高階煤含氣及可采性影響因素分析

祁彥

摘 要：煤層氣是指賦存在煤層中以甲烷為主要成分，以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主并部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。煤儲(chǔ)層的含氣性是指煤層本身在目前地質(zhì)條件下儲(chǔ)集煤層氣的能力和數(shù)量，由煤層氣的生產(chǎn)、保存條件和地質(zhì)控制因素決定。煤層含氣性是評(píng)價(jià)煤層氣勘探開發(fā)前景的決定因素之一，是煤層氣遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)和選區(qū)的重要基礎(chǔ)。沁水盆地南部為本次研究區(qū)，作為當(dāng)前煤層氣儲(chǔ)量最豐富的區(qū)域，從煤儲(chǔ)層埋深、煤厚、變質(zhì)程度、灰分產(chǎn)率、顯微組分和滲透率等方面討論了煤層氣含氣性、可采性的影響因素。

關(guān)鍵詞：煤層氣；甲烷；沁水盆地；地層溫度

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.09.120

1 煤儲(chǔ)層埋深和煤厚

煤儲(chǔ)層埋深直接影響著煤儲(chǔ)層的地層壓力、地層溫度、煤層氣的吸附量和臨界解吸壓力等。因此，煤儲(chǔ)層的埋深對(duì)煤層氣的保存、富集和開采技術(shù)條件有著非常重要的意義。

研究區(qū)煤儲(chǔ)層埋深：3號(hào)煤儲(chǔ)層為130～1 060 m，平均約516 m，最薄點(diǎn)位于研究區(qū)西南角，約為130 m，最厚點(diǎn)位于研究區(qū)東北部，約為1 060 m；15號(hào)煤儲(chǔ)層埋深為205～1 150 m，平均約610 m，最薄點(diǎn)位于研究區(qū)西南角，約為205 m，最厚點(diǎn)位于研究區(qū)東北部，約為1 150 m。

根據(jù)以往的研究資料證實(shí)，通常情況下，煤層所受壓力是埋藏深度的函數(shù)，隨著煤層埋藏深度的增加，一方面，煤層所受的壓力、靜水壓力、地應(yīng)力，儲(chǔ)層壓力、有利含氣量都會(huì)增加；另一方面，隨著煤層埋藏深度的增加，儲(chǔ)層溫度會(huì)越高，吸附量越小。因此，在一定的深度范圍內(nèi)，煤層含氣量將隨煤層埋藏深度的增加而增大，該規(guī)律在本區(qū)表現(xiàn)較為明顯。同一層煤在本區(qū)的埋藏深度由南西向北東逐漸加大，煤層的含氣量也逐漸增大，東部埋深大于西部，東部的含氣量大于西部。西南部3號(hào)煤儲(chǔ)層的埋深約為290 m，含氣量約為3 m3/t，而東北部3號(hào)煤儲(chǔ)層的埋深為950 m，含氣量約為20 m3/t，埋深增加了660 m，含氣量增加了17.00 m3/t。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，3號(hào)煤儲(chǔ)層的含氣量梯度為2.0 m3/100 m左右，15號(hào)煤儲(chǔ)層的含氣量梯度為1.5 m3/100 m左右。

煤層厚度與含氣量有直接的因果關(guān)系——煤層越厚，供氣能力越強(qiáng)，產(chǎn)量越大。美國(guó)主要開采煤層氣盆地單井累積厚度為6～91 m，比如美國(guó)圣胡安盆地，煤層氣高產(chǎn)區(qū)煤層累積厚度主要分布在9～30 m之間。因煤層氣主要是吸附在煤層中，只有少部分游離在煤層中，所以，在同一區(qū)域、同一層煤中，在吸附力和圍巖相同的情況下，厚煤層要比薄煤層吸附得多；在同一區(qū)域、同一煤層中，割理、裂隙發(fā)育相同的情況下，厚煤層中的空間更大，因此，厚煤層中要比薄煤層中游離的煤層氣多。比如MB-007井，3號(hào)煤儲(chǔ)層純煤厚3.6 m，含氣量約為3 m3/t；MB-017井，3號(hào)煤煤儲(chǔ)層純煤厚5.4 m，含氣量約為17 m3/t。MB-017井煤厚是MB-007井的1.5倍，而含氣量是5.7倍。因此，厚煤帶也是含氣量高的部位。

2 煤變質(zhì)程度

3號(hào)和15號(hào)煤儲(chǔ)層的變質(zhì)程度均為無煙煤，屬高變質(zhì)階段，此階段煤對(duì)甲烷的吸附量高。煤級(jí)直接影響煤中的含氣量和煤儲(chǔ)層中孔隙—裂隙的發(fā)育狀況。煤級(jí)太低，往往含氣量低，不利于煤層氣藏的形成；中煤階煤較有利煤層氣藏的形成；高煤階煤對(duì)煤層氣富集成藏有利有弊，如果變質(zhì)程度太高，煤層已失去儲(chǔ)層氣能力，則基本不吸附煤層氣，孔隙度降低，儲(chǔ)氣能力有限，無法形成煤層氣藏。此外，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響和基質(zhì)收縮會(huì)產(chǎn)生一定量的裂隙，這對(duì)煤層滲透性有很大改善，如果構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定、煤層封閉條件好，則有可能形成煤層氣藏。經(jīng)過多年的研究和資料證明，沁水煤田的煤層氣藏就是在這種條件下形成的。

3 灰分產(chǎn)率

灰分是煤燃燒后的殘?jiān)诿簩悠渌麠l件相同的情況下，該參數(shù)可直接反映煤層含氣量。煤層氣在煤中主要以吸附狀態(tài)存儲(chǔ)于煤中，煤中的灰分主要來源于煤中的無機(jī)物，而無機(jī)物質(zhì)表面與甲烷之間沒有親合力，因此，無機(jī)物質(zhì)不吸附甲烷氣體。由于煤中無機(jī)物質(zhì)含量增高，勢(shì)必會(huì)代替有機(jī)物質(zhì)占據(jù)的空間，從而縮小有機(jī)物質(zhì)吸附氣體的總表面積。因此，在同一煤階的煤層中，其煤層氣的含量隨著灰分產(chǎn)率的增加而減小，即灰分含量越低，煤層氣含氣量相對(duì)越高。

4 煤顯微組分含量

煤的含氣量與煤本身的煤巖特征有很大的關(guān)系，研究區(qū)內(nèi)的3號(hào)和15號(hào)煤儲(chǔ)層變質(zhì)程度高，煤中內(nèi)在水分少，煤的疏水性大，接觸角大，煤層中的水在氣的驅(qū)使下進(jìn)入煤儲(chǔ)層的大裂隙系統(tǒng)。在良好的封閉條件下，這些煤層水被保存在煤層氣藏內(nèi)的大裂隙中。

不同的成煤環(huán)境會(huì)生成不同的顯微組分，不同的顯微組分含不同類型和級(jí)別的孔隙，比如鏡質(zhì)組中的基質(zhì)鏡質(zhì)體多含一些小孔或微孔，因此，煤的顯微特征對(duì)煤層氣的吸附有較大的影響。

5 煤儲(chǔ)層滲透率

煤層的滲透率取決于煤中裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度，煤層滲透率直接決定著煤層氣的運(yùn)移和產(chǎn)出。一直以來，人們都認(rèn)為煤層的滲透率是影響煤層氣產(chǎn)出的重要因素之一，這是因?yàn)槊簩託獾漠a(chǎn)出要經(jīng)歷從煤層中解吸出來的過程，煤層氣的解吸量是煤層壓力的函數(shù)，而煤層氣的儲(chǔ)層壓力與滲透率有關(guān)，同時(shí)，也與煤層的孔隙度有關(guān)，與孔隙度是正相關(guān)關(guān)系，總趨勢(shì)為孔隙度越大，滲率越高，但也不完全是直線形式的關(guān)系。

煤層滲透率也與地層最小主應(yīng)力有關(guān)，應(yīng)力松馳地區(qū)的滲透率高，隨深度增加的變化幅度不大，儲(chǔ)層產(chǎn)氣量也較高；高應(yīng)力地區(qū)的滲透率較低。

煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)煤層氣井的產(chǎn)量起著決定性作用。滲透率過低，煤儲(chǔ)層卸壓速率和煤層氣解吸速率將會(huì)過低，導(dǎo)致壓降漏斗（抽排）范圍有限。滲透率過高，表明滲流通道發(fā)育，一方面，當(dāng)氣藏邊界有充足的壓力補(bǔ)給時(shí)，會(huì)形成穩(wěn)定流，即氣藏中各點(diǎn)壓力不隨時(shí)間改變，如果此時(shí)井底壓力尚未降至臨界解吸壓力以下，則氣藏?zé)o法產(chǎn)氣；另一方面，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水量過大，使煤儲(chǔ)層泄壓困難，不但需增加排水設(shè)備，還需花費(fèi)很大的精力進(jìn)行水處理，也不利于煤層氣井的生產(chǎn)。