淮南矿区煤层气含气性分析——以13煤为例

刘会虎，琚其定，胡友彪，黄 晖，徐宏杰

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001； 2.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽淮南 232001)

0 引言

淮南煤田煤层气于二十一世纪初期才开始大规模勘探开发，到近期，煤层气的可利用资源量己达到5×1010m3[1-2]。煤层的含气性是决定煤层气资源量的一个重要因素，目前，国内外对煤层气含气量的评价方法主要有：现场解吸法、等温吸附法、测井解释法等，潘和平等人发现煤层含气量与煤层温度、压力及碳分、灰分含量具有密切关系，从而建立了煤层含气量的多元线性回归预测方法[3-5]。张群推导出新的煤吸附甲烷的温度-压力综合吸附模型,给出了模型中特征常数的求取方法，并指出该方法比兰格缪尔等温吸附模型的功能更强，适用范围更宽[6-9]。测井解释法是将测井数据和岩心实验结合起来建立含气量的测井解释模型，可以预测含气量并减少实验成本，但结果有一定的误差；等温吸附法获得的是煤的最大吸附量，未考虑游离气，但它正确表征了煤层的吸附特征；现场解吸法反映了样品的实际含气量,但受取心方式和提钻时间影响,损失气估算误差较大[10]。本文将通过收集淮南矿区的钻探资料，对淮南矿区13煤进行等温吸附实验，利用实验所得到的理论含气量对13煤层的理论饱和度进行了计算，最后以研究区13#煤层的含气量数据为依据，分析了其随深度的垂向分布特征及水平分布规律。

1 研究区13煤层含气性分析

1.1 煤层气吸附解吸特征

1.1.1 顾桥矿

根据实验测试的结果，对顾桥矿45个钻孔取心煤样的等温吸附实验结果进行了分析。由图1和图2可以看出，八补4孔取样13-1煤在干燥无灰条件下最大吸附量为17.156 3 m3/t，八-九补1孔取样13-1煤在干燥无灰条件下最大吸附量为16.857 8 m3/t，吸附常数分别为0.676 8 MPa-1和0.580 8 MPa-1。将吸附常数b换算成朗格缪尔压力，则八补4孔和八～九补1孔13-1煤进行等温吸附实验时所得到朗格缪尔压力分别为1.478MPa、 1.722MPa。

Q=17.156 3×0.676 8p/(1+0.676 8p)采样深度：963.8～969.32m图1 八补4孔13-1煤等温吸附曲线Figure 1 Borehole BB No.4 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=16.857 8×0.580 8p/(1+0.580 8p)采样深度：901.19～908.37m图2 八～九补1孔13-1煤的等温吸附曲线Figure 2 Borehole B～JB No.1 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

对顾桥45个钻孔的13-1煤的等温吸附实验结果中理论吸附量和朗格缪尔体积进行了统计，如表1。

表1 顾桥矿13-1煤等温吸附实验参数(干燥无灰基)

由表1可知，顾桥矿13-1煤理论吸附量变化于15.852 3～17.804 6 m3/t，平均为17.011 m3/t，朗格缪尔压力为1.198～1.940MPa，平均为1.616MPa。

1.1.2 潘三矿

根据实验测试的结果，对潘三矿40口钻孔取心煤样的等温吸附实验结果进行了分析。图3和图4分别为ⅩⅢ东13孔和ⅩⅣ东15孔的13-1煤的等温吸附曲线。由图3-15和图3-16可以看出，ⅩⅢ东13孔和ⅩⅣ东15孔13-1煤的最大吸附量分别为17.136 4m3/t、17.449 5m3/t，将吸附常数b换算成朗格缪尔压力分别为1.568 MPa、1.288 MPa。

Q=17.136 4×0.637 99p/(1+0.637 9p)采样深度：812.55～817.70m图3 ⅩⅢ东13孔13-1煤等温吸附曲线Figure 3 Borehole XIII E No.13 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

Q=17.449 5×0.776 3p/(1+0.776 3p)采样深度：851.10～855.68m图4 ⅩⅣ东15孔13-1煤等温吸附曲线Figure 4 Borehole XIV E No.15 coal No.13-1 isothermal adsorption curve

根据等温吸附曲线及等温吸附实验参数，将吸附常数b换算成朗格缪尔压力，对研究区潘三矿13-1煤等温吸附实验结果进行了统计，如表2。由表2，13-1煤的最大吸附量介于16.293 1～20.120 3 m3/t，平均值为17.773 0 m3/t，朗格缪尔压力介于1.067～1.941MPa，平均为1.391MPa。根据实验结果可知，潘三矿13-1煤最大吸附量较高，略高于顾桥矿，朗格缪尔压力较低，略低于顾桥矿。

表2 潘三矿13-1煤等温吸附实验参数(干燥无灰基)

1.1.3 丁集矿

表3为丁集矿13-1煤的等温吸附实验参数(其中朗格缪尔压力由等温吸附实验结果中吸附常数换算而成)。

由表3可知，丁集矿13-1煤的最大吸附量变化于16.760 4～18.280 0 m3/t，平均为17.207 7 m3/t，朗络缪尔压力变化于0.895～1.369 MPa，平均值为1.103MPa。由丁集矿13-1煤的等温吸附实验参数结果可知，13-1煤的朗格缪尔压力较低，理论吸附量较高。

表3 丁集矿13-1煤等温吸附实验参数(干燥无灰基)

1.2 煤层气含气量变化特征

对顾桥矿、潘三矿和丁集矿13#煤层的含气量进行分析，如图5。由图5可知：顾桥矿13-1煤的煤层气含气量变化于1.43～23.65 m3/t，平均为6.18 m3/t；潘三矿13-1煤的煤层气含气量变化于0.48～31.9 m3/t，平均为12.55 m3/t；丁集矿13-1煤的煤层气含气量变化于3.43～20.30 m3/t，平均为9.32 m3/t。

由顾桥矿、潘三矿和丁集矿13#煤层的含气量分析可知，煤层含气量的分布离散，不同钻孔取样测试的煤层含气量差异很大，表明受地质因素影响不同部位煤层的含气性差异明显。将这三个矿区的含气量特征进行比较，可以得出三个矿区的含气量分布变化特征基本一致。

1.3 煤层气理论饱和度变化特征

根据顾桥矿和潘三矿主要煤层实测含气量和等温吸附实验所得到的理论含气量，对主要煤层的理论饱和度进行了计算，结果如图6。由图6可知：顾桥矿13-1煤的理论饱和度变化于8.48%～138.07%，平均理论饱和度36.75%；潘三矿13-1煤的理论饱和度2.93%～186.43%，平均理论饱和度70.71%；丁集矿13-1煤的理论饱和度19.89 %～117.67%，平均理论饱和度54.21 %；11-2煤的理论饱和度变化于33.12 %～74.04 %，平均52.25 %。

图5 顾桥矿、潘三矿、丁集矿(自左向右)含气量统计分布Figure 5 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) gas content statistical distributions

图6 顾桥矿、潘三矿、丁集矿(自左向右)13-1煤理论饱和度Figure 6 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 theoretical saturations

由顾桥矿、潘三矿和丁集矿13#煤层的含气理论饱和度可知，绝大部分煤层的理论饱和度变化于20%～60%，局部煤层的理论饱和度较高。研究结果显示：在不同区域或不同部位均为不饱和状态，揭示出研究区顾桥矿和丁集矿煤层的含气程度均为不饱和。通过比较三个矿区的饱和度，潘三矿有相当一部分超过了100%，达到了饱和其至过饱和，这表明潘三矿不同区域中的不同煤层的含气程度存在饱和或过饱和的现象。

1.4 煤层气空间分布特征

(1)煤层含气垂向变化特征。图7分别为顾桥矿、潘三矿和丁集矿13-1煤层含气量与煤层埋深之间的关系。13煤层煤层气量与煤层埋深之间的关系离散，基本上没有明显相关性，表明煤层埋深对煤层含气量的影响很弱。

(2)煤层含气量水平变化特征。通过选取顾桥矿、潘三矿和丁集矿的稳定可采煤层13-1煤，依据13-1煤层的煤层含气量数据，绘制了煤层含气量等值线图，如图11所示。

由图8可知，研究区13-1煤的煤层含气量变化规律呈现出南部高北部低的特点。13-1煤含气量的分布具体表现出以下特点：在潘三矿的东南和西南部位分别出现高值区域，含气量自南向北降低；顾桥矿的13-1煤的含气量整体呈现由东南往西北降低的特点，局部出现异常高值或异常低值区域。

图7 顾桥矿、潘三矿、丁集矿(自左向右)13-1煤含气量与煤层埋深的关系Figure 7 Guqiao, Panji No.3, Dingji coalmines (from left to right) coal No.13-1 relationship between gas content and coal seam buried depth

图8 研究区13-1煤含气量等值线图Figure 8 Isogram of coal No.13-1 gas content in study area

2 结论

(1)13#煤层最大吸附量变化范围为15.85～20.12 m3/t，平均为17.33 m3/t，朗格缪尔压力为0.89～1.94 MPa，平均为1.37 MPa；13#煤层气含气量变化于0.48～31.90 m3/t，平均为9.35 m3/t;13#煤层的理论饱和度变化于2.93%～186.43%，平均理论饱和度为53.89%；

(2)不同钻孔取样测试的煤层含气量差异很大，最高可达33.5 m3/t，最低为4.9 m3/t。

(3)13#煤层含气量与煤层埋深之间的关系离散，没有明显相关性，煤层气含气量随深度变化的差异不明显，13-1煤含气量在平面上由南到北整体上呈逐渐降低的趋势。