西山煤田马兰矿煤层气储层特征与含气性分析

肖本万

(河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院，河南省信阳市，464000)



西山煤田马兰矿煤层气储层特征与含气性分析

肖本万

(河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院，河南省信阳市，464000)

为了研究太原西山煤田马兰矿煤层气储层特征及其控气作用，为预测矿区内煤层气有利开发目标储层和煤层气开发提供理论支持，对井田主采2#、8#和9#煤层进行压汞实验和等温吸附实验。实验结果表明：2#煤层和8#煤层孔隙主要以大孔为主，9#煤层孔隙以小孔为主。其中2#、8#和9#煤层的孔隙度分别为3.21%～7.22%、6.45%～10.75%和8.67%～16.62%；兰氏体积分别为18.51～19.29 m3/t、19.74～20.61 m3/t和19.41～21.25 m3/t；兰氏压力分别为1.72～2.01 MPa、1.94～2.02 MPa和1.98～2.08 MPa。8#煤层相比2#煤层和9#煤层，具有厚度大、孔隙率高、渗透性好、兰氏压力大、气含量丰富的优势，更有利于煤层气的运移、成藏和抽采开发。

西山煤田 马兰矿 煤层气储层 孔隙度 兰氏体积 兰氏压力

21世纪初至今，煤层气勘探和开发获得了重要突破并得到了迅猛发展。我国煤层气资源储量十分丰富，据统计，我国煤层气资源储量高达3～4万亿m3，开采量约为350～450亿m3/a。煤层气抽采开发不仅可以降低矿井煤层瓦斯含量，有利于矿井安全生产，而且能够降低温室气体的排放，补充清洁能源的不足。太原西山煤田与鄂尔多斯含煤盆地东缘相邻，煤类以中等变质程度的焦煤和瘦煤为主，煤层气资源量可达820亿m3，是我国重要的煤层气潜在商业开发区之一。西山煤田马兰矿地质构造相对简单，煤层埋藏深，含气量丰富，是煤层气研究开发的可行区。煤层气储集在煤层中，主要是以吸附状态吸附在煤层孔隙表面，少量游离在煤层孔隙中。因此，对马兰矿煤储层孔隙特征的研究对分析煤层气的可采性具有重要的指导意义。

1 马兰矿地质概况

西山煤田位于华北克拉通中部，吕梁山脉中段东缘，马兰矿位于太原西山煤田古交市西南。区内地质构造形态受控于NW-SE向褶皱构造和NE-SW向断裂构造，小型正断层较发育，断距一般介于5～15 m，主要分布于马兰矿区的中北部，如图1所示。区内出露地层包括奥陶系、石炭系、二叠系与第四系。奥陶系以白云岩、白云质灰岩、石灰岩、泥质条带灰岩为主。本区石炭系仅沉积了太原组，为海陆交互相含煤地层，主要为砂岩、泥质岩，夹数层石灰岩和煤层。二叠系化分为下二叠统山西组和下石盒子组、上二叠统上石盒子组和石千峰组，其中山西组为主要含煤地层，由砂岩、泥岩、煤层组成。第四系分布范围广，以松散沉积物和残坡积物为主。

图1 马兰矿地质构造图

2 主采煤层与气含量

区内主要可采和局部可采煤层为2#、6#、8#和9#煤层，其中主采煤层为2#、8#和9#煤层。其发育情况、煤质特征及含气量见表1(厚度、灰分、挥发分、水分均为平均值)。

表1 主采煤层特征与气含量参数表

3 煤孔隙特征

3.1 压汞法

在2#、8#与9#煤层各选取3块具有代表性的煤样，体积为1 cm3左右，将煤样在自动压汞仪下进行压汞试验。该试验采用 AUTOPORE-Ⅳ 9505型压汞仪，压力范围为0～228 MPa，孔径测量范围为0.005～360.000 μm。压汞试验原理是在一定压力下，将液态汞注入煤样中的孔隙。对放入压汞仪中的样品由小到大逐步施加压力，并记录加压过程中注入煤样孔隙中汞的体积，得到压力与注入汞体积之间的关系曲线。充满一定孔隙所需压入压力P与孔径D存在如下函数关系：

D=-4γcosθ/P

(1)

式中：D——煤样孔隙孔径，nm；

γ——汞的表面张力，取0.485 N/m；

θ——汞与被测煤样的接触角，取130°；

P——汞的压入压力，MPa。

由式(1)可得到不同压力对应的孔隙半径，从而获得不同煤样的压汞曲线。通过分析该曲线，可得到一系列表征样品孔隙特性的参数。

3.2 试验结果与分析

对9个煤样测得不同压力下的进汞量，以及在压力下降时的退汞量，获得煤样的进汞与退汞曲线，如图2所示，由图中可以看出，不同煤层的煤样孔隙具有较明显的差异。

2#煤层的样品进汞曲线与退汞曲线呈“S”型，整体上随着压力的增加，进汞量增加。在压力达到1～10 MPa时，进汞量随压力迅速上增，在压力达到10 MPa时，进汞量已经到达总进汞量的80%，随后的进汞量增长相对比较缓慢。表明2#煤层中孔隙主要是以大孔为主；在进汞压力大于100 MPa 后，汞开始进入到小孔中，所以相对缓慢。退汞曲线下降比较快，因为在以大孔为主的煤中，汞和煤孔隙表面之间的毛细现象相对较弱，所以退汞速度相对较快，退汞效率介于54.3 %～65.1 %之间。

8#煤层的样品进汞曲线表现出与2#煤相似的特征，表明其孔隙的分布主要是以大孔为主，而退汞效率介于40.5 %～55.2 %之间，比2#煤层退汞效率低10 %左右，表明其大孔所占的比例相对2#煤层有一定的减弱趋势。这是由于煤中的小孔毛细作用强烈，会导致退汞的效率降低，因此退汞效率相对减小，说明小孔比例相对较高。然而小孔所占比例增大，为煤层气的吸附提供了良好的吸附空间，反而有利于煤层气的吸附。

9#煤层的煤样进汞曲线呈“下凹”特征，与2#煤层、8#煤层之间存在明显差异。其表现为在0～100 MPa压力范围内，随着压力的增加，进汞量平稳增加；当压力大于100 MPa时，进汞量迅速增加，其退汞效率仅在20%～46%之间。表明9#煤层孔隙结构中以小孔所占比例为主，大孔相对较少。其原因一方面可能是由于煤层有机组分大孔不发育和大孔被充填；另一方面由于煤层的埋藏深度增加，导致煤层受到的压力增大，煤中孔隙缩小。

图2 2#、8#、9#煤压汞曲线图

3.3 煤孔隙度

采用压汞法无法测量煤中的微孔，因此得到的孔隙度称为视孔隙度。视孔隙度是指测得煤中孔隙体积占煤的总体积百分比。孔隙体积为100 MPa压力时的累积进汞体积，煤的总体积为0.07 MPa时测得煤基质体积。

试验表明：2#煤层煤样孔隙度较小，仅为3.21 %～7.22 %；8#煤层煤样孔隙度较大，在6.45 %～10.75 %之间；9#煤层煤样的孔隙度在8.67 %～16.62 %之间。总体上，随着煤层的埋藏深度增加，煤的总孔隙度呈下降趋势；而且随着煤层埋藏加深，煤中孔隙孔径减小，煤的总表面积反而增加，为煤层气甲烷吸附提供了更多的吸附位，有利于煤层气的吸附。

4 煤储层的吸附特征

目前，在煤的吸附研究中，甲烷的吸附主要符合Langmuir等温吸附模型，Langmuir模型相对简单且实用，大多数研究煤的等温吸附仪也是遵循这一理论设计。兰氏体积和兰氏压力是衡量煤吸附能力的两个重要指标，通过等温吸附实验可以准确测定这两个常数。较大的兰氏体积反映出较大的吸附能力和开发潜力，较高的兰氏压力反映较好的解吸能力和开采条件。

为了获得马兰矿区主采煤层的吸附能力，对2#、8#及9#煤层所选取的煤样分别测试。试验采用仪器为ISO-100型等温吸附仪，试验条件为平衡水分9.72 %，甲烷浓度99.99 %，试验温度30 ℃。2#、8#和9#煤层甲烷等温吸附试验结果见表1，等温吸附曲线如图3所示。试验结果表明，2#煤层兰氏体积为18.51～19.29 m3/t，8#煤层兰氏体积为19.74～20.61 m3/t，9#煤层兰氏体积为19.41～21.25 m3/t。2#煤层兰氏压力为1.72～2.01 MPa，8#煤层兰氏压力为1.94～2.02 MPa，9#煤层兰氏压力为1.98～2.08 MPa。综上，2#煤层的兰氏体积和兰氏压力相对均较小，8#和9#煤层的兰氏体积和兰氏压力均较大。

5 煤储层含气性

煤层的水分、挥发分和孔隙孔径类型和孔隙度控制了煤层的吸附能力，而吸附能力与煤层气含量紧密相关。一般情况下，孔隙和孔隙率大、水分和挥发分含量低的煤具有较高的吸附能力和相对较高的气含量；然而，孔隙孔径小却不利于煤层气的运移富集和抽采开发。矿区2#、8#和9#煤层孔隙类型和孔隙度差异显著，2#和8#煤层孔隙以大孔发育为特征，而8#和9#煤层孔隙率较大。发育大孔且较大的孔隙率，使得8#煤层具有良好的渗透率。实验表明，8#煤层的渗透率较2#和9#煤层要高，这有利于煤层气的运移和富集。研究区内8#煤层厚度大，孔隙率高，兰氏体积较大，吸附能力强，而这与其气含量相对较高一致。正是因为较厚的煤层和较高的孔隙率使得其具有较大的吸附能力，从而煤层气资源量相对丰富。相比2#煤层和9#煤层，8#煤层具有厚度大、孔隙率高、渗透性好、气含量丰富、兰氏压力大的优势，不仅有利于煤层气的成藏与抽采开发，并可以在有利的地质构造区形成具有高经济价值的气藏。因此，在区内煤层气开发时，8#煤层可作为有利的煤层气主要开采储层。

表1 2#、8#和9#煤甲烷等温吸附试验结果

图3 2#、8#和9#煤层等温吸附曲线

6 结论

(1)2#和8#煤层孔隙主要以大孔为主，8#煤层孔隙中小孔所占比例相对2#煤层有所增加，9#煤层孔隙以小孔为主，大孔所占比例相对较低。2#煤层孔隙度较小，仅为3.21 %～7.22 %，8#煤层孔隙度在6.45 %～10.75 %之间，9#煤层的孔隙度在8.67 %～16.62 %之间。8#煤层相比2#和9#煤层具有厚度大、孔径和孔隙率大、渗透性好的优势。

(2)2#煤层兰氏体积和兰氏压力分别为18.51～19.29 m3/t和1.72～2.01 MPa；8#煤层兰氏体积和兰氏压力分别为19.74～20.61 m3/t和1.94～2.02 MPa；9#煤层兰氏体积和兰氏压力分别为19.41～21.25 m3/t和1.98～2.08 MPa。8#煤层兰氏体积较大，对煤层气具有较强的吸附能力，其含气量高；较大的兰氏压力有利于煤层气的降压排采。

(3)相比2#煤层和9#煤层，8#煤层具有厚度大、孔隙率高、渗透性好、气含量丰富、兰氏压力大的优势，有利于煤层气的成藏与抽采开发。因此，在开发区内煤层气资源时，8#煤层可作为有利的煤层气主要开采储层。

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(责任编辑 郭东芝)

Analysis of characteristics and gas-bearing capacity of coalbed methane reservoir in Malan Mine of Xishan coalfield

Xiao Benwan

(No.3 Institute of Geological & Mineral Resources Survey of Henan Geological Bureau, Xinyang, Henan 464000, China)

To study the characteristics of coalbed methane (CBM) reservoir of Malan Mine in Taiyuan Xishan coalfield and its gas control function, and to predict the profitable reservoirs and provide theoretical support for CBM developing, mercury porosimetry and isothermal adsorption experiments were carried out to study primary mineable coal seam of No.2, No.8 and No.9. The results showed that the pore of No.2 and No.8 coal were mainly macropore, while the pores of No.9 coal were small. The porosity of No.2, No.8 and No.9 seams were respectively 3.21%～7.22%, 6.45%～10.75% and 8.67%～16.62%; the Langmuir volumes were 18.51～19.29 m3/t, 19.74～20.61 m3/t and 19.41～21.25 m3/t; the Langmuir pressures were 1.72～2.01 MPa, 1.94～2.02 MPa and 1.98～2.08 MPa. Compared with the No.2 and No.9 coal seam, No.8 coal seam had the superiority of large thickness, high porosity, great Langmuir pressure and abundant CBM content, which were beneficial for the migration, enrichment of CBM and gas extraction and development.

Taiyuan Xishan coalfield, Malan Mine, CBM reservoir, porosity, Langmuir volume, Langmuir pressure

肖本万. 西山煤田马兰矿煤层气储层特征与含气性分析[J]. 中国煤炭，2017，43(6)：42-45,52. Xiao Benwan. Analysis of characteristics and gas-bearing capacity of coalbed methane reservoir in Malan Mine of Xishan coalfield[J]. China Coal, 2017, 43(6): 42-45,52.

TD712 P618.11

A

肖本万(1968-)，男，湖北红安人，高级工程师，大专学历，长期从事地质矿产工作。