安 林， 韓保山， 盧昭陽

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

煤層氣選區(qū)與評(píng)價(jià)是煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)工作，其結(jié)果直接影響煤層氣產(chǎn)能[1]。常規(guī)的評(píng)價(jià)內(nèi)容包括煤層氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)和保存條件[2]、資源量的估算[3]、儲(chǔ)層參數(shù)的分析[4]、儲(chǔ)層的抽采性、經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。這些都需要豐富的地質(zhì)資料作為支撐，不適用缺乏地質(zhì)資料的地區(qū)或煤層進(jìn)行潛力評(píng)價(jià)。中國礦業(yè)大學(xué)秦勇教授[12]提出了通過臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量等指標(biāo)評(píng)價(jià)煤層氣開發(fā)潛能的方法，該方法適合對(duì)參數(shù)井少，地質(zhì)資料不足的地區(qū)進(jìn)行煤層氣產(chǎn)氣潛力評(píng)價(jià)。

蘆嶺井田主要產(chǎn)氣層為8、9號(hào)煤層[5-6]，10號(hào)煤層滲透率等資料缺乏，難以通過常規(guī)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文通過臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量、不同解吸階段煤層氣解吸效率等指標(biāo)，建立單煤層產(chǎn)氣潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)蘆嶺井田10號(hào)煤層的產(chǎn)氣潛能，為10號(hào)煤層的開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

蘆嶺井田發(fā)育寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、新近系、第四系。地層受古生代加里東早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，致使本區(qū)缺失了上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)。石炭紀(jì)早期，本區(qū)地殼緩慢下沉，接受沉積，并具備有良好的成煤環(huán)境，沉積了一套含煤地層。如圖1所示，蘆嶺井田處于宿東向斜西南翼的東南段。井田內(nèi)主要以斜切斷層為主。

蘆嶺井田含煤地層為石炭-二疊系。石炭系太原組地層含煤6～8層；二疊系含煤地層有下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組，含煤地層厚度約1 010m，含煤19～58層，煤層總厚約1.14～58.48m，平均20.60m，含煤地層含煤系數(shù)2.04%，主采煤層為8、9、10號(hào)煤層。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖及地層簡(jiǎn)表Figure 1 Structural outline map of study area and simplified stratigraphic scale

各煤層的顯微煤巖組分均以有機(jī)質(zhì)為主約占80.0%～97.41%，無機(jī)質(zhì)約3%～20%。主要煤層均以鏡質(zhì)組為主，約占37.2%～88.79%，惰性組次之約占0.43%～42.4%，穩(wěn)定組約占0.99%～27.64%。

2 評(píng)價(jià)參數(shù)及獲取

2.1 吸附數(shù)據(jù)

蘆嶺井田主要開發(fā)煤層為8、9號(hào)煤層，缺乏10號(hào)煤層吸附數(shù)據(jù)，因此在蘆嶺井田采取10號(hào)煤層樣品，按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，獲得10號(hào)煤層等溫吸附曲線數(shù)據(jù)(表1)。

表1 蘆嶺井田10號(hào)煤層儲(chǔ)層參數(shù)表

2.2 臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量

有效解吸量是在單井控制范圍內(nèi)煤層氣井見氣后到枯竭前能夠從單位重量煤巖中產(chǎn)出的氣量。在等溫吸附曲線上表現(xiàn)為臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)的吸附量與廢棄壓力對(duì)應(yīng)的吸附量之差[7]。

臨儲(chǔ)壓差是指臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力的差值，其大小反映了煤層氣見氣之前需要降壓的大小。臨廢壓差是指臨界解吸壓力與廢棄壓力的差值，其反映了地層能量的大小。臨儲(chǔ)壓差(Pc)、臨廢壓差(Pca)、有效解吸量(Ve)的關(guān)系(圖2)。

臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量計(jì)算方法如下：

Pc=P-Pcd

(1)

Pca=Pcd-Pad

(2)

Ve=Vcd-Vad

(3)

式中：P為原始儲(chǔ)層壓力，MPa;Pcd為臨界解吸壓力，MPa;Pad為廢棄壓力，Vcd為臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)的含氣量，m3/t；Vad為廢棄壓力對(duì)應(yīng)的含氣量，m3/t。

2.3 解吸效率與解吸階段

等溫吸附曲線是壓力與氣含量的關(guān)系曲線，通過對(duì)壓力求導(dǎo)可得到解吸效率(V′)公式：

(4)

式中：VL為蘭氏體積；PL為蘭氏壓力。

解吸效率的工程意義為噸煤壓力降低單位壓力時(shí)的產(chǎn)氣量。其反映了儲(chǔ)層產(chǎn)氣速率的快慢。令解吸效率等于0，可求得解吸曲線的轉(zhuǎn)折壓力(Ptu)，當(dāng)壓力大于轉(zhuǎn)折壓力時(shí)隨著壓力的降低，解吸效率逐漸增大，當(dāng)壓力小于轉(zhuǎn)折壓力時(shí)，隨著壓力的降低，解吸效率逐漸的增大。

(5)

將解吸效率公式，求對(duì)壓力的二階導(dǎo)數(shù)，并令二階導(dǎo)數(shù)為0，得到兩個(gè)壓力值PSe、Pst，分別命名為啟動(dòng)壓力與敏感壓力[8]，以轉(zhuǎn)折壓力、啟動(dòng)壓力(式6)、敏感壓力(式7)為節(jié)點(diǎn)，將等溫吸附曲線分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸 4 個(gè)階段，如圖3所示[9-11]，這四個(gè)階段代表著解吸效率的高低，其中敏感解吸階段意味著下單位壓力是能夠產(chǎn)生比前三個(gè)階段更多的氣量。

(6)

(7)

壓力/MPa圖2 蘆嶺井田10號(hào)煤層有效解吸量示意圖Figure 2 A schematic diagram of coal No.10 effective desorption volume in Luling minefield

壓力/MPa圖3 蘆嶺井田10號(hào)煤層解吸階段劃分示意圖Figure 3 A schematic diagram of coal No.10 desorption stage partitioning in Luling minefield

2.4 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

有效解吸量反映了煤層氣采收率，臨儲(chǔ)壓差反映見氣難易程度，臨廢壓差則指示地層能量強(qiáng)度。理論上，上述3個(gè)指標(biāo)能夠反映煤層產(chǎn)氣潛力。但是，煤層氣解吸對(duì)儲(chǔ)層壓力變化較為敏感，具體表現(xiàn)為不同解吸階段的解吸效率[12]。一方面，較高的解吸效率可使煤層在較短時(shí)間內(nèi)解吸大量氣體 ；另一方面，較高的解吸效率能增大解吸體積，進(jìn)而提高煤層氣產(chǎn)出動(dòng)態(tài)滲透率和氣井產(chǎn)能。

解吸效率、解吸階段有效的補(bǔ)充了有效解吸量、臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差指示意義，能夠更加全面的評(píng)價(jià)煤層氣井產(chǎn)氣潛力。

3 10號(hào)煤層產(chǎn)氣潛力評(píng)價(jià)

3.1 對(duì)比分析

3.1.1 有效解吸量

以廢棄壓力為0.2、0.5、0.7 ，按照公式(3)計(jì)算臨儲(chǔ)壓差、有效解吸量，計(jì)算結(jié)果如表2所示：

表2 蘆嶺井田10號(hào)煤層有效解吸量計(jì)算表

從上表可以發(fā)現(xiàn)，在取廢棄壓力為0.2MPa時(shí)，10號(hào)煤的煤層氣有效解吸量達(dá)5.59MPa，即從每噸煤中能夠解吸出5.59m3的煤層氣；在廢棄壓力為0.7時(shí)，計(jì)算可解吸3.18m3的煤層氣,表明10號(hào)煤具有較好的生氣潛能。但是，10號(hào)煤層的臨儲(chǔ)壓差為6.53MPa，表明在10號(hào)煤層煤層氣排采過程中需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的排水降壓才能達(dá)到臨界解吸壓力，開始產(chǎn)氣。

3.1.2 解吸階段及解吸效率

按照(4)、(5)、(6)式計(jì)算10號(hào)煤的啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力、敏感壓力結(jié)果如下表：

表3 蘆嶺井田10號(hào)煤層解吸階段劃分壓力表

根據(jù)上表將等溫吸附曲線分為低效解吸、緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸4個(gè)階段，如圖3所示。由于10號(hào)煤層的原始儲(chǔ)層壓力為8.12MPa，煤層氣會(huì)經(jīng)歷緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸3個(gè)階段。10號(hào)煤層的臨界解吸壓力1.95MPa，略大于其敏感壓力，在煤層氣實(shí)際排采過程中，只經(jīng)歷一小部分快速解吸和敏感解吸兩個(gè)階段。通過對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)蘆嶺井田8號(hào)煤、9號(hào)煤的臨界解吸壓力小于敏感壓力，在排采過程中，只經(jīng)歷敏感解吸階段，8、9號(hào)煤解吸效率高，產(chǎn)氣很快就能達(dá)到產(chǎn)氣高峰，而10號(hào)煤在產(chǎn)氣后則需要一段時(shí)間才能達(dá)到產(chǎn)氣高峰，并不會(huì)突然上升。

表4 蘆嶺井田10號(hào)煤層解吸效率計(jì)算表

按照公式(4)取廢棄壓力0.2MPa，計(jì)算10號(hào)煤層的煤層氣最大解吸效率為5.43m3/t臨界解吸壓力階段對(duì)應(yīng)最小煤層氣解吸效率，為2.98 m3/t表明10號(hào)煤層煤層氣開發(fā)產(chǎn)氣效果會(huì)相對(duì)較好。

4 結(jié)論

(1)蘆嶺井田10號(hào)煤層的有效解吸量達(dá)5.59MPa，表明10號(hào)煤具有良好的產(chǎn)氣潛能，但是臨儲(chǔ)壓差為6.53MPa，需要降壓一段時(shí)間后才能產(chǎn)氣。

(2)10號(hào)煤層氣生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷快速解吸、敏感解吸2個(gè)階段，廢棄壓力取值為0.2、0.5、0.7最大解吸效率為5.43～4.28m3/t·MPa，要小于8、9號(hào)煤的最大解吸效率，相對(duì)8、9號(hào)煤產(chǎn)氣潛能要差，但是達(dá)到了工業(yè)氣流的下限標(biāo)準(zhǔn)，具有工業(yè)開采的價(jià)值。