韓城礦區11號煤層氣儲層物性及特征分析

李進強

（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048000）

1 引言

韓城礦區地處鄂爾多斯盆地的東南緣，總體呈一走向北東、傾向北西的單斜構造。礦區內含煤地層發育，煤層賦存良好，煤層層數和可采煤層多，累計厚度大。煤層含氣量、煤層氣資源儲量豐度均較高，資源量大。當前，礦區內還未開展過煤層氣儲層物性及特征方面的研究工作，在一定程度上制約著煤層氣開發效果。為此，基于韓城礦區煤層氣勘探開發資料，采用煤層氣地質理論對區內11號煤層氣儲層物性及特征進行了分析。

2 煤層氣儲層物性特征

2.1 煤層特征

11號煤層為韓城礦區全區賦存穩定可采煤層，亦為區內主力開采煤層之一。其位于含煤地層太原組中下部，上距3號可采煤層平均64 m，下距奧灰頂面平均23 m。煤層厚度2～10.80m，平均3.50m，相對厚煤區主要集中分布在礦區中部文家嶺井田和南部東段象山井田范圍。煤層含夾矸1～4層，煤層結構復雜。煤層偽頂主要為泥巖、炭質泥巖，直接頂多為泥灰巖及石灰巖，老頂一般為石灰巖或中粒砂巖，底板為鋁質泥巖。韓城礦區11號煤層賦存良好，展布穩定，是煤層氣勘探開發的良好對象。

2.2 煤層孔裂隙特征

2.2.1 煤層孔隙特征

煤層是一種具有孔裂隙發育的雙重介質結構，煤層孔隙發育特征（主要為孔徑大小及其連通性）影響著煤層氣在煤層中的儲集狀態和儲集空間、運移、滲流難易程度和煤層中煤層氣的可抽采性。研究表明：直徑0.1～1μm的中孔構成了瓦斯緩慢流動的層流滲透區，直徑1～100μm的大孔構成速度較快的層流滲透區，直徑100 μm以上以至更大的肉眼可見孔隙、裂隙，構成層流和紊流的混合滲透區[1]。煤層中大孔和中孔越發育，其滲透性能往往越好。韓城礦區在煤層氣勘探開發過程中采用壓汞法對11號煤層的孔隙特征進行了測定，由測定結果可知：11號煤層的孔隙度為2.60%～4.31%，孔徑小于0.1μm的過渡孔和微孔最為發育，大于1000μm的大孔發育次之，介于100～1000μm的中孔相對不甚發育。其中，過渡孔和微孔所占比例高達75%左右，大孔所占比例15%左右，中孔所占比例僅為10%左右。退汞效率相對較高，一般為63.60%～66.87%，表明煤中雖有形態各異的孔隙發育，但彼此連通性相對較好。

2.2.2 煤層裂隙特征

煤層中裂隙按其發育尺度、規模大小可分為宏觀裂隙和顯微裂隙，前者肉眼可以進行觀測，后者主要借助顯微鏡進行鏡下觀測。煤層裂隙是煤層氣的擴散、滲流產出通道，其特征影響控制著煤層的滲透性能和煤層氣井的產能。為了較全面地認識煤層裂隙的發育特征，對煤層宏觀裂隙和顯微裂隙均進行了觀測。

（1）宏觀裂隙觀測

就宏觀裂隙而言，煤中裂隙發育規模以小型為主，中型次之，未見大型和巨型裂隙發育。煤層中面割理發育也非常好，裂隙密度較密，一般為13條/7cm～39條/6.3cm，割理寬度0.1～0.3mm，延伸穩定，開啟性好。端割理密度較密，一般1.2～3條/1cm，寬度0.1～0.3mm，無充填。受割理切割，煤層十分破碎、松散。

（2）顯微裂隙觀測

煤的顯微裂隙觀測主要借助高倍掃描電鏡進行觀測，因掃描電鏡觀測法樣品制備簡便快速，不破壞和損傷樣品，能全面地對樣品表面多種信息進行綜合分析。通過對煤的掃描電鏡下觀測可知：不同煤體結構煤中的顯微裂隙的發育程度有所不同，其中，碎裂煤鏡下可見原始層理和微細層理發育，微層面上多分布黏土礦物；煤切割成碎裂狀，多被礦物充填；裂隙多垂直或斜交層理，局部裂隙被碎粒或角礫充填；原始層理發育，裂隙以內生裂隙、層間裂隙為主，但礦物的存在堵塞了層理與裂隙之間的通道，且穿層裂隙不發育；碎粒煤中裂隙較平直并呈開啟狀，內生裂隙少見，外生裂隙較發育，裂隙中常見礦物充填現象；糜棱煤中可見剪切作用形成鱗片結構，并形成多組“X”型剪切裂隙，內生裂隙幾乎不見；煤中發育滑移面等顯微構造，面上多發育微裂隙并呈開啟狀，裂隙中亦常見礦物充填現象。

2.3 煤層含氣性

煤層含氣性是指煤層中所含煤層氣的多少，主要用煤層含氣量來表征。煤層含氣量是煤層氣儲量計算、煤層氣開發潛力評價及礦井瓦斯涌出量計算的關鍵參數。韓城礦區在煤層氣勘探開發過程中通過地面鉆井取芯含氣量測定和氣體組分測定，獲得了一批11號煤層含氣性數據。在煤層埋深范圍內，煤層氣中成分以甲烷為主，占煤層氣體積分數的74.88%～96.95%，多在90%～95%之間。次為氮氣和二氧化碳，兩者之和一般在1.41%～22.45%左右；煤層氣含量總體上較高，一般為5.87～19.73m3/t，平均13.60m3/t，絕大部分在8m3/t以上。相對低煤層氣含量區主要分布在礦區北部、北東部、中段東部及南段以西小范圍。可見，11號煤層地處甲烷帶，煤層含氣量較高，可為煤層氣開發提供良好的資源條件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附特性系指甲烷氣體分子在基質孔隙表面的吸附性能，甲烷分子在煤基質孔隙表面以單分子層吸附，因而其吸附過程常用朗格繆爾吸附方程來表征。吸附性能參數的獲取由煤對甲烷的等溫吸附試驗得出，基于吸附試驗參數可實現煤層含氣飽和度、煤層氣最終采收率、臨界解吸壓力的計算及對煤層中儲集煤層氣空間、儲集性能進行評價。通過煤的等溫吸附試驗（試驗過程參照《GB/T 19560-2008 煤的高壓等溫吸附試驗方法》執行）可知：11號煤的蘭氏體積為18.57～26.88m3/t，平均為23.43m3/t。蘭氏壓力 1.07～2.56MPa，平均 1.84MPa。可見，中-高蘭氏壓力條件下，韓城礦區11號煤層對甲烷的吸附量相對較高，表明11號煤層中微小孔隙（主要指微孔和過渡孔）相對發育，為甲烷的儲集提供了良好的儲集空間[2]。

2.5 煤儲層壓力

煤儲層壓力是指作用于煤巖孔隙內流體上的壓力，其是地層能量的體現和驅動煤層氣產出的動力。煤儲層壓力狀態常用儲層壓力梯度值來表征，根據儲層壓力梯度大于、等于或小于相同深度下淡水壓力梯度的情況來表征煤儲層壓力狀態，即把煤儲層壓力梯度值小于9.5kPa/m時為欠壓異常狀態煤儲層，煤儲層壓力梯度值介于9.5～10.0kPa/m時為正常壓力狀態煤儲層，煤儲層壓力梯度值大于10.0kPa/m時為超壓狀態煤儲層[3]。煤儲層壓力梯度值越高，越有利于煤層氣井排水降壓達到高產和提高煤層氣采收率，這一點已在研究和實踐中得到證實。韓城礦區在煤層氣勘探開發過程中，采用煤層氣注入/壓降試驗對11號煤儲層壓力進行了測定：在煤層埋深692.50～723.95m范圍內，煤儲壓力為6.32～8.47MPa，平均7.70 MPa。煤儲壓力梯度為9.13～12.10kPa/m，平均10.91kPa/m。可見，韓城礦區11號煤儲層壓力梯度值整體較高，煤儲層壓力狀態以超壓為主，利于煤層氣的高效產出、氣井的高產和提高煤層氣采收率。

2.6 煤層滲透性

煤層滲透性是指流體在一定壓力差作用下，通過煤層的難易程度，主要用滲透率來定量表示。煤層滲透性是煤層氣開發區塊評價及優選、煤層中煤層氣可抽性及抽采難易程度的一項重要研究內容。影響煤層滲透率的因素較多且復雜，諸如煤體結構、應力狀態、煤層埋深、煤巖類型、煤質特征、煤類和裂隙發育特征等均可影響煤層的滲透率[4]。韓城礦區在煤層氣勘探開發過程中，采用煤層氣注入/壓降試井法對區內11號煤層滲透率進行了測定，其值為0.22～1.96mD，平均1.29mD。理論研究和實踐表明，煤層氣高產井區一般位于滲透率0.55×10-15～100×10-15m2的地區，滲透率過低或者過高都不利于煤層氣井生產[5]。可見，韓城礦區11號煤層滲透率整體較高，可為煤層氣的滲流產出提供良好通道和高產條件。

3 結論

（1）11號煤層為中-厚全區穩定可采煤層，煤層頂底板為泥質含量高的致密低滲巖性組成，可為煤層氣開發提供良好的對象和煤層氣保存條件。

（2）11號煤層孔隙以過渡孔和微孔為主，大孔次之，中孔不甚發育，有利于煤層氣的吸附儲集；煤層宏觀裂隙以小型和微型為主，面割理、端割理均發育較密，但前者更甚，為煤層氣的滲流提供了良好通道，煤層滲透率整體較高。不同煤體結構煤中顯微裂隙發育程度各異，煤體破壞越嚴重，其原始層理和內生裂隙越發少見，滲透率亦越低。

（3）11號煤層地處甲烷帶，煤層含氣量整體較高，但礦區內煤層氣賦存具有一定不均衡性；煤對甲烷吸附量大，顯示了煤中具有良好的儲集甲烷空間；煤儲層壓力狀態以超壓為主，利于煤層氣的排水降壓產出和煤層氣井高產。