贵州雨谷井田煤储层物性特征及煤层气开采条件研究

2019-12-02谢色新马俊强

中国煤炭地质 2019年9期

谢色新马俊强

(中国煤炭地质总局广东煤炭地质局勘查院，广州 510440)

贵州素有“江南煤海”之称，现正以其丰富的煤层气资源、优越的储层条件吸引越来越多的投资者目光，引起了新一轮煤层气开发热潮[1-4]。煤储层物性特征及煤层气开采条件是评价是否适合进行煤层气开采的主要因素，前人对此已进行了大量研究[5-9]。

雨谷井田位于贵州省盘县南部，井田内响水煤矿是国家煤炭重点规划矿区的特大型骨干矿井，该矿为煤与瓦斯突出矿井，曾分别于2005年12月24日和2012年11月24日发生煤与瓦斯突出事故[10]。为开发利用煤层气资源和降低矿井瓦斯危害，对井田内煤储层物性和煤层气开采条件进行了研究，以期实现“先采气、后采煤”的构想，在开采清洁能源的同时为煤矿安全生产保驾护航。本文在前人研究的基础上，通过一系列的实验测试，并结合已有资料[11]，分析探讨了3#、12#煤储层物性特征及煤层气开采条件，并对该区域的煤层气开发工作提出了一些建议。

1 构造

大地构造位置处于六盘水断陷、普安旋扭构造变形区黔西南涡轮构造带的盘南背斜与下甘河断裂之间，属盘南背斜南东翼西端(图1)。区域构造特征表明，井田内构造面貌主要与燕山运动有关。在燕山运动过程中，出现南北向的正反两次直扭构造运动复合叠加，后期顺时针直扭运动可能为燕山运动中、晚期产物。所以盘南背斜是在先期反时针直扭运动形成的北东向构造形迹的背景又叠加了顺时针直扭运动。盘南背斜属不对称的复式背斜，轴向N60°E，呈一反“S”型褶曲。

Figure 1 Study area situation图1 研究区位置

井田地层走向自西向东30°～40°至100°～60°，倾向南及南东，倾角10°～30°(西陡东缓)，东部撒开，向北凸起的孤形，整体为单斜构造，次级褶曲不明显，规模很小。总体来说，本区构造相对简单，对煤层气保存有利。

2 煤层煤质

雨谷井田主要含煤地层为龙潭组，埋深500～1 000m，平均厚252 m，含煤层20～40层，一般28层，总厚度23.14～44.85 m，平均厚33.64 m，含煤系数13.30%(表1)。

(1)煤层结构。3#煤层：位于龙潭组上段顶部，厚0.38～5.86 m，平均厚2.98 m，一般含夹矸2层。煤层采用厚度变化不大，呈由西向东逐渐变小的趋势，规律性明显。

12#煤层：厚0～4.47 m，平均厚1.18 m。一般含0.10 m左右泥岩夹矸，结构较单一，煤层采用厚度变化较大，在可采区内采用厚度变化不大。

表1 井田可采煤层特征一览表Table 1 Data sheet of mineable coal seam features in minefield

表2 煤层基础数据表Table 2 Coal seam fundamental data sheet

3 储层物性特征

(1)电镜观测。对区内煤样进行扫描电镜观测，煤层扫描电镜结果见图2。

该区域煤层天然裂隙较为发育，呈交叉分布，少量充填，局部裂隙开启程度较高，连通性较好，便于煤层气运移产出，对煤层气开采有利。

(2)压汞测试。采用AUTOPORE9505压汞仪对煤的孔隙结构进行测试(图3)。

压汞测试得到3#煤孔隙率10.387%，12#煤孔隙率12.48%，总孔容分别为0.069 2 mL/g和0.086 9 mL/g，孔隙发育；由进退汞曲线可以看出，二者均存在明显滞后环，进汞曲线“陡升陡降”现象现象不明显，且退汞曲线平缓。说明孔隙类型以开放性为主，有效孔隙率高，封闭和连通性差的“细颈瓶”孔较少，孔隙整体连通性好，与扫描电镜下观测到的孔隙发育情况相符。

(3)渗透性。渗透性是影响煤层气是否可采的一个重要因素[12-13]，相较于室内覆压渗透性受诸多因素影响，煤层气裸眼试井更能客观评价储层原位渗透性。根据煤层气参数井裸眼注入-压降试井数据，3#煤层原位渗透率为0.125 mD，12#煤层为0.262 mD，属低-中等渗透性储层，从纵向看，主要与其储层物性有关，受埋深影响较小。因煤层无机组分以氧化物及硫化物为主，黏土含量不高，且为原生结构煤，结合实际煤岩特征，本区适宜进行水力压裂改造。

(a)3#煤 (b)12#煤图2 井田煤样扫描电镜观测图Figure 2 Minefield coal sample scanning electron microscopic photos

(1)3#煤 (2)12#煤图3 煤样进退汞曲线Figure 3 Coal sample mercury intrusion and withdrawal curves

4 含气性及吸附特征

4.1 含气性

资料显示，本区3#煤层煤层气含量在8.31～12.5 m3/t，12#煤层的煤层气含量在10.4～19.1 m3/t，此次研究依据《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559-2008)，钻孔煤心实测含气量及组分见表3。

总体上，区内煤层气含量在平面上分布较稳定，符合煤层气含量随埋深增大而增加的总体趋势。从组分来看，甲烷含量均在90%以上，含部分N2和少量CO2、C2H6等。同时，煤层气含量较高，已达到《煤层气资源勘查技术规范》(2012)规定的煤层气资源估算指标含量下限标准(中阶煤含气量≥4m3/t)，和宁夏大地出版社《最新煤层气地质综合勘探开发技术与资源量预测评价分析实物全书》提到的吨煤含气量≥8m3，有利于煤层气开发。较高的煤层气含量可为煤层气开发提供充足的资源量保障。

4.2 吸附性

采用IS-300型等温吸附仪，分别在30℃条件下对3#、12#煤层空气干燥基煤样进行等温吸附测试，得到等温吸附曲线(图4)。

心有静气，才能客观看待人事，沉着思考问题。反之，心有怒气，整个人就会沦为情绪的奴隶，辨不清是非真假，自然容易出乱子。

表3 煤层气含量及组分Table 3 CBM contents and compositions

(a)3#煤 (b)12#煤等温吸附曲线图4 雨谷井田煤样等温吸附曲线(空气干燥基)Figure 4 Yugu minefield coal sample isothermal adsorption curves (air-dried basis)

根据等温吸附测试得到的吸附常数(朗格缪尔体积VL和朗格缪尔压力VL)，结合表3中储层压力和含气量，分别根据公式(1)(2)可以计算得到含气饱和度、临界解吸压力等参数(表4)。

Sg=(Vm/VL)×[(PL+Pf)/Pf]

(1)

η=1-VL×Pad/Vm(Pad+PL)

(2)

式中：Sg—含气饱和度，%；Vm—实测含气量，m3/t；Pf—储层压力，MPa；η—理论采收率，%；Pad—废弃压力，MPa，根据美国目前的经验，取0.70 MPa进行计算[14]。

表4 井田参数井典型煤层储层压力及梯度Table 4 Minefield parameter well typical coal seam reservoir pressures and gradients

相较前人研究结论[15]，结合3#、12#煤层变质程度，可以看出本区煤层吸附极限值偏低，可能与其灰分稍高有关。由表4，3#煤层含气饱和度为82%，为近饱和煤层，12#煤层为过饱和煤层，表明储层内存在较多的游离态及水溶态气体。3#、12#煤层理论采收率分别可达到59%和74%，属较理想状态。

4.3 压力特征

煤储层压力受地质构造演化、水文地质条件、埋深、含气量、地应力等诸多因素的影响，其中埋深、含气量和地应力是最主要的控制因素[16]。结合表3中煤层埋深和实测储层压力、公式(3)，可分别得到储层压力梯度、理论临界解吸压力和临储比(表5)。

Pcd=VmPL/(VL-Vm)

(3)

式中：Pcd—理论临界解吸压力，MPa；Vm—实际含气量，m3/t；PL—朗格缪尔压力，MPa；VL—朗格缪尔体积，m3/t。

表5 煤层压力情况表Table 5 Coal seam pressure situations

压力梯度分别为0.96、0.98 MPa/100 m，属正常压力梯度，符合前人对该地区主要压力梯度的研究成果。同时临储比(临界解吸压力与储层压力比值)较高，利于缩短见气时间。

5 水文地质

井田位于南盘江汇水型水文地质单元的补给区。北部以玄武岩为隔水边界；东、西两侧以阻水断层为隔水边界；向南径流、排泄，形成半封闭的地下水力系统。地下水类型主要为裂隙水，由北向南运移。岩性对地下水的赋存起着主导作用，含煤地层(龙潭组)富水性弱。由于含煤地层大多为塑、柔性岩石，断层破碎带发育宽度小，且被泥质物充填，因此断层含水性也不强。总体来说，地下水活动弱，对煤层气储存有利。