武 杰，劉 捷

(1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000；3.中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

1 研究區(qū)概況

潘莊煤層氣區(qū)塊位于沁水盆地東南部晉城礦區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°24' 00"～112°36'00"，北緯35°40' 00"～35°34' 43"，面積為157.755 km2。區(qū)塊內(nèi)煤系地層相對(duì)發(fā)育，煤層累計(jì)厚度大、可采煤層多，具有良好的含煤性和含氣性。為解決煤層高瓦斯給礦井煤炭開(kāi)采造成的難題，晉煤集團(tuán)于20世紀(jì)90年代在該區(qū)開(kāi)展了地面煤層氣抽采、相關(guān)煤層氣地質(zhì)及勘探開(kāi)發(fā)理論方面的研究工作，為我國(guó)“采煤采氣一體化”的煤與煤層氣綠色共采開(kāi)創(chuàng)出了一條新路[1-2]。煤層是煤層氣的生氣層和儲(chǔ)集層，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，其物性特征不僅影響著煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)選擇，亦是造成不同煤礦區(qū)、不同井田、塊段煤層氣開(kāi)發(fā)成效的關(guān)鍵之因[3-5]。本文基于潘莊煤層氣區(qū)塊煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資料、地質(zhì)及煤層氣地質(zhì)資料，采用煤層氣地質(zhì)理論，對(duì)區(qū)塊內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行研究，研究成果以期為區(qū)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)和礦井瓦斯防治提供有益技術(shù)參數(shù)。

2 煤儲(chǔ)層物性特征研究

2.1 煤儲(chǔ)層特征

煤儲(chǔ)層厚度大小、展布形態(tài)等煤層特征影響著煤炭資源及煤層氣資源的可開(kāi)發(fā)價(jià)值及開(kāi)發(fā) 技術(shù)工藝[6-7]。理論和實(shí)踐表明，煤儲(chǔ)層厚度越大越有利于煤層氣開(kāi)發(fā)和煤層氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[8]。潘莊煤層氣區(qū)塊屬于多煤層疊置發(fā)育區(qū)，二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層，兩組地層共計(jì)含煤16層，自上而下編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、8-1、8-2、9、10、11、12、13、15、16。其中，山西組3號(hào)煤儲(chǔ)層、太原組9、15號(hào)煤儲(chǔ)層為全區(qū)塊較穩(wěn)定、穩(wěn)定可采煤層，其他為不穩(wěn)定、不可采煤層。本文研究的15號(hào)煤層位于太原組之下部，上距3、9號(hào)煤儲(chǔ)層平均距離分別為87.20 m和40.04 m。煤儲(chǔ)層總體展布穩(wěn)定，相對(duì)厚煤區(qū)主要發(fā)育在區(qū)塊的北部及北東部，相對(duì)薄煤區(qū)主要發(fā)育在區(qū)塊的北西部，區(qū)塊的其他區(qū)域煤儲(chǔ)層厚度變化不大(圖1)，區(qū)塊內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層厚度為0.30～6.17 m，平均3.21 m。煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，煤中含泥質(zhì)、炭質(zhì)泥巖夾矸0～4層?？梢钥闯?，15號(hào)煤儲(chǔ)層具有較好的含煤性，可為煤層氣開(kāi)發(fā)和煤炭資源開(kāi)采提供良好的目標(biāo)層位[6,8]。

圖1 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層厚度等值線

2.2 煤儲(chǔ)層含氣性

2.2.1 煤儲(chǔ)層含氣量

煤儲(chǔ)層含氣量又稱煤層氣含量或瓦斯含量，系指單位煤炭質(zhì)量或體積中所含的氣體量，是表征煤層含氣性的最直接參數(shù)，常用單位為cm3/g或m3/t。煤儲(chǔ)層含氣量是煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測(cè)、煤層氣資源儲(chǔ)量計(jì)算、礦井瓦斯防治技術(shù)措施選擇的重要技術(shù)參數(shù)[9-10]。研究區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用煤層氣井鉆井繩索取芯解吸法獲得了一些15號(hào)煤層含氣量數(shù)據(jù)。由煤儲(chǔ)層含氣量測(cè)定結(jié)果可知(表1)，潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣量(空氣干燥基)普遍較高且賦存不均衡性顯著，煤儲(chǔ)層含氣量一般為5.62～28.45 m3/t，平均15.72 m3/t。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣性好，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供較好的氣源保障，是煤層氣高產(chǎn)富集的關(guān)鍵之因[11-12]，但亦加大了礦井瓦斯防治的難度。

表1 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣量測(cè)定結(jié)果

2.2.2 煤儲(chǔ)層含氣飽和度

煤儲(chǔ)層含氣飽和度是表征煤層含氣性、煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)等的重要參數(shù)，系指煤中孔隙被煤層氣充滿的程度。煤儲(chǔ)層含氣飽和度主要基于煤的等溫吸附曲線進(jìn)行求取[13]，即利用實(shí)際測(cè)定煤層含氣量和煤儲(chǔ)層壓力下在等溫吸附曲線上所對(duì)應(yīng)的煤的理論吸附量的比值，其表達(dá)公式如下：

S含=V實(shí)/V理

(1)

式中：S含為煤儲(chǔ)層含氣飽和度，%；V實(shí)為實(shí)測(cè)含氣量，m3/t；V理為理論吸附量，m3/t。

基于煤的等溫吸附試驗(yàn)曲線，并利用公式(1)對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣飽和度進(jìn)行了計(jì)算，其含氣飽和度一般為90.9%～101.7%，平均為95.6%(表2)。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣飽和度普遍較高，煤儲(chǔ)層含氣飽和度為近飽和-過(guò)飽和，有利于煤層氣井高產(chǎn)和提高煤層氣采收率[14]。

表2 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層含氣飽和度計(jì)算結(jié)果

2.3 煤的孔裂隙特征

2.3.1 煤的孔隙特征

煤是一種具有孔裂隙發(fā)育的雙孔介質(zhì)，煤中孔隙特征(孔隙度、孔徑大小、孔隙連通性(或被充填情況)等)影響著煤層氣的吸附、儲(chǔ)集和運(yùn)移[15-16]。在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用多技術(shù)手段對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，15號(hào)煤的變質(zhì)程度較高(煤類為無(wú)煙煤)，導(dǎo)致了煤中孔隙相對(duì)發(fā)育，孔隙度較高，一般為 7.83%～11.67%，平均為9.14%(表3)。同時(shí)，煤中孔隙以小孔和微孔為主，中孔次之，大孔最不發(fā)育[17]，有利于煤層氣的大量吸附儲(chǔ)集。同時(shí)，煤中孔隙多被礦物質(zhì)所充填，孔隙間連通性和透氣性相對(duì)較差，勢(shì)必影響煤層氣的高效擴(kuò)散、滲流等運(yùn)移行為和煤層氣井的高產(chǎn)[18]。

表3 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層孔隙度測(cè)定結(jié)果

2.3.2 煤的裂隙特征

煤的裂隙特征影響著煤層的滲透性能、煤層氣擴(kuò)散及滲流行為、煤層氣抽采難易程度及煤層氣井的產(chǎn)氣量等，在煤層氣開(kāi)發(fā)和礦井瓦斯防治方面尤為重視其研究[19-20]。為了提高煤層氣勘探開(kāi)發(fā)成效和礦井瓦斯防治水平，對(duì)潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層的裂隙特征進(jìn)行了觀測(cè)和研究。該區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層的裂隙相對(duì)發(fā)育，煤中裂隙可見(jiàn)三個(gè)優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向，即第一裂隙系優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)?0～20°和110～120°，第二裂隙系優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)?0～50°和130～140°，第三個(gè)裂隙系優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向?yàn)?0～70°和150～160°；裂隙系統(tǒng)相對(duì)發(fā)育，煤中裂隙發(fā)育密度一般為1～10.8 條/cm，平均5.7 條/cm；裂隙寬度一般為2～48 μm，鏡煤中裂隙寬度多小于亮煤和暗煤中裂隙寬度；裂隙形態(tài)多樣、復(fù)雜，裂隙中可見(jiàn)階梯狀、齒狀、分叉狀、S狀和縫合線，斜交或近垂直層理面；煤中裂隙常見(jiàn)粒狀、脈狀等黃鐵礦、方解石等礦物所充填。可以看出，潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)相對(duì)發(fā)育，裂隙發(fā)育類型為較密-密型，對(duì)煤層氣擴(kuò)散、滲流提供了良好通道，但裂隙中礦物質(zhì)充填在一定程度上影響了煤層的透氣性能。

2.4 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力是指煤中孔隙內(nèi)煤層氣、地下水等流體所承受的壓力，常用單位為MPa。煤儲(chǔ)層壓力是煤層氣有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、煤層氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)及采收率估算等的重要技術(shù)參數(shù)，是煤層氣地質(zhì)理論和煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐的重要研究?jī)?nèi)容之一[21-22]。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了便于定量表征不同埋深下煤儲(chǔ)層的壓力值大小，常用煤儲(chǔ)層壓力梯度值來(lái)表征。煤儲(chǔ)層壓力梯度為煤儲(chǔ)層壓力與對(duì)應(yīng)埋深之比值，單位為MPa/100 m或kPa/m。研究區(qū)采用煤層氣井注入/壓降方法對(duì)區(qū)內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力進(jìn)行了測(cè)定，在試井深度341.90～775.2 m范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)層壓力為1.82～2.93 MPa，平均2.34 MPa。煤儲(chǔ)層壓力梯度為0.28～0.60 MPa/100 m，平均0.42 MPa/100 m(表4)。煤儲(chǔ)層壓力大小體現(xiàn)了地層能量強(qiáng)弱，其值越高體現(xiàn)地層能量越強(qiáng)，有利于驅(qū)動(dòng)煤層氣滲流產(chǎn)出和煤層氣井高產(chǎn)，反之亦然[22]。潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力普遍較低，屬于“欠壓”煤儲(chǔ)層[22]，體現(xiàn)地層能量相對(duì)較弱，驅(qū)動(dòng)煤層氣高效產(chǎn)出相對(duì)困難。

2.5 煤儲(chǔ)層滲透性

煤儲(chǔ)層透氣性系指煤中孔隙內(nèi)煤層氣、地下水等流體在一定壓差條件下，流體通過(guò)煤儲(chǔ)層的困難程度。煤層氣在煤的割理裂隙中滲流符合達(dá)西流定律，因而常用煤層滲透率來(lái)定量描述和表征[23]。煤層滲透率是煤層氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)評(píng)價(jià)及優(yōu)選、煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)及煤層氣開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)等的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[24-25]。研究區(qū)采用煤層氣井注入/壓降方法對(duì)區(qū)內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率進(jìn)行了測(cè)定，其值一般為0.33～21.12 mD，平均為3.97 mD(表5)。可以看出，由于煤儲(chǔ)層中滲流系統(tǒng)過(guò)甚發(fā)育和各向異性，使得潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率整體較高且具有顯著的分異特征，明顯高于我國(guó)其他高煤階煤礦區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率。同時(shí)，顯示了研究區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層具有良好的滲透性能和煤層氣產(chǎn)出通道，有利于煤層氣的高效滲透產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)[24]。

表4 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層壓力測(cè)定結(jié)果

表5 潘莊煤層氣區(qū)塊15煤儲(chǔ)層滲透率測(cè)定結(jié)果

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤層氣在煤中以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)存在，煤基質(zhì)與甲烷分子之間由于范德華力的存在，使得煤對(duì)甲烷具有很強(qiáng)的吸附能力，煤層氣主要以吸附態(tài)存在于煤層之中[26]。甲烷分子在煤中吸附符合單分子層吸附模型，因此，煤對(duì)甲烷的吸附可用Langmuir(朗格繆爾)方程來(lái)表征[27]?，F(xiàn)實(shí)中，常用煤的等溫吸附試驗(yàn)來(lái)表征煤的吸附特性，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)煤層氣儲(chǔ)集空間定性評(píng)價(jià)、煤層氣采收率計(jì)算、臨界解吸壓力計(jì)算等。因此，煤的等溫吸附是煤層氣地質(zhì)理論和煤層氣開(kāi)發(fā)選區(qū)評(píng)價(jià)的重要技術(shù)參數(shù)[28]。Langmuir(朗格繆爾)方程表達(dá)式如下：

(2)

式中：V為理論吸附量，m3/t；P為原始煤儲(chǔ)層壓力，MPa；VL為試驗(yàn)壓力條件下的吸附量(或蘭氏體積)，m3/t；PL為試驗(yàn)壓力(或蘭氏壓力)，MPa。

潘莊煤層氣區(qū)塊在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用等溫吸附試驗(yàn)對(duì)區(qū)塊內(nèi)15號(hào)煤儲(chǔ)層的吸附性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在試驗(yàn)溫度(或原始儲(chǔ)層溫度)19～25℃，蘭氏壓力(PL)2.44～3.27 MPa條件下，煤的最大吸附量(VL)為34.85～48.93 m3/t(表6)?？梢?jiàn)，潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層吸附煤層氣能力強(qiáng)、吸附量大，表明煤層中具有良好的儲(chǔ)集煤層氣空間[29]。

2.6.2 煤的解吸特征

理論和實(shí)踐證實(shí)，煤層氣的產(chǎn)出需經(jīng)歷由煤基質(zhì)孔隙脫附解吸、裂隙通道滲流產(chǎn)出的過(guò)程[30]。煤層氣的解吸特征影響著煤層氣解吸效率、煤層氣井產(chǎn)能和氣井首次見(jiàn)氣時(shí)間[31]。為了定量研究煤的解吸特征對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)影響，常用煤的吸附時(shí)間參數(shù)表征。煤的吸附時(shí)間系指標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下累計(jì)實(shí)測(cè)解吸氣體量達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所耗的時(shí)間[32]。時(shí)間越長(zhǎng)，表明煤中氣體解吸速度慢、解吸效率低，反之亦然。潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層吸附時(shí)間一般為1.92～5.81 d，平均3.09 d(表6)?？梢钥闯觯芯繀^(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層的吸附時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，表明煤儲(chǔ)層中煤層氣解吸效率和產(chǎn)出效率較低，有利于煤層氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，但煤層氣首次見(jiàn)氣時(shí)間相對(duì)較晚[32]。

表6 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤層發(fā)育良好且展布穩(wěn)定，煤層氣含量和含氣飽和度較高(即含氣性較好)，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的儲(chǔ)層條件和氣源保障，但較好的煤層含氣性勢(shì)必加大礦井瓦斯防治的難度。

2) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤為變質(zhì)程度較高的無(wú)煙煤，促使煤中發(fā)育有大量孔裂隙系統(tǒng)發(fā)育。煤中孔隙以小孔和微孔為主，有利于煤層氣的吸附儲(chǔ)集；煤中裂隙相對(duì)發(fā)育且存在三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向，裂隙發(fā)育程度為較密-密型，不同煤巖顯微組分中裂隙發(fā)育程度和形態(tài)各異。煤中孔裂隙過(guò)甚發(fā)育特點(diǎn)，對(duì)煤層氣滲流較為有利，煤層滲透率較高。

3) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤儲(chǔ)層地層能量普遍較弱，煤儲(chǔ)層壓力為“欠壓”狀態(tài)，不利于煤層氣高效產(chǎn)出、氣井高產(chǎn)和采收率的提高。

4) 潘莊煤層氣區(qū)塊15號(hào)煤對(duì)煤層氣具有很強(qiáng)的吸附能力、吸附量大，體現(xiàn)煤中具有較好的儲(chǔ)集煤層氣空間。但煤對(duì)煤層氣的吸附時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，煤中的煤層氣解吸速率較低，有利于煤層氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)，但煤層氣井的見(jiàn)氣時(shí)間相對(duì)較晚且氣井開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。