寺家庄井田8号煤层气储层物性特征研究

王剑英

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048012)

煤层气是一种清洁高效的非常规天然气资源，据新一轮煤层气资源调查评价结果资料，我国埋深2 000 m以浅的煤层气地质资源量30.05万亿m3，可采资源量12.50万亿m3，位居世界第三[1]。煤层是煤层气的源岩和储层，其物性特征直接影响着煤层气的可开发性和开发效果，煤层气储层物性特征历来是煤层气开发领域广泛关注和热点研究的内容之一[2-4]。

我国煤矿区成煤期多，聚煤地域广阔，成煤环境多样，煤的物质组成复杂，多煤阶，成煤期后构造运动频繁，导致我国煤层气资源赋存条件复杂，煤层气储层物性差异显著[5-6]。沁水盆地和鄂尔多斯东缘成熟的煤层气开发技术难以适应其他地区的煤层气储层物性条件，已开发区域仍存在煤层气开发效果不理想情况。鉴于不同煤矿区煤层气储层物性条件的显著差异性，要提高煤层气开发成效，必须有针对性、系统研究煤层气开发区的煤层气储层物性特征。为此，本文基于寺家庄井田煤层气地质、煤层气勘探开发及相关煤层气储层物性参数测试资料等，应用煤层气地质理论对井田内8号煤层气储层物性特征进行了研究，研究成果以期为后期煤层气开发提供技术支撑和可靠技术参数。

1 研究区基本地质特征

寺家庄井田位于沁水盆地东部边缘的中北部，太行隆起之西翼[7]，行政区划隶属晋中市昔阳县管辖，其地理坐标为：东经113°32′09″-113°39′28″，北纬37°30′52″-37°40′19″，井田面积120.252 5 km2。其基本构造形态为倾向SWW的单斜构造。在此单斜上又发育次级的波状褶曲，地层倾角一般约为10 °，区内断层较少，分布集中，次级褶曲发育，轴向不一。断层、褶曲轴向多为NE，少数为NW，在露头浅部和北端，陷落柱比较发育，该区构造复杂程度总体为简单-中等类。

石炭系上统太原组、二叠系下统山西组为井田主要含煤地层，共含煤16层，由上而下编号为1、2、3、4、5、6、8、9上、9、11、12、13、14、14下、15及16号。1～6号煤层属于山西组，8～16号煤层属于太原组。8煤层为局部可采煤层，9号为大部可采煤层，15号煤层全区可采煤层。本文研究的8号煤层含气量高，煤层气资源较好(6.83亿m3)，为研究区煤层气主力开发煤层之一。

2 煤储层物性特征

2.1 煤层及煤质特征

1) 煤层特征。煤层是煤层气的生气层和储气层[8]，其厚度大小(或含煤性)、分布特征对煤层气井产能、煤层气开发技术选择、开发技术难度、煤层气资源量等具有重要控制作用[9-11]。通过对寺家庄井田煤层气钻井数据统计分析可知，8号煤层净厚度为0.01～5.73 m，平均1.76 m，多数约在2 m，属于局部可采的不稳定煤层。煤厚较大区域主要分布在井田北部、中部及西南部小范围，南部及东部则出现大面积煤厚小于0.8 m的不可采区。煤层倾角较小(平均约10°)，展布平缓。煤层结构较简单，一般不含夹矸，有时含一层或二层泥质、炭质泥岩夹矸，厚度0.04～0.42 m。顶板岩性多为砂质泥岩、泥岩，底板岩性为砂质泥岩、粉砂岩。

2) 煤质特征。煤质特征对煤层渗透性、压裂改造方式和技术选择具有重要影响[12-13]。8号煤层为钢灰色、深灰色，灰黑色-黑色条痕，玻璃光泽，具有层状和条带状结构，阶梯状、贝壳状断口，内外生裂隙相对发育，煤的硬度较大，块煤率高。

宏观煤岩类型以光亮型和半光亮型为主，宏观煤岩组分以亮煤为主，少部分夹暗煤及丝炭条带。煤的变质程度较高(镜质组最大反射率Ro,max=2.579%～3.154%，平均2.873%)，有机显微组分以镜质组为主(平均96.1%)，丝质组少量(平均3.1%)，因煤变质程度高，惰质组无法辨识。无机显微组分以分散状、团块状或浸染状黏土矿物为主(平均10.2%)，有少量块状黄铁矿(平均2.9%)、碳酸岩矿物和石英颗粒(平均0.4%)。

2.2 煤层含气量

煤层含气量(又名煤层气含量、煤层瓦斯含量)，系指单位煤的重量中所含的烃类气体在标况下的体积，单位为m3/t或ml/g。煤层含气量是煤层气储量计算、矿井瓦斯防治、煤层气高产富集区预测、煤层气开发潜力的关键技术参数之一[14-16]。当前，煤层含气量测定方法主要有直接测定法、解吸测定法及间接测定法，为煤层含气性定量表征提供了技术支撑[17]。寺家庄井田在煤层气勘探开发过程中，采用钻井绳索取芯煤层气现场解吸方法对井田内8号煤层的含气量进行了测定，测定过程遵循“GB/T 19559-2008 煤层气含量测定方法”。由测定结果可知，研究区8号煤层原煤含气量为0.27～22.82 m3/t，平均13.55 m3/t。8 m3/t以上测值占总测值数量的85.88%。高煤层含气量区主要分布在井田中部和西部埋深相对较大区域，煤层含气量基本在11 m3/t以上；而东部及东南部煤层埋深相对较浅区域的煤层含气量较低，基本在8 m3/t以下。同时，煤层含气量高低与构造密切相关，次级褶皱轴部及转折段的煤层含气量较高，陷落柱及开放性断层附近煤层含气量普遍较低。

由此可知，寺家庄井田8号煤层含气量总体较高，可为煤层气开发提供资源保障，但势必加大矿井瓦斯防治难度。

2.3 煤的孔渗性

1) 煤孔隙特征。煤孔隙是煤层气主要赋存空间和运移通道，煤孔隙大小、被充填状态及连通性影响着煤层气的吸附、扩散和渗流行为[18-19]。本文利用扫描电子显微镜和覆压孔渗测量仪对寺家庄井田8号煤孔隙特征进行了观测和精细定量表征，煤孔隙类型主要有煤化阶段“生气”和“聚气”作用形成的气孔和煤中有机显微组分碎片或粒状间形成的屑间孔[20]。孔隙大小一般为几千纳米至20 μm，多数小于5 μm。孔隙间基本不连通且孔隙中常见粒状、片状碎屑物质充填(图1)。煤中有效孔隙少、孔隙度低，一般为3.53%～5.69%，平均4.18%，属于典型的低孔煤储层。

2) 煤层渗透性。煤层渗透性系指像煤层气、地下水等这样的流体介质在一定压差下通过煤层的难易程度，常采用渗透率参数来实现其定量表征。煤层渗透率是煤层气有利区评价及优选、产能预测及模拟等重要技术参数之一[21]，当前，煤层渗透率测定方法具有多种[22-23]，而注入/压降试井法因其技术成熟、操作方便、测试结果可靠等特点，被广泛应用于煤储层渗透率测定[24]。寺家庄井田在煤层气勘探开发过程中，采用煤层气井注入/压降试井法对井田内8号煤层渗透率进行了测定，煤层渗透率一般为0.03～0.54 mD，平均0.191 4 mD(表1)。可知，寺家庄井田8号煤层渗透率普遍较低，属于渗透率性差煤层，不利于煤层气高效渗流产出和煤层气井高产、稳产[25]。后期可以通过人工压裂煤储层改造方式提高煤层渗透率，提高煤层气抽采成效。

图1 扫描电镜下寺家庄井田8号煤微孔隙特征

表1 寺家庄井田8号煤层渗透率测定结果

2.4 煤储层压力特征

煤孔隙中的煤层气、地下水等流体受压力作用，煤层气地质领域把孔隙流体所受的压力谓之煤储层压力，多用煤储层压力梯度值来对其定量表征。煤储层压力是驱动煤层气产出的动力，其值高低体现地层能量大小，是计算煤层气临界解吸压力及含气饱和度、煤层气有利区评价及优选、煤层气井产能预测的重要参数之一[26]。本文研究所用的寺家庄井田8号煤储层压力及煤储层压力梯度值均为煤层气井注入/压降试井法测定所得，由测定结果可知(表2)：在试井深度362.16～758.91 m，平均564.55 m范围内，煤储层压力为1.65～3.85 MPa，平均2.68 MPa。煤储层压力梯度为0.37～0.51 MPa/hm，平均0.43 MPa/hm。在煤层气开发基础理论研究方面，学者们根据研究区煤储层压力梯度值大小，将煤储层压力状态划分为低压(欠压)煤储层(压力梯度值小于0.95 MPa/hm)、正常压力煤储层(压力梯度值为0.95～1.0 MPa/hm)及高压(超压)煤储层(压力梯度值大于1.0 MPa/hm)[27]。由上述可知，寺家庄井田8号煤储层压力和煤储层压力梯度值普遍较低，煤储层压力为低压(欠压)状态。亦表明井田内8号煤储层能量和驱动煤层气产出的动力较弱，不利于煤层气井高产和采收率的提高[26]。

表2 寺家庄井田8号煤储层压力测定结果

2.5 煤的吸附-解吸特性

1) 煤的吸附特性。煤是一种孔裂隙发育的多孔介质，为天然的吸附剂，在范德华力作用下煤层气大量吸附于煤基质微孔隙表面，因此煤中气体赋存状态主要以吸附态为主[28]。因煤层气在煤中为物理吸附，因此，众多学者使用Langmuir吸附方程来描述煤层气的等温吸附过程[29]。利用煤的等温吸附实验，可以获得煤层气的Langmuir体积(煤层气最大吸附量)、Langmuir压力参数，同时基于等温吸附曲线、实测含气量等可以直接读取煤层气临界解吸压力、残余压力读取和煤层气采收率的计算。据等温吸附实验可知(表3)，寺家庄井田8号原煤样品在Langmuir压力(PL)2.02～2.44 MPa，平均2.23 MPa条件下，Langmuir体积(VL)为28.99～36.36 m3/t，平均32.68 m3/t；空气干燥剂样品在Langmuir压力(PL)2.02～2.44 MPa，平均2.23 MPa条件下，Langmuir体积(VL)为40.16～41.49 m3/t，平均40.83 m3/t。煤层气吸附量多少与煤层的储气空间好坏密切相关，吸附量越大煤中储集煤层气的空间越好，反之亦然[26]。由此可见，寺家庄井田8号煤层吸附量普遍较高，表明煤中储集煤层气的空间较好。

2) 煤的解吸特性。煤层气产出需经历煤基质表面解吸、微孔隙扩散、割理系统渗流三个不同且密切相关的运移过程，煤层气抽采主要是基于“排水降压”来实现煤层气的产出[30]。煤层气解吸特征(解吸速度快慢)受煤变质程度、灰分、显微煤岩类型、裂隙系统发育程度等诸多因素影响[31]，为了衡量煤层气解吸或吸附速度，学者们引入了“吸附时间”参数[31-33]。吸附时间是煤层气开发中一项重要参数，被定义为煤层气的解吸量达到总解吸量63.2%时所需的时间，单位为“小时(h)”或“天(d)”[33]。吸附时间越长，表明煤层气解吸速度越慢，反之亦然。通过煤的吸附-解吸实验可知(表4)，寺家庄井田8号煤的吸附时间为1.37～3.35 d，平均2.57 d。可以看出，与沁水盆地东南部柿庄、寺河区块及寿阳区块等无烟煤矿区煤吸附时间相比，井田内8号煤吸附时间处于中低水平[34]，表明煤层气井产气高峰期到来时间较以上区块早，有利于缩短煤层气开发周期。

表3 寺家庄井田8号煤等温吸附实验结果

表4 寺家庄井田8号煤吸附时间测定结果

3 结 语

1) 寺家庄井田8号煤的物理性质较好，煤中显微组分以有机显微组分镜质组为主，有利于煤层生烃和煤层气吸附，但煤中黏土矿物存在，要做好钻井液及压裂液配伍性试验工作，防止黏土矿物膨胀、软化，对煤储层造成伤害。

2) 寺家庄井田8号煤层含煤性相对较好，煤层气含量较高、煤层气资源相对丰富，是井田内煤炭规划开采和煤层气主力开发煤层之一。

3) 寺家庄井田8号煤层属于低孔低渗储层，不利于煤层气高效渗流产出；煤储层压力为欠压状态，驱动煤层气产出的动力较弱，亦不利于煤层气井高产；煤储集煤层气空间较好、吸附能力强，煤层气吸附量较高。煤的吸附时间相对较短，煤层气解吸速度较快。