黔北林華多煤層井田煤系氣開發目標層段初選

方澤中，徐宏杰，桑樹勛，金 軍，劉會虎，高 為

（1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221008；3.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽550008）

煤系氣泛指含煤巖系中賦存的各類天然氣，具體指包括賦存在煤層中的煤層氣、泥（頁）巖中的頁巖氣和致密砂巖中的致密砂巖氣[1]。煤系氣儲層滲透率低，較致密，而同一煤系內部垂向上多個含氣系統疊置共生[2-4]。與單一開采煤層氣或者頁巖氣相比，煤系氣的合采，把不同儲層中不同相態的天然氣集中開采，即提高資源利用效率，又降低了開發成本。然而，對煤系天然氣的開發目前還是主要停留在煤層氣上，“兩氣”甚至“三氣”共同開采在工程上還未成熟。針對這一問題，部分學者對煤系氣成藏特征以及共生賦存模式進行相關研究，并取得了重要成果[5-7]。另外，楊兆彪[8]通過變換氣井產能方程，對多煤層疊置地區煤層氣合采產層組合進行優化；孫澤飛[9]基于共采模型和共采綜合指數，對臨興區塊煤系氣共采的可能性進行分析，并劃分共采有利區。林華井田位于貴州省西北部，該地區煤系垂向上多煤層與泥巖、砂巖層疊置共存，具備煤系氣資源合采潛力[10-11]。前人對該井田及鄰近地區的含煤地層特征以及資源賦存開展了相關的研究工作[12-13]，在成煤環境方面也做出了探討[14-15]。目前，林華井田煤系氣開發尚處在室內研究和勘探測試階段。因此，提出一種確定煤系氣開發目標層段初選方法，劃分開采目標層段，對今后煤系氣開發提供借鑒依據。

1 地質背景

林華井田面積約35 km2，井田總體呈北東東向的簡單寬緩向斜構造，發育次一級褶曲新華向斜，北西翼地層走向北東-南西，傾角7°～34°；南東翼地層走向北西-南東，傾角7°～12°，井田內斷層較少，主要呈北東東向。井田及其鄰近地區出露地層有：二疊系中統茅口組，二疊系上統龍潭組、長興組，三疊系下統夜郎組、茅草鋪組，以及古近系、新近系和第四系。區域內三疊系、二疊系發育碳酸鹽巖并含豐富的巖溶水，三疊系碎屑巖層含少量的裂隙水，第四系松散層零星分布，內含孔隙水，研究區內斷層較少且其富、導水性均較差。地溫梯度0.9～2.98 ℃/hm，煤層具有良好的含氣性，另外，砂巖層和泥巖層也有較高的含氣顯示。研究區煤系綜合柱狀圖如圖1。

圖1 研究區煤系綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal measures in the study area

2 煤巖層發育特征與沉積環境

2.1 煤巖煤質與沉積環境

井田內煤類比較單一，為無煙煤3 號，鏡質組最大反射率為3.07%～3.92%，平均3.36%。研究區主要煤層煤質見表1。

表1 研究區主要煤層煤質表Table 1 Main coal seam coal quality in the studied area

研究區內煤的干燥基灰分變化明顯，從12.08%～ 38.86%都有分布，縱向上，自上而下出現先降低再升高的趨勢。研究區縱向上全硫分含量變化較大，變化范圍有0.32%～10.16%，變化趨勢與灰分類似，4、5、9 煤層全硫分含量略微波動，13、15 煤層迅速升高。根據GB/T 15224.1—2018,GB/T 15224.2—2010 最新國家標準《煤炭質量分級》，4 號煤屬于中灰煤、中硫煤；5 號煤屬于中灰煤、中硫煤；9 號煤屬于低灰煤-低硫煤；13 號煤屬于中灰煤、中高硫煤；15 號煤屬于高灰煤、高硫煤。黃鐵礦硫占全硫分的67.5%～85.8%，說明全硫分以黃鐵礦硫為主。

海水入侵往往會導致煤中硫分較高，特別是黃鐵礦硫會明顯升高[16]。在縱向上，龍潭組下段13 號、15 號煤層硫分明顯較高，并且出現海侵體系域的鋁土質泥巖，普遍發育有黃鐵礦結核，這表明下部的13 號、15 號煤層受海水影響較大，屬于瀉湖沉積環境，硫分從15 號煤層的4.33%，降到13 號煤層的2.47%，再到9 號煤層的0.88%，說明海水活動有所減弱。龍潭組上部煤層硫分含量較低，4 號、5 號、9號煤層附近發育粉砂巖、泥巖、砂質泥巖等碎屑巖，表明其受海水活動影響較小，屬于海退期，河流作用加強，其沉積環境由瀉湖相轉變為潮坪和潮控下三角洲平原，且9 號煤層硫分略低于上部煤層，說明9號煤層形成后，此時海水活動又略微增強，之后依次形成5 號、4 號煤層，此后沉積層序中常見灰巖，為龍潭組晚期至長興組期的一次大的海進期，沉積環境又轉變為瀉湖-潮坪相，并慢慢過渡到長興組的碳酸鹽臺地。

煤中灰分除少量來自成煤植物外，主要來源于外來物質，其含量變化與沉積期的古地理環境有一定聯系，總體規律是由海向陸漸次遞增[16]。煤中灰分的主要常量元素有Si、Al、Mg、Ca、Fe、K、S，其含量一般以氧化物的形式來表示，各煤層灰分常量元素組成見表2。

表2 各煤層灰分常量元素組成Table 2 Composition of ash major elements in different coal seams

煤中灰成分可以在一定程度反映聚煤環境的特征[16]。運用灰成分端元分析法建立三角端元圖，分別以SiO2+AL2O3、CaO+MgO 和Fe2O3+SO33 組灰成分作為端元做出三角端元圖，各煤層灰分成分三角端元圖如圖2。

研究區內SiO2+AL2O3組分上下2 段差異明顯，4號、5 號、9 號煤變化范圍大多都在80%～95%，而到了13 和15 號煤含量顯著降低，說明上段煤層含較多以黏土礦物為代表的陸源礦物，多與淡水介質注入有關；區內含煤地層下部的13 號、15 號煤明顯比上部的煤層更靠近Fe2O3+SO3端，表明煤中黃鐵礦硫含量較高，一般代表還原性較強的覆水閉流盆地環境；CaO+MgO 組分含量均比較小，但下部13 號、15 號煤更接近CaO+MgO 端。由此可知，含煤地層上部的4 號、5 號、9 號煤處于還原性較弱的聚煤環境，接受陸源物質較多，而下部的13 號、15 號煤層則處于離陸源區較遠，覆水較深，水動力較弱、還原性較強的環境下。同時下部的13 號、15 號煤層硫分含量高，受海水活動影響較大，離陸源區較遠，這也與之前用硫分判斷沉積環境的結論一致。

圖2 各煤層灰分成分三角端元圖Fig.2 Triangular diagram of ash compositions in different coal seams

2.2 煤巖層發育特征

研究區內含煤地層為龍潭組，屬于海陸交互相沉積，出露于井田北部及西部外側，龍潭組與下伏的茅口組呈假整合接觸，厚91.5～126.9 m，平均106.1 m。巖性以灰、深灰色薄-中厚層粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖為主，夾細砂巖、鈣質泥巖及4～7 層灰巖、泥質灰巖，厚度變化較小，在煤田西北部和中部地層厚度較厚，總體上呈現從西北厚，東南薄，向東南龍潭組地厚度逐漸變薄。

龍潭組含煤9～21 層，其中可采煤層2～6 層，一般2～4 層。井田共5 層可采煤層，可采總厚度3.0～12.1 m，其中9 號煤層基本全區可采，4 號、5 號煤層大部可采煤層，13 號、15 號煤層為局部可采煤層。其中龍潭組上段的4 號、5 號和9 號煤層發育較好，為主要可采煤層。從煤層厚度和層間距看，以9 號煤底部和10 號煤頂部為界，龍潭組可以劃分為上、下2個含煤段。上段含煤層5～12 層，其中可采煤層2～5層；下段煤層層數3～8 層，可采煤層數1～2 層。煤層厚度以薄、中厚為主，最高可占79.4%，其中9 號煤層發育情況最好，煤層平均厚度大；中厚煤層以及厚煤層占比大；煤層為近距離和中距離分布為主，遠距離煤層不發育。林華井田煤巖層發育情況見表3，研究區煤層厚度頻率分布如圖3。

表3 林華井田煤巖層發育情況Table 3 Distribution of coal seams in coal of Linhua

圖3 研究區煤層厚度頻率分布Fig.3 Frequency variation of coal seam thickness in study area

含煤巖層發育了不同成分、結構的泥（頁）巖，有泥巖、粉砂質泥巖和碳質泥巖，TOC 含量為0.64%～9.69%，平均4.01%，其中富含有機質的灰黑色、黑色泥（頁）巖為主要的烴源巖，其余泥（頁）巖有機碳含量一般低于2%，生烴潛力不高。區內由于晚二疊世海水的頻繁進退，造成“煤巖層單層厚度薄，泥（頁）巖頻繁與煤層、砂巖層互層”的特點，泥（頁）巖單層厚度一般不大，一般低于3 m，而泥（頁）巖累計厚度為30～60 m，平均厚度達到51.3 m。泥（頁）巖本身具有一定的生烴能力，加上層段內煤層良好的物質基礎和生烴潛力，配合泥（頁）巖層較大的累計厚度作為儲集基礎，增大泥（頁）巖含氣量。

通過對研究區含煤層段的砂巖層物性測試顯示，孔隙度分布范圍為0.8%～7.6%，平均值3.1%，滲透率1.0×10-18～5.1×10-17m2，平均值1.8×10-17m2，屬于低孔低滲的致密砂巖。煤系砂巖巖性以細砂巖、粉砂巖為主，含少量泥質粉砂巖，單層厚度薄，一般低于10 m，累計厚度最大有52 m，平均20 m。砂巖層通常本身不具備生烴能力，但受研究區晚二疊世的沉積環境影響，造成其與泥巖、煤層等烴源巖緊密接觸，頻繁互層，使得砂巖層持續接收來自烴源巖的充注，為致密砂巖氣藏的形成提供了足夠的物質來源。

以煤層為主要研究對象、同時兼顧煤系其他含氣儲層，可劃分3 種煤系氣儲層共生組合模式：模式1 表現為泥巖或粉砂質泥巖夾煤層和炭質泥巖，常見于龍潭組上段中部和下段下部，煤層頂底板的泥巖單層厚度一般不大，含煤性較好，煤層厚度基本大于1.3 m，屬中厚煤層，煤層和炭質泥巖是主要的烴源巖；模式2 是砂巖、泥質粉砂巖和煤層互層，常見于13 號煤層附近，砂巖單層厚度小，但總厚度較大，可達20 m，煤層層數多，厚度變化較大，烴源巖主要是煤層；模式3 是泥巖，砂巖和煤層互層，是全區最典型的組合模式，在全區普遍分布，煤層多，煤層累計厚度較大，泥巖和砂巖單層厚度薄，表現出較強的沉積旋回性，烴源巖主要是煤層，其次為頁巖。研究區煤系氣儲層共生組合模式如圖4。

圖4 研究區煤系氣儲層共生組合模式Fig.4 Coal measure gas reservoir symbiotic combinationmodel in study area

3 煤系氣開發目標層段初選

3.1 目標層段初選影響因素及選擇方法

對煤巖層研究發現，研究區內含煤巖層單層厚度薄，泥巖、砂巖和煤層頻繁互層，都有明顯的氣測顯示，適合煤層氣以及頁巖氣和致密砂巖氣組合開采。煤系氣開發的目標層段確定及后期組合開發，受儲層厚度、煤巖層發育組合、儲層壓力、供液能力、水文地質條件、孔滲性、等多種因素影響。煤系氣共采情況下，井眼貫通不同的疊置含氣系統，系統之間流體能量動態平衡狀態遭受破壞，2 個或2 個以上多個含氣系統的產能被相互消耗而無法充分釋放，這是造成共采疊置含氣系統產氣能力往往不盡如人意的實質原因[2]。目前，煤系氣合采產層組合受到地質、工程2 方面因素制約，地質上體現為以層序地層結構為根本控制的含氣系統疊置性，工程上受制于壓裂的施工工藝。承接這一思想，將林華井田煤系氣目標層段初選步驟分為地質、工程2 個部分，地質約束方面：首先進行煤系層序地層學分析，通過識別關鍵層對含氣系統進行初步劃分，再根據儲層屬性的測試、解釋結果加強對含氣系統的認識；在地質劃分的基礎上，考慮工程技術背景，在煤體結構、脆性指數以及圍巖力學性質這3 項影響壓裂施工的條件約束下，確定煤系氣開發初選目標井段。煤系氣合采目標層位優選方法流程圖如圖5。

地質約束即通過層序地層分析，描述各類煤系氣儲層垂向序列與組合特征，找到關鍵層（所謂關鍵層即起到隔水阻氣劃分含氣單元作用的巖層），再根據儲層屬性的測試、解釋結果來驗證含氣系統劃分的合理性，據前人研究成果[17]以及分層條件，在不同含氣系統中，由于關鍵層隔水隔氣性，在不同含氣系統的界面分割處氣水垂向分布規律出現顯著變化，而同一含氣系統內的臨界解吸壓力、儲層壓力、滲透率儲層屬性差異較小，由此可對含氣系統的劃分的科學性做出驗證。

圖5 煤系氣合采目標層位優選方法流程圖Fig.5 Optimization process of reservoir combination for coal-measure gas

在完成含氣系統劃分的基礎上，工程約束方面，還需考慮以下因素。煤體結構是影響井壁穩定和儲層壓裂的重要因素。當煤體原生結構破壞嚴重，甚至變成碎粒煤、糜棱煤，會影響目標層段的選擇，因此要適當規避這類煤層。其次，泥頁巖儲層所含脆性礦物不但影響巖石基質孔隙的發育程度，還直接影響頁巖的可壓裂性。一般用脆性指數來反映巖石的脆性特征，脆性指數以（石英+長石+碳酸鹽巖礦物）/（石英+長石+碳酸鹽巖礦物+黏土礦物）×100%[5]計算結果表達。可以脆性指數40%為界確定泥頁巖儲層的可壓裂性。脆性指數大于40%有利于形成具有較強導流能力的壓裂縫網，易于壓裂變形生成大量裂隙；小于40%則不利于煤系氣壓裂開發。最后是圍巖的力學性質，不同巖性的圍巖力學性質差別很大。由于含煤巖系整體孔隙度和滲透率較低，一般采用水力壓裂的方式提高效率，而前人研究表明，圍巖的力學性質明顯高于煤層時，靠水力壓裂造成的裂隙難以突破上下圍巖的限制[18]，不適合合層開發。綜合考慮上述影響因素，最終確定煤系氣開發初選目標井段。

3.2 目標層段初選實例

3.2.1 基于地質約束下的含氣系統劃分

研究區晚二疊世頻繁的海進海退，造成了龍潭組煤層、泥巖、砂巖頻繁互層，單層薄的特點，既受到來自東-東南方向海水活動影響，又受到來自西側的陸源河流補充，通過對區域巖性組合、沉積相構成、測井異常響應、煤系不整合面和沉積地球化學特征等綜合研究，將研究區分為3 個三級層序，6 個體系域。最大海侵面（高水位體系域與海侵體系域分界線）附近常發育粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，測試結果顯示，這些巖層巖性致密，具有極低的孔隙度和滲透率，能阻斷各層之間氣、水連通性，可作為關鍵層，達到隔水隔氣的要求，以此界面作為含氣系統劃分依據，初步將龍潭組由下到上分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個含氣系統。儲層屬性測試結果見表4。

表4 儲層屬性測試結果Table 4 Reservoir property test results

煤層含氣性測試結果表明，各煤層含氣量介于8.19～18.82 m3/t。煤 層 氣 的 主 要 成 分 為CH4、CO2和N2，各煤層甲烷成分占比的平均值有76.34%，最高可達97.93%。根據測試資料[14]結果顯示，煤系非煤儲層也具有較高含氣量，其中砂巖層總含氣量為1.73～4.46 m3/t，平均達2.76 m3/t，泥巖總含氣量為2.30～4.21 m3/t，平均達2.93 m3/t。粉砂巖、細砂巖等非煤含氣層中烴組分及干度指標與鄰近煤層相應指標具有較好的一致性，表明非煤含氣層中烴類氣體為鄰近煤層產生氣體運移、賦存的結果，在成因性質上屬于煤成氣。可以發現在各個含氣系統界面處，氣測總烴以及氣測甲烷含量明顯降低，且由上到下，煤層含氣量變化呈現出上升-下降-上升-下降的趨勢，這分布特征與含氣系統高度吻合。另外，根據測試結果也可發現，在同一含氣系統內，不同儲層之間臨界解吸壓力、滲透率變化幅度較小，在1 個數量級之內，而不同含氣系統之間，臨界解吸壓力、滲透率相差較大，這也驗證了含氣系統劃分的合理性。研究區煤系氣儲層物性柱狀圖如圖6。

圖6 研究區煤系氣儲層物性柱狀圖Fig.6 Physical property histogram of coal measure gas reservoir in study area

3.2.2 基于工程約束下的的目標層段初選

煤體結構影響著井壁的穩定，龍潭組的煤體結構大多較為完好，呈塊狀，基本保持著原生結構，對煤系氣開發有較好的支撐作用。據X－射線衍射分析結果和前人研究發現[15]，本區煤系泥巖的礦物成分總體上以石英、長石、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主，通過計算可得，龍潭組上段含氣系統Ⅳ的泥巖層脆性指數變化在57.8%～71.2%，平均為62.8%；含氣系統Ⅲ的脆性指數為40.1 %～60.3 %，平均為51.3%；含氣系統Ⅱ的煤巖層脆性指數跨度比較大從18.7%到81.8%都有分布，平均有52.3%，934 m 處粉砂質泥巖層脆性最低，小于20%，壓裂效果差，不適合與含氣系統Ⅱ內其他儲層共同排采；含氣系統Ⅰ的脆性指數41.8%～62.03%，平均44.9%整體脆性良好。不同含氣系統內礦物成分含量如圖7。

圖7 不同含氣系統內礦物成分含量Fig.7 Mineral compositions in different gas-bearing systems

煤層圍巖力學性質測試結果見表5。由表5 可知，不同巖性的圍巖力學性質差別很大。灰巖的抗壓強度最大，平均值為55.9 MPa，最大值甚至達到117.9 MPa。由于室內測試樣品較少，成本較高，因此結合地球物理測井技術，根據巖石力學測井解釋結果，對目標層段進一步劃分。從圖6 可以看出，在940、956 m 處的灰巖層段，抗壓強度與彈性模量明顯升高，這意味著水力壓裂造成的裂隙難以突破灰巖的限制，影響水力壓裂效果，應避開這些灰巖層。

表5 煤層圍巖力學性質測試結果Table 5 Test results of mechanical properties ofthe surrounding rocks in different coal seams

根據工程技術條件分析，對目標層段做最后的篩選，結果為：含氣系統Ⅰ內深度在958～968 m 的Ⅰa 層段，包括15 號煤層及其頂底板泥巖；位于含氣系統Ⅱ內的942～955 m、910～933 m 的Ⅱb、Ⅱc 層段；含氣系統Ⅲ內878～904 m 的Ⅲd 層段；含氣系統Ⅳ內864～876 m 的Ⅳe 層段。

4 結 語

1）林華井田含煤地層為龍潭組，屬海陸交互相沉積，龍潭組上部煤層形成于還原性較弱的聚煤環境，接受陸源物質較多，屬于潮坪環境成煤，而下部煤層覆水較深，還原性強，受海水活動影響大，屬于瀉湖環境成煤。

2）井田內具有“煤巖層單層厚度薄，泥（頁）巖頻繁與煤層、砂巖層互層”的特點，并總結歸納3 種煤系氣儲層共生組合模式：分別為泥巖或粉砂質泥巖夾煤層和炭質泥巖；砂巖、泥質粉砂巖和煤層互層；泥巖，砂巖和煤層互層。

3）將林華井田煤系氣目標層段初選步驟分為地質、工程2 個部分：結合沉積環境，以劃分含氣系統為基礎，再根據儲層屬性的測試結果加強對含氣系統的劃分做出驗證，進一步分析工程約束條件（煤體結構、脆性指數以及圍巖力學性質），最終確定5 個煤系氣開發初選目標層段：Ⅰa（958～968 m）、Ⅱb（942～955 m）、Ⅱc（910～933 m）、Ⅲd（878～904 m）和Ⅳe（864～876 m）。