黄河北煤田10号煤煤层气储层物性及特征研究

罗怡鑫，李 莹，王怀洪，尹露生，孔凡顺，王东东*

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛 266590; 2.山东交通学院交通土建工程学院，济南 250357;3.山东省煤田地质规划勘察研究院，济南 250104)

0 引言

煤层气作为一种非常规的清洁能源，备受国家的重视和开发利用，并得到了很大的推广和发展，煤层气产量取得逐年稳步增长，成为非常规油气能源中的热点[ 1 ]。而煤层是煤层气的源岩和储层，其物性特征直接影响着煤层气的可开发性和开发效果，所以煤层气储层物性特征历来是煤层气开发领域广泛关注和热点研究的内容之一[ 2 ]。要提高煤层气开发成效，必须有针对性、系统研究煤层气开发区的煤层气储层物性特征。随着黄河北煤田煤炭资源开采的进行，表明其存在煤层气并具有一定的煤层气勘探潜力。黄河北煤田岩浆作用强烈，矿区及周边断裂较多，主控因素较复杂，煤层气勘探至今还没有一定突破性进展。为此，本文基于黄河北煤田10号煤层气地质、相关煤层气储层物性参数测试资料等，应用煤层气地质理论对煤田内10号煤层气储层物性特征进行了研究，研究成果以期为后期煤层气开发提供技术支撑和可靠技术参数。

1 研究区概况及基本地质特征

黄河北煤田由于受鲁中块隆长期上升隆起的影响，区域地层总体呈明显的平缓的单斜构造，煤田内次一级褶曲发育，沿地层走向发育一组短轴状、轴向北东向的背向斜，均属规模小的波状起伏。煤田内断层较发育，构造复杂程度中等(图1)。以赵官煤矿为例，10煤层可采范围内厚度0.70～1.70m，平均1.25m，煤厚整体无明显的变化趋势。黄河北煤田含煤地层含煤14层，其中1～5层煤赋存于山西组，6～14层煤赋存于太原组。含煤地层总厚245m，其中可采和局部可采煤层为5、6、7、8、10、11、13等7层，可采煤厚4～9m，平均5.5m，可采煤层含煤系数2.2%。本文研究的10号煤层属于普遍发育的煤层，煤层气含量较高，为研究区主要开发煤层之一。

图1 构造纲要图Figure 1 Structural outline map

2 10号煤发育特征与生烃潜力

2.1 煤层发育特征

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[ 3-4]。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[ 5-7 ]。10号煤除济西工作区外，整个煤田普遍发育，但可采性西部优于东部。西部的三个工作区基本上全可采，稳定至较稳定，厚度从西向东逐渐变薄。邱集井田厚度多在1m左右；赵官镇工作区厚度多在0.8～1.0m；长清工作区西部只有0.6～0.8m，东部则不可采(表1)。自袁庄工作区向东，变为局部可采，袁庄工作区限于中部可采。煤层结构简单至较简单，一般无夹石，只在赵官镇工作区和长清工作区有时见厚度小于0.2m的泥岩夹石一层。顶板岩性为泥岩，底板岩性为砂岩或粉砂岩，有利于煤层气的保存。上距二灰11～15m， 自东而西增大； 下距三灰1.2～7.6m，自西而东增大。

表1 可采煤层厚度统计表

2.2 煤岩特征

煤质特征对煤层渗透性、压裂改造方式和技术选择具有重要影响[8]。10号煤层宏观煤岩类型以半亮煤为主，半暗煤次之，少量暗淡煤、光亮煤。煤层均为条带状结构，层状构造。有机显微组分均以镜质组为主，惰质组次之。其中镜质组最小值41.5%，最大值73.5%；以基质镜质体(可见胶结碎屑惰质体、丝质体碎片及黏土、黄铁矿等)为主；惰质组最小值2.7%，最大值25.9%；以丝质体和半丝质体(多呈破碎状、碎片状，可见胞壁断裂胞腔破碎呈星状结构，胞腔多中空，少数充填黄铁矿)为主(表2)。无机显微组分均以黏土类为主，多为散粒状、条带状、片状、胞腔充填状。黏土主要分布在基质镜质体中；硫化物以黄铁矿为主，呈星散状、结核状充填丝质组胞腔或交代稳定部分；碳酸盐一般为脉状方解石，氧化物为粒状石英。

表2 研究区10号煤煤层显微组分统计表

2.3 热演化程度

研究区内由于受岩浆侵入影响，煤变质程度也不同，以10号煤赵官镇勘探区为例，其最大镜质组反射率变化于0.775%～4.389%之间，平均为2.339%，相应地其变质程度属Ⅱ～Ⅹ阶段的烟煤、无烟煤、甚至部分变质为天然焦。

煤变质程度历来都被看作是确定煤层气开发前景、影响产气量、选择压裂参数等生产问题的重要因数[ 9]。煤田内煤层总体在区域变质作用下煤类变质程度为气煤、气肥煤，由于叠加了岩浆接触变质及岩浆热液变质作用影响，煤的变质程度普遍增高，这表明10煤的生气、储气能力较强。

2.4 煤层含气量

煤层含气量指单位煤的重量中所含的烃类气体在标况下的体积，单位为m3/t或mL/g[10]。煤层气含量直接控制着煤层气资源量的大小，对煤层气可采性的预测有直接影响，是进行资源评价、制定煤层气勘探规划不可缺少的参数。根据《中国煤层气资源》一书中煤层气资源计算单元划分原则，以无水基煤层气(甲烷+重烃)含量4m3/t和8m3/t两条界线，把煤层富气性划分为三级(表3)。

表3 中国煤层富气性分级表

针对黄河北煤田3个研究区煤层气(甲烷+重烃)资料进行了统计。①长清研究区10煤层甲烷含量两极值4.506～5.507 m3/t，平均5.007 m3/t，局部为含甲烷区；②赵官镇研究区10煤层甲烷含量两极值0.118～16.231m3/t，平均5.890 m3/t，为富甲烷区、基本为含甲烷区；③潘店研究区10煤层甲烷含量两极值0.000～0.164 m3/t，平均0.009～0.047 m3/t，基本全为贫甲烷区。综合以上内容分析，黄河北煤田10号煤层含气量较好，可以为煤层气的开发提供较好的气源保障。

3 10煤的储层物性特征

3.1 煤层孔裂隙特征

煤的孔隙和裂隙结构是影响煤层气储渗能力的主要因素，煤结构的破坏可以提高煤层气的透气性[ 11]。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[ 12 ]。为了研究10号煤层裂隙系统的分布特征，探讨影响裂隙发育的地质因素，本次工作对采集样品进行了宏观和微观裂隙特征描述和统计(表4)，结果表明，煤层裂隙发育程度与宏观煤岩类型及煤体结构关。一般情况为，宏观煤岩类型为光亮型煤较暗淡型煤的裂隙发育，且裂隙连通性较好；煤体结构为碎裂结构煤裂隙较原生结构煤发育，且裂隙连通性较好，10煤层发育少量构造裂隙，与层理近30°～60°相交。

表4 黄河北煤田10号煤层宏观裂隙特征

3.2 煤的吸附性

煤的吸附特性及其影响因素研究对计算煤层含气饱和度、临界解吸压力和估算煤层气的采收率等具有重要意义，亦是煤层气勘探开发储层评价的重要技术参数[ 13]。因此，煤层对甲烷气体的吸附能力，决定了煤层气在煤储层中的赋存状态、储集能力和煤层气产出过程。通常用Langmuir体积和Langmuir压力来描述煤的吸附特性，这两个参数可通过等温吸附实验得出(图2)。

图2 黄河北煤田10煤层等温吸附曲线Figure 2 Coal No.10 isothermal adsorption curvesin Huanghebei coalfield

10煤层空气干燥基Langmuir体积平均为30.02m3/t；干燥无灰基Langmuir体积平均为37.65m3/t；Langmuir压力为3.22MPa。由于煤层气吸附量多少与煤层的储气空间好坏密切相关，吸附量越大煤中储集煤层气的空间越好，反之亦然[14]。从实验数据看， 10煤层对甲烷的吸附能力较强， 有利于煤层气的赋存。

3.3 煤层渗透性

煤层渗透性系指煤层气在一定压差条件下，煤层允许其通过的性质(即煤层传到煤层气的能力)，为了定量描述和表征煤层渗透性，煤层气开发过程中引入“渗透率”概念，煤层气和地下水同属于流体且共存于煤层中，显示中煤层渗透率系指有效渗透率[15]。通过对研究区实施的煤层气井勘探试验，采用注入/压降法试井，实测10号煤层渗透率为0.53mD(表5)。与国内其它地区煤层相比，10号煤层的渗透性比较好。

表5 10号煤层渗透率测定结果

3.4 煤储存压力特征

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[16-17]。根据区内已施工的煤层气参数井测试的煤储层压力数据可以看出，该区实测10号煤层储层压力在2.16～4.20MPa之间，压力梯度为0.418～0.797MPa/100m，为低压储层至常压储层(表6)。煤储层压力的大小与煤层埋深有关，从测试结果看，煤层埋藏越深，煤储层压力越高。

4 煤层气的保存条件

4.1 构造条件

断裂构造对煤层气赋存的影响，断裂构造破坏了煤层的连续完整性，使煤层煤层气运移条件发生变化。黄河北煤田范围内较大断层主要为刘集断层、长清断层、桑梓店断层和卧牛山断层及其附属断层，均为高角度正断层，断层倾角一般在70°左右，均系区域性的开放性断层，这组断裂构造的主要特点是延伸长、断距大、附生断层发育，常构成勘探区的边界。这些特点直接影响到矿区内煤层气的赋存状况，在断层带内或断层附近煤层气逸散较多，而远离这些开放性断层的区域，煤层气含量相对较高。褶皱的类型、封闭情况和复杂程度对煤层气赋存均有影响。当煤层顶板岩石透气性差，且未遭受构造破坏时，背斜有利于煤层气的储存，是良好的储气构造，背斜轴部的煤层气会相对聚集，煤层气含量增大。黄河北煤田为一平缓的单斜构造，走向约北东50°，倾向北西，倾角一般在5°～8°。矿区煤层总体上由东南向西北倾斜，区内由浅至深煤层气含量逐渐增高。

表6 赵官煤矿10号煤储层压力测试成果表

4.2 埋深条件

通常情况下随着煤层埋藏深度的增加，煤层气含量逐渐增高。煤层埋藏深度的增加不仅加大了地应力，使煤层与岩层的透气性变差，而且加大了气体向地表运移的距离，因此，煤层埋藏越深越有利于气体的保存。研究区赵官煤矿10煤层，深度在372.62～479.06m时，气含量为0.118～0.351 m3/t；深度在614.07～778.56m时，气含量为4.635～16.231 m3/t(图3)。

图3 赵官煤矿10煤层气含量与埋深关系图Figure 3 Relationship between coal No.10 gas content andburied depth in Zhaoguan coalmine

4.3 水文地质条件

煤系中的水文地质条件对煤层气的保存、破坏影响很大，造成不同水文地质条件下煤的含气量差别很大[18-19]。对煤层气影响的水文地质条件主要表现为煤层与顶板含水层之间的隔水层的发育程度、含水层的富水性、导水性及其补给和排泄条件。含水层的富水性和导水性取决于孔隙、裂隙的发育程度和连通性。此外，断层的发育程度、两盘岩性以及断层带导水性也对煤层气赋存产生很大的影响。区内东部靳家井田、齐东勘探区、济东勘探区和袁庄勘探区断裂构造发育，含水层与煤层气水力联系较好，造成了煤层气的运移而使之逸散，这是造成本区煤层气含量较低的主要水文因素。同时区内奥灰厚度大、静储存水量大、水压较高、含水性不均一，局部富水性较强，有利于本区域下组煤煤层气的逸散。

5 结论

1)10号煤层属于全区普遍稳定发育的煤层；10号煤层宏观煤岩类型以半亮煤为主，煤中有机显微组分以镜质组为主，无机显微组分以黏土为主；10号煤煤变质程度比较高，以10号煤赵官镇勘探区为例，其最大镜质组反射率变化于0.775%～4.389%之间，平均为2.339%。

2)10煤层不同程度发育少量构造裂隙，与层理近30°～60°相交，储层孔裂隙发育、渗透率较低；10煤层对甲烷的吸附能力较强，有利于煤层气的赋存；10号煤层储层压力为2.16～4.20MPa，压力梯度为0.418～0.797MPa/100m，为低压储层至常压储层。因此，10煤层煤层气资源丰富，煤层气赋存条件好。

3)黄河北煤田呈单斜构造，矿区煤层总体上由东南向西北倾斜，区内由浅至深煤层气含量逐渐增高；10号煤层随着埋藏深度的增加，煤层气含量逐渐增高；10号煤层含水性较好，有利于煤层气的保存。