阜康砂沟先导试验区煤储层物性特征及有利区评价

辛博文，李鑫，田继军

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

煤层气在我国资源中占重要的战略地位[1]，新疆煤层气资源量丰富，约占全国的26%[2]。煤层既是储集层，也是生气层[3-5]，受诸多地质因素影响，不同矿区的煤储层物性具很强的非均质性，会对煤层气的开采造成一定困难，而煤层气高效开发的先决条件是对煤层气储层的物性认识[6]。阜康砂沟先导试验区煤储层具低煤阶、倾角大、厚度大、层数多等新疆部分区域煤储层的典型特征[7]，通过岩心观察、薄片鉴定、测井资料分析、煤样化学分析、含气量测定、等温吸附试验、孔隙度测定等方法对阜康砂沟先导试验区煤储层物性特征进行研究，可为试验区煤层气有利层位优选和勘探开发提供可靠的技术支持。

1 地质概况

阜康砂沟先导试验区构造位于准噶尔盆地南部、天山优地槽褶皱带北部的中央地区，呈近EW向展布（图1-a）。试验区断层为逆断层，其中雅玛里克山逆断层位于区内南部边缘，为一区域性断裂，具明显波状性，走向90°～95°，断面南倾，倾角55°～60°，断距大于300 m。阜康逆掩断层分布于矿区北部一带，为三级构造单元内的次级构造，断面南倾。地表倾角较大，约为45°～55°，深部渐缓，约18°～40°，落差约3 978 m。

试验区由老到新依次发育二叠系、三叠系、侏罗系八道湾组、三工河组、白垩系及第四系[8-9]。主要含煤地层为侏罗系八道湾组，含煤10 层，自下而上依次发育45、44、43、42、41、40、39、37、35-36、34号煤层。由于试验区煤层多，分布面积大且构造单元较大，本次研究选取煤层埋深较浅（500～1 200 m）、厚度变化稳定且全区稳定发育的42、41、39 号煤层作为主力煤层（图1-b）。

图1 阜康砂沟先导试验区区域构造位置示意图（a）及试验区综合柱状图（b）Fig.1 Regional tectonic position diagram of Fukang Shagou pilot test area(a)and comprehensive columnar diagram of test area(b)

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩特征

观察阜康先导试验区主力煤层190 个煤样并参考其他地质资料，八道湾组宏观煤岩大致相同，主要以半暗型煤及半亮型煤为主，暗煤次之，光亮型煤最少（图2）。

图2 宏观煤岩类型占比示意图Fig.2 Macroscopic diagram of coal rock type proportion

镜下观察发现，试验区八道湾组主力煤层有机质总含量平均占比62.3%～96.3%，无机质总含量平均占比3.8%～37.7%。有机质大多以镜质体为主，平均占比37.8%～87.6%，以无结构镜质体中的基质镜质体和碎屑镜质体为主，基质镜质体油浸反射色为深灰色，不显示细胞结构，表面不纯净且不平整，略显突起；碎屑镜质体粒径较小，呈不规则状分布。半镜质组分平均占比0～16.6%，主要为基质半镜质体，在油浸反射光下呈灰色，略显突起，大多不显示细胞结构。惰质组分平均占比1.7%～65.2%，主要以丝质体和半丝质体为主，可见碎屑惰质体，油浸反射色为白色，突起较高。壳质组分平均占比0～7.6%，主要为小孢子体，呈蠕虫状分布。反射率随着深度增加而减小，39、41、42号煤层依次为0.90、0.85、0.70（表1）。

表1 阜康砂沟先导试验区煤岩鉴定成果表(平均值)Table 1 Coal and rock identification results table(average value)of Fukang Shagou pilot test area

2.2 煤质特征

进行煤化学分析发现，试验区内各煤层原煤水分（Mad）含量较低，均值为0.92%～1.17%；41、42煤层原煤灰分（Ad）产率均值为9.46%～9.76%，属特低灰煤；39 号煤层原煤灰分均值为12.90 %，属低灰煤。原煤挥发分（Vdaf）产率为39.46%～42.27%，属于高挥发分煤（表2）。

表2 阜康砂沟先导试验区主力煤层原(浮)煤化学分析表Table 2 Chemical analysis table of primary(floating)coal in main coal seam of Fukang Shagou pilot test area 单位：%

3 煤储层含气性特征

3.1 煤储层含气量特征

储层的含气量是表征煤层含气性的直接参数[10-11]。含气量的大小对煤层气能否取得较好的开发、产气效果意义重大[12-13]。本次研究中，煤储层的含气量由DEN、GR测井曲线计算。拟合主力煤层的吸气量与灰分关系，两者具非常好的负相关性，相关系数大于0.8，公式如下：

其次对灰分与伽马和密度的关系进行了拟合，相关系数大于0.8，公式如下：

通过以上两个公式，由测井参数GR和DEN计算煤层的含气量，并拟合含气量与埋深关系（图3）。结果显示试验区39号煤层含气量均值为2.05～15.81 m3/t，41 号煤层含气量均值为4.31～18.42 m3/t，42 号煤层含气量均值为4.28～16.86 m3/t，整体含气量较高，具良好的勘探开发价值。主力煤层含气量变化规律主要受深度影响，即在500～1 200 m埋深范围内随深度增加煤层含气量不断增加，但随深度的进一步增加含气量增加梯度变缓。

图3 阜康砂沟先导试验区含气量与埋深关系图：Fig.3 Relationship between gas content and buried depth in Fukang Shagou pilot test area

3.2 等温吸附特征

煤的吸附性能是定量研究煤层气储集条件的重要指标[14]，它能综合反映煤岩温度、压力、煤质等条件对煤吸附能力的影响[14-15]。兰氏体积反映煤吸附能力的大小，等温吸附曲线形态受兰氏压力影响，兰氏压力越大，煤层气易解吸，有利于开采[15]。

运用Langmuir等温方程[15]，得出39号煤层的兰氏体积为16.82～44.53 m3/t；41 号煤层的兰氏体积为9.4～50.9 m3/t；42号煤层兰氏体积为20.59～48.98 m3/t，表明煤层具中等-较强的储气能力；39号煤层兰氏压力为1.63～3.04 MPa，平均2.19 MPa；41 号煤层兰氏压力为1.61～2.86 MPa，平均2.45 MPa；42 号煤层兰氏压力为1.52～2.63 MPa，平均2.25 MPa。即主力煤层整体兰氏压力较高；同煤层不同深度、不同采样位置，等温吸附参数差别不大。

应用等温吸附的方法（遵照GB/T19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》执行），对主力煤层的138个样品进行分析。发现试验区39号煤层含气饱和度大于58%，属高饱和度储层，41、42号煤层含气饱和度大于29%，属中等饱和度储层（表3），主力煤层临界解吸压力中等，为0.53～3.84 MPa。

表3 煤层含气饱和度和临界解吸压力成果表Table.3 Results table of gas saturation and critical desorption pressure in coal seam

4 煤储层孔渗发育特征

4.1 煤储层孔裂隙特征

采用KXD-Ⅲ氦气孔隙度测定仪对138 个样品进行孔隙度测定（图4）。结果显示，试验区39 号煤层平均孔隙度为3.40 %；41 号煤层平均孔隙度为3.41%；42号煤层平均孔隙度为3.73%，各煤层孔隙度随深度增加而减少。但试验区孔隙度均小于5.5%，故全区为低孔隙度储层。

图4 阜康砂沟先导试验区煤储层孔隙度与埋深关系图Fig.4 Porosity line chart of Fukang Shagou pilot test area

4.2 煤储层渗透率分析

运用卡门公式[16]，计算得出试验区46 口井各主储层渗透率（图5）。结果显示，试验区39 号煤层的渗透率为0.007×10-6～3.94×10-6μm，平均渗透率为1.33×10-6μm；41 号煤层渗透率为0.01×10-6～4.82×10-6μm，平均渗透率为1.36×10-6μm；42 号煤层渗透率为0.011×10-6～5.245×10-6μm，平均渗透率为1.71 ×10-6μm，优于39号、41号煤层，试验区整体上渗透率随深度增加而增加。可见，阜康砂沟先导试验区主储层整体具有较好的渗透性能及产气通道，为煤层气的运移与储集提供了良好的条件。

图5 阜康砂沟先导试验区煤储层渗透率与埋深关系图Fig.5 Permeability line chart of Fukang pilot test area:(a)

5 开采有利区综合评价

阜康砂沟先导试验区煤层气资源丰富，39 号煤层有效含气面积为11.07 km2，预计储量可达19.61×108m3，41 号煤层有效含气面积11.87 km2，预计储量可达28.62×108m3，42号煤层有效含气面积9.73 km2，预计储量可达49.33×108m3。综合分析试验区主力煤层储层特征与构造特征资料，选取煤层厚度、煤层埋深、灰分产率、挥发分产率、固定碳含量、孔隙度、渗透率、含气量等8 个参数对煤层气开采有利区进行综合评价。

运用灰色关联法找出目标值的主要影响因素[17]，将阜康砂沟先导试验区13 口井各主力煤层的含气量作为参考序列，其他7个参数为比较序列，运用初值化方法变化原始数据，计算出每口井比较序列与各主力煤层含气量的绝对差值与极差后，得到关联系数：

式中：i—影响因素；n—井名；X0—含气量，m3；ρ—分辨系数；φ—关联系数。

其中ρ的设置是为了弥补最大绝对值引起的失真，ρ∈（0,1），本次计算取0.5。将计算结果标准化，得到各主储层有利区的综合评价得分（表4）。

表4 阜康砂沟先导试验区39、41、42号煤层综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of No.39、41、42 coal seam in Fukang Shagou pilot test area

阜康砂沟先导试验区各主煤层综合评价评分高值区位于中部，呈EW 向条带状。39 号煤层高值区分布于东西两侧，以FS-38井为分界线，两个高值区均为向北微凸的“耳蜗”状展布（图6-a）。41 号煤层高值区位于中部和东部，以FS-40、FS-24 井为中心，形成高分环带（图6-b）。42号煤层高值区分布与41号煤层类似，但高值中心分布在西部和东部，以FS-38与FS-18井为中心（图6-c）。

图6 阜康砂沟先导试验区主力煤层综合评价得分分布图Fig.6 Comprehensive evaluation score distribution map of main coal seam in Fukang Shagou pilot test area

6 结论

（1）阜康先导试验区以39、41、42号煤层作为主力煤层，以半暗煤、半亮煤为主；镜质组分占37.8%～87.6%，发育无结构镜质体中的基质镜质体和碎屑镜质体；主力煤层属于中低变质阶段，变质类型主要以深成变质为主；主力煤层原煤水分含量较低，灰分低，挥发分高。

（2）试验区主力煤层含气量高，且随深度增加而增加，但增加梯度变缓；其中39 号煤层属高饱和度储层，41、42 号煤层属中等饱和度储层；主力煤层的临界解析压力在0.53～3.84 MPa，主力煤层含气性好，具良好的勘探开发价值。

（3）试验区主力煤层的孔隙度均小于5.5%，属低孔隙度储层，且随深度增加减少；39号煤层平均渗透率为1.33×10-6μm，41号煤层平均渗透率为1.36×10-6μm，42号煤层平均渗透率最高为1.71×10-6μm，整体随深度增加而增加，主力煤层具有较好的渗透性。

（4）试验区主力煤层有利区的综合评价得分较高，其中41、42 号煤层综合评价均值大于80。各主力煤层高值区基本位于试验区中部和东部，呈EW向条带状展布，3套煤层在试验区东部均发育高值中心，勘探开发前景可观。