火烧铺煤矿多层叠置含煤层气系统发育规律

白利娜 曾家瑶

（1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008；2.贵州省煤田地质局，贵州 贵阳 550008）

0 引言

贵州省煤层气资源丰富，据最新一轮的全省煤层气资源开发潜力评价结果显示，贵州省上二叠统可采煤层推测煤层气地质资源量为3.05×1012m3，而资源丰度可达1.12×108m3／km2，且全省煤层气资源主要集中于西部地区［1］。火烧铺煤矿位于黔西盘县境内，主要含煤地层为上二叠统龙潭组，“煤层多、煤层薄”的特点成为制约该地区煤层气地面开发的瓶颈之一［2］。而多层叠置含煤层气系统是指煤层含气量或压力系数在垂向上相悖于“吸附原理”，呈现出“波动式”变化，主要利用含气量、压力梯度、煤储层物性等在垂向上的差异，结合沉积层序格架进行划分。鉴于此，研究火烧铺煤矿的多层叠置含气系统对矿区后期开发有着极其重要的作用。而前人的研究大多是以煤田钻孔煤样为基础进行的理论推测分析，导致多煤层叠置系统的规律性显现受到干扰［3］。笔者基于火烧铺煤矿最新施工的3口煤层气参数井资料及前期地质资料，全面分析各主采煤储层的垂向物性特征，探索该区多层叠置独立含煤层气系统，以期为研究区后期煤层气的地面开发提供指导意见。

1 煤层气地质条件

火烧铺煤矿位于贵州省六盘水煤田的盘县中部，其构造位置为盘关向斜西翼南段。矿区的构造形态为向东倾斜的单斜构造，断层火6和火5将火烧铺煤矿分为三段。区内褶曲不发育，但是断层比较多，综合来讲，矿区属于中等构造复杂程度，见图1。二叠系上统龙潭组为矿区内的主要含煤地层，沉积类型属于海陆过渡相碎屑岩含煤沉积，含煤地层平均厚度约为216.4 m，含煤约为26～38层，其中14层为可采煤层，平均可采总厚约为24.2 m，可采含煤系数为11.18%。各煤层的宏观煤岩类型主要为半暗型，其次为暗淡型及光亮型。区内煤种较多，有气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤，由北向南煤的变质程度有逐渐增高的趋势，与区域煤的变质规律相吻合［4］。

2 煤储层物性分布特征

图1 研究区区域地质构造纲要图

据矿区基础地质资料显示，区内可采煤层分别为1号、3号、5号、7号、12号、14号、17号、20号、21号、22号、24号、24-1号、26号、27号，共计14层。其中，3号、12号煤层为全区可采煤层，1号、5号、7号、14号、17号、20号、21号、22号、24号、26号、27号共计11层为大部可采煤层，仅24-1号煤层属于局部可采。煤层主要表现为中厚层及薄层。就垂向而言，下部煤层总体较薄，中、上部煤层相对较厚。

2.1 煤质垂向特征

矿区内各主要可采煤层的原煤干燥基全硫值介于0.20%～4.96%，其中3号、5号、7号、12号、14号、17号、20号、21号煤全硫值一般介于0.20%～0.50%，1号、22号煤全硫值一般介于0.57%～0.70%，26号、27号煤全硫值一般介于2.01%～2.66%，24号、24-1号煤全硫值大于3.00%。按煤炭资源评价硫分分级，3号、5号、7号、12号、14号、17号、20号、21号煤属特低硫煤，1号、22号煤属低硫煤，26号、27号煤属中高硫煤，24号、24-1号煤属高硫煤。全区内各主要可采煤层的原煤干燥基灰分产率介于13.36%～29.15%，其中，7号、12号、17号原煤干燥基灰分产率一般介于13.36%～15.46%，24-1号原煤干燥基灰分产率为29%～29.15%，其余煤层原煤干燥基灰分产率均介于16.01%～29.00%。按煤炭资源评价灰分进行分级，除7号、12号、17号煤层以外，区内其余可采煤层原煤属中灰煤。总体来看，矿区内煤层硫分、灰分呈现出上部、下部递减，中部递增的规律，海水对火烧铺煤矿硫分含量的影响还是比较明显的，综合分析硫分含量垂向上的变化规律，认为该规律较好地反映了晚二叠世研究区区域海退—海侵—海退的旋回过程；灰分与硫分在中下部相关性比较好，呈现较明显的正相关关系，这恰好与该区域处于过渡相的沉积环境相吻合［4-5］。

2.2 煤储层含气性垂向特征

根据火烧铺煤矿井下瓦斯值及煤层气参数井的含气量数据可知，全区煤层气含量平均可达9.42 m3／t。各主要可采煤层的含气量呈现垂向波动式变化（图2），其中，21号、22号煤层含气量最高，1号煤层含气量最低。1号、3号、7号煤层含气量呈现缓慢上升的趋势；12号、20号、21号、22号煤层含气量呈现快速上升的趋势；22号-27号煤层含气量呈现先下降，后趋于平稳的趋势。以12号和22号煤层含气量为分界线，全区从顶端至底端可大致划分为3个旋回序列：序列一包括1号、3号、5号、7号煤层；序列二包括12号、14号、17号、20号、21号、22号煤层；序列三包括24号、24-1号、26号、27号煤层。在同一个序列内存在如下规律：即平均含气量随着煤层埋深的增加呈现逐渐增加的趋势，且当埋深增加到一定深度时，含气量变化趋于稳定。

图2 各主采煤层含气量垂向变化规律图

考虑到火烧铺煤矿煤层较多，为了获取较准确的含气量数据，根据GB／T 19559-2008《煤层气含量测定方法》，参数井各煤层含气量主要包括推算的逸散气量、煤样现场解析气量、煤样粉碎后测定的残余气量三部分，包括了游离气和吸附气。笔者使用的煤层含气量即为逸散气量、现场解析气量、残余气之和。

2.3 煤储层解吸—吸附特征

在一定的煤储层压力条件下，煤层单位含气量的高低由煤的吸附能力决定，而煤层气井的产能则受到其解吸能力的影响［6］，汇总研究区三口煤层气参数井等温吸附实验的相关数据，其中，各煤层兰氏体积分布于15.22～22.79 cm3／g，平均值为17.63 cm3／g；兰氏压力分布于1.13～2.38 MPa，平均值为1.78 MPa（表1）。结合试井获取的储层压力、实测的煤层含气量等可初步估算出部分可采性评价参数，如临储比、含气饱和度等。显示该区大部分煤层含气性比较好，但也存在比较大的差异，这将不利于后期煤层气井的合层排采。

表1 研究区各主采煤层等温吸附实验相关数据统计表

2.4 煤储层孔隙—裂隙特征

根据XOJIOT BB.提出的分类原则，按空间尺度将煤中孔隙划分为大孔（大于1 000 nm）、中孔（100～1 000 nm）、小孔（10～100 nm）及微孔（小于10 nm）［7］。研究区内煤样压汞试验结果表明，矿区内主要可采煤层的孔隙度为3.33%～5.23%，平均值为3.97%，随着埋深增加孔隙度总体表现为减小趋势。区内各煤层孔隙中，微孔和小孔占比达到70%～80%，各煤层平均孔径多介于15.2～25.9 nm，总孔体积平均可达5.69 cm3／g（图3），微小孔的发育初步表明该气田各煤层吸附能力较强，利于煤层气的吸附及后期的解吸，进而为煤层气的开发奠定了良好的物质基础。

在压汞试验中，不同孔径阶段对应的孔隙比表面积称为阶段比表面积，阶段比表面积与孔径的关系能有效表征煤储层中各孔径孔隙的占比。火烧铺煤矿阶段比表面积随孔径的变化显示，比表面积的显著增加主要是来源于微、小孔的功劳。陈萍等［8］根据煤中微孔隙的结构形态，将煤孔隙划分为开放型透气性Ⅰ类孔（开放孔）、一端封闭的不透气性Ⅱ类孔（半封闭孔）和细瓶颈状Ⅲ类孔，其中，前两者的主要区别在于开放孔具有退汞滞后环，而半封闭孔因为退汞压力与进汞压力相同而不出现滞后环。因此退汞滞后环反映了煤中孔隙的连通情况和孔隙类型，滞后环发育说明开放孔是主要的孔隙类型，因此孔隙连通性较好；滞后环不发育则表征了孔隙类型以连通性较差的半封闭孔为主。勘查区28件煤样的退汞滞后现象均较明显，说明该区孔隙类型以开放孔为主，孔隙连通性较好，较有利于煤层气的渗流产出［9］。

图3 各主采煤层孔隙结构垂向变化规律图

2.5 煤储层渗流特征

结合研究区三口参数井试井成果，剖析火烧铺煤矿各煤层的渗透率及储层压力系数（图4），从图4可以看出，各煤层渗透率普遍较低，主要分布于0.038～0.12 mD，整体随埋深增加呈波动式变化，煤储层压力系数以12号煤层、22号煤层为界，1号和3号煤层压力系数均大于1.1，属于超压储层，到12号煤层又突然下降为欠压状态，22号煤层之后各煤储层压力系数均在1左右，变化不大，属于正常压力储层。这种波动式变化恰好说明了煤层内存在多个含气系统。

图4 火烧铺煤矿各煤层渗透率及储层压力系数垂向变化规律图

渗透率及压力系数数据均是来自三口参数井，考虑到每口参数井的试井数据有限，因此，数据可能会存在一定的片面性，不能充分显示垂向旋回序列或者规律性较弱的特征。综合渗透率和压力系数数据的垂向变化，以12号和22号煤层为系统边界，将煤层气系统划分为3个旋回序列：序列一，主要包括12号煤层以上的煤层；序列二，主要包括12号、14号、20号及22号煤层；序列三，主要包括22号煤层以下的煤层，见图5。

图5 火烧铺煤矿各主采煤层物性综合柱状图

3 结论

1）研究区内煤储层化学性质表现为规律性的波动变化：随着煤层埋深的增加，煤储层灰分呈现出波动变化，以12号、22号煤层为分界线，呈现出上部煤层递减，中部煤层递增，下部煤层递减，并最终趋于稳定的趋势。而硫分的垂向变化趋势大致与灰分一样，特别是在下部，其变化趋势和灰分相关性很高，煤储层化学性质变化与该地区的沉积环境相吻合。

2）不同层位煤层的平均含气量呈波动变化，大致以12号、22号煤层为界，初步可划分为3个旋回序列，在每一个旋回序列中，煤层平均含气量随着埋深增大呈现逐渐升高的规律，且其下部煤层含气量（基本为24号煤层埋深处）趋于稳定。

3）研究区煤储层孔隙主要表现为微、小孔，孔隙类型则是以连通性较好的开放孔为主，这对煤层气的渗流产出比较有利。煤层气参数井试井结果显示：主采煤层压力系数自顶部至底部呈现先降低后升高，最终趋于稳定的趋势。

4）综合考虑煤质特性、含气特性、孔隙—裂隙特征及渗流特性，将该研究区煤储层划分为3个独立的含煤层气系统：序列一，1号、3号、5号、7号煤层，该序列内，灰分、硫分、总孔体积总体呈下降趋势，含气量、平均孔径、渗透率总体呈现上升趋势；序列二，12号、14号、17号、20号、21号、22号煤层，该序列内，硫分、灰分、含气量、平均孔径总体呈现上升趋势，而总孔体积、渗透率则呈现下降趋势；序列三，24号、24-1号、26号、27号煤层，该序列内，各储层物性参数变化不大，基本趋于稳定。