新疆库拜煤田煤储层特征及开采技术建议

安庆，张洲，吴斌，王学坚

（1.新疆煤田地质局161地质勘探队，新疆 乌鲁木齐 830009；2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074；3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003）

新疆库拜煤田煤储层特征及开采技术建议

安庆1，张洲2，3，吴斌1，王学坚1

（1.新疆煤田地质局161地质勘探队，新疆 乌鲁木齐 830009；2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074；3.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003）

通过煤储层地表及矿井下露头观测取样及试验分析，结合钻孔及测井资料，对新疆库拜煤田中部近直立煤储层空间展布、岩石物理特征、孔隙、微裂隙、大裂隙系统特征、含气性及气水分异特征进行研究，认为A5、A7煤层适合煤层气勘探开发，并对本区煤层气藏特征的井网部署、井型选择、钻完井等开采技术提出合理化建议。

库拜煤田；煤储层特征；煤层气；开采技术

新疆库拜煤田煤炭资源总量1.97×1010t，主要以中等变质程度焦煤为主，局部发育肥焦煤和贫煤。煤层气资源量2 000 m以浅估算为2.273 92×1011m3,具很好的煤层气勘探开发前景。煤储层岩石物理特征对含气量、吸附性、渗透性等具重要影响，对煤层气勘探开发具重要基础研究意义[1-2]。库拜煤田与煤层气开发成功的沁水盆地煤层气藏地质特征区别较大，研究区发育近直立的煤储层，在岩石物理、气水分异等方面与水平煤储层不同，因此，加强该区块煤储层特征研究，提出更优的技术开发方案意义重大。

1 煤田概况

库拜煤田西起拜城西部老虎台乡，东至库车县库车河东，面积约1 585 km2，行政区划属新疆阿克苏地区拜城县、库车县。煤田为一南倾的单斜构造，地层走向近EW向，倾角30°~89°，局部地段直立倒转。主干构造为北部的F1逆断层，南部的F2、F3正断层。乌迪克背斜和乌迪克向斜，位于煤田南侧，属大型褶皱。研究区位于煤田中部，地层倾角178°~184°，地层与煤储层倾角在80°以上，产状较稳定（图1）。地层由老到新依次为上三叠统郝家沟组、下侏罗统塔里奇克组、阿合组及第四系。含煤地层为塔里奇克组，岩性多为砂砾岩、粗砂岩、粉、细砂岩、泥岩及煤层。岩层平均厚168 m，煤层累计平均厚23.90 m，含煤系数14.22%。

图1 库拜煤田构造纲要图Fig.1 The structure outline map of Kuqa-Bay coalfield1.背斜构造；2.向斜构造；3.逆断层；4.正断层；5.库拜煤田；6.研究区

2 主要煤储层特征

煤储层特征包括储层空间展布、岩石物理、孔隙、微裂隙、大裂隙系统特征、含气性及气水分异特征等。

2.1 主要煤储层空间分布

研究区主要煤储层为A5、A7煤层。A5煤层厚2.06~10.72 m，平均7.96 m。该煤层煤体结构简单，分布稳定，东部较厚，西部变薄，中部有分岔，深部逐渐变厚。煤层中上部有一夹矸厚约0.25 m。A7煤层厚1.35~7.02 m，平均2.95 m。该煤层中部较厚，东、西部稍薄，深部逐渐变厚。煤层结构简单，局部偶见夹矸。

2.2 主要煤储层岩石物理特征

井下观察实测A5、A7煤层，煤体结构为原生结构-碎裂煤。井下A5煤层观测取样厚3.10 m，见约0.2 m稳定夹矸，从下到上分为3层，即第I层、第II层、第III层，夹矸层不计算在内（图2）。

图2 A5煤储层纵剖面岩石物理性质特征图Fig.2 The A5 coal reservoir rock physics map in the study area1.半煤田；2.光煤田；3.暗煤田；4.砂岩；5.镜质组；6.惰质组；7.无机矿物；8.黄铁矿；9.方解石；10.粘土矿物

第I层 分层垂厚0.40 m，黑色，条带状结构，层状构造，暗淡煤。镜煤条带发育内生裂隙，裂隙密度4条/cm。垂直裂隙面在层理处错断，密度6~7条/ 5 cm。主要矿物为方解石，呈脉状充填于水平节理中，厚0.1~0.2 mm。灰分产率为15.96%，挥发分28.87%，水分1.14%，为低中灰分产率、中高挥发分、特低全水分煤。显微组分镜质组为64.60%，惰性组为25.80%，少见壳质组，无机矿物9.60%，主要为方解石，少量黄铁矿、粘土矿物。煤基质孔隙度为8.02%。

第II层 分层垂厚1.70 m，灰黑色，碎裂结构，块状构造，光亮煤。镜煤条带发育内生裂隙，密度14条/5 cm。发育一组外生节理，密度6~9条/2 cm，裂隙面见方解石脉填充。灰分产率为11.05%，挥发分为28.27%，水分为1.18%，为低中灰分产率、中高挥发分、特低全水分煤。显微组分镜质组67.00%，惰质组27.80%，少见壳质组，无机矿物5.20%，主要为方解石、粘土矿物，少量黄铁矿。煤基质孔隙度为7.63%。

第III层 分层垂厚0.80 m，黑色，条带状结构，层状构造，半暗煤。发育一组垂直层面外生节理，密度14条/5cm，延伸1~5 cm，裂隙面见轻微矿物填充，主要充填矿物为方解石，呈薄层状局部充填。灰分产率为13.84%，挥发分为25.75%，水分为1.14%，为低中灰分产率、中等挥发分、特低全水分煤。显微组分镜质组59.20%，惰质组31.40%，未见壳质组。无机矿物9.40%，主要为方解石、粘土矿物，少量黄铁矿。煤基质孔隙度8.15%。

A7煤储层与A5煤储层岩石物理性质特征基本相似，见表1。

2.3 主要煤储层孔隙特征

A5煤储层大、中孔发育，部分被粘土矿物充填，孔隙度较高，连通性较好。A5煤储层BET比表面积0.012 9 m2/g，平均孔径160.956 92 nm。孔隙类型为一端封闭孔的“墨水瓶”型孔及开放性的连通孔(两端开口圆筒形孔、四边开放的平行板孔)。

A7煤储层大、中孔较发育，部分被粘土矿物和方解石充填，孔隙连通性一般。A7煤储层BET比表面积0.807 3 m2/g，平均孔径8.870 97 nm。孔隙为多种孔隙的复合，包含“墨水瓶”型孔及部分开放性连通孔。孔容主要是大于10 nm的小孔贡献的。

表1 主要煤储层岩石物理测试数据Table 1 The main coal reservoir rock physical test data

2.4 主要煤储层微裂隙特征

A5煤储层微裂隙不发育，延伸在1×104~ 1×106nm级，张开1×103~1×104nm级。基质孔隙与裂隙系统连通性较好，有利于煤层气运移。微裂隙发育处产粉较少，煤层气运移过程不易堵塞。镜下可见雁行状微裂隙，同时可见微裂隙截切错动，部分微裂隙截切与错动起沟通微裂隙作用，有助于连通性的提高。此外可见部分微裂隙被无机矿物充填（图3）。A7煤储层微裂隙不发育，延伸为1×104~1×106nm级，张开1×103~1×104nm级，与A5煤储层相似。基质孔隙与裂隙系统连通性一般，不利于煤层气运移。微裂隙发育处产粉较多，煤层气运移过程易堵塞。2.5主要煤储层大裂隙系统特征

图3 A5煤层镜下微裂隙与无机矿物充填图Fig.3 The microscopic microcracks and inorganic mineral filling map of the A5 coal reservoirsa——雁行状微裂隙；b——微裂隙截切错动；c——黄铁矿充填微裂隙；d——切穿丝质体的方解石脉

煤储层大裂隙包括内生裂隙、气胀节理、外生节理[3]。煤层中节理裂隙构造很大程度上决定了煤层的结构构造和物理性质，并对煤层气的生储、聚集及可采性等起直接或间接控制作用[4]，同时也是渗透率主要贡献者和煤层气勘探开发成功与否的关键因素。

研究区地表出露A5煤层中主要发育两组外生节理裂隙：287°∠44°，5条/m，45°∠88°，15条/10 cm。井下煤储层内生裂隙发育，20条/10 cm，长10~15 cm，产状273°∠83°、232°∠41°；外生裂隙可见4组，其中外生节理产状271°∠86°，115°∠44°，2~4条/m，延伸性好，发育规则，贯穿可见范围；外生节理20°∠30°，该组节理略微变形，节理密度达6条/m，90°∠65°的一组节理发育较少。经综合统计分析，该区块煤储层中天然裂隙主要发育3个优势方向，为NW向、NE向、NS向。

2.6 主要煤储层含气性特征

研究区煤层露头良好，近地表煤层气散逸，属瓦斯风化带。新疆煤田地质局在研究区标高2 120 m，埋深80 m处，实测瓦斯含量5.34 m3/t，随埋深的增加，瓦斯含量逐步增加。煤层埋深与瓦斯含量关系式：y=0.005 6x+5.148 9，R2=0.855 3；其中y为瓦斯含量，m3/t；x为煤层埋深，m[5]。测试兰氏压力为1.31~2.81 MPa，平均1.86 MPa，兰氏体积为19.98~ 27.18 m3/t，平均23.71 m3/t，含气饱和度为65%。

据钻孔瓦斯测定结果，A5煤层埋深176 m处，CH4含量5%，A7煤层埋深217 m处，CH4含量为64.74%。浅部煤层的CH4含量偏低，属瓦斯风化带。

2.7 煤层气藏内部气水分异特征

研究区主采煤层A5、A7为中变质程度、煤层近直立的焦煤。与沁水盆地高变质程度，近水平的无烟煤，在气水分异上差别较大。现今气藏遭后期构造破坏，外来水进入煤层更易停留在大的节理和裂隙系统内，很难克服阻力进入煤的微裂隙及孔隙中。大裂隙中存在的自由煤层水，基本是成煤后期进入的外来水。在重力作用下，水向下运动，气往上运动，造成明显的气水分异现象。因此，研究区煤储层内气水分异主要表现在纵向上，沁南盆地气水分异主要表现在平面上。

3 煤层气开采技术建议

库拜煤田中部A5、A7煤层厚度较大，煤体结构为原生结构-碎裂煤，低中灰分产率、中高挥发分、特低全水分煤，显微组分主要为镜质组63.60%，次为惰质组28.30%，少见壳质组，无机矿物含量8.10%，煤基质孔隙度为7.90%。煤储层大、中孔发育，孔隙度较高，连通性较好。煤储层裂隙发育，含气量随深度增加而增大，纵向上气水分异明显。据新疆阜康等区块煤层气勘探开发资料[6-7]，认为库拜煤田中部A5、A7煤层适合煤层气勘探开发。

3.1 井型选择

研究区煤层水分布受重力分异作用明显，下部煤层水较多，上部游离气相对较多。储层压力为煤层水压力，排水降压效果明显。上部煤层水排掉，储层开始解吸产气，与水平煤层区别较大。煤层水分布赋存受储层裂隙制约，煤层的近直立产状，使煤层水存储及渗流优势方向垂直向下，井型的选择需逐步排水采气，压降范围在水平方向连通扩展，解吸面积增大，提高了单井产量和采收率。因此，开发井型在充分考虑煤储层裂隙系统和煤层水渗流优势方向的基础上，建议顺煤层走向钻井[8]。

3.2 井网部署

煤层气井网部署考虑的主要因素是天然裂隙的延伸方向，也是渗透率优势方向。经地表煤层露头实测和井下煤层对比解析，发现该区块天然裂隙主要发育3个优势方向，为NW向、NE向和NS向。因此，井网部署时应考虑矩形井网样式。井网方位布置在3个优势方向上，井距可大些，非优势方向上，井距则小些。

3.3 钻完井技术

研究区A5、A7煤层强度较低，多属欠压储层。煤层含水量小，钻井应考虑井眼稳定性和储层伤害问题。建议采用钻井液为微泡沫的欠平衡钻井技术，完井采用套管射孔压裂技术[9]。同时A5煤层在中上部发育一层0.2 m的夹矸，A7煤层靠近底板位置发育2~5 cm软煤带和一层0.3 m夹矸，因此，在A5、A7煤层中钻进时，井眼轨迹设计在煤层中需避开夹矸和软煤带的位置。

4 认识与结论

（1）研究区A5、A7煤层厚度大，煤体结构为原生结构-碎裂煤，低中灰分产率、中高挥发分、特低全水分煤，煤储层大、中孔发育，孔隙度较高且孔隙连通性较好。煤储层裂隙系统主要为NW向、NE向和NS向，煤储层深部封闭性好，含气量及甲烷浓度随深度增加而增大，纵向上气水分异明显，该区块适合煤层气勘探开发。

（2）研究区A5煤储层厚度一般大于8 m，煤体结构为碎裂煤，镜质组含量高，孔、裂隙发育，含气量较高，有利于煤层气开发，可作为优选目标层。

（3）针对研究区发育近直立的煤储层及附属煤储层特征，建议顺煤层走向钻井，布置矩形井网样式，采用钻井液为微泡沫的欠平衡钻井技术，套管射孔压裂完井技术，预防砂堵。

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The Research of Coal Reservoir Characteristics and Mining Technology of Kuqa-Bay Coalfield,Xinjiang

An Qing1,Zhang Zhou2,3,Wu Bin1,Wang Xuejian1
(1.No.161 Geological Exploration Team,Bureau of Xinjiang Coalfield Geology,Urumqi,Xinjiang,830000,China; 2.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074,China; 3.School of Resource and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China)

Coal seam outcrops observation,samples and test analysis methods were adopted to study the coal reservoir characteristics of Kuqa-Bay coalfield.The content of the study include spatial distribution characteristics of coal reservoir, coal structure characteristics,petrophysical characteristics of coal reservoir,pores characteristics,micro fracture characteristics,large fracture characteristics,gas bearing characteristics,gas water differentiation characteristics.Through synthetically analysis the author thinks that has a great potential for CBM development in this area.Base on this study,the author put forward some rationalized suggestion for existing mining technology.

Kuqa-Bay coalfield;Coal reservoir characteristics;Coalbed Methane(CBM);Mining technology proposal

1000-8845(2016)02-286-05

P618.11

A

项目资助：国家重大专项（2016ZX05043-004）资助

2015-08-18;

2015-09-01;作者E-mail：767396332@qq.com

安庆（1968-），男，新疆伊犁人，高级工程师，1990年毕业于新疆工学院，现从事煤田地质勘查，煤层气勘探开发

张洲（1979-），男，云南通海人，讲师，博士，从事煤层气勘探与开发研究，E-mail：zhangzhou@hpu.edu.cn