韩城矿区11号煤层气储层物性及特征分析

李进强

（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048000）

1 引言

韩城矿区地处鄂尔多斯盆地的东南缘，总体呈一走向北东、倾向北西的单斜构造。矿区内含煤地层发育，煤层赋存良好，煤层层数和可采煤层多，累计厚度大。煤层含气量、煤层气资源储量丰度均较高，资源量大。当前，矿区内还未开展过煤层气储层物性及特征方面的研究工作，在一定程度上制约着煤层气开发效果。为此，基于韩城矿区煤层气勘探开发资料，采用煤层气地质理论对区内11号煤层气储层物性及特征进行了分析。

2 煤层气储层物性特征

2.1 煤层特征

11号煤层为韩城矿区全区赋存稳定可采煤层，亦为区内主力开采煤层之一。其位于含煤地层太原组中下部，上距3号可采煤层平均64 m，下距奥灰顶面平均23 m。煤层厚度2～10.80m，平均3.50m，相对厚煤区主要集中分布在矿区中部文家岭井田和南部东段象山井田范围。煤层含夹矸1～4层，煤层结构复杂。煤层伪顶主要为泥岩、炭质泥岩，直接顶多为泥灰岩及石灰岩，老顶一般为石灰岩或中粒砂岩，底板为铝质泥岩。韩城矿区11号煤层赋存良好，展布稳定，是煤层气勘探开发的良好对象。

2.2 煤层孔裂隙特征

2.2.1 煤层孔隙特征

煤层是一种具有孔裂隙发育的双重介质结构，煤层孔隙发育特征（主要为孔径大小及其连通性）影响着煤层气在煤层中的储集状态和储集空间、运移、渗流难易程度和煤层中煤层气的可抽采性。研究表明：直径0.1～1μm的中孔构成了瓦斯缓慢流动的层流渗透区，直径1～100μm的大孔构成速度较快的层流渗透区，直径100 μm以上以至更大的肉眼可见孔隙、裂隙，构成层流和紊流的混合渗透区[1]。煤层中大孔和中孔越发育，其渗透性能往往越好。韩城矿区在煤层气勘探开发过程中采用压汞法对11号煤层的孔隙特征进行了测定，由测定结果可知：11号煤层的孔隙度为2.60%～4.31%，孔径小于0.1μm的过渡孔和微孔最为发育，大于1000μm的大孔发育次之，介于100～1000μm的中孔相对不甚发育。其中，过渡孔和微孔所占比例高达75%左右，大孔所占比例15%左右，中孔所占比例仅为10%左右。退汞效率相对较高，一般为63.60%～66.87%，表明煤中虽有形态各异的孔隙发育，但彼此连通性相对较好。

2.2.2 煤层裂隙特征

煤层中裂隙按其发育尺度、规模大小可分为宏观裂隙和显微裂隙，前者肉眼可以进行观测，后者主要借助显微镜进行镜下观测。煤层裂隙是煤层气的扩散、渗流产出通道，其特征影响控制着煤层的渗透性能和煤层气井的产能。为了较全面地认识煤层裂隙的发育特征，对煤层宏观裂隙和显微裂隙均进行了观测。

（1）宏观裂隙观测

就宏观裂隙而言，煤中裂隙发育规模以小型为主，中型次之，未见大型和巨型裂隙发育。煤层中面割理发育也非常好，裂隙密度较密，一般为13条/7cm～39条/6.3cm，割理宽度0.1～0.3mm，延伸稳定，开启性好。端割理密度较密，一般1.2～3条/1cm，宽度0.1～0.3mm，无充填。受割理切割，煤层十分破碎、松散。

（2）显微裂隙观测

煤的显微裂隙观测主要借助高倍扫描电镜进行观测，因扫描电镜观测法样品制备简便快速，不破坏和损伤样品，能全面地对样品表面多种信息进行综合分析。通过对煤的扫描电镜下观测可知：不同煤体结构煤中的显微裂隙的发育程度有所不同，其中，碎裂煤镜下可见原始层理和微细层理发育，微层面上多分布黏土矿物；煤切割成碎裂状，多被矿物充填；裂隙多垂直或斜交层理，局部裂隙被碎粒或角砾充填；原始层理发育，裂隙以内生裂隙、层间裂隙为主，但矿物的存在堵塞了层理与裂隙之间的通道，且穿层裂隙不发育；碎粒煤中裂隙较平直并呈开启状，内生裂隙少见，外生裂隙较发育，裂隙中常见矿物充填现象；糜棱煤中可见剪切作用形成鳞片结构，并形成多组“X”型剪切裂隙，内生裂隙几乎不见；煤中发育滑移面等显微构造，面上多发育微裂隙并呈开启状，裂隙中亦常见矿物充填现象。

2.3 煤层含气性

煤层含气性是指煤层中所含煤层气的多少，主要用煤层含气量来表征。煤层含气量是煤层气储量计算、煤层气开发潜力评价及矿井瓦斯涌出量计算的关键参数。韩城矿区在煤层气勘探开发过程中通过地面钻井取芯含气量测定和气体组分测定，获得了一批11号煤层含气性数据。在煤层埋深范围内，煤层气中成分以甲烷为主，占煤层气体积分数的74.88%～96.95%，多在90%～95%之间。次为氮气和二氧化碳，两者之和一般在1.41%～22.45%左右；煤层气含量总体上较高，一般为5.87～19.73m3/t，平均13.60m3/t，绝大部分在8m3/t以上。相对低煤层气含量区主要分布在矿区北部、北东部、中段东部及南段以西小范围。可见，11号煤层地处甲烷带，煤层含气量较高，可为煤层气开发提供良好的资源条件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附特性系指甲烷气体分子在基质孔隙表面的吸附性能，甲烷分子在煤基质孔隙表面以单分子层吸附，因而其吸附过程常用朗格缪尔吸附方程来表征。吸附性能参数的获取由煤对甲烷的等温吸附试验得出，基于吸附试验参数可实现煤层含气饱和度、煤层气最终采收率、临界解吸压力的计算及对煤层中储集煤层气空间、储集性能进行评价。通过煤的等温吸附试验（试验过程参照《GB/T 19560-2008 煤的高压等温吸附试验方法》执行）可知：11号煤的兰氏体积为18.57～26.88m3/t，平均为23.43m3/t。兰氏压力 1.07～2.56MPa，平均 1.84MPa。可见，中-高兰氏压力条件下，韩城矿区11号煤层对甲烷的吸附量相对较高，表明11号煤层中微小孔隙（主要指微孔和过渡孔）相对发育，为甲烷的储集提供了良好的储集空间[2]。

2.5 煤储层压力

煤储层压力是指作用于煤岩孔隙内流体上的压力，其是地层能量的体现和驱动煤层气产出的动力。煤储层压力状态常用储层压力梯度值来表征，根据储层压力梯度大于、等于或小于相同深度下淡水压力梯度的情况来表征煤储层压力状态，即把煤储层压力梯度值小于9.5kPa/m时为欠压异常状态煤储层，煤储层压力梯度值介于9.5～10.0kPa/m时为正常压力状态煤储层，煤储层压力梯度值大于10.0kPa/m时为超压状态煤储层[3]。煤储层压力梯度值越高，越有利于煤层气井排水降压达到高产和提高煤层气采收率，这一点已在研究和实践中得到证实。韩城矿区在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气注入/压降试验对11号煤储层压力进行了测定：在煤层埋深692.50～723.95m范围内，煤储压力为6.32～8.47MPa，平均7.70 MPa。煤储压力梯度为9.13～12.10kPa/m，平均10.91kPa/m。可见，韩城矿区11号煤储层压力梯度值整体较高，煤储层压力状态以超压为主，利于煤层气的高效产出、气井的高产和提高煤层气采收率。

2.6 煤层渗透性

煤层渗透性是指流体在一定压力差作用下，通过煤层的难易程度，主要用渗透率来定量表示。煤层渗透性是煤层气开发区块评价及优选、煤层中煤层气可抽性及抽采难易程度的一项重要研究内容。影响煤层渗透率的因素较多且复杂，诸如煤体结构、应力状态、煤层埋深、煤岩类型、煤质特征、煤类和裂隙发育特征等均可影响煤层的渗透率[4]。韩城矿区在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气注入/压降试井法对区内11号煤层渗透率进行了测定，其值为0.22～1.96mD，平均1.29mD。理论研究和实践表明，煤层气高产井区一般位于渗透率0.55×10-15～100×10-15m2的地区，渗透率过低或者过高都不利于煤层气井生产[5]。可见，韩城矿区11号煤层渗透率整体较高，可为煤层气的渗流产出提供良好通道和高产条件。

3 结论

（1）11号煤层为中-厚全区稳定可采煤层，煤层顶底板为泥质含量高的致密低渗岩性组成，可为煤层气开发提供良好的对象和煤层气保存条件。

（2）11号煤层孔隙以过渡孔和微孔为主，大孔次之，中孔不甚发育，有利于煤层气的吸附储集；煤层宏观裂隙以小型和微型为主，面割理、端割理均发育较密，但前者更甚，为煤层气的渗流提供了良好通道，煤层渗透率整体较高。不同煤体结构煤中显微裂隙发育程度各异，煤体破坏越严重，其原始层理和内生裂隙越发少见，渗透率亦越低。

（3）11号煤层地处甲烷带，煤层含气量整体较高，但矿区内煤层气赋存具有一定不均衡性；煤对甲烷吸附量大，显示了煤中具有良好的储集甲烷空间；煤储层压力状态以超压为主，利于煤层气的排水降压产出和煤层气井高产。