都格井田多层叠置独立含煤层气系统发育特征

张广政，徐文慧

(1.贵州省煤田地质局地质勘察研究院, 贵阳 55006; 2.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心, 贵阳 55006)

都格井田多层叠置独立含煤层气系统发育特征

张广政1，徐文慧2

(1.贵州省煤田地质局地质勘察研究院, 贵阳 55006; 2.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心, 贵阳 55006)

查明六盘水市水城县都格井田煤层气储层地质条件，对后期煤层气生产开发的有序进行具有重要的指导意义。基础地质资料为基础，结合开发井测井结果及相关试验测试数据，对该区多煤储层垂向特征进行系统分析及概括。在此基础上，借鉴于多层叠置含煤层气系统理论将该区煤层气系统划分为多个旋迴系统，结果表明：研究区多煤储层化学性质变化呈明显的“阶段式”变化，以7#、16#为界局部呈现先增大后减小的规律趋势：煤储层硫分含量变化随煤层深度变化规律大致与灰分变化一致，以7#、16#为界均存在三个旋迴变化；不同层位煤层平均含气量同一序列内随埋深增大逐渐降低，但当埋深达到一定深度(17#)时含气量随埋深变化趋势趋于稳定；各煤储层渗透率分布在0.004～0.17mD，呈现三段式波动性变化，储层压力系数普遍小于1；煤储层孔隙以微孔、小孔为主，孔隙类型以开放的、连通性好的管状毛细孔或墨水瓶孔为主，有利于后期储层压降。结合地层层序格架最大海泛面，综合分析将该区煤储层划分为3个独立含煤层气系统：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#；

煤层气；多层叠置；都格井田

0 引言

煤层气产业的快速发展，促使煤层气地质研究由煤层气选区评价及单一(两层)煤层往煤层气成藏条件研究、煤层气勘探目标评价及多煤层评价等方面倾斜[1-3]。针对于此，国内外相关学者对多煤层发育地区进行了大量的研究，主要包括多煤储层含气性、渗透性、孔隙结构差异性分析及相关选区评价研究[4～9]。查明煤储层的物性垂向差异直接影响到区域煤层气开发层段优选级合层排采技术的合理性。水城都格井田属六盘水煤田沉积盆地的一部分，龙潭组煤层发育具有“多而薄”的特征，导致该地区煤储层在层间、层内和平面上表现出明显的高非均质性特点。受多种客观因素制约，黔西-滇东煤层气开发程度较低，前人研究多依赖于有限井下煤样及理论推测分析，从而对该区煤储层物性的准确描述产生很大影响，影响了该区的多煤层叠置成藏研究。故本文以都格井田可采煤层为研究目标，基于相关测试成果，结合研究区地质构造及地质背景，系统分析各可采煤储层垂向孔渗特征，探究该区多层叠置独立含煤层气系统发育模式，以期为指导该区煤层气的有序开发提供理论借鉴。

1 煤层气地质条件

研究区位于六盘水煤田，处于杨梅树向斜北翼，杨梅树向斜总体构造形态为一复式向斜，NE为马龙向斜，SW为妥倮向斜，全区断层相对不发育，以NW-SE走向为主。含煤地层倾角深部约10°～16°，浅部可达20°左右，构造复杂程度为中等(图1)。井田内含煤地层为龙潭组，为一套海陆交互相含煤沉积，以碎屑岩为主，夹少量泥灰岩、灰岩，含煤46～80层，平均厚度419.28m，煤层平均总厚度47.35m，含煤系数11.29%；含可采煤层18层，煤层可采平均总厚度22.23m，可采含煤系数5.3%。可采煤层煤岩成分以暗煤为主，煤岩类型以半暗型煤为主，半暗-半亮型、半亮型、破碎煤、半亮-半暗型次之，镜质组反射率均在1.33%～1.78%，平均为1.51%，以烟煤为主[10]。

图1 研究区区域地质构造纲要图Figure 1 Study area regional tectonic outline map

2 煤储层物性分布特征

基于基础地质资料分析，该研究区含可采煤层18层(编号为：1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#、16#、17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#)，其中稳定煤层4层，为3#、5-2#、7#、13-2#，平均可采厚度之和为7.09m，占可采总厚度的32%；较稳定煤层8层，为5-3#、10#、12#、13-1#、14#、15-2#、16#、34#，平均可采厚度之和为9.62m，占可采总厚度的43%；不稳定煤层6层，为1#、17#、21#、23-1#、23-2#、33#，平均可采厚度之和为5.52m，占可采总厚度的25%；稳定和较稳定煤层共12层，占可采总厚度的75%。研究区煤层稳定程度类型为较稳定。本次研究对象以18层可采煤层为研究目标煤层进行分析，划分含煤层气系统。主采煤层特征见图2。

图2 松沙井田主采煤层综合地层柱状图Figure 2 Comprehensive stratigraphic column of main mineable coal seam in Songsha minefield

2.1 煤岩煤质垂向特征

综合研究区200件样品化验结果分析煤层气主要成分为甲烷，标准状态下干燥无灰基(甲烷+重烃)浓度为43.07%～99.95%，全区平均为89.98%。其次为N2浓度全区平均为9.47%。少量CO2平均为1.33%(图3)。

图3 可采煤层煤层气化学成分垂向分布Figure 3 Mineable coal seams CBM chemical components vertical distribution

如图4所示，煤储层化学性质变化呈现明显的“阶段式”：煤储层灰分随煤层深度增加呈波动变化，以7#、16#为界局部呈现先增大后减小的规律变化。煤储层硫分含量变化随煤层深度变化规律大致与灰分变化一致，以7#、16#为界均存在三个旋迴变化，水分含量相对变化较小但仍存在不同程度的旋迴现象。初步推测与“最大海泛面”控制的地层层序格架有关。

图4 可采煤层煤质化学特征垂向分布Figure 4 Mineable coal seams coal quality chemical features vertical distribution

2.2 煤储层含气性垂向特征

煤层含气量是煤层埋藏演化过程中经过多次生气储存、逸散后，在现今地质条件下动平衡的产物，是确定煤层含气性必不可少的参数。研究区内各主要可采煤层含气量平均含量在3.94～29.95 ml/g，全区平均含量为12.48 ml/g(图5、图6)。含气量垂向变化规律呈波动式：同一煤层23勘查线轴部以北东部，瓦斯含量随煤层埋藏深度增大而增高，当深度达1000m以后，煤层瓦斯含量趋于常量 ，轴部以南，南西北翼由于受断层影响，瓦斯含量不随煤层埋藏深度增大而增高。平面上，煤层越厚，产生的瓦斯量越充沛，煤层厚度从南西北至北东变薄，但北东部煤层埋藏较深，瓦斯含量随煤层厚度的增加而增加的规律性不明显。不同层位煤层平均含气量大致以10#/16#煤为界，初步划分为三个旋迴序列：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#；其中同一序列内符合随着埋深增大含气量逐渐降低的总体变化趋势。当埋深达到一定深度(17#)时含气量随埋深变化趋势趋于稳定。

图5 煤储层含气性垂向变化规律Figure 5 Coal reservoir gas-bearing property vertical variation pattern

图6 煤储层孔隙度垂向变化规律Figure 6 Coal reservoir porosity vertical variation pattern

2.3 煤储层解吸-吸附特征

综合研究区基础数据资料分析，该研究区煤储层吸附-解吸能力存在较大差异。各层位煤层兰氏体积约在16.53～21.00m3/t，平均17.75 m3/t，兰氏压力约在0.75～1.60MPa，平均1.15MPa(表1)。根据实测含气量、储层压力、等温吸附曲线等计算初步推测临界解吸压力、临储比、含气饱和度等可采性评价参数，显示该井大部分煤层含气性好，但同时垂向上同一含气系统或不同含气系统各煤层在临界解吸压力、含气饱和度、可采性等方面存在较大差异，这将给后期多煤层合层排采带来挑战。

表1 研究区各可采煤层等温吸附数据统计表Table 1 Statistics of isothermal adsorption data of mineable coal seams in study area

2.4 煤储层孔隙-裂缝特征

压汞法基于进汞压力与孔隙半径的函数关系来获取煤中有关孔隙大小、孔径分布、孔隙类型等孔隙发育信息，对于中孔以上的孔隙具有较高的精确度，可有效反映煤储层的渗流特征。孔径划分采用十进制划分法，即微孔,10nm；小孔，在10～100nm；中孔，在100nm～1000nm；大孔，>1000nm，本文将裂隙也列为“大孔”的范畴。基于现有资料分析，研究区可采煤层孔隙率为3.567%～7.001%，平均为5.82%；随埋深增加总体呈现呈减小变化趋势。压汞测试结果表明，研究区孔隙结构以微孔为主，孔径多分布于15.0～20.2nm。总孔体积多在3.52～6.09 m2/g，平均约为4.38m2/g(图7)。微孔、小孔等的发育，一定程度上有利于煤层气的吸附与后期解吸，对后期煤层气地质开发工作提供了良好的物质基础。

图7 各可采煤层孔隙结构垂向表征Figure 7 Pore structure vertical characterization of mineable coal seams

利用压汞曲线分析，选取典型煤层3#/7#/32#/33#四组进/退汞曲线进行孔隙结构分析。图8表明研究区退汞滞后环相对不明显，表明煤储层孔隙以微孔、小孔为主，反映孔隙类型是开放的、连通性好的两端开口而体腔宽阔的管状毛细孔或墨水瓶孔，此为后期储层压降及解吸速率的提高提供了良好的结构基础(图8)。

2.5 煤储层渗流特征

综合搜集研究区试井结果，选取三口参数井试井测试数据进行分析。对其10层可采煤层进行渗透率及储层压力系数垂向分析表明(图9)，各煤储层渗透呈现波动性变化，渗流能力普遍较低，渗透率分布在0.004～0.17mD。储层压力系数普遍小于1，大多属于低压储层，仅有7#存在超压现象，不利于后期煤层气排采工作的降压解吸工作。

值得注意的是，本次渗透率及压力系数数据取自于不同参数井，由于测试手段及数据提取过程的差异，数据的准确性以及片面性可能导致垂向叠置现象不甚明显或规律性较弱。如图8所示，多层叠置含煤层气系统理论表明同一含气系统内随着煤层埋深增加渗透率呈单调递减趋势变化[]。基于此理论，以7#/16#/23#为系统边界，划分为三个旋迴。

3 结论

基于对典型钻孔及相关地质资料综合分析，对该区煤层气地质赋存条件进行了系统剖析和论证，阐明了该区独立叠置含煤层气系统的垂向分布特征及形成机制。并在此基础上从煤岩煤质、含气性分布、吸附-解吸特征、孔隙-裂隙特征及渗流特征等5个方面进行煤储层物性垂向差异性分析，最终划分各独立含煤层气系统，并对各系统内进行阐述分析，主要取得了以下分析：

1)煤储层化学性质变化呈现明显的“阶段式”变化：煤储层灰分随煤层深度增加呈波动变化，以7#、16#为界局部呈现先增大后减小的规律变化。煤储层硫分含量变化随煤层深度变化规律大致与灰分变化一致，以7#、16#为界均存在三个旋迴变化，煤储层化学性质变化与“最大海泛面”控制的地层层序格架有关。

图8 主要可采煤层压/退汞曲线Figure 8 Mercury intrusion/withdrawal curves of main mineable coal seam

图9 可采煤层渗透率及储层压力系数垂向分布特征Figure 9 Permeability and reservoir pressure vertical distribution features of mineable coal seams

2)不同层位煤层平均含气量大致以10#/16#煤为界，初步划分为三个旋迴序列；其中同一序列内符合随着埋深增大含气量逐渐降低的总体变化趋势。当埋深达到一定深度(17#)时含气量随埋深变化趋势趋于稳定。

3)该研究区各煤储层层兰氏体积约在16.53～21.00m3/t，平均17.75 m3/t，兰氏压力约在0.75～1.60MPa，平均1.15MPa。根据实测含气量、储层压力、等温吸附曲线等计算初步推测临界解吸压力、临储比、含气饱和度等可采性评价参数，显示该研究区大部分煤层含气性好。

4)研究区煤储层孔隙以微孔、小孔为主，孔隙类型以开放的、连通性好的两端开口而体腔宽阔的管状毛细孔或墨水瓶孔为主，有利于后期储层压降。结合地层层序格架最大海泛面，综合上述因素分析，将该研究区煤储层划分为3个独立含煤层气系统：序列一，1#、3#、5-2#、5-3#、7#；序列二，10#、12#、13-1#、13-2#、14#、15-2#；序列三，17#、21#、23-1#、23-2#、33#、34#。

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Development Features of Multilayer Superimposed Independent CBM-bearing System in Duge Minefield

Zhang Guangzheng1, Xu Wenhui2

(1.Geological Exploration and Research Institute, Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550006; 2.Guizhou Coalmine Geological Engineering and Geological Environment Monitoring Center, Guiyang, Guizhou 550006)

To find out CBM reservoir geological condition in the Duge minefield, Shuicheng County, Lupanshui City has important guiding significance on subsequent CBM production development proceeded orderly.Based on study area basic geological data, combined with exploitation well logging results and related test data have carried out systematic analysis and summarization for vertical features of multiple coal reservoirs in the area.On this basis, copied from the multilayer superimposed CBM system theory, partitioned the CBM system in the area into multiple cyclic systems.The result has shown that the chemical property variation of multiple coal reservoirs in the area present obvious periodicity; taking the coal seam Nos.7 and 16 as the boundaries, locally present a regular trend of increasing first then decreasing.Coal reservoir sulfur content variation is roughly consistent with ash content variation along with the coal seam depth variation; the boundaries have divided the CBM system into three cycles.Average gas content of coal seam in different horizons within the same sequence will gradually lower along with the increasing of buried depth, but when reach to a certain depth (coal No.17), the gas content variation tends to be stable.Permeability of coal reservoirs is between 0.004～0.17m/d, and present three staged undulatory property; reservoir pressure coefficient generally <1.Pores in coal reservoir are mainly micropore and minipore; pore types have mainly open, good connected tubular capillary pores or ink-bottle pores, propitious to subsequent reservoir pressure dropping.Combined with strata sequence framework maximum marine-flooding surface, comprehensively analyzed the coal reservoir in the area into three independent CBM-bearing systems: Sequence I, coal seam Nos.1,3,5-2,5-3,7;Sequence II, coal seam Nos.10,12,13-1,13-2,14,15-2;Sequence III,coal seam Nos.17,21,23-1,23-2,33,34.

CBM; multilayer superimposed; Duge minefield

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.07

1674-1803(2017)07-0028-05

张广政(1984—)，男，甘肃靖远人，2007年毕业于河南理工大学，工程师，主要从事煤田地质勘查工作。

2017-04-11

责任编辑：宋博辇

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