和顺区块15#煤层含气量分布特征及其控制因素研究

孟贵希 贺小黑 赵景辉 周国文 杨媛媛 张蓉蓉

(1．中国石油化工股份有限公司华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 210000;2．中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029)

1 概况及地质背景

和顺区块位于沁水盆地东北缘，行政区划隶属于山西省晋中市和顺县、昔阳县、寿阳县和左权县。区块东西宽26.48km，南北长49.71km，面积1040.403km2，煤层气资源量1.52×1011m3。区块南端有和顺凤台一缘煤矿、和顺正邦煤矿、北关煤矿和腾信煤矿等。区块内共实施煤层气参数井13口，排采井组1个 (14口)，共27口井;共实施二维地震线888.36km/51条，从浅部至深部覆盖整个区块;区块内有煤田钻孔32个。

区域范围内赋存的地层主要有:太古界 (A);上元古界震旦系 (Z);古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系;中生界三叠系;新生界第三系、第四系。

区域上太原组地层厚90.30～143.80m，平均125.00m，含煤14层，为主要的含煤地层之一。本组以K1砂岩连续沉积于本溪组之上，由灰色砂岩，深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩、石灰岩及煤层组成。主要灰岩有3层 (K4、K3、K2)，全区稳定，是很好的标志层。本组岩性、沉积厚度有一定变化，但沉积岩性稳定，沉积环境差异显著，旋回明显，属海陆交互相沉积，主力煤层15#煤的沉积环境主要为潮坪及泥炭沼泽沉积环境。

区域构造上，和顺区块位于沁水盆地东北部的沾尚－武乡－阳城北北东向褶皱带内，区块内以褶皱构造为特征，中小断裂发育，发育陷落柱，且存在次级宽缓褶皱构造，构造线呈北北东向展布;地层整体相对平缓，地层整体为倾向北西，倾角一般10°左右，地层埋深东高西低。H3井与H7井之间发育一北北东向的构造陡坡带，将区块南部划分为明显的三个带:高台阶、陡坡带和低台阶。

2 15#煤层赋存特征

15#煤层位于K2灰岩底下16.5m左右，下距K1砂岩16m左右，煤层层位稳定，煤层厚2.3～9.9m，平均厚5.13m。煤层结构为简单 －复杂，含夹矸0～5层，一般含3层，夹矸多为炭质泥岩、泥岩，为稳定全区可采煤层。15#煤层顶板一般为泥岩或炭质泥岩，少量钻井 (孔)揭露为粉砂岩或细砂岩;15#煤层底板一般为泥岩，少量钻井(孔)揭露为砂质泥岩或细砂岩。

区块内15#煤层厚度总体呈北部和南部厚，中部薄的变化趋势。东南部低台阶H7井附近为南部15#煤层的厚煤带，且呈向东南方向变薄的趋势，其中H7井15#煤层厚8.8m;北部Z7孔附近为15#煤层的厚煤带，且呈向西北方向变薄的趋势，其中Z7孔15#煤层厚8.3m。

15#煤层埋深变化于141.89～1381m之间，整体变化趋势是由东至西埋深逐步加深，区块东北部和东南部地形较为平坦，埋深多小于1000m;区块中部埋深1000～1500m;区块西部边界附近多大于1500m，局部受地形起伏的影响而变化较大。

3 15#煤层含气量分布特征

3.1 含气量横向分布特征

太原组15#煤层在452.50～1178.50m深度区间内，单井原煤含气量 (空气干燥基)平均值变化于4.63～16.54m3/t之间，平均为 10.49m3/t。通过对勘探程度相对较高的东南部和北部15#煤层含气量的分析，得出以下含气量分布特征:①东南部1000m以浅，从构造陡坡带沿南东向至HP1井连线，15#煤层含气量逐步增大 (见表1)，与煤层埋深相关关系不明显 (见图1)。②区块北部15#煤层含气量7.96～9.36m3/t，含气量不高，整体变化不大;③区块内1000m以深，15#煤层随埋深增大，含气量有增大的趋势 (见图1)。

表1 煤层气井含气量与构造陡坡带距离统计表

图1 单井15#煤层含气量平均值与埋深关系图

H3井、H4井因位于构造陡坡带轴线较近，含气量较低。H3井15#煤层气含量4.21～5.64m3/t，平均 4.63m3/t;H4井 15#煤层气含量 5.44～9.71m3/t，平均7.58m3/t。构造陡坡带内发育多条北东向断层，且发育岩溶陷落柱 (HS1井钻遇);15#煤层倾角5°～15°，受正断层和岩溶陷落柱破坏，煤层气逸散严重。

3.2 含气量纵向分布特征

13口参数井95个煤样含气量测试结果统计发现，在452.70～1177.53m深度区间内，煤样含气量 (原煤空气干燥基)变化于2.25～20.54m3/t之间，煤样含气量变化较大 (图2)。

图2 各井15#煤层煤样原煤含气量与深度关系图

进一步对同一口井15#煤层的煤样含气量统计分析，发现在同一煤储层压力、温度、围岩条件、构造位置和水文地质的条件下，所有煤层气井15#煤层各煤样含气量差异显著。

同一口井15#煤层各煤样含气量有明显差异，反映15#煤层含气量纵向上的非均质性明显。

4 15#煤层含气量的控制因素

4.1 陡坡带

统计和顺区块东南部陡坡带以浅煤层气井含气量和井距陡坡带轴线距离，进行相关性分析，发现7口煤层气参数井的含气量受陡坡带影响较大，越远离陡坡带，15#煤层含气量越高 (见图3)。

图3 含气量与井距陡坡带轴线距离关系图

陡坡带破坏了15#煤储层内流体的保存条件，煤层气逸散，且越靠近陡坡带，破坏越严重，以致构造陡坡带附近煤层气井含气量低、产气效果差(H3、H4井产气量低)，为煤层气勘探不利区。

4.2 顶板

15#煤层发育于滨海沼泽相地层中，煤层顶板上覆有碳酸盐台地相岩层 (K2、K3、K4灰岩)，煤层顶板的封闭性能对煤层气的保存至关重要，顶板中若有泥质含量高和厚度大的泥岩层，则其封闭性能强于砂岩顶板和灰岩顶板。通过统计15#煤层至K2灰岩之间的砂泥岩层岩性和厚度，并与15#煤层含气量做相关性分析发现，15#煤层含气量与顶板泥岩累厚二者相关性较强，含气量随顶板泥岩累厚的增大而增大 (见图4)。

图4 15#煤层顶板泥岩累厚与含气量关系图

4.3 煤厚

煤层厚度对含气量的控制机理是:扩散是煤层气逸散的主要方式，煤层厚度越大，达到扩散中止时间及扩散路径越长，煤层气越不容易逸散;煤层本身低渗透，厚度越大，扩散阻力越大。统计分析发现，15#煤层原煤含气量与煤层厚度呈正相关关系 (见图5)，含气量随煤厚的增厚而增大。

图5 15#煤层原煤含气量与煤层厚度关系图

4.4 灰分产率

研究煤质对煤的含气量影响一般从煤的水分、灰分、挥发分和固定碳这四项参数入手，这四项简称煤的工业分析，是初步评价煤质的基础，也是煤岩分析中最重要和必需的参数。分别对和顺区块15#煤层67个煤样的4项工业分析参数与含气量数据统计分析，发现灰分产率对含气量的影响较大。

对和顺区块15#煤层67个煤样的含气量与灰分产率资料统计标明，煤层含气量随灰分产率的增大而降低 (见图6)，整体呈负相关关系，这反映出煤层中灰分的增加对煤层含气量是不利的。

图6 15#煤层含气量与灰分关系图

进一步研究单井15#煤层灰分产率对含气量的影响发现，在同一原位状态下，即煤储层压力、温度、构造位置和水文条件均相同，单井15#煤层各煤样灰分产率的高低导致含气量的差异，二者呈负相关关系。H1井、H7井、H8井及H9井15#煤层含气量与灰分产率呈正相关关系，且相关度较高。反映了这4口井15#煤层含气量垂向上的差异主要是受控于灰分产率，灰分产率的变化导致了煤层含气量的差异。

4.5 镜质组含量

15#煤层镜质组含量变化于10.9% ～97.6%之间，平均含量为68.2%。除去镜质组含量偏高或偏低的异常点，进一步分析发现，在镜质组含量59% ～82%区间内，15#煤层含气量 (干燥无灰基)随镜质组含量增大而增高，这与兰氏体积随镜质组含量的增加而增大这一实验规律相吻合。同样煤的最大吸附量与镜质组含量之间正相关趋势在镜质组临界含量 (约55%)处发生突变，两者正相关趋势在镜质组超过临界含量后更为明显，这与15#煤层镜质组含量与含气量的关系是趋于一致的。

5 结论

和顺区块太原组15#煤层是煤层气勘探开发的主要目的层，区块内15#煤层厚5.0m左右，含气量的分布特征是煤层气勘探部署的关键依据，通过综合分析研究，对15#煤层含气量的分布特征和控制因素得出以下认识:

(1)和顺区块南部1000m以浅，15#煤层含气量受陡坡带控制作用明显，煤层气井越远离陡坡带，含气量越高，与煤层埋深相关关系不明显，陡坡带为煤层气勘探不利区;南部1000m以深，15#煤层随埋深增大，含气量有增大趋势，为煤层气勘探有利区。和顺区块北部15#煤层含气量普遍不高，推测原因为煤层埋深较浅，煤层气保存条件较差，推测北部1000m以深含气量较高。

(2)整个区块内15#煤层顶板泥岩累计厚度对含气量控制作用明显，含气量随顶板泥岩累厚的增厚而增大;15#煤层含气量与煤厚呈正相关关系。陡坡带以西的低台阶15#煤层顶板泥岩累计厚度较大，且有15#煤层厚煤带分布，为下一步煤层气勘探的有利目标区。

(3)15#煤层含气量纵向上差异为煤层气非均质性的体现，是一种客观存在的现象。含气量纵向上差异主要控制因素为镜质组含量和灰分产率。整体上，15#煤层含气量随镜质组含量增大而增高，随灰分产率的增大而减小。单井15#煤层含气量差异较大的主要原因是单井灰分产率变化较大，含气量随灰分产率的增大而减小。

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