邢台含煤区煤储层物性特征及煤层气资源潜力

高 亮，上官拴通，张国斌，李英英，闫家栋

（河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台 054000）

邢台含煤区煤储层物性特征及煤层气资源潜力

高 亮，上官拴通，张国斌，李英英，闫家栋

（河北省煤田地质局第二地质队，河北邢台 054000）

为了评价邢台含煤区煤层气开发潜力，采集不同矿井的2、8、9号煤样进行了煤岩组分、孔裂隙分布、等温吸附及水单相渗透率实验分析，采用体积法和综合排队系数法对底板标高-2000 m以浅的煤层气资源量进行了预测和评价。结果表明：区内目的煤层厚度、煤级适中，具有较好的生储条件；煤岩的镜质组、惰质组和壳质组含量依次减少，水分随煤化程度的增加呈现先减小后增大，挥发分随煤化程度的增加而减少；孔隙度随煤化程度增大而增大，且孔径分布不均匀，微孔的孔容和比表面积所占比例最大；显微裂隙密度级别为一级，部分裂隙被脉状方解石和粒状黄铁矿充填；煤的吸附量受煤级控制，且在一定压力范围内，吸附量随压力增加而增大，吸附能力随压力增加而减小；煤层渗透率离散性较大，属中～高级渗透率。估算底板标高-2000 m以浅潜在的煤层气资源量为427.31亿m3，优选出中等有利区块6个，其中FY区、QHY区、GZ区为煤层气勘探首选区块。

煤层气；储层物性；资源量评价；区块优选

0 引言

煤层气是一种新型洁净能源，其勘探开发已受到我国各级政府的高度重视[1]。为推进煤层气实现产业化发展，“十一五”以来，国家相继出台了一系列煤层气(煤矿瓦斯)产业发展扶持政策[2]。邢台含煤区位于河北省南部，含煤地层为石炭-二叠系，煤层平均总厚度约19.60 m，含煤系数8.8%左右[3-4]。截至2014年底，区内主要煤炭勘查区和生产矿井底板标高-2 000 m以浅煤炭资源总量约为87.49亿t，其中底板标高-1000 m以浅煤炭资源量约为19.51亿t，仅占总资源量的22.3%。限于目前矿山开采技术条件及煤矿建设项目核准要求[5]，邢台含煤区深部煤炭资源采用常规的井矿开采并不可行，故针对深部煤炭资源进行煤层气开发应是资源开发利用的有效途径之一。目前，我国煤层气已经在沁水、鄂东、阜新、铁法等地区实现了商业化生产，年产量达到23×108m3[6]。煤层气产业的迅速发展，使得浅部煤层气基础研究和勘探开发方面积累了大量经验，为进行深部煤层气勘探开发试验奠定了基础[7]。

以往学者对本区煤层气含气性特征、控气因素等方面开展过较多研究[8-12]，且主要集中在浅部生产矿井，缺乏针对煤储层物性特征和资源潜力评价的区域性研究。基于此，本次对采自区内自不同矿井的6个煤样进行了煤岩组分、孔裂隙分布、等温吸附及水单相渗透率实验分析，结合以往煤田地质勘查成果资料，通过对本区煤层气赋存地质背景、生气地质条件及煤储层物性特征的研究，评价了本区煤层气资源开发潜力，并对目标区块进行优选。

1 煤层气赋存地质背景

本次研究针对邢台市辖区内主要生产矿井以及东部含煤区（图1），以层位赋存稳定的2、8、9号煤为研究目的煤层。自古生代含煤地层形成至今，本区古构造应力场经历了海西期、印支-中燕山期、晚燕山-喜山期三个主应力期，构造相对复杂。区内褶皱、断裂、岩浆岩及陷落柱均有发育，其中断裂构造是本区的主体构造样式[13]，总体以走向NNE、NE最为发育，走向NWW、NW次之[14]。受燕山期岩浆侵入的影响，从北东向南西煤的变质程度随岩浆作用的增强而逐渐增高，煤变质程度的增高，补充了煤中煤层气的来源[15-16]。

图1 研究区构造纲要及目标区分布示意图Figure 1 Sketch map of study area structural outline and target area distribution

2 煤层、煤岩与煤质特征

2.1 煤层特征

本次研究目的煤层平均总厚度约8.5 m，煤层结构简单-中等。统计区内钻孔资料发现，除8号煤层顶板为大青灰岩外，2、9号煤层顶、底板及8号煤层底板均以透气性较差的粉砂岩、泥岩为主（表1），这为本区煤层气资源的保存提供了有利条件。

2.2 煤岩与煤质特征

本次对目的煤层进行了工业分析及煤岩显微组分分析，结果表明：镜质组为44.9%～93.3%，平均为72.99%；惰质组为5.0%～46.7%，平均为22.93%；壳质组为0～12.1%，平均为4.23%（表2）。镜质组最大反射率（Ro，max）为 0.529%～6.814%，煤类以气煤、气肥煤、1/3焦煤面积最大，此阶段处在热降解气生成阶段初期[17]，生成大量的烃类物质。空气干燥基水分（Mad）含量为0.07%～20.78%，总体随煤变质程度的增加呈现先减小后增大的趋势（图2a），干燥无灰基的挥发分（Vdaf）随煤变化程度的增加呈现减小趋势（图2b），样品灰分（Ad）的平均值低于20%。

表1 煤层顶、底板主要岩性统计表Table 1 Statistics of coal roof and floor main lithology

表2 目的煤层工业分析及煤岩显微组分测试结果Table 2 Target coal seam proximate analysis and coal lithologic maceral tested results

图2 Ro，max与Mad，Vdaf的关系Figure 2 Relationship between Ro，maxand Mad,Vdaf

3 煤储层物性特征

煤储层物性特征包括孔隙特征、裂隙特征、渗透率及煤对甲烷的吸附性等[18-19]。

3.1 孔隙度、孔径分布特征

煤孔隙结构是研究煤层气赋存状态、气、水介质与煤基质块间物理、化学作用以及煤层气解吸、扩散和渗流的基础[20]。利用煤样的真密度和视密度，采用容量瓶法计算出本区目的煤层孔隙度为1.44%～21.20%，平均为6.10%，孔隙度随煤层埋深增大有减小趋势（图3a），随煤变质程度增加有增大趋势（图3a）。

煤中大孔、中孔对煤层气的运移有利，过渡孔、微孔则与甲烷的吸附有关[21]。采用汞侵入法对煤的孔径结构进行了研究，依据苏联学者B.B.霍多特孔隙分类标准进行划分：大孔孔径＞1 000 nm、中孔孔径100～1000 nm、过渡孔孔径10～100 nm、微孔孔径＜10 nm。压汞实验结果表明，总比孔容为279～725×10-4cm3/g，平均为496.5×10-4cm3/g，其中大孔平均占20.50%，中孔平均占5.21%，过渡孔平均占25.85%，微孔平均占48.44%（表3）；总比表面积为12.621～31.050 cm2/g，平均为21.596 cm2/g，其中大孔平均占0.01%，中孔平均占0.17%，过渡孔平均占10.86%，微孔平均占88.97%（表4）。由此可见，本区孔容以微孔最多，过渡孔次之，微孔比表面积占绝对优势。这种孔隙系统有利于煤层气的储集，但影响煤层气的运移。

图3 孔隙度与煤层埋深，Ro，max的关系Figure 3 Relationship between porosity and coal buried depth,Ro，max

表3 煤样孔容测定结果Table 3 Coal sample pore volume tested results

表4 煤样比表面积测定结果Table 4 Coal sample specific surface area tested results

另外，笔者根据压汞曲线对本区煤孔隙的形态和连通性做过专门的研究[22]，认为本区进汞、退汞曲线形态大体相同且均近于平行，无明显“滞后环”，孔隙类型以半封闭孔甚至封闭孔为主，孔隙连通性较差。

3.2 裂隙特征

煤中天然裂隙的发育特征直接影响煤储层渗透率的大小和方向[23]，是煤层气勘探开发的关键因素之一。本区关于煤层裂隙的研究较少，从单孔资料关于煤心的描述中可以看出，除DP矿、YS区和LD区2号煤内生裂隙不发育外，其它区煤内生裂隙均较发育，以条带状结构为主，块状构造。6个样品的显微裂隙观察结果表明：煤样中裂隙发育1～3组，裂隙较为平直，局部弯曲，裂隙密度级别为一级（表5、图4），部分裂隙被脉状方解石和粒状黄铁矿充填（图5），可能在一定程度上影响煤储层的渗透性。

3.3 等温吸附特征

样品的平衡水煤样等温吸附实验结果表明（30℃），煤的朗格缪尔体积（空气干燥基）为9.4～21.34 m3/t，朗格缪尔压力为1.26～8.37 MPa。从等温吸附曲线可以看出（图6），在等温等压条件下，高煤阶煤（样品GQ-1、GQ-2）的吸附量最大。吸附量随压力增加而增大，吸附能力随压力增加而减小，当增大到一定压力时，煤吸附量趋于饱和，几乎不再随

压力增加而变化。

表5 煤样显微裂隙特征Table 5 Coal sample microscopic fissure features

图5 煤样裂隙充填情况Figure 5 Coal sample fissure filling state

图6 30℃下的等温吸附曲线Figure 6 Isothermal adsorption curves under temperature 30℃

3.4 渗透性特征

渗透率是表征煤储层渗透性大小的参数，研究煤岩的渗透率特征可为合理设计煤层气钻井方案提供理论依据[24]。区内尚无煤层气试井，仅从水单相渗透率实验测试数据来看，煤渗透率为0.038381× 10-3μm2～40.8929×10-3μm2，离散性很大，且渗透率大小与煤层埋深存在一定的相关性，渗透率随煤层埋深增大呈减小趋势（图7）。按我国煤储层渗透率等级划分，本区煤储层整体属于中-高渗透率煤储层。

图7 渗透率-煤层埋深关系图Figure 7 Permeability-coal buried depth relationship chart

由于实验室条件和原始地下条件存在很大差异，通常煤心测试渗透率比单井测试的渗透率要小很多，且在煤层气开采过程中，煤储层渗透率随着时间的推移而不断发生变化[25-26]，故实验室条件下的渗透率测试结果，仅在一定程度上反映煤储层的渗透性特征。

4 煤层气资源量评价

煤层气的勘探开发，首先要求勘探区煤层中赋存有足够的煤层气资源作保证[27]。本区尚无煤层气参数井和试验井，故煤层气资源均为潜在的资源量。地勘时期测得煤层气含气量数值偏低，且钻孔越深测值偏低越严重[28]，故参照河北省以往研究中煤层气井与地勘钻孔含气量同煤类比值法求出的校正系数[29]，对地勘钻孔含气量值进行校正，对于深部煤层使用梯度法、压力-吸附法进行含气量预测。

采用体积法对目标区2、8、9号煤层底板标高-2000 m以浅潜在的煤层气资源进行了估算，总资源量为427.31亿m3，资源量丰度0.61亿m3/km2，储量规模为大型，但资源量丰度偏低。其中-1500 m以浅潜在的煤层气资源量为132.42亿m3，-1500～-2000 m潜在的煤层气资源量为294.89亿m3。从煤类来说，煤层气资源量主要集中分布在气煤-瘦煤中，以气、肥煤类为主，为406.46亿m3，占总量的95.12%。

5 煤层气目标区块优选

对目标区煤层气资源开发潜力进行优选评价，结合本区实际情况，本次研究采用风险概率法和综合排队系数法，基于煤层气资源特征、储层物性特征和地质条件3大项，含气量、渗透率、理论采收率、煤厚、封盖能力等8小项，对16个区块进行综合排队优选评价计算（GQ矿目的煤层基本全部处于瓦斯风化带，故未参与计算）。结果表明：该区共划分出中等有利区6个，分别为NH区、FY区、XJW区、QHY区、GZ区和DP矿，其它为不利区；区内不存在有利和较有利区。考虑前期煤田勘探程度、煤层埋深、煤层气资源量因素，建议FY区、QHY区、GZ区为煤层气勘探的首选区块。

6 结论

（1）本区目的煤层厚度、煤级适中，具有较好的生气条件和封盖条件；煤岩的镜质组、惰质组和壳质组含量依次减少，水分随煤化程度的增加呈现先减小后增大，挥发分随煤化程度的增加而减少；

（2）煤的孔隙度随煤化程度增大而增大，且孔容分布不均匀，微孔最多，约占48.44%，孔比表面积以微孔占绝对优势，约占88.97%，有利于煤层气的储集，但影响煤层气的运移；显微裂隙密度级别为一级，部分裂隙被脉状方解石和粒状黄铁矿充填；

（3）等温吸附实验结果表明煤的吸附量受煤级控制，且在一定压力范围内，吸附量随压力增加而增大，吸附能力随压力增加而减小；实验室测试渗透率离散性较大，整体表现为中-高渗透率煤储层；

（4）估算目标区2、8、9号煤层底板标高-2000 m以浅潜在的煤层气资源量为427.31亿m3，优选出中等有利区6个，其中FY区、QHY区、GZ区为煤层气勘探首选区块。

致谢：中国矿业大学资源与地球科学学院傅雪海教授对本次工作给予了许多指导，论文成文后得到河南理工大学资源与环境学院任建刚博士的认真审阅并提出宝贵意见，在此一并致谢！

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Coal Reservoir Physical Property Features and CBM Resource Potential in Xingtai Coal-bearing Region

Gao Liang,Shangguan Shuantong,Zhang Guobin,Li Yingying and Yan Jiadong
(The Second Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Xingtai,Hebei 054000)

To assess CBM exploitation potential in the Xingtai coal-bearing region,collected coal samples from coal seam Nos.2,8 and 9 in different coalmines,carried out experimental analysis of coal lithotype,pore and fissure distribution,isothermal adsorption and water single-phase permeability.Through the volumetric method and integrated queuing coefficient method carried out prediction and assessment of CBM resources above floor elevation-2000 m.The result has shown that the target coal thickness and coal rank are moderate,thus have better CBM generation and preservation conditions.Contents of coal macerals vitrinite,inertinite and exinite are sequentially deceasing;moisture content increasing along with coalification degree increasing presents deceasing first than increasing;volatile matter decreasing along with coalification degree increasing.Porosity is increasing along with coalification degree increasing,and pore diameter inhomogeneously distributed;pore volume and specific surface area of micropores occupied largest proportion.Microfissure density belongs to grade I,part of fissures have filled with vein calcite and granular pyrite.Coal adsorptive capacity is controlled by coal ranks,within a certain pressure range,the capacity increasing along with the pressure increasing,while the adsorptivity deceasing along with the pressure increasing.Coal permeability has large discreteness,belongs to medium to high grade permeability.Estimated potential CBM resources above floor elevation-2000 m have 42.731 billion m3,optimized 6 moderate favorable blocks,among them, the blocks FY,QHY and GZ are preferred for CBM exploration.

CBM;reservoir physical property;resources assessment;block optimization

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.09

1674-1803(2017)02-0040-06

P618.11

A

邢台市2014年矿产资源类专项资金项目（邢国土资字〔2014〕90号）

高亮（1984—），男，河北石家庄人，工程师，本科，2009年毕业于河南理工大学地质工程专业，从事矿产勘查及评价研究工作。

2016-09-18

责任编辑：宋博辇