韩城矿区煤层结构特征及其对微粒生成的影响

姚 征，郑淑新，李华兵，李 宁，王 强

(1.陕西省地质调查院，西安 710054； 2.陕西省矿产地质调查中心，西安 710068；3.陕西省地质调查规划研究中心(陕西省地质勘查基金中心)，西安 710068)

我国煤系非常规天然气资源优势显著[1]。煤层气是我国勘探评价起步较早、开发利用程度较高的煤系“三气”之一[2-3]。煤层气开发不仅可以增加清洁能源供应和改善国家能源结构，还能够保障煤矿安全开采和减少温室气体排放，形成“资源、安全、环保”多重经济社会效益。由于相对复杂独特的地质条件，我国煤储层存在“三高三低”特点，即煤变质程度高、煤体结构破碎程度高、煤层结构复杂程度高和低含气饱和度、低渗透性、低储层压力[4-5]。这导致我国煤层气开发长期面临着诸多困扰，如单井产气量偏低、微粒产出严重、管泵设备故障频繁和连续稳定排采难度较大。

通常，煤储层微粒简称煤粉、煤泥。煤层气井中微粒产出会导致储层伤害和生产伤害，是制约储层渗透率、裂隙导流能力和排采设备工效的重要因素[6-7]。通过物理模拟、数值模拟、理论分析和生产实践等方法，不同学者探讨了煤储层微粒的成因机理、组分构成、运动力学与防控措施[8-14]。就生成来源而言，煤层气开发中微粒类型包括煤层-煤岩颗粒、煤中夹矸-矿物颗粒、煤层围岩-岩矿碎屑和外来侵入-固相颗粒[15]。当前，煤储层微粒的研究重点大多集中于煤岩自身，而对煤层气井排采所及的非煤岩层重视程度不足，这造成微粒产出的规律认知不详和有效防控不力。为此，笔者以渭北石炭-二叠纪煤田韩城矿区为例，着眼于煤层结构复杂程度、煤中夹矸发育规律和微粒产出物理模拟，探讨了煤层结构特征对微粒生成的影响效应，旨在进一步揭示煤层气开发中微粒生成规律，以期为有效防治微粒产出提供一定的技术依据。

1 研究区地质背景

韩城矿区现今所处大地构造位置为鄂尔多斯盆地东南缘的渭北隆起带东北段。经过多期次、多方向的挤压和拉伸作用叠加，该区基本构造形态为一走向NE、倾向NW、东南浅部翘起、西北深部平缓的单斜构造，地层倾角3°～ 20°[16-17]。

区内构造发育程度为南部和东部强、北部和西部弱，构造复杂程度为边浅部复杂、中深部简单。以文家岭隆起为界，区内构造南北分区性明显：南区拉伸构造形迹占据主导，以断层为主，褶皱较少发育；北区挤压构造形迹发育较多，以褶皱为主，断层较少发育；主要构造变形带集中在矿区东南边缘地带。根据构造形迹展布方向与特征、所处位置与集合关系，区内构造可分为两个构造组和五个构造带[18-19]：NNE—NE向构造组包括矿区东南边浅部隆起断裂构造带和乱麻梁-马家湾断裂带，NEE向构造组包括龙亭构造带、东泽村构造带和龙骨岭构造带(图1)。

区内出露地层由老至新依次为新太古界涑水群(Ar4s)；新元古界震旦系霍山组(Z1h)；古生界寒武系(∈)，奥陶系冶里组(O1y)、亮甲山组(O1l)、马家沟组(O1-2m)和峰峰组(O2f)，石炭系本溪组(C2b)和太原组(C2-P1t)，二叠系山西组(P2s)、石盒子组(P2-3sh)和孙家沟组(P3s)；中生界三叠系刘家沟组(T1lj)、和尚沟组(T1h)和二马营组(T2e)；新生界新近系(N)和第四系(Q)。

2 煤层气储层地质特征

作为我国煤层气勘探开发试验先导区之一，自2004年开始至今，韩城矿区累计钻探煤层气井近千余口。目前，区内煤层气资源已初步实现规模化和商业性开发。

韩城矿区主要含煤地层为石炭-二叠系太原组和山西组，两者分属海陆交互相和陆相沉积建造[16]。山西组3号煤层和太原组5号、11号煤层是区内煤层气开发主力煤层，现就其地质特征进行对比分析。

2.1 煤层特征

3号煤层全区发育，厚度在0.09～19.17 m，平均厚度为3.37 m。由北向南，研究区3号煤层平均厚度逐渐减小，煤层稳定性逐渐增强。北区桑树坪井田最大，可达6.35 m，其次为下峪口井田，均厚为4.09 m；至南区的象山井田和薛峰井田，煤层均厚仅为1.12～1.70 m。煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩，其次为粉砂岩和砂岩，底板以泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主。

图1 韩城矿区构造纲要图Figure 1 Structure outline map of Hancheng mining area

5号煤层主要发育在南区，北区仅燎原井田局部沉积，厚度较小。研究区5号煤层厚度在0.10～13.00 m，平均厚度为2.99 m。南区5号煤层厚度自北向南有减小趋势，均厚最大值位于龙亭勘查区，为4.03 m。 由于该煤层分布范围有限，煤层气开发重点集中在薛峰井田一带。煤层顶板以砂岩为主，底板多为低透气性的泥岩。

11号煤全区发育，厚度在0.24～23.13 m，平均厚度为4.10 m。平均厚度高值区位于研究区中部文家岭井田(5.09～8.28 m)、南部象山井田(3.79～4.48 m)和薛峰井田(5.04～5.10 m)。北部桑树坪—下峪口井田和南部龙亭一带煤层平均厚度较薄，但整体差异较小。煤层顶板以石灰岩、钙质泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主，底板多为泥岩。

2.2 煤岩学特征

3号煤层以半光亮型煤和暗淡型煤为主，其次为光亮型煤和半暗淡型煤。5号煤层以半光亮型煤为主，其次为暗淡型煤。11号煤层多为半光亮型煤、暗淡型和半暗淡型煤。相比而言，3号煤层和11号煤层中暗煤含量较高，而5号煤层中亮煤含量相对较高。

各煤层镜质体最大反射率介于1.39%～2.56%之间，属中—高煤阶煤。根据煤层发育时代由早及晚，镜质组最大反射率呈现逐渐降低的趋势(图2)。各煤层有机组分均以镜质组为主，其次为惰质组，壳质组含量甚微；无机矿物均以黏土类为主，硫化物类和碳酸盐类次之，氧化物含量极少(表1)。对比主力煤层的有机组分和无机矿物中不同类型的平均含量占比表明，镜质组以 5号煤层最高，11号煤层最低；黏土类矿物以5号煤层最高，3号煤层次之，11号煤层最低，多呈小透镜状、条带状、团块状及分散状；硫化物类矿物以11号煤层最高，3号煤层最低，主要为结核状、细分散状黄铁矿；碳酸盐类矿物以3号、5号煤层较高，多为细脉状及薄膜状方解石(图3)。

图2 煤的镜质体最大反射率Figure 2 Maximum vitrinite reflectance of coal

2.3 煤的工业分析

根据煤炭质量分级、煤的挥发分产率分级标准规定，对比分析韩城矿区煤层气开发主力煤层的工业分析测试结果平均值表明(表2)，各煤层均属中灰煤(20.0010.00～20.00)。就原煤全硫而言，3号煤层平均值为0.84%，属低硫煤(St,d=0.51～1.00)；5号煤层平均值为1.93%之间，属中硫煤(St,d=1.01～2.00)；11号煤层平均值为3.95%，属高硫煤(St,d>3.00)。

表1 煤的显微组分含量

图3 煤中有机组分和无机矿物平均含量占比Figure 3 Average content percentage of organic maceral and inorganic mineral of coal

表2 煤的工业分析测试结果

3 煤层结构特征

3.1 煤层结构复杂程度

煤层结构能够指示煤中夹矸发育特征。根据煤中夹矸有无及厚度情况可将煤层结构划分为四种类型，即简单、较简单、较复杂、复杂。

研究表明：韩城矿区煤层气开发主力煤层的结构复杂程度存在较为明显的差异。按主力煤层由早至晚发育顺序，其煤层结构特征由复杂趋于简单。根据钻孔揭露煤层的发育特征统计结果得出：11、5、3号煤层中复杂结构煤层占比依次为9.38%、1.87%和1.42%，较复杂结构煤层占比依次为12.90%、10.82%和3.55%。因此，韩城矿区11号煤层具有最为复杂的煤层结构特征，以发育多层夹矸为主，5号煤层主要含1层夹矸，3号煤层中夹矸发育程度最低(图4)。

图4 煤层结构复杂程度Figure 4 Complexity of texture of coal seam

分析认为，受成煤过程中古地理环境空间变化的影响，11号煤层中发生了多次泥炭化间断事件，导致无机沉积作用频繁，泥炭沼泽的稳定性较差。在煤层自太原组向山西组形成期间，沉积环境由海陆交互相转为陆相，聚煤作用相对稳定，煤层发育较为连续。

3.2 煤中夹矸发育规律

研究区主力煤层中夹矸发育特征存在时空差异。就夹矸总厚而言，3号煤层介于0.30～1.70 m，均值为0.39 m；5号煤层介于0.06～1.60 m，均值为0.52 m；11号煤层介于0.03～2.70 m，均值为0.59 m，整体表现为随煤层自下而上发育，煤中夹矸总厚具有逐渐减小的趋势。计算夹矸总厚与煤层厚度之比得出：5号煤层最高(1.35%～40.00%，均值为14.49% m)，11号煤层次之(0.24%～46.55%，均值为11.63%)，3号煤层最低(0.51%～35.14%，均值为10.61%)。

对比分析煤中夹矸空间分布特征可知，3号煤层在北区桑树坪-下峪口及其西部的王峰井田内夹矸的层数多、总厚大，而南区夹矸发育相对较差(图5A)；5号煤层中夹矸发育在南区，象山-马沟渠井田及其西侧的岭底、薛峰和龙亭一带存在夹矸厚度高值区(图5B)；11号煤层中夹矸分布几乎遍及全区，相比东部边缘，西部夹矸层数减少、总厚降低，多层夹矸主要发育在象山井田和桑树坪井田(图5C)。相比3号煤层，5号和11号煤层中夹矸发育程度偏高；5号煤层中夹矸的空间发育连续性更强，夹矸总厚高值区集中程度最高。

①-桑树坪；②-下峪口；③-燎原；④-马沟渠；⑤-象山图5 3号(A)、5号(B)和11号(C)煤层中夹矸厚度等值线图Figure 5 Thickness contour map of parting in 3#, 5# and 11# coal seam

4 煤层结构与微粒生成

为了表征复杂煤层结构对煤粉生成的影响效应，应用岩心驱替仪(图6)，针对煤中泥质和粉砂质夹矸，开展了单相液流(氯化钾溶液)[15]和单相气流(氮气)物理模拟实验[18]。

图6 岩心驱替仪示意Figure 6 Schematic diagram of core flooding rig

4.1 单相液流物理模拟实验

在单相液流物理模拟实验中，笔者论述了氯化钾溶液与泥质夹矸、煤岩的水岩反应差异特征[15]。通过模拟储层流体在裂隙网络中的运移可知(图7)，泥质夹矸所含的速敏性矿物高岭石会因流体冲刷而长距离运移、水敏性矿物蒙脱石会因低矿化度流体作用而体积膨胀，两者导致大量的敏感矿物型微粒生成。这类具有迁移距离大、波及范围广、形变显著的微粒能够造成更加复杂的渗流通道堵塞。相比泥质夹矸，煤岩在氯化钾溶液作用下未明显生成固相微粒，同时其受流体矿化度的影响较小。因此，在氯化钾溶液引起的水岩反应中，由于泥质夹矸的组分构成以高岭石、蒙脱石等敏感型黏土矿物为主，故其会比煤岩生成数量更多的、组构多变的固相微粒。作为煤储层微粒的生成层位，在水岩反应作用下，煤中夹矸对微粒的生成量、迁移能力及储层伤害程度影响尤甚。

图7 氯化钾溶液作用下泥质夹矸与微粒生成Figure 7 Muddy parting and fines generation in KCl solution

4.2 单相气流物理模拟实验

煤储层压力降低是煤层气解吸渗流的前提条件。煤层和煤中夹矸在成分、结构及渗透性等方面存在显著差异，这导致在煤储层压力降低过程中，煤层和煤中夹矸之间会形成一定的层间压差[18]。通过物理模拟层间压差，分析了不同厚度的泥质夹矸和粉砂质夹矸对煤储层微粒生成的影响作用。

以岩心驱替仪为实验平台(图6)，选用样品包括厚度为2 mm和3 mm的泥质夹矸(以M2、M3表示，图8A)及粉砂质夹矸(以S2、S3表示，图8B)，样品受压作用面的直径为10 mm(图8C)。分别以0.5 MPa及4.0 MPa的进口气体压力向岩心夹持器内注入氦气，持续时间为1 400 mins。在样品受压作用面背侧的压降孔道中填充直径为500 μm玻璃珠，作为捕获微粒的载体(图8C)。

图8 单相气流物理模拟实验样品Figure 8 Samples in single phase airflow physical simulation experiment

实验结束后，收集玻璃珠，经超声波清洗使微粒从玻璃珠表面脱落。通过库尔特计数器，分析不同实验条件下微粒的生成数量及粒径特征。

结果表明(图9)：在压差作用下，泥质夹矸和粉砂质夹矸均会生成大量的固相微粒。相比低压差，泥质夹矸在高压差条件下生成微粒的数量更多、平均粒径更小，表明泥质夹矸生成微粒的数量与压差呈正相关、粒径与压差呈负相关。但粉砂质夹矸生成的微粒并未呈现一定的规律变化。除0.5 MPa压差物理模拟实验中M3和S3外，在同等压差和样品厚度条件下，泥质夹矸比粉砂质夹矸生成微粒的趋势更大。

图9 不同实验条件下生成的微粒数量及平均粒径对比Figure 9 Amount and mean particle diameter comparison of generated fines under varied experimental conditions

分析认为，单相气流压差会在夹矸样品内部形成气体驱动力，这将造成夹矸结构出现显微破裂、矿物颗粒发生失稳，从而导致微粒产出。驱动力随压差增大而变强，故泥质夹矸生成微粒的数量与压差呈正向变化。夹矸中矿物粒径越小，其比表面积及矿物之间的结合力越大。因此，平均粒径偏大的微粒容易在低压差作用下生成，而平均粒径较小的微粒，则需要在高压差形成的强驱动力下方能脱落生成。

综合而言，多期次无机沉积作用使成煤过程出现间断，煤层结构特征趋于复杂，煤中夹矸的发育程度升高及岩性空间差异明显，煤层-煤岩-煤质的稳定程度则相应减弱，煤层与煤中夹矸的层间岩矿差异性增强。在煤层气开发过程中，由于物理破坏、水岩反应和层间压差等作用，煤岩、泥质夹矸及粉砂质夹矸均为煤储层微粒的生成层位，这对微粒的组分构成、运移特征和有效防控等形成了重要影响。

就韩城矿区煤层气开发而言，5号煤层中夹矸集中发育程度较高，具有相对复杂的煤层结构特征。因此，应重视该矿区5号煤层中夹矸的空间分布和岩性变化，通过采取有效的管控措施，方能有针对性地降低不同类型的煤储层微粒产出对煤层气开发的制约作用。

5 结论

1)韩城矿区煤层气开发主力煤层具有复杂程度各异的煤层结构特征。受成煤过程中不同期次的无机沉积作用影响，主力煤层的煤层结构自下而上由复杂趋于简单、煤中夹矸发育层数减小、夹矸总厚降低。

2)3号、5号和11号煤层中夹矸空间发育特征差异显著。3号煤层中夹矸主要发育在桑树坪、下峪口、王峰井田。5号煤层中夹矸发育在韩城矿区南区，夹矸总厚高值区在象山、薛峰和龙亭一带集中程度最高。11号煤层中夹矸分布遍及全区，呈东部边缘发育程度高、西侧中深部发育程度低的特征。

3)煤层结构复杂程度越高，煤中夹矸的层数、厚度和岩性变化越大。在物理破坏、水岩反应和层间压差作用下，泥质、粉砂质等不同岩性的煤中夹矸均会成为微粒产出层位，导致敏感矿物型和岩矿碎屑型微粒生成，且泥质夹矸生成的敏感矿物型微粒具有生成数量多、运移距离长、储层伤害大的特征。开展煤层结构特征研究能够查明煤中夹矸的空间分布规律和岩矿变化特征，有助于从井位选择、储层改造、排采管控和有效防治等方面降低煤储层微粒的产出危害。