潞安矿区3号煤煤层气储层物性综合评价

刘小峰 刘帅帅

(1.山西潞安集团常村煤矿地测科，山西 046102;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 221008)

“十三五”期间山西省加快煤层气勘探开发，大力推进“气化山西”的行动。潞安国家煤炭规划矿区位于沁水盆地东部中段，矿区面积3629.17km2，煤层气地质资源量为3746.51亿m3，煤层气地质资源丰度为1.45亿m3/km2。针对其丰富的煤层气资源量，对矿区煤层气储层物性进行可靠和客观的综合性评价是勘探开发的基础地质工作。前人对潞安矿区煤储层特征及其地质控制因素进行了大量研究，如构造、地应力、储层压力、储层裂隙、煤体结构及吸附性等，除此之外，叶建平对影响潞安矿区煤层气赋存和生产的主要地质因素进行了分析研究，得出矿区地下水与断层沟通形成一个完整的补径排系统，使得地层能量释放，煤层气大量逸散，煤层气压力降低。上述研究多侧总于储层参数的某一方面研究，同时潞安矿区施工了一些地面煤层气井，但开发效果不佳，因此有必要对其煤层气储层物性进行综合评价。

本文以潞安矿区构造、含煤地层、水文为地质背景，从煤岩煤质、煤层几何分布特征、含气性、储层压力特征、水动力条件和渗透率出发，系统分析了整个潞安矿区的储层物性条件，全面评价了储层物性的优劣，为潞安矿区煤层气的勘探开发提供可靠的地质理论基础。

1 煤层气地质背景

1.1 构造

潞安矿区位于华北断块吕梁-太行断块，沁水块坳东部次级构造单元沾尚-武乡-阳城NNE向凹褶带中段，晋获断裂带西侧。潞安矿区经历了矿区总体构造形态为走向北北东～南北向西缓倾的单斜。在此基础上发育方向比较单一的宽缓褶曲(两翼倾角一般小于10°)，沿倾向及走向伴有少量断距大于20m的断层和一定数量断距小于20m的断层及陷落柱。矿区内较大的断裂有西川断层、文王山断层、二岗山断层、长治断层、中华断层、安昌断层、安城断层和苏店断层，断裂构造特点为走向平行、倾向相同或相背的剖面共轭组合关系，高角度正断层两两组合，构成地堑或地垒(图1)。

图1 潞安矿区构造纲要图

1.2 含煤地层

井田内主要含煤地层有太原组和山西组，其总厚平均为158.74m。共含煤19层，煤层总厚度14.62m。含煤系数9.21%，其中计算储量煤层5层(3、9-2、12-2、15-2、15-3号煤)，平均总厚度9.44m。可采含煤系数5.95%。

3号煤层位于山西组下部，上距K8砂岩19.80～37.41m，平均31.85m，下距9号煤50.48～73.12m，平均61.83m。煤层厚度5.13～7.25m，平均5.99m。全区稳定厚度在5.5～6.0m之间，小于5.5m局限在西界中部，大于6.0m分布在中部及西北、东南、西南角。煤层顶板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为细砂岩。底板为黑色泥岩、粉砂岩。含泥岩或炭质泥岩夹矸0～3层，一般1层，厚0.27m，其中以距底板约1.33m的一层泥岩夹矸较为稳定，厚0.25m，纯煤厚4.75～7.25m，平均5.72m。属结构简单至较简单煤层。灰分含量以15%～25%的中灰煤为主，10%～15%的低灰煤零星分布。

1.3 水文

潞安矿区位于辛安泉域长治盆地水文地质单元，处于强径流带分布地区，水流由北西向南东，不利于煤层气富集成藏。与3号煤系地层相关的主要含水层组为碎屑岩类含水层组，主要包括二叠系、三叠系一套陆相，过渡相碎屑岩，由砂岩、砂质泥岩夹煤层等组成。厚320～435m，单位涌水量为0.0003～0.82L/s.m，渗透系数为0.004～1.74m/d，水质类型属HCO3-及HCO3-.SO42-型。本含水层组含水空间以风化裂隙和构造裂隙为主，裂隙水除少部分可能沿破碎带向深部运动外，以水平(沿走向)运动为主。由于各含水层间间隔数层主要由泥岩等塑性岩石组成的隔水层，使各含水层相对呈层状，形成平行复合结构，纵向水力联系相对较弱。

2 煤层气储集特征

2.1 煤岩煤质特征

潞安矿区主采煤层3号煤宏观煤岩类型以半亮煤、半暗煤为主，煤质以瘦煤、贫煤和无烟煤为主，平面上来看，煤质变化规律为由北东到西南，由浅到深变质程度依次增高，北部左权-武乡一带以瘦煤、焦煤为主，南部潞安-长治一带以贫煤、无烟煤为主。垂向上来看，3号煤属于半亮-光亮型煤，基质镜质体为主，平均矿物含量为9.3%，主要是黏土、方解石，煤质为中灰、特低硫煤。

2.2 煤储层几何分布特征

区内主要可采煤层为3号煤，矿区中部常村煤矿及其附近为煤层最厚处，厚度超过6m，向四周煤厚逐渐减薄，矿区北端为煤层最薄处(图2)。3号煤层埋深由东向西逐渐增加，主要煤矿集中于800m以浅。在西部边缘，埋深超过了1000m(图3)。

2.3 含气性

3号煤层含气量基本在20m3/t以下，对余吾矿煤层含气量进行统计，结果表明煤储层平均含气量为9.48m3/t，含气量较低，甲烷浓度较高，平均为87.44%，考虑到煤级高，吸附性强，其含气饱和度较低。

含气量平面上总体呈现出西部含量高而东部含量低的特点，即朝向沁水盆地中心地带含气量增加。潞安矿区东部方向煤层埋藏浅，部分地区为煤层露头区，煤层气逸散严重，含气量较低。平均含气量在10m3/t左右(图4)。

2.4 储层压力特征

煤层气试井资料表明(表1)：在埋深400～800m范围内，矿区内3号煤层试井储层压力介于1.34～5.72MPa之间，储层压力梯度(储层压力/埋深)介于0.28～0.73MPa/100m之间，压力系数(压力梯度/静水压力梯度)变化范围为0.29～0.75。储层压力总体上与埋深呈正相关关系，煤层埋深增加，储层压力、压力系数随之增高。

图2 潞安矿区3号煤层煤厚等值线图

图3 潞安矿区3号煤层埋深等值线图

图4 潞安矿区3号煤含气量等值线图

图5 潞安矿区3号煤压力梯度等值线图

图6 潞安矿区煤储层压力梯度对比图

表1 潞安矿区试井参数统计

潞安矿区压力状态为整体欠压(图5)，煤储层压力梯度较低，在0.65MPa左右，且与15煤储层压力梯度较为接近趋于统一(图6)。影响煤储层压力分布的控制性地质因素为辛安泉域地下水流场，泉群在浊漳河地表出露的标高决定矿区的地下水流场区域规律。潞安矿区的整体低压条件不利于煤层气的富集成藏。煤储层的低压还影响了煤储层有效应力，进而影响了储层渗透率，低压可能是造成该区域渗透率较低的重要地质因素之一。不仅如此，低压储层对煤储层水力压裂改造非常敏感，存在造成严重的储层伤害的风险。

2.5 水动力条件

水化学封闭指数是评价地下水环境封闭程度的重要因素。表2为研究区内常村矿水质离子统计，计算结果表明，常村矿封闭指数相对较高，表明该矿山西组煤层水动力环境相对较为封闭，对煤层气的保存较为有利。

表2 常村矿水质参数统计表

潞安矿区山西组水位自西北向东南逐渐降低，表明矿区向东南部径流排泄(图7)，同时在余吾矿及矿区东南部矿化度较高(图8)，可能为地下水滞留区，有利于煤层气的富集成藏，余吾矿附近的常村矿封闭指数较高，与该区附近矿化度较高相一致。

图7 潞安矿区山西组水位图

图8 潞安矿区山西组矿化度图

2.6 煤储层渗透性

研究区内屯留区块试井渗透率介于0.02895～0.946mD，平均0.34mD，渗透率较低。

根据井下揭露处煤层观察，潞安矿区外生裂隙发育数量较少，主要有两组NW～NNW和NE～NEE向，大部分无充填。内生裂隙主要发育有两组，面割理走向为305°～359°，端割理走向在0°～44°之间，这两组裂隙一般以高角度斜交或正交，且大体垂直于层理面，密度介于3～22条/m之间(表3)。裂隙大多无充填，部分被黄铁矿、方解石等矿物质充填。

表3 潞安矿区裂隙发育特征表

综上，潞安矿区3号煤储层物性具有以下特点：煤层变质程度高，厚度大，埋深适中；煤层含气量较高但含气饱和度低，储层压力梯度低为欠压储层，部分区域地下水环境较为封闭适宜煤层气保存，渗透性较差为低渗储层。与晋城矿区相比，在煤级变化基本相似的条件下，在煤层气含量及渗透性方面均处于劣势。因此对于地面煤层气开发来说，寻找圈定煤层气的富集高渗甜点区，是确保地面开发成功的必要条件。

3 结论

基于潞安矿区主力煤层3号煤煤田勘探资料及煤层气试井资料，综合评价了其储层物性。得到以下结论：

(1)潞安矿区3号煤储层煤层变质程度高，厚度大，厚度在4m左右，埋深适中，大部分埋深小于1000m；煤层含气量较高但含气饱和度低，平均含气量在10m3/t左右。储层压力梯度低为欠压储层，部分区域地下水环境较为封闭适宜煤层气保存，渗透性较差为低渗储层。

(2)与晋城矿区相比，在煤级变化基本相似的条件下，在煤层气含量及渗透性方面均处于劣势。因此对于地面煤层气开发来说，寻找圈定煤层气的富集高渗甜点区，是确保地面开发成功的必要条件。