西山煤田馬蘭礦煤層氣儲層特征與含氣性分析

肖本萬

(河南省地質礦產勘查開發局第三地質礦產調查院，河南省信陽市，464000)

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西山煤田馬蘭礦煤層氣儲層特征與含氣性分析

肖本萬

(河南省地質礦產勘查開發局第三地質礦產調查院，河南省信陽市，464000)

為了研究太原西山煤田馬蘭礦煤層氣儲層特征及其控氣作用，為預測礦區內煤層氣有利開發目標儲層和煤層氣開發提供理論支持，對井田主采2#、8#和9#煤層進行壓汞實驗和等溫吸附實驗。實驗結果表明：2#煤層和8#煤層孔隙主要以大孔為主，9#煤層孔隙以小孔為主。其中2#、8#和9#煤層的孔隙度分別為3.21%～7.22%、6.45%～10.75%和8.67%～16.62%；蘭氏體積分別為18.51～19.29 m3/t、19.74～20.61 m3/t和19.41～21.25 m3/t；蘭氏壓力分別為1.72～2.01 MPa、1.94～2.02 MPa和1.98～2.08 MPa。8#煤層相比2#煤層和9#煤層，具有厚度大、孔隙率高、滲透性好、蘭氏壓力大、氣含量豐富的優勢，更有利于煤層氣的運移、成藏和抽采開發。

西山煤田 馬蘭礦 煤層氣儲層 孔隙度 蘭氏體積 蘭氏壓力

21世紀初至今，煤層氣勘探和開發獲得了重要突破并得到了迅猛發展。我國煤層氣資源儲量十分豐富，據統計，我國煤層氣資源儲量高達3～4萬億m3，開采量約為350～450億m3/a。煤層氣抽采開發不僅可以降低礦井煤層瓦斯含量，有利于礦井安全生產，而且能夠降低溫室氣體的排放，補充清潔能源的不足。太原西山煤田與鄂爾多斯含煤盆地東緣相鄰，煤類以中等變質程度的焦煤和瘦煤為主，煤層氣資源量可達820億m3，是我國重要的煤層氣潛在商業開發區之一。西山煤田馬蘭礦地質構造相對簡單，煤層埋藏深，含氣量豐富，是煤層氣研究開發的可行區。煤層氣儲集在煤層中，主要是以吸附狀態吸附在煤層孔隙表面，少量游離在煤層孔隙中。因此，對馬蘭礦煤儲層孔隙特征的研究對分析煤層氣的可采性具有重要的指導意義。

1 馬蘭礦地質概況

西山煤田位于華北克拉通中部，呂梁山脈中段東緣，馬蘭礦位于太原西山煤田古交市西南。區內地質構造形態受控于NW-SE向褶皺構造和NE-SW向斷裂構造，小型正斷層較發育，斷距一般介于5～15 m，主要分布于馬蘭礦區的中北部，如圖1所示。區內出露地層包括奧陶系、石炭系、二疊系與第四系。奧陶系以白云巖、白云質灰巖、石灰巖、泥質條帶灰巖為主。本區石炭系僅沉積了太原組，為海陸交互相含煤地層，主要為砂巖、泥質巖，夾數層石灰巖和煤層。二疊系化分為下二疊統山西組和下石盒子組、上二疊統上石盒子組和石千峰組，其中山西組為主要含煤地層，由砂巖、泥巖、煤層組成。第四系分布范圍廣，以松散沉積物和殘坡積物為主。

圖1 馬蘭礦地質構造圖

2 主采煤層與氣含量

區內主要可采和局部可采煤層為2#、6#、8#和9#煤層，其中主采煤層為2#、8#和9#煤層。其發育情況、煤質特征及含氣量見表1(厚度、灰分、揮發分、水分均為平均值)。

表1 主采煤層特征與氣含量參數表

3 煤孔隙特征

3.1 壓汞法

在2#、8#與9#煤層各選取3塊具有代表性的煤樣，體積為1 cm3左右，將煤樣在自動壓汞儀下進行壓汞試驗。該試驗采用 AUTOPORE-Ⅳ 9505型壓汞儀，壓力范圍為0～228 MPa，孔徑測量范圍為0.005～360.000 μm。壓汞試驗原理是在一定壓力下，將液態汞注入煤樣中的孔隙。對放入壓汞儀中的樣品由小到大逐步施加壓力，并記錄加壓過程中注入煤樣孔隙中汞的體積，得到壓力與注入汞體積之間的關系曲線。充滿一定孔隙所需壓入壓力P與孔徑D存在如下函數關系：

D=-4γcosθ/P

(1)

式中：D——煤樣孔隙孔徑，nm；

γ——汞的表面張力，取0.485 N/m；

θ——汞與被測煤樣的接觸角，取130°；

P——汞的壓入壓力，MPa。

由式(1)可得到不同壓力對應的孔隙半徑，從而獲得不同煤樣的壓汞曲線。通過分析該曲線，可得到一系列表征樣品孔隙特性的參數。

3.2 試驗結果與分析

對9個煤樣測得不同壓力下的進汞量，以及在壓力下降時的退汞量，獲得煤樣的進汞與退汞曲線，如圖2所示，由圖中可以看出，不同煤層的煤樣孔隙具有較明顯的差異。

2#煤層的樣品進汞曲線與退汞曲線呈“S”型，整體上隨著壓力的增加，進汞量增加。在壓力達到1～10 MPa時，進汞量隨壓力迅速上增，在壓力達到10 MPa時，進汞量已經到達總進汞量的80%，隨后的進汞量增長相對比較緩慢。表明2#煤層中孔隙主要是以大孔為主；在進汞壓力大于100 MPa 后，汞開始進入到小孔中，所以相對緩慢。退汞曲線下降比較快，因為在以大孔為主的煤中，汞和煤孔隙表面之間的毛細現象相對較弱，所以退汞速度相對較快，退汞效率介于54.3 %～65.1 %之間。

8#煤層的樣品進汞曲線表現出與2#煤相似的特征，表明其孔隙的分布主要是以大孔為主，而退汞效率介于40.5 %～55.2 %之間，比2#煤層退汞效率低10 %左右，表明其大孔所占的比例相對2#煤層有一定的減弱趨勢。這是由于煤中的小孔毛細作用強烈，會導致退汞的效率降低，因此退汞效率相對減小，說明小孔比例相對較高。然而小孔所占比例增大，為煤層氣的吸附提供了良好的吸附空間，反而有利于煤層氣的吸附。

9#煤層的煤樣進汞曲線呈“下凹”特征，與2#煤層、8#煤層之間存在明顯差異。其表現為在0～100 MPa壓力范圍內，隨著壓力的增加，進汞量平穩增加；當壓力大于100 MPa時，進汞量迅速增加，其退汞效率僅在20%～46%之間。表明9#煤層孔隙結構中以小孔所占比例為主，大孔相對較少。其原因一方面可能是由于煤層有機組分大孔不發育和大孔被充填；另一方面由于煤層的埋藏深度增加，導致煤層受到的壓力增大，煤中孔隙縮小。

圖2 2#、8#、9#煤壓汞曲線圖

3.3 煤孔隙度

采用壓汞法無法測量煤中的微孔，因此得到的孔隙度稱為視孔隙度。視孔隙度是指測得煤中孔隙體積占煤的總體積百分比。孔隙體積為100 MPa壓力時的累積進汞體積，煤的總體積為0.07 MPa時測得煤基質體積。

試驗表明：2#煤層煤樣孔隙度較小，僅為3.21 %～7.22 %；8#煤層煤樣孔隙度較大，在6.45 %～10.75 %之間；9#煤層煤樣的孔隙度在8.67 %～16.62 %之間。總體上，隨著煤層的埋藏深度增加，煤的總孔隙度呈下降趨勢；而且隨著煤層埋藏加深，煤中孔隙孔徑減小，煤的總表面積反而增加，為煤層氣甲烷吸附提供了更多的吸附位，有利于煤層氣的吸附。

4 煤儲層的吸附特征

目前，在煤的吸附研究中，甲烷的吸附主要符合Langmuir等溫吸附模型，Langmuir模型相對簡單且實用，大多數研究煤的等溫吸附儀也是遵循這一理論設計。蘭氏體積和蘭氏壓力是衡量煤吸附能力的兩個重要指標，通過等溫吸附實驗可以準確測定這兩個常數。較大的蘭氏體積反映出較大的吸附能力和開發潛力，較高的蘭氏壓力反映較好的解吸能力和開采條件。

為了獲得馬蘭礦區主采煤層的吸附能力，對2#、8#及9#煤層所選取的煤樣分別測試。試驗采用儀器為ISO-100型等溫吸附儀，試驗條件為平衡水分9.72 %，甲烷濃度99.99 %，試驗溫度30 ℃。2#、8#和9#煤層甲烷等溫吸附試驗結果見表1，等溫吸附曲線如圖3所示。試驗結果表明，2#煤層蘭氏體積為18.51～19.29 m3/t，8#煤層蘭氏體積為19.74～20.61 m3/t，9#煤層蘭氏體積為19.41～21.25 m3/t。2#煤層蘭氏壓力為1.72～2.01 MPa，8#煤層蘭氏壓力為1.94～2.02 MPa，9#煤層蘭氏壓力為1.98～2.08 MPa。綜上，2#煤層的蘭氏體積和蘭氏壓力相對均較小，8#和9#煤層的蘭氏體積和蘭氏壓力均較大。

5 煤儲層含氣性

煤層的水分、揮發分和孔隙孔徑類型和孔隙度控制了煤層的吸附能力，而吸附能力與煤層氣含量緊密相關。一般情況下，孔隙和孔隙率大、水分和揮發分含量低的煤具有較高的吸附能力和相對較高的氣含量；然而，孔隙孔徑小卻不利于煤層氣的運移富集和抽采開發。礦區2#、8#和9#煤層孔隙類型和孔隙度差異顯著，2#和8#煤層孔隙以大孔發育為特征，而8#和9#煤層孔隙率較大。發育大孔且較大的孔隙率，使得8#煤層具有良好的滲透率。實驗表明，8#煤層的滲透率較2#和9#煤層要高，這有利于煤層氣的運移和富集。研究區內8#煤層厚度大，孔隙率高，蘭氏體積較大，吸附能力強，而這與其氣含量相對較高一致。正是因為較厚的煤層和較高的孔隙率使得其具有較大的吸附能力，從而煤層氣資源量相對豐富。相比2#煤層和9#煤層，8#煤層具有厚度大、孔隙率高、滲透性好、氣含量豐富、蘭氏壓力大的優勢，不僅有利于煤層氣的成藏與抽采開發，并可以在有利的地質構造區形成具有高經濟價值的氣藏。因此，在區內煤層氣開發時，8#煤層可作為有利的煤層氣主要開采儲層。

表1 2#、8#和9#煤甲烷等溫吸附試驗結果

圖3 2#、8#和9#煤層等溫吸附曲線

6 結論

(1)2#和8#煤層孔隙主要以大孔為主，8#煤層孔隙中小孔所占比例相對2#煤層有所增加，9#煤層孔隙以小孔為主，大孔所占比例相對較低。2#煤層孔隙度較小，僅為3.21 %～7.22 %，8#煤層孔隙度在6.45 %～10.75 %之間，9#煤層的孔隙度在8.67 %～16.62 %之間。8#煤層相比2#和9#煤層具有厚度大、孔徑和孔隙率大、滲透性好的優勢。

(2)2#煤層蘭氏體積和蘭氏壓力分別為18.51～19.29 m3/t和1.72～2.01 MPa；8#煤層蘭氏體積和蘭氏壓力分別為19.74～20.61 m3/t和1.94～2.02 MPa；9#煤層蘭氏體積和蘭氏壓力分別為19.41～21.25 m3/t和1.98～2.08 MPa。8#煤層蘭氏體積較大，對煤層氣具有較強的吸附能力，其含氣量高；較大的蘭氏壓力有利于煤層氣的降壓排采。

(3)相比2#煤層和9#煤層，8#煤層具有厚度大、孔隙率高、滲透性好、氣含量豐富、蘭氏壓力大的優勢，有利于煤層氣的成藏與抽采開發。因此，在開發區內煤層氣資源時，8#煤層可作為有利的煤層氣主要開采儲層。

[1] Mu F,Zhong W, Zhao X, et al. Strategies for the development of CBM gas industry in China[J]. Natural Gas Industry B, 2015(4)[2] Karacan C ?, Ruiz F A, Cotè M, et al. Coal mine methane: a review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction[J]. International Journal of Coal Geology, 2011(2)

[3] 莫日和,趙軍,王艷芳等.古交煤層氣項目勘探開發現狀及前景[J].中國煤層氣,2012(5)

[4] 宮誠. 國外煤層氣發展現狀[J]. 中國煤炭, 2005(3)

[5] Wang G, Qin Y, Xie Y, et al. The division and geologic controlling factors of a vertical superimposed coalbed methane system in the northern Gujiao blocks, China[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015(5)

[6] 常澤光, 周瑞, 劉燕海. 太原西山太原組砂巖特征及其地質意義[J]. 科學技術與工程, 2016(12)

[7] 邢德山,閻維平.用壓汞法分析工業半焦的孔隙結構特征[J].華北電力大學學報,2007(5)

[8] 戚靈靈,王兆豐,楊宏民等.基于低溫氮吸附法和壓汞法的煤樣孔隙研究[J].煤炭科學技術,2012(8)

[9] 杜玉娥. 煤的孔隙特征對煤層氣解吸的影響[D].西安科技大學,2010

[10] 趙麗娟,秦勇,Geoff Wang等. 高溫高壓條件下深部煤層氣吸附行為[J]. 高校地質學報,2013(4)

[11] 張群,崔永君,鐘玲文等. 煤吸附甲烷的溫度-壓力綜合吸附模型[J]. 煤炭學報,2008(11)

[12] 黃盛初, 劉文革, 趙國泉. 中國煤層氣開發利用現狀及發展趨勢[J]. 中國煤炭, 2009(1)

[13] Moore T A. Coalbed methane: a review[J]. International Journal of Coal Geology, 2012(6)

[14] 劉燕海,劉東娜,常鎖亮等. 太原西山煤田古交區塊煤層氣成藏地質單因素分析[J]. 中國煤炭,2017(4)

(責任編輯 郭東芝)

Analysis of characteristics and gas-bearing capacity of coalbed methane reservoir in Malan Mine of Xishan coalfield

Xiao Benwan

(No.3 Institute of Geological & Mineral Resources Survey of Henan Geological Bureau, Xinyang, Henan 464000, China)

To study the characteristics of coalbed methane (CBM) reservoir of Malan Mine in Taiyuan Xishan coalfield and its gas control function, and to predict the profitable reservoirs and provide theoretical support for CBM developing, mercury porosimetry and isothermal adsorption experiments were carried out to study primary mineable coal seam of No.2, No.8 and No.9. The results showed that the pore of No.2 and No.8 coal were mainly macropore, while the pores of No.9 coal were small. The porosity of No.2, No.8 and No.9 seams were respectively 3.21%～7.22%, 6.45%～10.75% and 8.67%～16.62%; the Langmuir volumes were 18.51～19.29 m3/t, 19.74～20.61 m3/t and 19.41～21.25 m3/t; the Langmuir pressures were 1.72～2.01 MPa, 1.94～2.02 MPa and 1.98～2.08 MPa. Compared with the No.2 and No.9 coal seam, No.8 coal seam had the superiority of large thickness, high porosity, great Langmuir pressure and abundant CBM content, which were beneficial for the migration, enrichment of CBM and gas extraction and development.

Taiyuan Xishan coalfield, Malan Mine, CBM reservoir, porosity, Langmuir volume, Langmuir pressure

肖本萬. 西山煤田馬蘭礦煤層氣儲層特征與含氣性分析[J]. 中國煤炭，2017，43(6)：42-45,52. Xiao Benwan. Analysis of characteristics and gas-bearing capacity of coalbed methane reservoir in Malan Mine of Xishan coalfield[J]. China Coal, 2017, 43(6): 42-45,52.

TD712 P618.11

A

肖本萬(1968-)，男，湖北紅安人，高級工程師，大專學歷，長期從事地質礦產工作。