煤層氣含量為5.38m3/t～10.77m3/t。

東部構(gòu)造陡傾區(qū)B12煤層氣含量為2.74m3/t～7.53m3/t；；B10煤層氣含量為4.27m3/t～9.45m3/t；B8煤層氣含量為5.38m3/t～10.5m3/t；B5煤層氣含量為3.69m3/t～6.19m3/t；B4煤層氣含量為3.24m3/t～8.96m3/t；B3煤層氣含量為3.68m3/t-10.72m3/t；

4.2 煤層氣成分

(1)通過(guò)測(cè)試，井田主力煤層的氣體組分具有典型低煤階的煤層氣組分特征，以甲烷為主，二氧化碳含量其次，其他氣體含量較少，通過(guò)室內(nèi)煤層解析數(shù)據(jù)(圖3)。

(2)煤層氣井井口氣

從CS-1井口出氣管線采氣樣，來(lái)測(cè)試煤層產(chǎn)出氣的氣體組分主要為CH4， CO2、N2含氣很少，甲烷含量在86.43%～94.83%，平均含量為89.78%，二氧化碳含量2.35%～6.69%，平均含量為4.92%，氮?dú)夂?.05%～6.09%，平均含量為4.30%。

(3)氣體碳同位素特點(diǎn)

對(duì)B10、B8煤層做了煤層氣甲烷碳同位素分析，該兩層煤層氣甲烷碳同位素分析表明：氣體甲烷碳同位素平均甲烷同位素為-60.42‰。通過(guò)該井兩套煤層甲烷碳同位素可以看出，甲烷碳同位素均較輕，均小于-55‰，均屬生物成因氣體。

5 有利區(qū)優(yōu)選

以井田內(nèi)煤層埋藏深度、煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)、煤巖特征和含氣性等為基礎(chǔ)，按照煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)方法，結(jié)合井田地質(zhì)特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)將井田劃分為西部構(gòu)造緩傾區(qū)和東部構(gòu)造陡傾區(qū)兩個(gè)煤層氣勘查開(kāi)發(fā)有利區(qū)塊，區(qū)內(nèi)主力煤層多，煤層厚度大，含氣量高，煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂煤和碎粒，并且區(qū)內(nèi)已有煤層氣排采試驗(yàn)井排水采氣情況較好，單井日產(chǎn)氣1500m3以上，說(shuō)明該井田具有較好的煤層氣勘查開(kāi)發(fā)前景(圖4)。

圖3 煤層解吸CH4和CO2濃度分布直方圖

圖4 B8煤層埋深等值線及有利區(qū)塊圖