潘庄煤层气区块15号煤储层物性特征研究

武 杰，刘 捷

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048012；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030000；3.中国石油西部钻探工程有限公司 井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000)

1 研究区概况

潘庄煤层气区块位于沁水盆地东南部晋城矿区，地理坐标为东经112°24' 00"～112°36'00"，北纬35°40' 00"～35°34' 43"，面积为157.755 km2。区块内煤系地层相对发育，煤层累计厚度大、可采煤层多，具有良好的含煤性和含气性。为解决煤层高瓦斯给矿井煤炭开采造成的难题，晋煤集团于20世纪90年代在该区开展了地面煤层气抽采、相关煤层气地质及勘探开发理论方面的研究工作，为我国“采煤采气一体化”的煤与煤层气绿色共采开创出了一条新路[1-2]。煤层是煤层气的生气层和储集层，具有极强的非均质性，其物性特征不仅影响着煤层气开发技术选择，亦是造成不同煤矿区、不同井田、块段煤层气开发成效的关键之因[3-5]。本文基于潘庄煤层气区块煤层气勘探开发资料、地质及煤层气地质资料，采用煤层气地质理论，对区块内15号煤储层物性特征进行研究，研究成果以期为区内煤层气开发和矿井瓦斯防治提供有益技术参数。

2 煤储层物性特征研究

2.1 煤储层特征

煤储层厚度大小、展布形态等煤层特征影响着煤炭资源及煤层气资源的可开发价值及开发 技术工艺[6-7]。理论和实践表明，煤储层厚度越大越有利于煤层气开发和煤层气井的高产、稳产[8]。潘庄煤层气区块属于多煤层叠置发育区，二叠系下统山西组和石炭系上统太原组为区内主要含煤地层，两组地层共计含煤16层，自上而下编号为1、2、3、4、5、6、7、8-1、8-2、9、10、11、12、13、15、16。其中，山西组3号煤储层、太原组9、15号煤储层为全区块较稳定、稳定可采煤层，其他为不稳定、不可采煤层。本文研究的15号煤层位于太原组之下部，上距3、9号煤储层平均距离分别为87.20 m和40.04 m。煤储层总体展布稳定，相对厚煤区主要发育在区块的北部及北东部，相对薄煤区主要发育在区块的北西部，区块的其他区域煤储层厚度变化不大(图1)，区块内15号煤储层厚度为0.30～6.17 m，平均3.21 m。煤储层结构相对复杂，煤中含泥质、炭质泥岩夹矸0～4层。可以看出，15号煤储层具有较好的含煤性，可为煤层气开发和煤炭资源开采提供良好的目标层位[6,8]。

图1 潘庄煤层气区块15号煤储层厚度等值线

2.2 煤储层含气性

2.2.1 煤储层含气量

煤储层含气量又称煤层气含量或瓦斯含量，系指单位煤炭质量或体积中所含的气体量，是表征煤层含气性的最直接参数，常用单位为cm3/g或m3/t。煤储层含气量是煤层气高产富集区预测、煤层气资源储量计算、矿井瓦斯防治技术措施选择的重要技术参数[9-10]。研究区在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气井钻井绳索取芯解吸法获得了一些15号煤层含气量数据。由煤储层含气量测定结果可知(表1)，潘庄煤层气区块15号煤储层含气量(空气干燥基)普遍较高且赋存不均衡性显著，煤储层含气量一般为5.62～28.45 m3/t，平均15.72 m3/t。可以看出，潘庄煤层气区块15号煤储层含气性好，可为煤层气开发提供较好的气源保障，是煤层气高产富集的关键之因[11-12]，但亦加大了矿井瓦斯防治的难度。

表1 潘庄煤层气区块15号煤储层含气量测定结果

2.2.2 煤储层含气饱和度

煤储层含气饱和度是表征煤层含气性、煤层气井产能预测及评价等的重要参数，系指煤中孔隙被煤层气充满的程度。煤储层含气饱和度主要基于煤的等温吸附曲线进行求取[13]，即利用实际测定煤层含气量和煤储层压力下在等温吸附曲线上所对应的煤的理论吸附量的比值，其表达公式如下：

S含=V实/V理

(1)

式中：S含为煤储层含气饱和度，%；V实为实测含气量，m3/t；V理为理论吸附量，m3/t。

基于煤的等温吸附试验曲线，并利用公式(1)对潘庄煤层气区块15号煤储层含气饱和度进行了计算，其含气饱和度一般为90.9%～101.7%，平均为95.6%(表2)。可以看出，潘庄煤层气区块15号煤储层含气饱和度普遍较高，煤储层含气饱和度为近饱和-过饱和，有利于煤层气井高产和提高煤层气采收率[14]。

表2 潘庄煤层气区块15号煤储层含气饱和度计算结果

2.3 煤的孔裂隙特征

2.3.1 煤的孔隙特征

煤是一种具有孔裂隙发育的双孔介质，煤中孔隙特征(孔隙度、孔径大小、孔隙连通性(或被充填情况)等)影响着煤层气的吸附、储集和运移[15-16]。在煤层气勘探开发过程中，采用多技术手段对潘庄煤层气区块15号煤储层的孔隙结构特征进行了研究，15号煤的变质程度较高(煤类为无烟煤)，导致了煤中孔隙相对发育，孔隙度较高，一般为 7.83%～11.67%，平均为9.14%(表3)。同时，煤中孔隙以小孔和微孔为主，中孔次之，大孔最不发育[17]，有利于煤层气的大量吸附储集。同时，煤中孔隙多被矿物质所充填，孔隙间连通性和透气性相对较差，势必影响煤层气的高效扩散、渗流等运移行为和煤层气井的高产[18]。

表3 潘庄煤层气区块15号煤储层孔隙度测定结果

2.3.2 煤的裂隙特征

煤的裂隙特征影响着煤层的渗透性能、煤层气扩散及渗流行为、煤层气抽采难易程度及煤层气井的产气量等，在煤层气开发和矿井瓦斯防治方面尤为重视其研究[19-20]。为了提高煤层气勘探开发成效和矿井瓦斯防治水平，对潘庄煤层气区块15号煤储层的裂隙特征进行了观测和研究。该区15号煤储层的裂隙相对发育，煤中裂隙可见三个优势发育方向，即第一裂隙系优势发育方向为10～20°和110～120°，第二裂隙系优势发育方向为40～50°和130～140°，第三个裂隙系优势发育方向为60～70°和150～160°；裂隙系统相对发育，煤中裂隙发育密度一般为1～10.8 条/cm，平均5.7 条/cm；裂隙宽度一般为2～48 μm，镜煤中裂隙宽度多小于亮煤和暗煤中裂隙宽度；裂隙形态多样、复杂，裂隙中可见阶梯状、齿状、分叉状、S状和缝合线，斜交或近垂直层理面；煤中裂隙常见粒状、脉状等黄铁矿、方解石等矿物所充填。可以看出，潘庄煤层气区块15号煤储层裂隙系统相对发育，裂隙发育类型为较密-密型，对煤层气扩散、渗流提供了良好通道，但裂隙中矿物质充填在一定程度上影响了煤层的透气性能。

2.4 煤储层压力

煤储层压力是指煤中孔隙内煤层气、地下水等流体所承受的压力，常用单位为MPa。煤储层压力是煤层气有利区评价及优选、煤层气井产能评价及采收率估算等的重要技术参数，是煤层气地质理论和煤层气开发实践的重要研究内容之一[21-22]。在煤层气开发过程中，为了便于定量表征不同埋深下煤储层的压力值大小，常用煤储层压力梯度值来表征。煤储层压力梯度为煤储层压力与对应埋深之比值，单位为MPa/100 m或kPa/m。研究区采用煤层气井注入/压降方法对区内15号煤储层压力进行了测定，在试井深度341.90～775.2 m范围内，煤储层压力为1.82～2.93 MPa，平均2.34 MPa。煤储层压力梯度为0.28～0.60 MPa/100 m，平均0.42 MPa/100 m(表4)。煤储层压力大小体现了地层能量强弱，其值越高体现地层能量越强，有利于驱动煤层气渗流产出和煤层气井高产，反之亦然[22]。潘庄煤层气区块15号煤储层压力普遍较低，属于“欠压”煤储层[22]，体现地层能量相对较弱，驱动煤层气高效产出相对困难。

2.5 煤储层渗透性

煤储层透气性系指煤中孔隙内煤层气、地下水等流体在一定压差条件下，流体通过煤储层的困难程度。煤层气在煤的割理裂隙中渗流符合达西流定律，因而常用煤层渗透率来定量描述和表征[23]。煤层渗透率是煤层气开发有利区评价及优选、煤层气井产能预测及煤层气开发潜力评价等的关键技术参数[24-25]。研究区采用煤层气井注入/压降方法对区内15号煤储层渗透率进行了测定，其值一般为0.33～21.12 mD，平均为3.97 mD(表5)。可以看出，由于煤储层中渗流系统过甚发育和各向异性，使得潘庄煤层气区块15号煤储层渗透率整体较高且具有显著的分异特征，明显高于我国其他高煤阶煤矿区煤储层渗透率。同时，显示了研究区15号煤储层具有良好的渗透性能和煤层气产出通道，有利于煤层气的高效渗透产出和煤层气井的高产[24]。

表4 潘庄煤层气区块15号煤储层压力测定结果

表5 潘庄煤层气区块15煤储层渗透率测定结果

2.6 煤的吸附-解吸特征

2.6.1 煤的吸附特征

煤层气在煤中以吸附态、游离态和溶解态存在，煤基质与甲烷分子之间由于范德华力的存在，使得煤对甲烷具有很强的吸附能力，煤层气主要以吸附态存在于煤层之中[26]。甲烷分子在煤中吸附符合单分子层吸附模型，因此，煤对甲烷的吸附可用Langmuir(朗格缪尔)方程来表征[27]。现实中，常用煤的等温吸附试验来表征煤的吸附特性，同时，实现煤层气储集空间定性评价、煤层气采收率计算、临界解吸压力计算等。因此，煤的等温吸附是煤层气地质理论和煤层气开发选区评价的重要技术参数[28]。Langmuir(朗格缪尔)方程表达式如下：

(2)

式中：V为理论吸附量，m3/t；P为原始煤储层压力，MPa；VL为试验压力条件下的吸附量(或兰氏体积)，m3/t；PL为试验压力(或兰氏压力)，MPa。

潘庄煤层气区块在煤层气勘探开发过程中，采用等温吸附试验对区块内15号煤储层的吸附性能进行了实验研究。结果表明：在试验温度(或原始储层温度)19～25℃，兰氏压力(PL)2.44～3.27 MPa条件下，煤的最大吸附量(VL)为34.85～48.93 m3/t(表6)。可见，潘庄煤层气区块15号煤储层吸附煤层气能力强、吸附量大，表明煤层中具有良好的储集煤层气空间[29]。

2.6.2 煤的解吸特征

理论和实践证实，煤层气的产出需经历由煤基质孔隙脱附解吸、裂隙通道渗流产出的过程[30]。煤层气的解吸特征影响着煤层气解吸效率、煤层气井产能和气井首次见气时间[31]。为了定量研究煤的解吸特征对煤层气开发影响，常用煤的吸附时间参数表征。煤的吸附时间系指标准温度和压力条件下累计实测解吸气体量达到总解吸气量的63.2%时所耗的时间[32]。时间越长，表明煤中气体解吸速度慢、解吸效率低，反之亦然。潘庄煤层气区块15号煤储层吸附时间一般为1.92～5.81 d，平均3.09 d(表6)。可以看出，研究区15号煤储层的吸附时间相对较长，表明煤储层中煤层气解吸效率和产出效率较低，有利于煤层气井的长期稳产，但煤层气首次见气时间相对较晚[32]。

表6 潘庄煤层气区块15号煤层等温吸附试验结果

3 结 语

1) 潘庄煤层气区块15号煤层发育良好且展布稳定，煤层气含量和含气饱和度较高(即含气性较好)，可为煤层气开发提供良好的储层条件和气源保障，但较好的煤层含气性势必加大矿井瓦斯防治的难度。

2) 潘庄煤层气区块15号煤为变质程度较高的无烟煤，促使煤中发育有大量孔裂隙系统发育。煤中孔隙以小孔和微孔为主，有利于煤层气的吸附储集；煤中裂隙相对发育且存在三个明显的优势发育方向，裂隙发育程度为较密-密型，不同煤岩显微组分中裂隙发育程度和形态各异。煤中孔裂隙过甚发育特点，对煤层气渗流较为有利，煤层渗透率较高。

3) 潘庄煤层气区块15号煤储层地层能量普遍较弱，煤储层压力为“欠压”状态，不利于煤层气高效产出、气井高产和采收率的提高。

4) 潘庄煤层气区块15号煤对煤层气具有很强的吸附能力、吸附量大，体现煤中具有较好的储集煤层气空间。但煤对煤层气的吸附时间相对较长，煤中的煤层气解吸速率较低，有利于煤层气井的长期稳产，但煤层气井的见气时间相对较晚且气井开发周期较长。