劉明杰

（1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048000；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）

1 引言

韓城礦區(qū)是我國(guó)著名的煤炭開(kāi)采和具有煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的礦區(qū)之一，地處鄂爾多斯盆地渭北隆起之東南緣，南臨渭河地塹，西南與澄臺(tái)礦區(qū)毗鄰，東部邊界以韓城大斷裂和黃河為界。礦區(qū)主要含煤地層石炭～二疊系蘊(yùn)藏著豐富的煤炭和煤層氣資源，當(dāng)前，區(qū)內(nèi)煤層氣已初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化開(kāi)發(fā)，部分煤層氣開(kāi)發(fā)理論亦逐漸開(kāi)展，主要集中在煤層氣賦存規(guī)律及其地質(zhì)控制因素、煤層氣開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)方面，而在煤層氣儲(chǔ)層物性特征方面研究甚少。本文基于韓城礦區(qū)地質(zhì)資料和煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資料，對(duì)區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層物性特征進(jìn)行了探究，研究成果對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

2 煤層氣儲(chǔ)層物性特征

2.1 煤層與煤巖特征

（1）煤層特征

煤層是煤層氣的生氣層和儲(chǔ)集層，亦是煤層氣開(kāi)發(fā)的目標(biāo)層位，其特征影響著煤層氣開(kāi)發(fā)的難易程度和經(jīng)濟(jì)可采性[1]。韓城礦區(qū)3號(hào)煤層位于山西組中下部，上距2號(hào)可采煤層4.0～28.0m，一般在15m左右。3號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，累計(jì)厚度1.3～5.6m，一般在2m左右，為中～厚煤層。從該煤層礦區(qū)整體賦存情況來(lái)看，其在礦區(qū)中段東部板橋一帶最為發(fā)育，最高厚度可達(dá)5.6m，向西北部和西南部逐漸變薄，厚度一般1.5m左右。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含矸石1～2層。煤層頂板多為湖泊相粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，老頂為河床相含白云母中～細(xì)砂巖，底板為濱湖相細(xì)砂巖或沼澤相粉砂巖、砂質(zhì)泥巖?？梢?jiàn)，韓城礦區(qū)3號(hào)煤層賦存良好、煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且全區(qū)穩(wěn)定可采，為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了良好對(duì)象。

（2）煤巖特征

① 宏觀煤巖特征

3號(hào)煤層為中高煤級(jí)的煙煤，其鏡質(zhì)組反射率為1.39%～1.81%。其以半光亮型煤為主，部分為光亮型、半暗淡型煤。暗煤和亮煤常形成2～3mm的線理狀和細(xì)條帶狀互層，鏡煤常呈1～2cm的薄層狀、透鏡體或條帶狀?yuàn)A于煤層中，絲炭以薄層狀產(chǎn)出。煤中可見(jiàn)大量方解石細(xì)脈充填裂隙之中，煤層中下部有黃鐵礦成層分布現(xiàn)象，方解石含量亦較多。

② 顯微煤巖特征

顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，其次為半鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組、半絲質(zhì)組，含有少量粗粒體和碎屑絲質(zhì)體，礦物質(zhì)極少。其中，鏡質(zhì)組以無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體為主。半絲質(zhì)與絲質(zhì)組以有結(jié)構(gòu)為特征，可見(jiàn)拉長(zhǎng)的細(xì)胞、長(zhǎng)軸。煤中方解石含量較高（2.8～5.0%），常以方解石脈形式充填于后生裂隙之中。粘土、黃鐵礦含量較少，他們以粒狀分散狀分布。

2.2 煤層孔裂隙特征

（1）煤層孔隙特征

煤層孔隙是煤層氣的主要聚集場(chǎng)所和運(yùn)移通道，煤孔隙結(jié)構(gòu)及其特征是研究煤層氣賦存狀態(tài)、煤層氣解吸、擴(kuò)散和滲流的主要內(nèi)容[2]。采用壓汞法對(duì)韓城礦區(qū)3號(hào)煤層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定：3號(hào)煤層孔隙度3.3～4.6%，煤層孔隙類型主要以微孔（小于10nm）和過(guò)渡孔（10～100nm）為主，大孔（大于1000nm）次之，中孔（100～1000nm）最少。其中，微孔和過(guò)渡孔所占比例81.30～88.15%，中孔所占比例為3.55～5.06%，大孔所占比例為8.12～13.64%。3號(hào)煤層微孔和過(guò)渡孔發(fā)育較甚的特點(diǎn)，有利于煤層氣的大量吸附和儲(chǔ)集；退汞效率偏低，為43.51～56.23%，顯示了煤層孔隙發(fā)育的多樣性和連通性稍差。

（2）煤儲(chǔ)層裂隙特征

煤層裂隙系統(tǒng)是煤層氣儲(chǔ)集、擴(kuò)散、運(yùn)移及滲流的通道，不同尺度的裂隙對(duì)煤層氣產(chǎn)出的作用機(jī)理各異[3]。一般認(rèn)為，微裂隙系統(tǒng)主要對(duì)煤層氣起到儲(chǔ)集作用，而其大裂隙系統(tǒng)則主要影響著煤層氣擴(kuò)散、運(yùn)移及滲流[4]。通過(guò)對(duì)韓城礦區(qū)3號(hào)煤層的裂隙系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析：割理的組合形式以網(wǎng)狀和孤立、網(wǎng)狀為主。一般面割理密度為0.8～1.5條/cm，寬度為0.2～1.2mm，無(wú)充填，均垂直層理發(fā)育，多數(shù)切層連通狀況不好，以鏡煤中發(fā)育最好。端割理密度一般0.8～1.2條/cm，裂口寬度微米級(jí)?？芍?，3號(hào)煤層裂隙比較發(fā)育，割理系統(tǒng)中礦物質(zhì)充填現(xiàn)象較少，對(duì)煤層氣的產(chǎn)出極為有利。

2.3 煤層含氣性

煤層含氣性系指煤層中含甲烷氣體的多寡，常用單位質(zhì)量或體積的煤中所含的氣體量來(lái)表征，單位為ml/g或m3/t。煤層含氣性是煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選、煤層氣資源量計(jì)算、礦井瓦斯涌出量計(jì)算及預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)[5]。韓城礦區(qū)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用鉆井取芯含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸法對(duì)區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層的原煤含氣量進(jìn)行了測(cè)定，其原煤含氣量為3.00～16.07m3/t，平均11.03m3/t。同時(shí)，對(duì)其他組分亦進(jìn)行了測(cè)定，煤層氣體組分以甲烷為主，次為二氧化碳和氮?dú)?。其中，甲烷所占體積分?jǐn)?shù)為86.11～96.73%，多在90%以上。次為氮?dú)猓∟2）和二氧化碳（CO2），兩者之和一般在8%左右。縱向上，煤層氣成分與煤層變質(zhì)程度同步變化，無(wú)明顯差異?？芍?號(hào)煤層含氣量和甲烷濃度總體均較高，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的資源條件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附試驗(yàn)是在一定溫壓條件下評(píng)價(jià)煤對(duì)甲烷氣體分子的吸附能力、吸附量及儲(chǔ)集空間的重要技術(shù)手段，試驗(yàn)參數(shù)是計(jì)算煤層氣臨界解吸壓力、枯竭壓力及煤層氣采收率的重要資料[6]。煤層氣在煤層中主要以單分子層吸附為主，因而遵循Langmuir吸附方程。據(jù)韓城礦區(qū)3號(hào)煤的等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果：在蘭氏壓力1.33～3.33MPa，平均2.32MPa條件下，3號(hào)煤的蘭氏體積為15.27～29.72m3/t，平均為22.06m3/t?？梢?jiàn)，在蘭氏壓力中等～高條件下，該煤層對(duì)甲烷具有較強(qiáng)的吸附能力，吸附量亦相對(duì)較高，體現(xiàn)了煤中具有較好的儲(chǔ)集煤層氣空間。

2.5 煤儲(chǔ)層壓力

儲(chǔ)層壓力即為作用于煤巖孔隙空間內(nèi)流體上的壓力值，常用壓力梯度值來(lái)對(duì)其定量描述或表征。當(dāng)前，煤儲(chǔ)層壓力梯度值主要基于壓力梯度大于、等于或小于淡水壓力梯度的情況來(lái)衡量的，即當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力梯度大于9.79kPa/m時(shí)為超壓(或高壓)煤儲(chǔ)層壓力異常狀態(tài)。煤儲(chǔ)層壓力梯度等于9.79kPa/m時(shí)，為正常煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)。煤儲(chǔ)層壓力梯度小于9.79kPa/m時(shí)，稱之為低壓煤儲(chǔ)層壓力異常狀態(tài)。采用煤層氣注入/壓降試井法對(duì)韓城礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力進(jìn)行了測(cè)定，在煤儲(chǔ)層埋深601.07～672.33m范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)層壓力為7.31～9.43MPa，壓力梯度為10.87～15.68kPa/m?？梢?jiàn)，韓城礦區(qū)3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力總體較高，為超壓異常狀態(tài)，顯示了該區(qū)地層能量較高和驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力強(qiáng)勁，有利于煤層氣的排水降壓產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。

2.6 煤層滲透性

煤層滲透性系指諸如水、煤層氣等流體在壓差作用下，通過(guò)煤層的難易程度，常用滲透率來(lái)定量表示。煤層滲透性是煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)和煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)及優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)之一，煤層滲透率越高，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)越為有利，反之亦然。據(jù)研究和煤層氣開(kāi)發(fā)資料顯示，煤層滲透率介于0.55～100mD的煤層氣區(qū)塊，區(qū)內(nèi)煤層氣井多為高產(chǎn)井，滲透率過(guò)低或者過(guò)高均對(duì)煤層氣生產(chǎn)不利。采用煤層氣注入/壓降試井法對(duì)韓城礦區(qū)3號(hào)煤層滲透率進(jìn)行了測(cè)定，其值為1.93～3.50mD?？梢?jiàn)，韓城礦區(qū)3號(hào)煤層滲透率相對(duì)較高，煤層滲透性較好，體現(xiàn)了煤層中煤層氣運(yùn)移、滲流通道良好，利于煤層氣的高效產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）3號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采的中～厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可為煤層氣開(kāi)發(fā)提供良好的目標(biāo)層位；3號(hào)煤層為中高煤級(jí)的煙煤，宏觀煤巖類型以半光亮型為主，部分為光亮型、半暗淡型。宏觀煤巖組分中暗煤和亮煤常以線理狀和細(xì)條帶狀互層，絲炭以薄層狀產(chǎn)出。顯微有機(jī)煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)極少。

（2）3號(hào)煤層的中高變質(zhì)，不但使得煤中大量的微孔及過(guò)渡孔隙發(fā)育，為煤層氣提供了大量吸附和儲(chǔ)集空間。亦導(dǎo)致煤中裂隙系統(tǒng)相對(duì)發(fā)育，為煤層氣提供了良好的滲流通道，滲透率相對(duì)較高。同時(shí)，煤的變質(zhì)促進(jìn)了煤的大量生烴，使得煤層含氣量整體較高；煤儲(chǔ)層壓力為超壓異常狀態(tài)，顯示了該區(qū)地層能量較高和驅(qū)動(dòng)煤層氣產(chǎn)出的動(dòng)力強(qiáng)勁，有利于煤層氣的排水降壓產(chǎn)出和煤層氣井的高產(chǎn)。