沁水煤田东北部15号煤储层物性及特征研究

杨昌永 ，郝春生，田庆玲，季长江，邵显华，常会珍

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030000)

沁水煤田东北部是我国重要的无烟煤生产基地和煤层气富集区之一，区内矿井多为高瓦斯突出矿井，瓦斯已成为制约矿井安全高效生产的首要因素。本着煤与煤层气协同绿色开采理念，近年来在煤田范围内逐步加大了地面煤层气开发工程，为打造本质安全、节能、高效型矿山和清洁利用煤层气资源起到了积极作用，亦获得了一些煤层气储层物性及特征参数。当前，煤层气储层物性及特征研究主要集中在沁水煤田东南部晋城矿区一带，而煤田东北部则鲜有开展[1，2]。同时，由于前期研究的时效性和参考、利用的资料有限，加之煤层气储层的极强不均质性和物性差异[3]，使得研究成果未能充分体现研究区煤层气储层物性特征之实际。基于此，笔者对沁水煤田东北部阳泉新景矿、平定五矿、昔阳六矿等煤层气开发资料进行了收集、分析及研究，研究成果对煤田后期煤层气开发煤层气储层评价及优选、有利区预测等提供技术支撑。

1 研究区概况及地质背景

沁水煤田东北部地处沁水凹陷东北缘，太行隆起之中段西侧，地跨阳泉和晋中地区的平定县和昔阳县。西北以郭家沟断层为界，东南以清漳河为界，东界、北界为煤层自然露头，西部深部界线以各勘探区和矿井边界[4]。研究区总体为一走向北东、倾向南西的单斜构造，单斜构造之上发育有次一级的不同构造[5]。地层出露由东往西由老变新，有奥陶系、石炭系、二叠系。东部、北部可见大面积奥陶系石灰岩出露，南部多为二叠系和石炭系出露，西部全为二叠系[2]。下二叠系山西组和上石炭系太原组为矿区主要含煤地层，其中，下二叠系山西组含煤6层，编号为1、2、3、4、5、6号煤层；上石炭系太原组含煤12层，编号为8、8下、9上、9、11、11下、12、13、13下、15、15下、16号煤层。3、8、9号煤层为局部或大部分可采煤层，15号煤层为全区稳定可采煤层。

2 煤储层物性及特征

2.1 煤层与煤岩特征

2.1.1 煤层特征

煤层是煤层气的生气层和储集层，是煤层气勘探开发的直接对象。煤层厚度、结构及其稳定、可采性等特征影响着煤层气的可采性和开发难易程度，是煤层气储层评价及优选的重要参数[6-8]。开发目标煤层厚度越大、展布越稳定、结构越简单、可采性越好，煤层气可采性亦越好，反之亦然[9]。基于沁水煤田东北部地面煤层气钻井资料，对其范围内15号煤层的发育特征参数进行统计和分析(见表1)。煤层厚度2.64～10.90m，平均厚度5.12～6.79m。可以看出，15号煤层发育较好、展布稳定，为全区稳定可采煤层。受成煤沉积环境及其演化控制，煤层厚度总体表现为中部平定五矿一带高，北部阳泉新景矿一带次之，南部昔阳六矿一带最小的分布特征。煤层中含夹矸1～7层，2～3层者居多，煤层结构较复杂～复杂。煤层顶底板为泥质含量高的泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩等组成，利于煤层气的封闭保存。

表1 沁水煤田东北部15号煤发育特征

2.1.2 煤岩特征

煤岩特征是分析井壁稳定性、了解煤储层物性优势、预测和优选煤层气富集高渗区的重要研究内容[10，11]。沁水煤田东北部15号煤层为高变质无烟煤三号，煤变质程度表征参数煤的镜质组反射率由北往南总体呈递增趋势。北部阳泉新景矿一带15号煤层的平均镜质组最大反射率(Ro，max)一般为2.05%～2.028%，中部平定五矿一带15号煤层的平均镜质组最大反射率一般为2.889%～3.108%，南部昔阳六矿一带15号煤层的平均镜质组最大反射率一般为2.873%～3.423%。受煤变质作用及变质程度差异影响，阳泉新景矿一带宏观煤岩类型为半亮～半暗型煤，宏观煤岩组分以亮煤和镜煤为主。有机显微煤岩组分以结构均一的镜质组为主，以及少量的半丝质组及丝质组，过渡组份极少，组分界线比较明显。无机显微组分以粘土为主，硫化物次之，煤层中下部常见草莓状黄铁矿，方解石常为次生脉状充填在有机质当中，石英颗粒十分罕见；平定五矿一带宏观煤岩类型以光亮型煤、半亮型煤为主，其次为半暗型煤。宏观煤岩组分以光亮煤、半亮煤为主，其次为镜煤。有机显微煤岩组分以镜质组为主，惰质组次之。无机显微组分以粘土矿物为主，硫化物次之。粘土矿物与有机组分、黄铁矿混杂呈团块状或微层状分布，少量充填细胞腔；昔阳六矿一带宏观煤岩类型以光亮型、半亮型煤为主，少数为半暗型煤。宏观煤岩组分多以亮煤为主，夹暗煤及丝炭条带。有机显微组分以镜质组为主，少量丝质组，其他有机组分难以辨识。无机显微组分以粘土矿物为主，呈分散状、团块状或浸染状。并含有少量块状黄铁矿或碳酸岩矿物及石英颗粒。

2.2 煤层含气性

2.2.1 煤层含气量

煤层含气量系指单位数量煤体中所含的煤层气数量，单位常用mL/g或m3/t表示。煤层含气量是煤层气资源量估算、煤层气区块评价及优选、矿井瓦斯涌出量预测预报等的一项关键技术参数[12]。当前，沁水煤田东北部已开展了部分煤层气勘探开发工作，期间采用煤层气钻井取芯煤层气解吸法(测试过程按照GB/T 19559—2008执行)获得了一些煤层含气量测试数据。在埋深1200m以浅，15号煤层含气量0.68～17.21m3/t，平均8.15m3/t。可见，15号煤层含气量整体较高且两极值差异较大，体现了煤层气富集程度较高且赋存的极不均衡性。研究区煤层含气性主要受控于煤层围岩性质、构造发育差异和地下水径流状态等主要地质因素及其耦合作用。阳泉新景矿一带15号煤层围岩由泥质含量高的完整、致密、低渗岩石组成，开放性构造不甚发育，地下水径流弱，有利于煤层气保存和富集，煤层含气量普遍较高(8.63～16.85m3/t，平均10.51m3/t)；昔阳六矿一带15号煤层围岩多为致密、低渗的泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩组成，偶见溶洞发育、性脆的灰岩顶板，开放性构造相对发育(陷落柱和少量断距大于10m以上的断层)，地下水径流相对较弱，对煤层气保存较为不利，煤层含气量整体较低(0.74～17.21m3/t，平均7.42m3/t)且煤层气赋存均衡性较差；平定五矿一带围岩岩性及其组合特征与昔阳六矿基本一致，但陷落柱开放性构造非常发育，地下水径流较强，使得煤层气保存条件较差，煤层含气量普遍较低(0.68～15m3/t，平均5.28m3/t)且煤层气赋存均衡性亦较差。

2.2.2 煤层含气饱和度

煤层含气饱和度系指煤中孔隙被煤层气充满的程度，为煤层实测含气量与原始煤储层压力在等温吸附曲线上所对应的理论含气量之比值，是煤层气开发难易程度、煤层气井产能和煤层气区块评价及优选的重要技术参数[13，14]。煤层含气饱和度可由煤层实测含气量、等温吸附参数共同计算而得，计算过程按照式(1)、式(2)进行。

Q含饱=V实测/V理论

(1)

V理论=VLP/(P+PL)

(2)

式中，Q含饱为煤层含气饱和度，%；V实测为煤层实测含气量，m3/t；V理论为原始煤储层压力条件下所对应的煤层含气量，m3/t；VL为兰氏体积，m3/t；PL为兰氏压力，MPa；P为煤储层压力，MPa。

按照式(1)、式(2)对沁水盆地东北部15号煤层的含气饱和度进行了计算，其值为33.27%～47.52%，平均为41.63%(见表2)。可见，15号煤层的含气饱和度普遍相对较低，为欠饱和煤储层[15]，不利于煤层气井的高产和采收率的提高[16]。同时，煤层埋深及煤层含气性对煤层含气饱和度影响最大[13]，二者差异使得研究区15号煤层含气饱和度总体呈现出由北往南递增趋势。

表2 沁水煤田东北部15号煤含气饱和度计算结果表

2.3 煤层孔裂隙特征

2.3.1 煤层孔隙

煤层是属于一种多孔介质，其孔隙特征影响着煤层气的赋存、扩散、运移和渗流特征。煤层气在煤储层的大孔中以剧烈的层流和紊流渗透为主，中孔中以缓慢的紊流渗透稳住，过渡孔中以吸附、毛细管凝聚和扩散为主，微孔中则以吸附为主[17]。目前，针对煤层孔隙结构特征的研究方主要有扫描电镜法、压汞法、低温氮气吸附法、小角度X射线衍射等[18]，为煤层孔隙的定量分析和评价提供了有力依据。由于实验方法和测试技术手段的差异，孔隙类型具有多种划分方案，而B.B.霍多特的十进制单位划方案较受欢迎且应用广泛，他把孔隙划分为大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、过渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)四种孔隙类型[17]。本文亦采用了该种方案对煤层孔隙孔径进行了划分。

据沁水煤田东北部15号煤压汞法孔隙测定资料可知：受煤质程度影响，15号煤的孔隙度总体较高，同时孔隙特征参数值差异显著。煤孔隙度一般为3.01～12.79%，平均8.24%；总孔容44.4～153.4mm3/g，平均88.39mm3/g；比表面积20.38～27.33m2/g，平均23.56m2/g；中值孔径8.2～617.6nm，平均281.34nm。进汞饱和度(大于80%)和退汞效率(60%～80%)较高[2，19]。压汞曲线总体呈显著的“三段式”特征(如图1所示)：即汞入压力0.2MPa以下时，图1(a)、(b)的压汞曲线均为一陡倾斜的近似直线段，但图1(b)的压汞曲线的平滑度没有图2(a)高，且压汞曲线具有一定“波动”，表明图1(a)、(b)均以大孔为主，但图1(a)中大孔的连通性相对较好，孔隙形态不及图1(b)复杂。在较小的外界压力作用时汞容易突破煤孔隙毛细管压力而进入煤孔隙中。该阶段煤孔隙为主要为3～63μm的植物细胞残留大孔和部分微裂隙，进汞量所占比例仅在10%左右，这部分孔隙对煤层渗透率却起到重要贡献；汞入压力0.2～2.1MPa时，图1(a)、(b)压汞曲线总体为一近直立的线段，但图1(b)的压汞曲线的平滑度没有图1(a)高，且压汞曲线具有一定“波动”，表明图1(a)的中孔连通性相对较好，但小孔隙的发育程度和孔隙形态复杂程度不及图1(b)。该阶段汞入压力和进汞饱和度(约10%左右)增加，表明煤孔隙孔径变小、孔隙毛细管压力增加，0.4～3μm范围的中孔不甚发育且多为孤立孔隙；汞入压力2.1～32MPa时，图1(a)、(b)压汞曲线均呈一显著的倾斜线，但图1(a)压汞曲线波动较图1(b)大。这表明，随着汞入压力持续增加，并突破毛细管压力束缚使得汞大量进入更小孔径的孔隙中，但图1(a)的小孔径连通性较图1(b)差。该阶段进汞量非常之大，高达70%以上，显示0.4～0.016μm过渡孔相对发育且与基质孔隙中相连的次级孔隙或植物细胞残留大孔隙的有效孔隙率比较高。受煤孔隙特征影响，压汞和退汞曲线之间存在明显的“滞后环”。图1(a)的“滞后环”较图1(b)大，表明前者煤中不同孔隙间的连通性较后者好，退汞效率较高。

图1 沁水煤田东北部15号煤的的压汞、退汞曲线

2.3.2 煤层裂隙

煤层裂隙是煤层气渗流产出通道，其发育程度、规模及其连通性等控制着煤层的渗透性，进而影响煤层中煤层气的可抽采性和开发难易程度[20]。按其成因，煤层裂隙可分为外生和内生裂隙两种，前者亦称之为节理，是成煤过程或成煤期后应力作用下发生构造变动所致，而后者则是煤化过程中煤体发生脱水、收缩和脱挥发分等作用所致。为了定量描述煤层裂隙发育特征，对沁水煤田东北部15号煤层的新鲜煤体进行取样和宏观、微观裂隙观测。15号煤层的宏观煤岩组分为光亮、半光亮和半暗型煤。光泽较强，似金属、玻璃光泽，颜色为灰黑色，条痕为灰黑色，断口为阶梯状或参差状，夹有镜煤条带，条带状结构，层状构造。煤中内生、外生宏观裂隙均可见，裂隙类型与级别以小裂隙和微裂隙为主。裂隙发育方向较零乱，大致可见两组呈斜交裂隙，走向分别为20°～90°、272°～357°。其中，裂隙的主力优势发育方向在20°～90°之间，裂隙发育密度为16～27条/5cm。其次，裂隙的次要发育方向一般在272°～357°之间，裂隙发育密度一般为5～10条/5cm。煤中多见煤屑及纹裂，具定向性，表面擦痕、断口较明显，节理多呈斜交、近直交和雁列式，见拉长、定向的孔洞。节理面和孔洞多被煤屑和矿物质所充填，连通性较差(图2)。

图2 沁水煤田东北部15号煤的微观裂隙特征

2.4 煤层渗透性特征

煤层渗透性系指流体(如煤层气、水等)在压差作用下，通过煤层的难易程度，常用渗透率参数来定量表征[21]。煤层渗透性是评价煤层气抽采难易程度、产能及产水量预测、井网设计及优化、煤层气区块评价及优选的重要内容。当前煤层渗透率测定技术方法较多，诸如无损检测技术、钻孔瓦斯流量法、数理统计预测法等、孔渗仪器测定法、煤层气试井法等，但煤层气试井方法在煤层气勘探开发中最为常用[22]，本文所采用的煤层渗透率数据均为煤层气试井法所得(测试过程按照GB/T 24504—2009执行)。煤层裂隙的发育程度及其连通性，是影响煤层渗透率的关键因素[21]。沁水煤田东北部15号煤层裂隙相对发育，但裂隙多被矿物质和煤屑等充填，煤层渗透性差，渗透率普遍较低，煤层渗透率一般为0.011～0.25mD，平均0.09mD(见表3)。相比之下，研究区中部平定五矿一带煤层渗透率相对较高，北部新景矿及南部昔阳六矿一带煤层渗透率相对较低且基本同为一个数量级。

表3 沁水煤田东北部15号煤储层渗透率测试结果表

2.5 煤储层压力特征

煤储层压力(或孔隙流体压力)系指作用于煤孔隙裂隙空间的流体(水、气体)压力，是地层能量的体现和驱动煤层气产出的动能[23]。煤储层压力是煤层气高产富集区预测、气井排水降压难易程度评价、计算煤层含气饱和度和煤层气采收率、煤层气区块评价及优选等的重要研究内容之一。煤储层压力大小常用压力梯度来表征，把压力梯度小于9.5kPa/m划分为低压(欠压)煤储层，压力梯度介于9.5～10.0kPa/m划分为正常压力煤储层，压力梯度大于10.0kPa/m划分为高压(超压)煤储层[24]。沁水煤田东北部在煤层气勘探开发过程中采用煤层气试井法(测试过程按照GB/T 24504—2009执行)获得了部分15号煤储层压力参数(见表4)。研究区含水层弱富水性、地下水径流条件整体较差和较低地应力，使得区内煤储层压力较低[25]。在煤层埋深1200m以浅，煤储压力1.89～6.34MPa，平均4.67MPa；煤储层压力梯度4.07～8.93kPa/m，平均6.30kPa/m。可见，15号煤储层压力普遍较低，为低压煤储层[24]。同时，煤储层压力总体呈现出由北往南递减趋势。煤储层的低压状态，势必加大煤层气井排水降压难度、削弱煤层气吸附的压力正效应[26]。

表4 沁水煤田东北部15号煤储层压力测试结果表

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤基质孔隙表面的不饱和能与非极性分子间作用而产生“范德华力”，该力仅作用于分子的表面且不涉及外层分子，因而甲烷气体分子在煤基质孔隙中主要以单层吸附形式存在[27]，甲烷分子在煤中的吸附过程和吸附特性可用Langmuir方程(式(3))来描述和表征[28]。

式中，VL为Langmuir体积，m3/t；PL为Langmuir压力，MPa；V为试验压力P时煤对甲烷吸附量，m3/t；P为试验压力，MPa。

煤的吸附特征试验是含气饱和度、临界解吸及煤层气采收率计算，以及煤层气储集空间及储集能力评价、煤层气区块评价及优选的一项重要内容[29，30]。研究区15号煤层具有高变质、低灰、低含水性，使得煤层对甲烷分子具有很强的吸附能力[27，31]。据煤的等温吸附试验可得(见表5)：沁水煤田东北部15号煤在Langmuir压力1.31～2.09MPa条件下，空气干燥基Langmuir体积32.85～41.16m3/t，平均36.86m3/t。干燥无灰基Langmuir体积41.84～46.48m3/t，平均43.81m3/t。可见，煤不但吸附能力强，吸附量亦较高，说明煤中具有大量储集甲烷的空间[32]。

2.6.2 煤层气解吸特征

煤层气的产出须经历一个解吸、扩散、渗流过程，其解吸/吸附速率的快慢常用煤层气吸附时间来衡量[33]。吸附时间系指标况下，实测解吸气量累计达到总解吸气量的63.2%时所对应的时间，单位常用d或h表示[34]。吸附时间对煤层气井产气时间及产气高峰期预测、煤层气非平衡动力学模型评价等至关重要[33]。

表5 沁水煤田东北部15号煤的等温吸附试验结果表

沁水煤田东北部在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气钻井取芯和煤层气吸附/解吸实验，获得了一些煤层气吸附/解吸数据。通过对其统计分析可得(见表6)：15号煤层甲烷吸附时间2.38～22.55d，平均6.38d。煤的高变质、煤体结构的完整性及形态特征，使得15号煤甲烷的吸附时间整体较长，解吸速率过慢[35]。同时，受煤变质程度及煤体破坏程度差异影响[33]，15号煤甲烷吸附时间总体由北往南呈递增趋势，北部新景矿一带15号煤甲烷吸附时间平均4.66d，中部平定五矿一带15号煤甲烷吸附时间平均6.87d，南部昔阳六矿一带15号煤甲烷吸附时间平均8.00d。研究区15号煤甲烷的解吸特征，势必加大煤层气井的排水降压难度和延长排水降压时间，亦不利于煤层气井的高产、稳产和缩短煤层气开发周期[12]。

表6 沁水煤田东北部15号煤吸附时间测定结果表

3 结 论

1)15号煤层为中厚～厚的全区稳定可采煤层，为煤层气开发提供良好的储层条件。煤的高变质及变质程度差异，控制着煤岩类型和煤岩组分，进而影响着煤层气开发工艺。

2)15号煤层含气量整体较高，可为煤层气开发提供较好的气源。煤层含气饱和度偏低，不利于煤层气井的高产和采收率的提高；煤中孔裂隙相对发育，但连通性差。过渡孔的过剩发育，为煤层气的大量储集提供了良好空间。煤中小～微型裂隙虽较发育，但充填较甚，致使煤层的渗透率较低；煤储层压力的欠压状态，使得煤层气井排水降压驱动煤层气产出的动能较弱、排采难度亦较大，亦削弱了煤层气的压力吸附正效应；煤对甲烷的吸附量大，说明煤中具有大量储集甲烷的空间。煤对甲烷吸附时间较长，说明煤对甲烷的解吸速率相对较低，对其煤层气开发时气井初期见气晚，不利于气井的高产、稳产和缩短煤层气开发周期。