基于煤体结构的煤层气井煤粉产出规律研究

朱学申 吕玉民 郭广山 袁 远 曹代勇

(1.中海油研究总院，北京 100028；2. 中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

基于煤体结构的煤层气井煤粉产出规律研究

朱学申1吕玉民1郭广山1袁 远2曹代勇3

(1.中海油研究总院，北京 100028；2. 中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

以韩城矿区为研究对象，采用煤矿井下精细观察和描述，以及产出煤粉镜下形态观察的方法，阐述了不同煤体结构类型煤与煤粉产出的关系。研究表明，韩城矿区各煤层构造煤普遍发育，厚度百分比约46%，3号煤层发育鳞片煤为主，5号煤层以碎粒煤为主，碎裂煤次之，11号煤层以碎裂煤和碎粒煤为主；煤体结构类型决定了煤粉产出的破坏形式、产出特征及产出的倾向性，构造煤是煤粉产生和产出的主要控制因素。因此，查明不同煤体结构类型煤的平面展布规律和纵向分布特征，对煤层气的区带优选和储层改造层段选取具有重要的指导意义。

煤体结构 煤粉 煤层气 韩城 控制因素

1 韩城地区主力煤层特征

韩城地区位于鄂尔多斯盆地的东南缘，受区域构造应力场的控制，构造演化过程与整个鄂尔多斯盆地具有一致性，主要经历了海西运动、燕山运动和喜山运动阶段。燕山期NE向和喜山期近EW向褶皱和断裂的发育(图1)，为区内构造煤的发育提供了有利条件，也基本控制了区内煤层的展布。韩城煤层气田主力开发煤层为3号、5号和11号，划分了六个开发层系组合，主要以3+5+11号、3+11号和11号煤层为主。前人把煤体结构划分为块煤、块粉煤和粉煤，基于测井信息的响应，对韩城地区主力煤层做了初步探讨，指出构造煤的发育与构造带的展布密切相关，5号煤破碎最为严重，分布范围广，围绕着构造带分布；3号和11号煤层相对来说破碎较轻，主要沿着东泽村构造带和边浅部隆起断裂构造带分布。

以象山煤矿为采样点，在井下对3号、5号和11号煤层从宏观煤岩组成、煤层特征和煤体结构方面做了精细观察和描述：

图1 韩城地区构造纲要图

3号煤层以半暗型煤为主，次为暗淡型和半亮型煤，夹有镜煤、丝炭和夹矸条带；显微煤岩组分以镜质组为主，占到78.1%；煤体结构类型主要为原生结构煤和鳞片煤，厚度分别占到68.2%和31.8%(图2)。

5号煤层以半暗型煤为主，次为暗淡型煤，光泽较暗，割理发育。煤层后期遭受严重破坏，煤体结构主要为原生结构煤、碎粒煤和碎裂煤，厚度分别占到33.3%、53.7%和13.0%(图2)。

图2 韩城象山煤矿不同煤体结构类型煤厚度统计直方图

11号煤层上部以半亮型煤为主，下部以半暗型煤为主，完整性较好，硬度较大；煤体结构类型主要为原生结构煤、碎裂煤和碎粒煤，厚度分别占到69.1%、18.5%和12.3%(图2)。

2 基于煤体结构类型的煤粉产出规律

煤体结构是在地质历史演化过程中经受各种地质作用表现出来的结构特征，总的可以分为原生结构煤和构造煤。目前，对于构造煤的成因观点不一，但构造作用对构造煤的形成受到一致认同，并且控制了构造煤的展布特征。前人关于构造煤的分类，从不同的角度入手划分为若干类型，袁崇孚(1986)基于对瓦斯地质与瓦斯突出等特征的研究，根据煤体的宏观和微观架构特征，把煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四种类型，被广泛应用于研究和现场实践。

从煤粉产出的先后顺序和诱因出发，把煤粉划分为原生和次生两种类型。原生煤粉是指煤层中固有的煤粉，形成于地质历史时期；次生煤粉是指煤层气开发过程中，由于工程因素诱发产生的煤粉。结合前人的分类方案，从煤粉产生的破坏形式、产出特征以及产出倾向性，总结不同煤体结构类型煤产出煤粉的规律，如表1。

表1 不同煤体结构类型煤与煤粉产出关系

3 煤粉产出控制因素

在韩城象山煤矿3号、5号和11号煤层采块煤样，通过抖动可获得抖落的煤粉样，以此方法获得煤层中的近似原生煤粉。在韩城煤层气田，以恒定体积的容器，收集煤层气井产出液样，用滤纸过滤晾干，获得煤层气井产出煤粉。利用扫描电镜观察煤层中煤粉与煤层气井产出煤粉的形态特征和破坏形式，具有很好的一致性，建立了二者之间的关系，表明构造煤发育对煤粉的产出具有重要控制作用。

(1)原生结构煤、碎裂煤与产出煤粉关系

煤的原生结构可见，基本保持着整体状，裂隙发育，煤质坚硬，难以掰开，煤体较脆，在储层改造工程中，易形成优势裂缝，压裂效果较好。煤层内原生煤粉较少，后期钻井、储层改造和排采过程中，会产生一定量的煤粉，颗粒较大且不规则。从原生结构煤和碎裂煤煤粉扫描电子显微镜图像中(图3-1和3-2)可以看出，煤粉颗粒呈块状断裂的方式脱落，沿着裂隙发育处脱落，呈块状，棱角分明，颗粒直径较大，不规则。根据原生结构煤和碎裂煤煤粉的破坏形式和形态特征，结合煤层气井产出煤粉的形态特征(图3-3和3-4)，棱角分明，呈块状，且不均一，此类煤粉主要来自于这两种煤体结构类型煤层。

(2)碎粒煤与产出煤粉关系

煤的原生结构已被破坏，煤层受到强烈的构造作用，网状裂隙密集发育，破碎非常严重，煤层较软，压裂效果较差。煤体结构已完全破坏，煤层呈颗粒状，原生煤粉较多，后期工程扰动易产生大量的次生煤粉。碎粒煤煤粉扫描电子显微镜图像中(图3-5)可以看出，煤粉以粒状的方式脱落，呈颗粒状，棱角偶见被磨蚀，呈次棱角状，颗粒直径较小且变化不大，均一性好。从韩城煤层气井产出煤粉的扫描电子显微镜图像可以观察到(图3-6)，一些呈粒状，磨圆相对较好，粒径变化不大的煤粉，此类煤粉来自于碎粒煤煤层，后期在搬运过程中发生磨圆，呈现球粒状。

(3)鳞片煤、片煤与产出煤粉关系

煤层受到严重破坏，光泽变暗，发育裂隙，层面上呈网状密布，并发生一定的错动和位移，形成鳞片状。煤层较软，存在大量的片状煤粉颗粒，受工程因素影响，后期产生大量的片状煤粉。鳞片煤煤粉扫描电子显微镜图像中(图3-7)可以看出，煤粉以片状剥落的方式产生，呈片状，大小不一。从韩城煤层气井产出煤粉的扫描电子显微镜图像可以观察到(图3-8)，存在一些片状煤粉，大小不等，从断面可以看出其片状剥落方式，此类煤粉来自于鳞片煤煤层。

4 结论

(1)韩城地区受区域构造应力场的控制，经历了复杂的构造演化过程，燕山期NE向、喜山期近EW向褶皱和断裂的发育，为区内构造煤的发育提供了有利条件。通过对象山煤矿3号、5号和11号煤层煤矿井下精细观察和描述，不同类型构造煤普遍发育，占煤层总厚度的46%。3号煤层发育鳞片煤为主；5号煤层以碎粒煤为主，碎裂煤次之；11号煤层以碎裂煤和碎粒煤为主。

(2)从煤粉产生的破坏形式、产出特征以及产出倾向性，总结了煤粉产出规律，查明了不同煤体结构类型煤产出煤粉的特征，为探讨煤粉的来源提供了依据。通过扫描电镜下对比观察分析，阐述了不同煤体结构类型煤与产出煤粉之间的关系，指出构造煤是煤粉产生的主要控制因素。

(3)在煤层气开发过程中，查明构造煤的横向展布规律和纵向分布特征，可以指导煤层气的区带优选以及储层改造的层段选取。构造煤不发育区作为煤层气的优先开发区，而原生结构煤和碎裂煤煤层作为储层改造的首选层段。

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(责任编辑 黄 岚)

Study on the Output Law of Coal Fine Produced by Different Coalbody Structure Coal from CBM Wells

ZHU Xueshen1, LV Yumin1, GUO Guangshan1, YUAN Yuan2, CAO Daiyong3

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100028; 2.Oil and Gas Survey, China Geological Survey,Beijing 100029; 3.China University of Mining &Technology(Beijing), Beijing 100083)

Based on the observation of coalbed in Hancheng Mining Area and output coalfine, Hancheng Block is taken as the study area to explore the relationship between different types of coalbody structure and coal fines produced by CBM well. Some conclusions are proposed as follows. Deformed coal is commonly developed and account for 46% of the total coalbed thicknessby the careful observation and description of coal seam No.3, No.5 and No.11 in Xiangshan coal mine. Scaled coal is mainly developed in No.3 coal seam, granulated coal in No.5 coal seam and fragmented&granulated coal in No.11 coal seam. The type of coalbodystructure determines the destructionalforms, output characteristics and proneness of coal fines, and the development of deformed coal are the control factors on the generation and output of coal fines by scanning electron microscope. Therefore, the identification of lateral and vertical distribution laws on different types of coalbody structure can provide guidance for zone optimization and selection of stimulated interval.

Coalbody structure; coal fine; coalbed methane; Hancheng; controlling factors

朱学申，男，工程师，硕士研究生，主要从事煤层气地质研究工作。