沁水盆地高家庄区块高煤阶煤吸附特征及控制因素

田 蕾,郑柏平,袁同星

(1.河北工程大学 资源学院,河北邯郸 056038;2.中国煤炭地质总局 第一勘探局,河北邯郸 056004)

煤层气在煤储层中主要以吸附态的形式赋存,因此煤储层的吸附能力直接影响到煤层气井的产能;实践表明煤阶是煤储层吸附特征的主要控制因素之一,不同煤阶煤储层的吸附特征存在显著差异。马京长等[1]通过对沁水盆地山西组、太原组主要煤层进行研究,分析了高煤阶煤的吸附特征及其控制因素;陈振宏等[2-3]在分析煤储层物性基础上对高、低煤阶吸附特征进行对比,指出了高、低煤阶煤储层吸附特征的差异性。本文结合高家庄区块3#煤储层和15#煤储层样品的等温吸附试验测试数据,对研究区内高煤阶煤储层吸附特征及控制因素进行分析。

1 研究区地质概况

沁水盆地高家庄区块位于山西省左权县境内,南北长约15km,东西宽约9km,呈梯形,面积约128km2,属于沁水煤田东部边缘中段,主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组。区内含煤地层埋藏较深,保存完整,其中山西组3#煤和太原组15#煤,煤层稳定、厚度较大,变质程度高,镜质组反射率R0为1.978%～2.655%,属高煤阶煤,煤类以高变质无烟煤为主,为本区主要煤层气储层。

2 样品采集和实验方法

从7个典型钻孔点中选取3#、15#煤层的11个煤样进行等温吸附实验,其中3#煤层4个,15#煤层7个。采用美国Terratek公司的IS-100型高压等温吸附实验装置进行样品测试;采用平衡水法,研究煤对甲烷的吸附性,煤的粉碎粒度为0.25～0.18mm,温度采用煤储层温度,根据Langmuir单分子层吸附理论,计算求出表征煤对甲烷吸附特性的吸附常数及等温吸附曲线。

3 结果与分析

3.1 煤储层甲烷吸附特征

兰氏体积(VL)反映了煤储集层最大吸附能力,VL值越大表示煤储层储集性越好,表1为沁水盆地高家庄区块煤储层等温吸附实验数据。以可燃基煤样为例,3#煤储层兰氏体积为27.02～30.29cm3／g,平均为28.78cm3／g;15#煤储层兰氏体积为26.19～ 45.59cm3／g,平均 32.14cm3／g。可见,15#煤储层对甲烷的吸附能力要明显好于山西组3#煤储层,其储集性相对更好,但是,15#煤储层样品测试数据离散程度大,说明在区域上15#煤储层吸附能力差异较大。另外兰氏体积不代表含气饱和度,高家庄区块需要其它成藏条件的适当配置才能有利于煤层气的富集成藏。

兰氏压力(PL)反映了储层吸附气体的难易程度,当兰氏体积较高,兰氏压力大于3 MPa时煤储层具有高产条件[4]。以可燃基煤样为例:3#煤储层兰氏压力为2.40～3.11MPa,平均2.74MPa;15#煤储层兰氏压力为2.18～3.24MPa,平均2.78MPa,表明高家庄区块主煤层兰氏压力中等。从层位上看,3#、15#煤储层兰氏压力差别不大,15#煤储层兰氏压力略大,高家庄区块主煤层均较有利于煤层气开采。

沁水盆地高家庄区块3#、15#煤层样品的等温吸附曲线如图1所示,该区煤储层具有较强的煤层甲烷吸附和储集能力,在其它成藏条件配置有利的情况下,有利于煤层气开发。总体上,15#煤层吸附能力较3#煤层吸附能力强,但15#煤层吸附能力区域差异性较大。

表1 沁水盆地高家庄区块煤储层等温吸附实验综合数据Tab.1 The aggregate experimental data of coal reservoir in Gaojiazhuang Area

较大的吸附能力反映出较大的开发潜力,较高的兰氏压力反映良好的开采条件[4]。由图1可见,兰氏压力越大曲线斜率越小,说明煤储层在低压区吸附量越小,高压区吸附量越大,在含气饱和度较高的情况下越有利于开采,反之则不利于生产;13-6井的3#煤储层解吸压力与解吸压力相似,Zc1井15#煤储层等温吸附曲线弯曲程度小煤层气解吸相对更容易。综合表1、图1可知,等温条件下,吸附量与储集层压力呈正相关:随着压力增高,吸附量变大,压力较低时,曲线以较高的斜率呈近似线性增长,此后曲线斜率变小,增长逐渐变慢,煤的吸附达到饱和状态。

3.2 煤层气吸附特征的影响因素

1)煤阶。煤阶是影响储层吸附能力的重要因素之一。煤化作用影响基质孔隙发育,进而影响煤的吸附能力;煤化作用过程中煤分子基团也在不断变化,影响对甲烷的亲和力,进而影响储层吸附能力。但煤的吸附能力不总是随煤阶的增高而增加,Yee等[5]认为吸附能力随煤阶增高呈U型变化,在高挥发份烟煤A阶段出现最小值。随煤阶的增高,煤储层的吸附能力在R0＜4%时逐渐增加,R0＞4%时急剧减小[6,7]。田永东等[8]等认为成岩作用阶段褐煤的吸附能力明显低于其他各变质阶段的煤,长焰煤至肥煤3个煤阶吸附量增加得缓慢,焦煤之后,煤的吸附量开始快速增加,无烟煤2#煤的吸附能力最强。高家庄区块主煤层变质程度高,多为无烟煤,煤变质程度对煤吸附能力有明显的影响,随着煤变质程度的增加,煤的吸附能力下降(图2)。

2)煤岩有机显微组分。煤的有机显微组分包括镜质组、惰质组和壳质组。一般认为镜质组和惰质组吸附能力较强,对煤吸附能力有显著的影响作用,而壳质组吸附能力较弱,对储层吸附能力影响较弱。有机显微组分对煤吸附能力的影响较复杂,应该考虑煤阶、灰分、水分、储层温度压力等因素[9-11]。从实验测试结果可以看出,兰氏体积随镜质组含量的增大而增大,而随惰质组含量的增加而降低(图3)。这种变化与显微组分对孔隙发育程度的影响有关,镜质组中微孔的发育程度比惰质组中微孔的发育程度高,因此具有较大内表面积,吸附能力较强。

3)水分。煤中水分是影响煤储层吸附能力的主要因素之一。水分存在于基质孔隙中,将减小甲烷的存储空间,并减少吸附甲烷的有效孔隙表面积,使甲烷吸附量变小。水分对吸附量的影响与临界水分值有关,水分含量小于临界水分值时,随水分的增加甲烷吸附量增大;达到或大于临界水分值时,水分只是覆盖在煤的颗粒外表面,甲烷吸附量不再随水分的增加而变化[12]。从测试结果看,高家庄区块煤储层水分的存在总体上与吸附能力呈负相关关系(图4),但其对吸附量的控制作用并不明显,说明水分并不是该区煤储层吸附能力的主要影响因素。

4)灰分。灰分的吸附能力比较微弱,它通过影响煤中有机组分的含量和结构来影响煤的吸附能力。另外,灰分的存在还堵塞一些微孔隙,造成有效吸附表面积变小,吸附能力降低。从实验测试结果来看,灰分的存在降低了煤储层的吸附能力(图5)。表1中原煤兰氏体积总是小于可燃基煤样兰氏体积,同样说明灰分对煤储层的吸附能力产生了负面影响。

4 结论

1)高家庄区块主煤储层兰氏体积大于26cm3／g,兰氏压力中等,具有较强的煤层甲烷吸附和储集能力,在其它成藏条件的适当配置下,有利于煤层气富集成藏。

2)研究区山西组3#煤储层兰氏体积平均为28.78 cm3／g,太原组15#煤储层兰氏体积平均为32.14 cm3／g。15#煤储层对甲烷的吸附能力要明显好于山西组3#煤储层,但15#煤储层甲烷吸附和储集能力区域差异较大。

3)煤阶和煤岩有机显微组分是研究区煤储层甲烷吸附特征的控制因素,水分和灰分在一定程度上降低了煤储层吸附能力。

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