劉會虎，琚其定，胡友彪，黃 暉，徐宏杰

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001； 2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮南 232001)

0 引言

淮南煤田煤層氣于二十一世紀(jì)初期才開始大規(guī)?？碧介_發(fā)，到近期，煤層氣的可利用資源量己達(dá)到5×1010m3[1-2]。煤層的含氣性是決定煤層氣資源量的一個重要因素，目前，國內(nèi)外對煤層氣含氣量的評價方法主要有：現(xiàn)場解吸法、等溫吸附法、測井解釋法等，潘和平等人發(fā)現(xiàn)煤層含氣量與煤層溫度、壓力及碳分、灰分含量具有密切關(guān)系，從而建立了煤層含氣量的多元線性回歸預(yù)測方法[3-5]。張群推導(dǎo)出新的煤吸附甲烷的溫度-壓力綜合吸附模型,給出了模型中特征常數(shù)的求取方法，并指出該方法比蘭格繆爾等溫吸附模型的功能更強，適用范圍更寬[6-9]。測井解釋法是將測井?dāng)?shù)據(jù)和巖心實驗結(jié)合起來建立含氣量的測井解釋模型，可以預(yù)測含氣量并減少實驗成本，但結(jié)果有一定的誤差；等溫吸附法獲得的是煤的最大吸附量，未考慮游離氣，但它正確表征了煤層的吸附特征；現(xiàn)場解吸法反映了樣品的實際含氣量,但受取心方式和提鉆時間影響,損失氣估算誤差較大[10]。本文將通過收集淮南礦區(qū)的鉆探資料，對淮南礦區(qū)13煤進(jìn)行等溫吸附實驗，利用實驗所得到的理論含氣量對13煤層的理論飽和度進(jìn)行了計算，最后以研究區(qū)13#煤層的含氣量數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了其隨深度的垂向分布特征及水平分布規(guī)律。

1 研究區(qū)13煤層含氣性分析

1.1 煤層氣吸附解吸特征

1.1.1 顧橋礦

根據(jù)實驗測試的結(jié)果，對顧橋礦45個鉆孔取心煤樣的等溫吸附實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。由圖1和圖2可以看出，八補4孔取樣13-1煤在干燥無灰條件下最大吸附量為17.156 3 m3/t，八-九補1孔取樣13-1煤在干燥無灰條件下最大吸附量為16.857 8 m3/t，吸附常數(shù)分別為0.676 8 MPa-1和0.580 8 MPa-1。將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力，則八補4孔和八～九補1孔13-1煤進(jìn)行等溫吸附實驗時所得到朗格繆爾壓力分別為1.478MPa、 1.722MPa。

Q=17.156 3×0.676 8p/(1+0.676 8p)采樣深度：963.8～969.32m圖1 八補4孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 1 Borehole BB No.4 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=16.857 8×0.580 8p/(1+0.580 8p)采樣深度：901.19～908.37m圖2 八～九補1孔13-1煤的等溫吸附曲線Figure 2 Borehole B～JB No.1 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

對顧橋45個鉆孔的13-1煤的等溫吸附實驗結(jié)果中理論吸附量和朗格繆爾體積進(jìn)行了統(tǒng)計，如表1。

表1 顧橋礦13-1煤等溫吸附實驗參數(shù)(干燥無灰基)

由表1可知，顧橋礦13-1煤理論吸附量變化于15.852 3～17.804 6 m3/t，平均為17.011 m3/t，朗格繆爾壓力為1.198～1.940MPa，平均為1.616MPa。

1.1.2 潘三礦

根據(jù)實驗測試的結(jié)果，對潘三礦40口鉆孔取心煤樣的等溫吸附實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。圖3和圖4分別為ⅩⅢ東13孔和ⅩⅣ東15孔的13-1煤的等溫吸附曲線。由圖3-15和圖3-16可以看出，ⅩⅢ東13孔和ⅩⅣ東15孔13-1煤的最大吸附量分別為17.136 4m3/t、17.449 5m3/t，將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力分別為1.568 MPa、1.288 MPa。

Q=17.136 4×0.637 99p/(1+0.637 9p)采樣深度：812.55～817.70m圖3 ⅩⅢ東13孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 3 Borehole XIII E No.13 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=17.449 5×0.776 3p/(1+0.776 3p)采樣深度：851.10～855.68m圖4 ⅩⅣ東15孔13-1煤等溫吸附曲線Figure 4 Borehole XIV E No.15 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

根據(jù)等溫吸附曲線及等溫吸附實驗參數(shù)，將吸附常數(shù)b換算成朗格繆爾壓力，對研究區(qū)潘三礦13-1煤等溫吸附實驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計，如表2。由表2，13-1煤的最大吸附量介于16.293 1～20.120 3 m3/t，平均值為17.773 0 m3/t，朗格繆爾壓力介于1.067～1.941MPa，平均為1.391MPa。根據(jù)實驗結(jié)果可知，潘三礦13-1煤最大吸附量較高，略高于顧橋礦，朗格繆爾壓力較低，略低于顧橋礦。

表2 潘三礦13-1煤等溫吸附實驗參數(shù)(干燥無灰基)

1.1.3 丁集礦

表3為丁集礦13-1煤的等溫吸附實驗參數(shù)(其中朗格繆爾壓力由等溫吸附實驗結(jié)果中吸附常數(shù)換算而成)。

由表3可知，丁集礦13-1煤的最大吸附量變化于16.760 4～18.280 0 m3/t，平均為17.207 7 m3/t，朗絡(luò)繆爾壓力變化于0.895～1.369 MPa，平均值為1.103MPa。由丁集礦13-1煤的等溫吸附實驗參數(shù)結(jié)果可知，13-1煤的朗格繆爾壓力較低，理論吸附量較高。

表3 丁集礦13-1煤等溫吸附實驗參數(shù)(干燥無灰基)

1.2 煤層氣含氣量變化特征

對顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣量進(jìn)行分析，如圖5。由圖5可知：顧橋礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于1.43～23.65 m3/t，平均為6.18 m3/t；潘三礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于0.48～31.9 m3/t，平均為12.55 m3/t；丁集礦13-1煤的煤層氣含氣量變化于3.43～20.30 m3/t，平均為9.32 m3/t。

由顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣量分析可知，煤層含氣量的分布離散，不同鉆孔取樣測試的煤層含氣量差異很大，表明受地質(zhì)因素影響不同部位煤層的含氣性差異明顯。將這三個礦區(qū)的含氣量特征進(jìn)行比較，可以得出三個礦區(qū)的含氣量分布變化特征基本一致。

1.3 煤層氣理論飽和度變化特征

根據(jù)顧橋礦和潘三礦主要煤層實測含氣量和等溫吸附實驗所得到的理論含氣量，對主要煤層的理論飽和度進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖6。由圖6可知：顧橋礦13-1煤的理論飽和度變化于8.48%～138.07%，平均理論飽和度36.75%；潘三礦13-1煤的理論飽和度2.93%～186.43%，平均理論飽和度70.71%；丁集礦13-1煤的理論飽和度19.89 %～117.67%，平均理論飽和度54.21 %；11-2煤的理論飽和度變化于33.12 %～74.04 %，平均52.25 %。

圖5 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)含氣量統(tǒng)計分布Figure 5 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) gas content statistical distributions

圖6 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)13-1煤理論飽和度Figure 6 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 theoretical saturations

由顧橋礦、潘三礦和丁集礦13#煤層的含氣理論飽和度可知，絕大部分煤層的理論飽和度變化于20%～60%，局部煤層的理論飽和度較高。研究結(jié)果顯示：在不同區(qū)域或不同部位均為不飽和狀態(tài)，揭示出研究區(qū)顧橋礦和丁集礦煤層的含氣程度均為不飽和。通過比較三個礦區(qū)的飽和度，潘三礦有相當(dāng)一部分超過了100%，達(dá)到了飽和其至過飽和，這表明潘三礦不同區(qū)域中的不同煤層的含氣程度存在飽和或過飽和的現(xiàn)象。

1.4 煤層氣空間分布特征

(1)煤層含氣垂向變化特征。圖7分別為顧橋礦、潘三礦和丁集礦13-1煤層含氣量與煤層埋深之間的關(guān)系。13煤層煤層氣量與煤層埋深之間的關(guān)系離散，基本上沒有明顯相關(guān)性，表明煤層埋深對煤層含氣量的影響很弱。

(2)煤層含氣量水平變化特征。通過選取顧橋礦、潘三礦和丁集礦的穩(wěn)定可采煤層13-1煤，依據(jù)13-1煤層的煤層含氣量數(shù)據(jù)，繪制了煤層含氣量等值線圖，如圖11所示。

由圖8可知，研究區(qū)13-1煤的煤層含氣量變化規(guī)律呈現(xiàn)出南部高北部低的特點。13-1煤含氣量的分布具體表現(xiàn)出以下特點：在潘三礦的東南和西南部位分別出現(xiàn)高值區(qū)域，含氣量自南向北降低；顧橋礦的13-1煤的含氣量整體呈現(xiàn)由東南往西北降低的特點，局部出現(xiàn)異常高值或異常低值區(qū)域。

圖7 顧橋礦、潘三礦、丁集礦(自左向右)13-1煤含氣量與煤層埋深的關(guān)系Figure 7 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 relationship between gas content and coal seam buried depth

圖8 研究區(qū)13-1煤含氣量等值線圖Figure 8 Isogram of coal No.13-1 gas content in study area

2 結(jié)論

(1)13#煤層最大吸附量變化范圍為15.85～20.12 m3/t，平均為17.33 m3/t，朗格繆爾壓力為0.89～1.94 MPa，平均為1.37 MPa；13#煤層氣含氣量變化于0.48～31.90 m3/t，平均為9.35 m3/t;13#煤層的理論飽和度變化于2.93%～186.43%，平均理論飽和度為53.89%；

(2)不同鉆孔取樣測試的煤層含氣量差異很大，最高可達(dá)33.5 m3/t，最低為4.9 m3/t。

(3)13#煤層含氣量與煤層埋深之間的關(guān)系離散，沒有明顯相關(guān)性，煤層氣含氣量隨深度變化的差異不明顯，13-1煤含氣量在平面上由南到北整體上呈逐漸降低的趨勢。