乌鲁木齐河东矿区煤层气含气性及物性特征分析

李中博 刘子强

(新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830009)

乌鲁木齐河东矿区位于北天山博格达山北麓，行政区划属乌鲁木齐和阜康市管辖。范围西起乌鲁木齐河，东邻三工河，东西长约42km，南北平均宽约6km，面积约243.5km2。矿区按构造划分为北部单斜、八道湾向斜北翼、八道湾向斜南翼、白杨河-水磨河四个区块。区内主要含煤地层为侏罗系下统八道湾组(J1b)、中统西山窑组(J2x)，主要煤层气储层为西山窑组的42-43、45号煤层，煤质为低变质的不粘煤、长焰煤。区内探获各类煤层气资源储量4.77×1010m3，地质储量规模为大型气田。

1 煤层封盖条件及含气性

1.1 煤层封盖条件

煤层顶底板岩性是影响煤层的封盖条件的重要因素，也是封堵煤层气的第一道屏障，从封闭性能上，粒度越细，封闭性越好。

从统计结果(表1)可以看出，河东矿区西山窑组煤层在北单斜、向斜北翼、向斜南翼顶底板岩性大多以细碎屑岩为主，占50%以上；白杨河-水磨河的八道湾组煤层顶底板岩性以粗碎屑岩为主，占55%以上。垂向上两个煤组，西山窑组目标煤层顶底板岩性的封闭性明显好于八道湾组。

表1 矿区煤层顶底板岩性厚度统计表

1.2 煤层含气性

对矿区内30口井取得了煤层含气性数据进行汇总(表2)，在深度403～1204m范围内西山窑组煤层空气干燥基含气量0.76～15.44m3/t，八道湾组煤层含气量普遍较低，在深度510～701m处，空气干燥基含气量为0.09～2.68m3/t。

表2 矿区煤层含气量特征表

由图1可知煤层含气量随埋深的增加而增大，且相关性很好，说明煤层埋深是影响含气量的主控因素。矿区煤层含气量梯度约为1.55m3/t/100m。

图1 参井各煤层含气量与埋深关系图

1.3 等温吸附特征

矿区煤层空气干燥基兰氏体积11.46～26.67m3/t，平均16.55m3/t，干燥无灰基兰氏体积14.10～28.69m3/t，平均19.57m3/t，表明煤层具有中等-较强的储气能力；兰氏压力3.32～6.20MPa，平均5.01MPa，各煤层兰氏压力平均值均在4～6MPa之间，兰氏压力较高，反映了煤层气较易解吸，对煤层气的开发较为有利(图2，3)。

图2 矿区煤层兰氏体积对比图

2 煤层孔隙裂隙及渗透性

2.1 煤层孔隙度

矿区内分别对42-43、45号煤层各采集进行了煤的真密度测试，为计算孔隙度，视密度采用两口参数井附近的钻孔的视密度的平均值。

图3 矿区煤层典型等温吸附曲线

由表3可知，42-43号煤层孔隙度7.97%～13.82%，孔隙度低-较发育，孔隙度较大表明其渗透性相对较好；45号煤层孔隙度5.80%～7.35%，属于低孔隙度致密储层，对煤层气而言，这种煤层的孔隙对气体导流基本不起作用，而真正起作用的是煤层的割理裂隙。

表3 煤层孔隙度计算表

2.2 煤层裂隙发育

煤层内生裂隙是煤在成煤作用过程中自身形成的一种裂隙，其发育程度直接影响到煤储层渗透率的大小和方向，是煤层气勘探开发的关键因素。煤层中内生裂隙密度越高，渗透性越好(表4)。

表4 矿区煤层裂隙的主要参数

矿区煤层煤体结构均为原生结构，这种煤体结构说明煤的内生裂隙(割理)保存较好。根据试验观察结果，矿区内煤层裂隙长度0.01～2.7cm，高度0.01～1.90cm，宽度1～550μm，密度0.6～8.20条/cm。煤层上段内生裂隙较发育，连通性中等，裂隙系统多呈网状和平行状。

2.3 煤层渗透性

根据注入/压降测试的结果，矿区煤层渗透率在0.003～13.48mD之间，属低-高渗透率储层。主要储层42-43号煤层的渗透率在0.003～4.87mD之间；45号煤层的渗透率在0.008～0.26mD之间。从单煤层渗透率分级占比图可以得出：勘探区主要的煤储层43号煤储层低渗储层占比较高，45号煤储层测试结果多为中渗透率储层(图4)。

图4 主要储层渗透率分级占比图

煤储层的渗透率在煤层气开发过程中，会发生相应的变化。据Harpalanishi试验室研究，高压阶段，随着压力下降，渗透率降低；当压力降到一定程度时，煤层解吸气量增加，煤层基质收缩率增大，煤层渗透率开始升高，因此，排采过程中，如果在工程措施、排采制度等方面恰当的情况下，随着煤储层压力不断下降，煤层气不断产出，其渗透率会不断变好(图5)。

图5 煤层气生产过程中渗透率的变化

3 储层压力及温度

3.1 储层压力

一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，为了在储层评价中统一方法和原则，本次工作将储层压力划分为三种类型(表5)。

表5 储层压力类型划分方案一览表

根据注入/压降测试的结果，矿区内储层压力为2.85～6.71MPa，基本均为欠压储层。储层压力与地下承压水位息息相关，各井储层压力的差异主要体现了不同区域不同层位承压水位的变化。

3.2 储层温度

煤储层温度是影响煤层气富集条件的敏感因素，从开发角度来说，温度越高，煤中甲烷的解吸能力越强，越有利于煤层气产出。

区内整体储层温度稳定，根据埋深的不同，储层温度在13.49℃～41.28℃，整体统计结果显示全区平均储层温度梯度为1.83℃/100m(图6)。

图6 储层温度与埋深曲线图

4 结论

矿区西山窑煤层顶底板岩性均以细碎屑岩为主，对煤层气的保存有利；西山窑组煤层整体含气量好于八道湾组煤层，瓦斯风化带以下含气量数据基本大于1m3/t的开采值下限，含气性较好；矿区主要煤层空气干燥基兰氏体积平均值基本都在 15～25m3/t之间，储气能力中等；矿区主要储层裂隙较发育属于相对渗透率较好的储层；矿区储层均为欠压储层，储层温度梯度未超过3℃/100m，属正常地温储层。通过成藏条件和成藏过程的分析，矿区煤层气藏的成藏机制可以归纳为以下几点：

(1)煤层气富集成藏的物质基础好。煤层厚度大、分布稳定连续。

(2)煤储层条件较好。煤储层渗透率较低，较高的兰氏体积，说明储层有较强的甲烷吸附能力。

(3)煤热演化程度虽然偏低，煤级为不粘煤，但是煤层含气量高。

(4)通过甲烷碳同位素可知，煤层气成因为生物成因气，含气量高，以甲烷为主，其次为二氧化碳，气体品质较好。

(5)气体保存条件好。煤层顶底板岩性主要为泥岩或砂质泥岩，其含水性弱、渗透性差；水化学类型为NaHCO3型，水动力条件弱，煤层具有相对独立的水动力系统，利于气体保存；构造活动简单，未对气藏形成大的破坏。对气体起到好的保存作用。