潞安礦區3號煤煤層氣儲層物性綜合評價

劉小峰 劉帥帥

(1.山西潞安集團常村煤礦地測科，山西 046102;2.中國礦業大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 221008)

“十三五”期間山西省加快煤層氣勘探開發，大力推進“氣化山西”的行動。潞安國家煤炭規劃礦區位于沁水盆地東部中段，礦區面積3629.17km2，煤層氣地質資源量為3746.51億m3，煤層氣地質資源豐度為1.45億m3/km2。針對其豐富的煤層氣資源量，對礦區煤層氣儲層物性進行可靠和客觀的綜合性評價是勘探開發的基礎地質工作。前人對潞安礦區煤儲層特征及其地質控制因素進行了大量研究，如構造、地應力、儲層壓力、儲層裂隙、煤體結構及吸附性等，除此之外，葉建平對影響潞安礦區煤層氣賦存和生產的主要地質因素進行了分析研究，得出礦區地下水與斷層溝通形成一個完整的補徑排系統，使得地層能量釋放，煤層氣大量逸散，煤層氣壓力降低。上述研究多側總于儲層參數的某一方面研究，同時潞安礦區施工了一些地面煤層氣井，但開發效果不佳，因此有必要對其煤層氣儲層物性進行綜合評價。

本文以潞安礦區構造、含煤地層、水文為地質背景，從煤巖煤質、煤層幾何分布特征、含氣性、儲層壓力特征、水動力條件和滲透率出發，系統分析了整個潞安礦區的儲層物性條件，全面評價了儲層物性的優劣，為潞安礦區煤層氣的勘探開發提供可靠的地質理論基礎。

1 煤層氣地質背景

1.1 構造

潞安礦區位于華北斷塊呂梁-太行斷塊，沁水塊坳東部次級構造單元沾尚-武鄉-陽城NNE向凹褶帶中段，晉獲斷裂帶西側。潞安礦區經歷了礦區總體構造形態為走向北北東～南北向西緩傾的單斜。在此基礎上發育方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般小于10°)，沿傾向及走向伴有少量斷距大于20m的斷層和一定數量斷距小于20m的斷層及陷落柱。礦區內較大的斷裂有西川斷層、文王山斷層、二崗山斷層、長治斷層、中華斷層、安昌斷層、安城斷層和蘇店斷層，斷裂構造特點為走向平行、傾向相同或相背的剖面共軛組合關系，高角度正斷層兩兩組合，構成地塹或地壘(圖1)。

圖1 潞安礦區構造綱要圖

1.2 含煤地層

井田內主要含煤地層有太原組和山西組，其總厚平均為158.74m。共含煤19層，煤層總厚度14.62m。含煤系數9.21%，其中計算儲量煤層5層(3、9-2、12-2、15-2、15-3號煤)，平均總厚度9.44m。可采含煤系數5.95%。

3號煤層位于山西組下部，上距K8砂巖19.80～37.41m，平均31.85m，下距9號煤50.48～73.12m，平均61.83m。煤層厚度5.13～7.25m，平均5.99m。全區穩定厚度在5.5～6.0m之間，小于5.5m局限在西界中部，大于6.0m分布在中部及西北、東南、西南角。煤層頂板為泥巖、粉砂質泥巖，局部為細砂巖。底板為黑色泥巖、粉砂巖。含泥巖或炭質泥巖夾矸0～3層，一般1層，厚0.27m，其中以距底板約1.33m的一層泥巖夾矸較為穩定，厚0.25m，純煤厚4.75～7.25m，平均5.72m。屬結構簡單至較簡單煤層。灰分含量以15%～25%的中灰煤為主，10%～15%的低灰煤零星分布。

1.3 水文

潞安礦區位于辛安泉域長治盆地水文地質單元，處于強徑流帶分布地區，水流由北西向南東，不利于煤層氣富集成藏。與3號煤系地層相關的主要含水層組為碎屑巖類含水層組，主要包括二疊系、三疊系一套陸相，過渡相碎屑巖，由砂巖、砂質泥巖夾煤層等組成。厚320～435m，單位涌水量為0.0003～0.82L/s.m，滲透系數為0.004～1.74m/d，水質類型屬HCO3-及HCO3-.SO42-型。本含水層組含水空間以風化裂隙和構造裂隙為主，裂隙水除少部分可能沿破碎帶向深部運動外，以水平(沿走向)運動為主。由于各含水層間間隔數層主要由泥巖等塑性巖石組成的隔水層，使各含水層相對呈層狀，形成平行復合結構，縱向水力聯系相對較弱。

2 煤層氣儲集特征

2.1 煤巖煤質特征

潞安礦區主采煤層3號煤宏觀煤巖類型以半亮煤、半暗煤為主，煤質以瘦煤、貧煤和無煙煤為主，平面上來看，煤質變化規律為由北東到西南，由淺到深變質程度依次增高，北部左權-武鄉一帶以瘦煤、焦煤為主，南部潞安-長治一帶以貧煤、無煙煤為主。垂向上來看，3號煤屬于半亮-光亮型煤，基質鏡質體為主，平均礦物含量為9.3%，主要是黏土、方解石，煤質為中灰、特低硫煤。

2.2 煤儲層幾何分布特征

區內主要可采煤層為3號煤，礦區中部常村煤礦及其附近為煤層最厚處，厚度超過6m，向四周煤厚逐漸減薄，礦區北端為煤層最薄處(圖2)。3號煤層埋深由東向西逐漸增加，主要煤礦集中于800m以淺。在西部邊緣，埋深超過了1000m(圖3)。

2.3 含氣性

3號煤層含氣量基本在20m3/t以下，對余吾礦煤層含氣量進行統計，結果表明煤儲層平均含氣量為9.48m3/t，含氣量較低，甲烷濃度較高，平均為87.44%，考慮到煤級高，吸附性強，其含氣飽和度較低。

含氣量平面上總體呈現出西部含量高而東部含量低的特點，即朝向沁水盆地中心地帶含氣量增加。潞安礦區東部方向煤層埋藏淺，部分地區為煤層露頭區，煤層氣逸散嚴重，含氣量較低。平均含氣量在10m3/t左右(圖4)。

2.4 儲層壓力特征

煤層氣試井資料表明(表1)：在埋深400～800m范圍內，礦區內3號煤層試井儲層壓力介于1.34～5.72MPa之間，儲層壓力梯度(儲層壓力/埋深)介于0.28～0.73MPa/100m之間，壓力系數(壓力梯度/靜水壓力梯度)變化范圍為0.29～0.75。儲層壓力總體上與埋深呈正相關關系，煤層埋深增加，儲層壓力、壓力系數隨之增高。

圖2 潞安礦區3號煤層煤厚等值線圖

圖3 潞安礦區3號煤層埋深等值線圖

圖4 潞安礦區3號煤含氣量等值線圖

圖5 潞安礦區3號煤壓力梯度等值線圖

圖6 潞安礦區煤儲層壓力梯度對比圖

表1 潞安礦區試井參數統計

潞安礦區壓力狀態為整體欠壓(圖5)，煤儲層壓力梯度較低，在0.65MPa左右，且與15煤儲層壓力梯度較為接近趨于統一(圖6)。影響煤儲層壓力分布的控制性地質因素為辛安泉域地下水流場，泉群在濁漳河地表出露的標高決定礦區的地下水流場區域規律。潞安礦區的整體低壓條件不利于煤層氣的富集成藏。煤儲層的低壓還影響了煤儲層有效應力，進而影響了儲層滲透率，低壓可能是造成該區域滲透率較低的重要地質因素之一。不僅如此，低壓儲層對煤儲層水力壓裂改造非常敏感，存在造成嚴重的儲層傷害的風險。

2.5 水動力條件

水化學封閉指數是評價地下水環境封閉程度的重要因素。表2為研究區內常村礦水質離子統計，計算結果表明，常村礦封閉指數相對較高，表明該礦山西組煤層水動力環境相對較為封閉，對煤層氣的保存較為有利。

表2 常村礦水質參數統計表

潞安礦區山西組水位自西北向東南逐漸降低，表明礦區向東南部徑流排泄(圖7)，同時在余吾礦及礦區東南部礦化度較高(圖8)，可能為地下水滯留區，有利于煤層氣的富集成藏，余吾礦附近的常村礦封閉指數較高，與該區附近礦化度較高相一致。

圖7 潞安礦區山西組水位圖

圖8 潞安礦區山西組礦化度圖

2.6 煤儲層滲透性

研究區內屯留區塊試井滲透率介于0.02895～0.946mD，平均0.34mD，滲透率較低。

根據井下揭露處煤層觀察，潞安礦區外生裂隙發育數量較少，主要有兩組NW～NNW和NE～NEE向，大部分無充填。內生裂隙主要發育有兩組，面割理走向為305°～359°，端割理走向在0°～44°之間，這兩組裂隙一般以高角度斜交或正交，且大體垂直于層理面，密度介于3～22條/m之間(表3)。裂隙大多無充填，部分被黃鐵礦、方解石等礦物質充填。

表3 潞安礦區裂隙發育特征表

綜上，潞安礦區3號煤儲層物性具有以下特點：煤層變質程度高，厚度大，埋深適中；煤層含氣量較高但含氣飽和度低，儲層壓力梯度低為欠壓儲層，部分區域地下水環境較為封閉適宜煤層氣保存，滲透性較差為低滲儲層。與晉城礦區相比，在煤級變化基本相似的條件下，在煤層氣含量及滲透性方面均處于劣勢。因此對于地面煤層氣開發來說，尋找圈定煤層氣的富集高滲甜點區，是確保地面開發成功的必要條件。

3 結論

基于潞安礦區主力煤層3號煤煤田勘探資料及煤層氣試井資料，綜合評價了其儲層物性。得到以下結論：

(1)潞安礦區3號煤儲層煤層變質程度高，厚度大，厚度在4m左右，埋深適中，大部分埋深小于1000m；煤層含氣量較高但含氣飽和度低，平均含氣量在10m3/t左右。儲層壓力梯度低為欠壓儲層，部分區域地下水環境較為封閉適宜煤層氣保存，滲透性較差為低滲儲層。

(2)與晉城礦區相比，在煤級變化基本相似的條件下，在煤層氣含量及滲透性方面均處于劣勢。因此對于地面煤層氣開發來說，尋找圈定煤層氣的富集高滲甜點區，是確保地面開發成功的必要條件。