成庄煤层气区块15号煤层气储层物性及特征研究*

李文桃

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 研究区概况

成庄煤层气区块位于沁水盆地南翼，晋城市西北20 km处，跨泽州和沁水两县。构造总体为—走向北北东或近南北、倾向北西的单斜构造。井田内地层平缓，倾角3°～12°，一般在8°以内。二叠系下统山西组和石炭系上统太原组为区块内主要含煤地层，总厚度126.94～178.06 m，平均厚度145.10 m，含煤11～21层，煤层总厚度14.30 m，含煤系数9.86%。9号煤层为区块内大部分可采的较稳定煤层，3号、15号煤层为区块内全区稳定可采中-厚煤层，两煤层平均间距86 m。其中，15号煤层埋深介于200～800 m之间，其具有含气量高、煤层气资源丰富等特点。为了提前降低煤层瓦斯含量和压力，减少或消除煤矿瓦斯事故和清洁高效利用煤层气资源，晋煤集团于2007年前后在该区开展了地面煤层气勘探开发工程，获得了不少15号煤层气储层物性及特征参数。鉴于此，笔者对区内15号煤层气储层物性及特征资料进行了较系数整理、分析和研究。研究成果以期对区内后续煤层气开发提供技术支撑。

2 煤层气储层物性及特征

2.1 煤层含气性特征

（1）煤层含气量

煤层含气量（煤层瓦斯含量或煤层气含量）系指单位质量的煤层中含有煤层气（煤矿瓦斯）的气体体积，常用单位为m3/t或ml/g来表征。煤层含气量是矿井瓦斯涌出量预测、煤层气资源储量计算及煤层气勘探开发资源潜力评价等的一项重要参数。成庄煤层气区块在煤层气勘探开发过程中，采用地面钻井取芯技术、含气量现场解吸和实验室测定等手段，获得了24个15号煤层原煤含气量测定数据，如表1所示。由测定结果可知，15号煤层原煤含气量为4.56～21.04m3/t，平均为11.20m3/t，8m3/t以上的含气量占总测值的67%。可见，研究区15号煤层的含气量较高，可为煤层气开发提供较丰富的煤层气资源。

表1 成庄煤层气区块15号煤层含气量

（2）含气饱和度

煤层含气饱和度系指原始状态下煤层中孔隙被煤层气充满的程度，是煤层气储层评价及优选的重要参数之一。研究和实践表明，煤层含气饱和度的高低影响着煤层气井的产能和最终采收率。一般而言，高含气饱和度煤层开发的气井，煤层气井的产量高和采收率高，反之亦然[1-2]。为了定量的表征煤层含气饱和度，对其进行了等级划分[3]：即含气饱和度大于1，为超饱和煤储层（或过饱和煤储层）；含气饱和度等于1，为饱和煤储层；含气饱和度小于1，为欠饱和煤储层。其可由等温吸附实验数据和实测含气量共同计算而得，计算过程参照式（1）、式（2）进行。

式中:S饱为煤层含气饱和度，%；V实为实测含气量，m3/t；V理为原始储层压力条件下所对应的煤层含气量，m3/t；VL为Langmuir体积（干燥无灰基），m3/t；P为原始储层压力，MPa；PL为Langmuir压力（干燥无灰基），MPa。

按照式（1）、（2）对成庄煤层气区块15号煤层的含气饱和度进行了计算，结果得：70.35%～98.27%，平均为84.31%。可见，成庄煤层气区块15号煤层的含气饱和度虽小于1，但还是比较高，为稍欠饱和-接近饱和状态。对该煤层进行煤层气开发时，较有利于煤层气井的高产和提高煤层气的最终采收率。

（3）煤层气地质储量丰度

煤层气地质储量丰度是指煤层中煤层气地质储量与井田面积的比值，单位为：亿立方米/平方公里（或×108m3/km2）。其主要用来定量评价目标煤层的煤层气资源的丰盈程度和煤层气开发资源潜力。煤层气地质储量丰度计算见式（3）。

式中：G为煤层气地质储量，108m3；A为井田面积，km2；F为煤层气地质储量丰度，108m3/km2。

研究区面积为74.33 km2，3号、9号及15号煤层的煤层气地质总储量为116.11×108m3，按照式（3）计算可得该煤层的煤层气地质储量丰度为1.56×108m3。可见，成庄煤层气区块15号煤层为低等煤层气地质储量丰度煤层（按照DZ/T 0216-2010《煤层气资源/储量规范》标准进行划分），但煤层气地质储量总体较大，具备较好的煤层气资源开发潜力。

2.2 煤储层压力

煤储层压力为煤层孔隙中流体所承受的压力，在煤层气勘探开发中对其研究尤为重视。煤储层压力的高低体现了其能量的大小，影响着煤层气的吸附、产出特征及产出的难易程度[4]。高煤储层压力的煤储层，往往煤层中的吸附瓦斯量较大，煤层气排水降压产出亦容易实现，煤层气井的产能往往较高，反之亦然。成庄煤层气区块在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气试井法对区内15号煤储层的压力进行了测定。如表2所示，在煤层埋深431.86～637.61 m范围内，煤储存压力值为1.03～1.77 MPa，平均为1.52 MPa；储层压力梯度为1.95～4.05 kPa/m，平均2.92 kPa/m。可见，研究区15号煤储层压力整体较低，属于严重欠压煤储层[5]。15号煤层的欠压状态势必加大了煤层气井的排采难度和周期，后期可采用高能气体储层增能、助排等技术手段，实现煤层气井的高效排采。

表2 成庄煤层气区块15号煤储层压力

2.3 煤的孔隙特征

煤孔隙主要指煤层中未被其他物质所充填的有效空间，煤的孔隙结构特征是研究煤层气解吸、扩散和渗流的基础，亦是评价煤孔隙储及煤层气能力的重要研究内容[5]。本文采用压汞实验对成庄煤层气区块15号煤层的孔隙结构特征进行了测定，结果可得：孔径为3.51～130799.7 nm，孔径分布范围较广，但所占比例差异较大。其中，孔径小于10 nm（微孔）的所占比例为49.11%，孔径10～100 nm（过渡孔）的所占比例为23.07%，孔径100～1000 nm（中孔）的所占比例为6.49%，孔径大于1000 nm的所占比例为21.33%。可见，煤中孔隙主要以微孔和过渡孔为主、大孔次之，中孔不甚发育[7]。因此，15号煤层的孔隙结构特征，不但有利于煤层气的大量吸附空间，亦具有较好的煤层气产出孔喉通道条件。

2.4 煤层渗透率

煤层渗透率的高低，可以定量分析和评价煤层气产出的难易程度，亦是煤层气勘探开发有利区评价和优选的一项重要参数。煤层渗透率越高，意味着煤层中具有良好的煤层气产出通道，煤层气井的产能往往较高，反之亦然[6]。成庄煤层气区块采用采用煤层气试井法对区内15号煤层的渗透率进行了测定。如表3所示，煤层渗透率为0.03～6.95 mD，平均为2.54 mD。可见，研究区15号煤层的渗透率整体较高但差异显著，体现了煤层渗透率的严重分异特征。煤层的高渗透性，有利于煤层气的高效产出和煤层气井的高产。

表3 成庄煤层气区块15号煤层渗透率

2.5 煤的吸附—解吸特征

（1）煤的吸附特征

煤层是一种多孔隙介质，对煤层气具有吸附特性。煤的吸附特性研究是评价煤层气吸附储集空间及性能，计算煤层气临界解吸压力、煤层含气饱和度及煤层气井采收率的一项重要参数[7]。煤的吸附性能常用Langmuir方程来表征，吸附性能参数主要通过煤的高压等温吸附试验方法（简称等温吸附试验）获得。通过15号煤层的等温吸附试验可得，如表4所示。Langmuir体积（空气干燥基）为26.94～55.81m3/t，平均为41.38m3/t。 Langmuir压力（空气干燥基）1.81～3.07 MPa，平均2.44 MPa；Langmuir体积（干燥无灰基）为33.44～68.25m3/t，平均为50.85m3/t。Langmuir压力（干燥无灰基）1.81～3.07 MPa，平均2.44 MPa。

可见，因15号煤层的变质程度较高（无烟煤三号），煤中微孔隙较发育，煤对煤层气具有很强的吸附能力、吸附储集空间亦较大。

表4 成庄煤层气区块15号煤层等

（2）煤的解吸特征

煤的解吸特征常用来分析、描述煤储层及指导煤层气井的精细化排采等。煤层中的煤层气解吸快慢或效率主要用解吸速率来对其定量表征，而解吸速率主要采用吸附时间来衡量[8]。不同煤阶的煤层气吸附时间具有很大的差异性，吸附时间的长短反映着煤层气解吸速率的快慢。吸附时间越长，意味着煤层气的解吸速率越慢，煤层气井短期内难以达到产能高峰，煤层气井开发周期亦相对较长，反之亦然[9]。据成庄煤层气区块15号煤层对甲烷的解吸试验可知，该煤层吸附时间3.97～14.50 d，平均8.93 d。较我国其他中低煤级煤矿区的煤的吸附时间稍长、解吸速率稍低。对该煤层进行煤层气开发气井短期难以达到高产，开发周期有所延长。

3 结语

1）15号煤层为中厚全区稳定可采煤层，煤层气含量、煤层含气饱和度及煤层气地质储量丰度均较高，可为煤层气开发提供良好的开发对象和资源条件。

2）15号煤储层属于严重欠压储层，对其开发势必加大煤层气井的排采难度和周期；煤层渗透率整体较高，煤层气的产出通道较好；煤中微孔发育较甚，为煤层气的吸附提供了更多的空间储集，进而导致其吸附能力强、吸附量亦较大；煤层的高变质，导致煤层的吸附时间较其他中低煤阶稍长，煤层气井的产气高峰可能到来相对较晚。

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