阳泉寺家庄矿煤储层孔裂隙系统及渗透性特征

郝春生

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000)

阳泉寺家庄矿煤储层孔裂隙系统及渗透性特征

郝春生

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048000)

通过对阳泉煤田南部临近寺家庄煤矿进行观测，并进行室内压汞试验，系统分析阳泉寺家山等多个矿的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤储层大裂隙发育特征与孔隙结构特征。结果表明，该区煤层大裂隙发育，有利于煤层的渗透率;煤层气解吸与渗流的关键是微裂隙和植物细胞残留大孔隙;渗透率高值区可能位于南峪、白羊岭一带的深部，马鞍山和上马郡头一带的渗透率可能较低。

煤储层;裂隙;孔隙结构;特征;渗透率

1 概述

煤层具有双孔隙系统特征，煤层中的孔隙为煤层气的富集场所，裂隙为煤层气渗流通道［1］．裂缝孔隙度、开度、间距性质影响着渗透率的大小，对煤层气的产出也有很大影响［2］．正确认识煤的孔裂隙特征，是研究煤储层孔渗性和煤层气可采性的重要基础［3］．本文通过对阳泉煤田南部临近寺家庄煤矿进行观测，并进行室内压汞试验，系统分析阳泉寺家庄等多个矿的3#煤、8#煤、9#煤和15#煤储层大裂隙发育特征与孔隙结构特征。

寺家庄矿位于山西省晋中市昔阳县境内，南北长约17 km，东西宽约9 km，面积约124 km2［4］．地层走向为NNE向，倾向SWW向，区内断层较少，分布集中。褶曲发育，轴向不一。陷落柱较多，构造复杂程度总体为简单类，北部由于陷落柱发育，构造属中等类［5］．该区主采煤层有山西组3#煤层与太原组8#、 9#、15#煤层，3#、8#、9#煤层为局部可采，15#煤层为全区稳定可采煤层。

2 煤储层裂隙特征

2.1 15#煤储层

15#煤储层的裂隙系统发育良好，大裂隙中两组外生节理的线密度为0.1～7条/20 cm．其中马郡头、李家沟的外生节理线密度低，和顺前南峪矿外生节理线密度变化大，比较发育的是和顺马鞍山矿、昔阳红土沟和白羊岭矿。

15#煤储层镜煤中的内生裂隙高度多为2～3 mm，亮煤中的内生裂隙高度为1～10 cm，前者的线密度为8～13条/5 cm，后者多为3～6条/5 cm．15#煤中镜煤比例通常为2%～15%，个别达30%以上。亮煤的比例通常为10%～20%，个别达40%．15#煤储层的内生裂隙孔隙度较高，北部李家庄、马郡头为较高，南部马鞍山、前南峪为较低，中部南峪、白羊岭一带最高。寺家庄矿邻近矿区内生裂隙孔隙度表见表1．

表1 寺家庄矿邻近矿区内生裂隙孔隙度表

综合15#煤储层的大裂隙系统发育特征可知，其内生裂隙孔隙度较高，外生节理发育。

2.2 3#、8#和9#煤储层

3#煤储层中的外生节理格外发育，线密度为4～20条/20 cm，长度在20 cm左右。外生节理发育程度明显好于太原组15#煤，3#煤中的内生裂隙的载体比例高。内生裂隙孔隙度也较高，煤基岩块孔隙度为5%～9%，其中微裂隙略比15#煤发育。

8#煤和9#煤发育的区域存在不均一性，两储层相距仅7～10 m，储层物性比较接近。8#和9#煤储层中的外生节理欠发育，虽然节理较长，但线密度仅有0.2条/20 cm，在本研究区内属发育最差的煤储层。发育内生裂隙的载体比例较高，大多分层在50%以上。内生裂隙孔隙度比较高，为1.17%～2.918%，属于比较发育的煤储层，这主要与煤中灰分低有关。8#煤和9#煤的基岩块孔(微裂)隙度较低，大多在5%以下。微裂隙不甚发育。

综合8#煤和9#煤储层孔隙(裂隙)系统发育特征可知，其内生裂隙发育良好，发育内生裂隙的载体比例较高，内生裂隙孔隙度高。其应该有较好的渗透率。其微裂隙、孔隙发育特征大体与15#煤相似。

3 煤储层孔隙特征

煤储层孔隙结构不仅制约着煤层气的含气量，而且对其可采性也有重要影响［6］．煤基岩块中普遍发育3种孔隙，即植物细胞残留孔隙、基质孔隙和次生孔隙［7］．

3.1 15#煤储层

15#煤中主要发育植物细胞残留孔隙和基质孔隙。

15#煤的基岩块内孔隙结构尚可(见图1，图2)．进汞饱和度较高达80%以上(压力为32 MPa)，最高达90%以上(红土沟15#煤)。其毛管压力曲线总体呈不太典型的三段式结构。其分布特征如下:在压力0.2 MPa以下为一陡倾斜的斜线段，表明煤基岩块中孔喉半径为3～63μm的植物细胞残留孔隙和部分微裂隙发育，其占总进汞量的比例仅有10%左右。这部分孔隙对渗透率的贡献在煤基岩块中占主导地位。这一斜线段的排驱压力中值较低，大约为0.02 MPa．在压力为0.2～2.1MPa条件下，毛管压力曲线大体为一直立的直线段，进汞饱和度仅增加10%左右。这表明孔喉半径为0.4～3μm的孔隙不发育或有效孔隙率低。显微观察结果表明，孔径在这一范围的孔隙较少而且多为孤立孔隙。在压力为2.1～32 MPa条件下，毛管压力曲线又为一明显的斜线。其代表孔喉半径为0.4～0.016μm的与植物细胞残留大孔隙或基质孔隙中相连的次级孔隙的有效孔隙率比较高，其占总进汞量的70%以上。表明本区无烟煤中的微孔隙连通性较好，有利于煤层的解吸与扩散。

图1 平定马郡头15#煤毛管压力曲线图

图2 昔阳红土沟15#煤毛管压力曲线图

3.2 3#、8#和9#煤储层

3#煤中的植物细胞残留孔隙比较发育，保存较好，其次是基质孔隙。由于夹矸的发育，煤中显微可见矿物质的比例偏高，其中以黏土为主。3#煤中比较发育的微裂隙和植物细胞残留孔隙有利于煤层气的解吸扩散与产出。8#、9#煤基岩块中以植物细胞残留孔隙和基质孔隙为主，基岩块孔隙度较低。

4 煤储层渗透率评价

相互连通的裂隙网络构成了煤层气流动的通道。孔、裂隙结构直接影响到煤层气的吸附和渗流［8］．

本区的外生节理除在马鞍山和红土沟矿较为发育，对渗透率有较大影响外，其余几个采样点的外生节理均欠发育，考虑到其受地应力的明显影响，其对渗透率的贡献有限。内生裂隙与微裂隙渗透率对煤储层渗透率的贡献通常比较大，决定其大小的两个重要参数为裂隙孔隙度及其裂隙之间的连通状况。15#煤储层内生裂隙孔隙度参数表见表2．

表2 15#煤储层内生裂隙孔隙度参数表

表2列出了本区15#煤内生裂隙、孔隙度统计参数。其中南峪和白羊岭一带的内生裂隙孔隙度较高，而马鞍山、李家沟和上马郡头一带的内生裂隙孔隙度较低。依据研究区15#煤储层的大裂隙发育特征，对比已知的寿阳太原组煤储层渗透率值，在埋深1 000 m左右的深度范围内，15#煤的渗透率大体为0.5×10－3～ 1×10－3μm2．其高值区可能位于南峪、白羊岭一带的深部，其在这一带的渗透率也有可能高达1.5×10－3μm2．马鞍山和上马郡头一带15#煤的渗透率有可能要低一些。对比3#煤和15#煤的大裂隙发育特征，两者大体相近。也可能为0.5×10－3～1×10－3μm2．8#和9#煤储层中的大裂隙明显比15#煤储层中的发育，其有可能比15#煤的渗透率高0.3×10－3～0.5× 10－3μm2．

5 结论

1)15#煤储层的微裂隙尚不发育，内生裂隙孔隙度较高，外生节理发育。3#煤储层外生节理发育程度明显好于15#煤，内生裂隙的载体比例高。8#煤和9#煤储层内生裂隙发育良好，发育内生裂隙的载体比例较高，内生裂隙孔隙度高，应该有较好的渗透率。

2)15#煤中主要发育植物细胞残留孔隙和基质孔隙。煤基岩块的块度在同煤级煤中偏小，其有利于煤层气的流动产出。煤基岩块的孔(微裂)隙度偏低，特别是微裂隙欠发育。3#煤中的植物细胞残留孔隙比较发育，保存较好，其次是基质孔隙。8#、9#煤基岩块中以植物细胞残留孔隙和基质孔隙为主，基岩块孔隙度较低。

3)据研究区15#煤储层的大裂隙发育特征，对比已知的寿阳太原组煤储层渗透率值，在埋深1 000 m左右的深度范围内，15#煤的渗透率大体为0.5×10－3～1×10－3μm2．其高值区可能位于南峪、白羊岭一带的深部。马鞍山和上马郡头一带15#煤的渗透率有可能要低一些。对比3#煤和15#煤的大裂隙发育特征，两者大体相近。8#和9#煤储层中的大裂隙明显比15#煤的发育，其有可能比15#煤的渗透率高。

［1］吴晓东，师俊锋，席长丰．煤层渗透率敏感性及其对煤层气开发效果的影响［J］．天然气工业，2008，28(7):27－29.

［2］杨兴东．煤层气开采过程中裂缝系统与渗透率演化关系［J］．辽宁化工，2013，42(10):1187－1189.

［3］姚艳斌，刘大锰，黄文辉．两淮煤田煤储层孔－裂隙系统与煤层气产出性能研究［J］．煤炭学报，2006，31(2):163－168.

［4］李春兰．山西省寺家庄井田含煤地层特征［J］．科技资讯，2010(2):1.

［5］魏志明．寺家庄井田地质构造发育特征简析［J］．中国煤田地质，2007，19(2):28－30.

［6］范俊佳，琚宜文，侯泉林，等．不同变质变形煤储层孔隙特征与煤层气可采性［J］．地学前缘，2010，17(5):325－334.

［7］王生维，陈钟惠，张明．煤基岩块孔裂隙特征及其在煤层气产出中的意义［J］．中国地质大学学报，1995，20(5):557－561.

［8］傅雪海，秦勇，薛秀谦，等．煤储层孔、裂隙系统分形研究［J］．中国矿业大学学报，2001，30(3):225－228.

Pore Fracture System and Permeability Characteristics of Coal Reservoir in Yangquan Sijiazhuang Mine

HAO Chunshen

The southern of Yangquan coalfield near Sijiazhuang coalmine is observed，and themercury injection test is conducted，fracture development characteristics and pore structure characteristics of coal reservoir in 3#，8#，9 #and 15#coal is systematically analyzed．The results show that the coal seam fracture development，benefits the coal seam permeability．The keys of coalbed methane desorption and seepage aremicrofissure and plant cells remaining large pore．The high value areas of permeabilitymay be in the deep of Nanyu and Baiyangling，and the permeability of Maanshan and Shangmujuntou may be lower．

Coal reservoir;Fracture;Pore structure;Characteristics;Permeability

TD163+．1

A

1672－0652(2015)09－0053－04

2015－06－28

郝春生(1970—)，男，山西祁县人，2012年毕业于中国矿业大学(北京)，硕士研究生，工程师，主要从事煤层气地质研究与开发工作(E－mail)chzhj052@126．com