陽泉寺家莊礦煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)及滲透性特征

郝春生

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000)

陽泉寺家莊礦煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)及滲透性特征

郝春生

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000)

通過對(duì)陽泉煤田南部臨近寺家莊煤礦進(jìn)行觀測，并進(jìn)行室內(nèi)壓汞試驗(yàn)，系統(tǒng)分析陽泉寺家山等多個(gè)礦的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤儲(chǔ)層大裂隙發(fā)育特征與孔隙結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，該區(qū)煤層大裂隙發(fā)育，有利于煤層的滲透率;煤層氣解吸與滲流的關(guān)鍵是微裂隙和植物細(xì)胞殘留大孔隙;滲透率高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部，馬鞍山和上馬郡頭一帶的滲透率可能較低。

煤儲(chǔ)層;裂隙;孔隙結(jié)構(gòu);特征;滲透率

1 概述

煤層具有雙孔隙系統(tǒng)特征，煤層中的孔隙為煤層氣的富集場所，裂隙為煤層氣滲流通道［1］．裂縫孔隙度、開度、間距性質(zhì)影響著滲透率的大小，對(duì)煤層氣的產(chǎn)出也有很大影響［2］．正確認(rèn)識(shí)煤的孔裂隙特征，是研究煤儲(chǔ)層孔滲性和煤層氣可采性的重要基礎(chǔ)［3］．本文通過對(duì)陽泉煤田南部臨近寺家莊煤礦進(jìn)行觀測，并進(jìn)行室內(nèi)壓汞試驗(yàn)，系統(tǒng)分析陽泉寺家莊等多個(gè)礦的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤儲(chǔ)層大裂隙發(fā)育特征與孔隙結(jié)構(gòu)特征。

寺家莊礦位于山西省晉中市昔陽縣境內(nèi)，南北長約17 km，東西寬約9 km，面積約124 km2［4］．地層走向?yàn)镹NE向，傾向SWW向，區(qū)內(nèi)斷層較少，分布集中。褶曲發(fā)育，軸向不一。陷落柱較多，構(gòu)造復(fù)雜程度總體為簡單類，北部由于陷落柱發(fā)育，構(gòu)造屬中等類［5］．該區(qū)主采煤層有山西組3#煤層與太原組8#、 9#、15#煤層，3#、8#、9#煤層為局部可采，15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2 煤儲(chǔ)層裂隙特征

2.1 15#煤儲(chǔ)層

15#煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)發(fā)育良好，大裂隙中兩組外生節(jié)理的線密度為0.1～7條/20 cm．其中馬郡頭、李家溝的外生節(jié)理線密度低，和順前南峪礦外生節(jié)理線密度變化大，比較發(fā)育的是和順馬鞍山礦、昔陽紅土溝和白羊嶺礦。

15#煤儲(chǔ)層鏡煤中的內(nèi)生裂隙高度多為2～3 mm，亮煤中的內(nèi)生裂隙高度為1～10 cm，前者的線密度為8～13條/5 cm，后者多為3～6條/5 cm．15#煤中鏡煤比例通常為2%～15%，個(gè)別達(dá)30%以上。亮煤的比例通常為10%～20%，個(gè)別達(dá)40%．15#煤儲(chǔ)層的內(nèi)生裂隙孔隙度較高，北部李家莊、馬郡頭為較高，南部馬鞍山、前南峪為較低，中部南峪、白羊嶺一帶最高。寺家莊礦鄰近礦區(qū)內(nèi)生裂隙孔隙度表見表1．

表1 寺家莊礦鄰近礦區(qū)內(nèi)生裂隙孔隙度表

綜合15#煤儲(chǔ)層的大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征可知，其內(nèi)生裂隙孔隙度較高，外生節(jié)理發(fā)育。

2.2 3#、8#和9#煤儲(chǔ)層

3#煤儲(chǔ)層中的外生節(jié)理格外發(fā)育，線密度為4～20條/20 cm，長度在20 cm左右。外生節(jié)理發(fā)育程度明顯好于太原組15#煤，3#煤中的內(nèi)生裂隙的載體比例高。內(nèi)生裂隙孔隙度也較高，煤基巖塊孔隙度為5%～9%，其中微裂隙略比15#煤發(fā)育。

8#煤和9#煤發(fā)育的區(qū)域存在不均一性，兩儲(chǔ)層相距僅7～10 m，儲(chǔ)層物性比較接近。8#和9#煤儲(chǔ)層中的外生節(jié)理欠發(fā)育，雖然節(jié)理較長，但線密度僅有0.2條/20 cm，在本研究區(qū)內(nèi)屬發(fā)育最差的煤儲(chǔ)層。發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，大多分層在50%以上。內(nèi)生裂隙孔隙度比較高，為1.17%～2.918%，屬于比較發(fā)育的煤儲(chǔ)層，這主要與煤中灰分低有關(guān)。8#煤和9#煤的基巖塊孔(微裂)隙度較低，大多在5%以下。微裂隙不甚發(fā)育。

綜合8#煤和9#煤儲(chǔ)層孔隙(裂隙)系統(tǒng)發(fā)育特征可知，其內(nèi)生裂隙發(fā)育良好，發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，內(nèi)生裂隙孔隙度高。其應(yīng)該有較好的滲透率。其微裂隙、孔隙發(fā)育特征大體與15#煤相似。

3 煤儲(chǔ)層孔隙特征

煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)不僅制約著煤層氣的含氣量，而且對(duì)其可采性也有重要影響［6］．煤基巖塊中普遍發(fā)育3種孔隙，即植物細(xì)胞殘留孔隙、基質(zhì)孔隙和次生孔隙［7］．

3.1 15#煤儲(chǔ)層

15#煤中主要發(fā)育植物細(xì)胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙。

15#煤的基巖塊內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)尚可(見圖1，圖2)．進(jìn)汞飽和度較高達(dá)80%以上(壓力為32 MPa)，最高達(dá)90%以上(紅土溝15#煤)。其毛管壓力曲線總體呈不太典型的三段式結(jié)構(gòu)。其分布特征如下:在壓力0.2 MPa以下為一陡傾斜的斜線段，表明煤基巖塊中孔喉半徑為3～63μm的植物細(xì)胞殘留孔隙和部分微裂隙發(fā)育，其占總進(jìn)汞量的比例僅有10%左右。這部分孔隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)在煤基巖塊中占主導(dǎo)地位。這一斜線段的排驅(qū)壓力中值較低，大約為0.02 MPa．在壓力為0.2～2.1MPa條件下，毛管壓力曲線大體為一直立的直線段，進(jìn)汞飽和度僅增加10%左右。這表明孔喉半徑為0.4～3μm的孔隙不發(fā)育或有效孔隙率低。顯微觀察結(jié)果表明，孔徑在這一范圍的孔隙較少而且多為孤立孔隙。在壓力為2.1～32 MPa條件下，毛管壓力曲線又為一明顯的斜線。其代表孔喉半徑為0.4～0.016μm的與植物細(xì)胞殘留大孔隙或基質(zhì)孔隙中相連的次級(jí)孔隙的有效孔隙率比較高，其占總進(jìn)汞量的70%以上。表明本區(qū)無煙煤中的微孔隙連通性較好，有利于煤層的解吸與擴(kuò)散。

圖1 平定馬郡頭15#煤毛管壓力曲線圖

圖2 昔陽紅土溝15#煤毛管壓力曲線圖

3.2 3#、8#和9#煤儲(chǔ)層

3#煤中的植物細(xì)胞殘留孔隙比較發(fā)育，保存較好，其次是基質(zhì)孔隙。由于夾矸的發(fā)育，煤中顯微可見礦物質(zhì)的比例偏高，其中以黏土為主。3#煤中比較發(fā)育的微裂隙和植物細(xì)胞殘留孔隙有利于煤層氣的解吸擴(kuò)散與產(chǎn)出。8#、9#煤基巖塊中以植物細(xì)胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙為主，基巖塊孔隙度較低。

4 煤儲(chǔ)層滲透率評(píng)價(jià)

相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了煤層氣流動(dòng)的通道。孔、裂隙結(jié)構(gòu)直接影響到煤層氣的吸附和滲流［8］．

本區(qū)的外生節(jié)理除在馬鞍山和紅土溝礦較為發(fā)育，對(duì)滲透率有較大影響外，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)的外生節(jié)理均欠發(fā)育，考慮到其受地應(yīng)力的明顯影響，其對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)有限。內(nèi)生裂隙與微裂隙滲透率對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的貢獻(xiàn)通常比較大，決定其大小的兩個(gè)重要參數(shù)為裂隙孔隙度及其裂隙之間的連通狀況。15#煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙孔隙度參數(shù)表見表2．

表2 15#煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙孔隙度參數(shù)表

表2列出了本區(qū)15#煤內(nèi)生裂隙、孔隙度統(tǒng)計(jì)參數(shù)。其中南峪和白羊嶺一帶的內(nèi)生裂隙孔隙度較高，而馬鞍山、李家溝和上馬郡頭一帶的內(nèi)生裂隙孔隙度較低。依據(jù)研究區(qū)15#煤儲(chǔ)層的大裂隙發(fā)育特征，對(duì)比已知的壽陽太原組煤儲(chǔ)層滲透率值，在埋深1 000 m左右的深度范圍內(nèi)，15#煤的滲透率大體為0.5×10－3～ 1×10－3μm2．其高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部，其在這一帶的滲透率也有可能高達(dá)1.5×10－3μm2．馬鞍山和上馬郡頭一帶15#煤的滲透率有可能要低一些。對(duì)比3#煤和15#煤的大裂隙發(fā)育特征，兩者大體相近。也可能為0.5×10－3～1×10－3μm2．8#和9#煤儲(chǔ)層中的大裂隙明顯比15#煤儲(chǔ)層中的發(fā)育，其有可能比15#煤的滲透率高0.3×10－3～0.5× 10－3μm2．

5 結(jié)論

1)15#煤儲(chǔ)層的微裂隙尚不發(fā)育，內(nèi)生裂隙孔隙度較高，外生節(jié)理發(fā)育。3#煤儲(chǔ)層外生節(jié)理發(fā)育程度明顯好于15#煤，內(nèi)生裂隙的載體比例高。8#煤和9#煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙發(fā)育良好，發(fā)育內(nèi)生裂隙的載體比例較高，內(nèi)生裂隙孔隙度高，應(yīng)該有較好的滲透率。

2)15#煤中主要發(fā)育植物細(xì)胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙。煤基巖塊的塊度在同煤級(jí)煤中偏小，其有利于煤層氣的流動(dòng)產(chǎn)出。煤基巖塊的孔(微裂)隙度偏低，特別是微裂隙欠發(fā)育。3#煤中的植物細(xì)胞殘留孔隙比較發(fā)育，保存較好，其次是基質(zhì)孔隙。8#、9#煤基巖塊中以植物細(xì)胞殘留孔隙和基質(zhì)孔隙為主，基巖塊孔隙度較低。

3)據(jù)研究區(qū)15#煤儲(chǔ)層的大裂隙發(fā)育特征，對(duì)比已知的壽陽太原組煤儲(chǔ)層滲透率值，在埋深1 000 m左右的深度范圍內(nèi)，15#煤的滲透率大體為0.5×10－3～1×10－3μm2．其高值區(qū)可能位于南峪、白羊嶺一帶的深部。馬鞍山和上馬郡頭一帶15#煤的滲透率有可能要低一些。對(duì)比3#煤和15#煤的大裂隙發(fā)育特征，兩者大體相近。8#和9#煤儲(chǔ)層中的大裂隙明顯比15#煤的發(fā)育，其有可能比15#煤的滲透率高。

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［3］姚艷斌，劉大錳，黃文輝．兩淮煤田煤儲(chǔ)層孔－裂隙系統(tǒng)與煤層氣產(chǎn)出性能研究［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2006，31(2):163－168.

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Pore Fracture System and Permeability Characteristics of Coal Reservoir in Yangquan Sijiazhuang Mine

HAO Chunshen

The southern of Yangquan coalfield near Sijiazhuang coalmine is observed，and themercury injection test is conducted，fracture development characteristics and pore structure characteristics of coal reservoir in 3#，8#，9 #and 15#coal is systematically analyzed．The results show that the coal seam fracture development，benefits the coal seam permeability．The keys of coalbed methane desorption and seepage aremicrofissure and plant cells remaining large pore．The high value areas of permeabilitymay be in the deep of Nanyu and Baiyangling，and the permeability of Maanshan and Shangmujuntou may be lower．

Coal reservoir;Fracture;Pore structure;Characteristics;Permeability

TD163+．1

A

1672－0652(2015)09－0053－04

2015－06－28

郝春生(1970—)，男，山西祁縣人，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，碩士研究生，工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)研究與開發(fā)工作(E－mail)chzhj052@126．com