烏魯木齊河東礦區煤層氣含氣性及物性特征分析

李中博 劉子強

(新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830009)

烏魯木齊河東礦區位于北天山博格達山北麓，行政區劃屬烏魯木齊和阜康市管轄。范圍西起烏魯木齊河，東鄰三工河，東西長約42km，南北平均寬約6km，面積約243.5km2。礦區按構造劃分為北部單斜、八道灣向斜北翼、八道灣向斜南翼、白楊河-水磨河四個區塊。區內主要含煤地層為侏羅系下統八道灣組(J1b)、中統西山窯組(J2x)，主要煤層氣儲層為西山窯組的42-43、45號煤層，煤質為低變質的不粘煤、長焰煤。區內探獲各類煤層氣資源儲量4.77×1010m3，地質儲量規模為大型氣田。

1 煤層封蓋條件及含氣性

1.1 煤層封蓋條件

煤層頂底板巖性是影響煤層的封蓋條件的重要因素，也是封堵煤層氣的第一道屏障，從封閉性能上，粒度越細，封閉性越好。

從統計結果(表1)可以看出，河東礦區西山窯組煤層在北單斜、向斜北翼、向斜南翼頂底板巖性大多以細碎屑巖為主，占50%以上；白楊河-水磨河的八道灣組煤層頂底板巖性以粗碎屑巖為主，占55%以上。垂向上兩個煤組，西山窯組目標煤層頂底板巖性的封閉性明顯好于八道灣組。

表1 礦區煤層頂底板巖性厚度統計表

1.2 煤層含氣性

對礦區內30口井取得了煤層含氣性數據進行匯總(表2)，在深度403～1204m范圍內西山窯組煤層空氣干燥基含氣量0.76～15.44m3/t，八道灣組煤層含氣量普遍較低，在深度510～701m處，空氣干燥基含氣量為0.09～2.68m3/t。

表2 礦區煤層含氣量特征表

由圖1可知煤層含氣量隨埋深的增加而增大，且相關性很好，說明煤層埋深是影響含氣量的主控因素。礦區煤層含氣量梯度約為1.55m3/t/100m。

圖1 參井各煤層含氣量與埋深關系圖

1.3 等溫吸附特征

礦區煤層空氣干燥基蘭氏體積11.46～26.67m3/t，平均16.55m3/t，干燥無灰基蘭氏體積14.10～28.69m3/t，平均19.57m3/t，表明煤層具有中等-較強的儲氣能力；蘭氏壓力3.32～6.20MPa，平均5.01MPa，各煤層蘭氏壓力平均值均在4～6MPa之間，蘭氏壓力較高，反映了煤層氣較易解吸，對煤層氣的開發較為有利(圖2，3)。

圖2 礦區煤層蘭氏體積對比圖

2 煤層孔隙裂隙及滲透性

2.1 煤層孔隙度

礦區內分別對42-43、45號煤層各采集進行了煤的真密度測試，為計算孔隙度，視密度采用兩口參數井附近的鉆孔的視密度的平均值。

圖3 礦區煤層典型等溫吸附曲線

由表3可知，42-43號煤層孔隙度7.97%～13.82%，孔隙度低-較發育，孔隙度較大表明其滲透性相對較好；45號煤層孔隙度5.80%～7.35%，屬于低孔隙度致密儲層，對煤層氣而言，這種煤層的孔隙對氣體導流基本不起作用，而真正起作用的是煤層的割理裂隙。

表3 煤層孔隙度計算表

2.2 煤層裂隙發育

煤層內生裂隙是煤在成煤作用過程中自身形成的一種裂隙，其發育程度直接影響到煤儲層滲透率的大小和方向，是煤層氣勘探開發的關鍵因素。煤層中內生裂隙密度越高，滲透性越好(表4)。

表4 礦區煤層裂隙的主要參數

礦區煤層煤體結構均為原生結構，這種煤體結構說明煤的內生裂隙(割理)保存較好。根據試驗觀察結果，礦區內煤層裂隙長度0.01～2.7cm，高度0.01～1.90cm，寬度1～550μm，密度0.6～8.20條/cm。煤層上段內生裂隙較發育，連通性中等，裂隙系統多呈網狀和平行狀。

2.3 煤層滲透性

根據注入/壓降測試的結果，礦區煤層滲透率在0.003～13.48mD之間，屬低-高滲透率儲層。主要儲層42-43號煤層的滲透率在0.003～4.87mD之間；45號煤層的滲透率在0.008～0.26mD之間。從單煤層滲透率分級占比圖可以得出：勘探區主要的煤儲層43號煤儲層低滲儲層占比較高，45號煤儲層測試結果多為中滲透率儲層(圖4)。

圖4 主要儲層滲透率分級占比圖

煤儲層的滲透率在煤層氣開發過程中，會發生相應的變化。據Harpalanishi試驗室研究，高壓階段，隨著壓力下降，滲透率降低；當壓力降到一定程度時，煤層解吸氣量增加，煤層基質收縮率增大，煤層滲透率開始升高，因此，排采過程中，如果在工程措施、排采制度等方面恰當的情況下，隨著煤儲層壓力不斷下降，煤層氣不斷產出，其滲透率會不斷變好(圖5)。

圖5 煤層氣生產過程中滲透率的變化

3 儲層壓力及溫度

3.1 儲層壓力

一般用壓力梯度去衡量儲層壓力的大小，為了在儲層評價中統一方法和原則，本次工作將儲層壓力劃分為三種類型(表5)。

表5 儲層壓力類型劃分方案一覽表

根據注入/壓降測試的結果，礦區內儲層壓力為2.85～6.71MPa，基本均為欠壓儲層。儲層壓力與地下承壓水位息息相關，各井儲層壓力的差異主要體現了不同區域不同層位承壓水位的變化。

3.2 儲層溫度

煤儲層溫度是影響煤層氣富集條件的敏感因素，從開發角度來說，溫度越高，煤中甲烷的解吸能力越強，越有利于煤層氣產出。

區內整體儲層溫度穩定，根據埋深的不同，儲層溫度在13.49℃～41.28℃，整體統計結果顯示全區平均儲層溫度梯度為1.83℃/100m(圖6)。

圖6 儲層溫度與埋深曲線圖

4 結論

礦區西山窯煤層頂底板巖性均以細碎屑巖為主，對煤層氣的保存有利；西山窯組煤層整體含氣量好于八道灣組煤層，瓦斯風化帶以下含氣量數據基本大于1m3/t的開采值下限，含氣性較好；礦區主要煤層空氣干燥基蘭氏體積平均值基本都在 15～25m3/t之間，儲氣能力中等；礦區主要儲層裂隙較發育屬于相對滲透率較好的儲層；礦區儲層均為欠壓儲層，儲層溫度梯度未超過3℃/100m，屬正常地溫儲層。通過成藏條件和成藏過程的分析，礦區煤層氣藏的成藏機制可以歸納為以下幾點：

(1)煤層氣富集成藏的物質基礎好。煤層厚度大、分布穩定連續。

(2)煤儲層條件較好。煤儲層滲透率較低，較高的蘭氏體積，說明儲層有較強的甲烷吸附能力。

(3)煤熱演化程度雖然偏低，煤級為不粘煤，但是煤層含氣量高。

(4)通過甲烷碳同位素可知，煤層氣成因為生物成因氣，含氣量高，以甲烷為主，其次為二氧化碳，氣體品質較好。

(5)氣體保存條件好。煤層頂底板巖性主要為泥巖或砂質泥巖，其含水性弱、滲透性差；水化學類型為NaHCO3型，水動力條件弱，煤層具有相對獨立的水動力系統，利于氣體保存；構造活動簡單，未對氣藏形成大的破壞。對氣體起到好的保存作用。