潘庄煤层气区块3号煤多尺度裂隙特征

王紫襄

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204)

煤裂隙对煤层气赋存和运移具有重要控制作用，是煤层气有利区评价及优选、产能模拟及预测、可采性评价等的关键煤储层物性参数，煤层气勘探开发领域非常重视对其的研究。早在19世纪，煤田勘探领域的学者们就认识到煤裂隙存在并对其开展了研究，伴随着煤层气产业的兴起和发展，学者们在不同尺度裂隙形成机理[1]、控气及产出机理[2-4]、研究方法和实验手段[5-7]、定性描述[8]及定量表征[9-10]等开展了大量研究工作，极大夯实了煤层气地质理论，对煤层气开发实践起到了积极的指导作用。目前，潘庄煤层气区块尚未开展3号煤多尺度煤裂隙研究工作，为此，笔者以区块为工程背景，以3号煤层为研究对象，对不同尺度煤裂隙开展研究。研究成果对指导研究区及紧邻煤层气地质条件类似区块煤层气生产实践具有重要理论和现实意义。

1 研究区概况

潘庄煤层气区块地处沁水煤田东南部晋城矿区，隶属于沁水县管辖，地理坐标为东经112°24′00″～112°36′00″，北纬35°40′00″～35°34′43″，区块面积为157. 755 km2。区块煤系相对发育，石炭系上统太原组(C2t)和二叠系下统山西组(P1s)为区内主要煤系，两煤系组共发育煤层21层，其中，3号、15号煤层为全区稳定可采煤层，9号煤层为大部分地区可采煤层，其余为不稳定不可采煤层。本文研究的3号煤层厚度大(属于厚煤层，厚度5.04～7.16 m，平均6.11 m)、煤层含气量高(10～30 m3/t 之间，最高可达 40 m3/t)、储层物性好、煤层气地质条件相对简单，是区内煤炭主采和煤层气主力开发重点层位[11-12]。因区块“得天独厚”的煤层气开发条件，成为我国首个煤层气地面商业化开发和“煤与煤层气共采”理论研究与实践的煤层气区块，亦是迄今国内煤层气地面开发最为成功的煤层气区块之一[13-14]。

2 煤中多尺度裂隙特征

2.1 煤中大裂隙特征

煤中大裂隙系指自然条件下能够肉眼识别的裂隙，属于宏观裂隙范畴。大裂隙是煤层气扩散运移通道，其特征(裂隙长度、高度、裂隙间距、密度、连通性及裂隙发育程度)对煤层的渗透率、可采性、气井产气量和采收率等具有重要影响[15-17]。井下瓦斯抽采和地面煤层气勘探开发基础理论研究及实践上尤为重视对其研究，并取得了丰硕成果[18-22]。本文煤中大裂隙研究采用煤矿井下煤层裂隙和井上煤芯观测相结合的方法，大裂隙描述及划分主要依据行业标准“《煤裂隙描述方法》(MT/T 968-2005)”见表1～表5。

表1 煤裂隙规模类型划分方案及特征描述

根据潘庄煤层气区块煤矿井下3号煤层大裂隙观测，垂直煤体剖面方面煤中裂隙主要发育有3个裂隙系，每个裂隙系各有两个走向近于垂直或垂直的裂隙组，每组裂隙近似平行发育，见图1；煤中各裂隙系的走向不同，其中，第一裂隙系两个裂隙组的走向分别为10～20°和110～120°；第二裂隙系两个裂隙组的走向为40～50°和130～140°；第三裂隙系两个裂隙组的走向分别为60～70°和150～160°。上述裂隙系中，以走向为150～160°的裂隙最为发育，其次为走向60～70°和走向110～120°的裂隙。除走向110～120°的裂隙近于垂直矿区褶皱轴外，其它裂隙走向都斜交褶皱轴。裂缝间距变化大，介于1～500 cm之间，平均间距4.5～185 cm。区块内3号煤中裂隙的倾角大，变化范围为35～89°，垂直或近于垂直煤层层理面。

表2 裂隙密度级别划分方案 条/cm

表3 裂口宽度等级划分方案

裂隙面平整度分为平整、较平整和不平整。

表4 裂隙连通性划分方案

表5 裂隙发育程度评价方案

图1 潘庄煤层气区块井下3号煤层裂隙发育情况

据地面钻井取芯煤芯观测(表6)，3号煤中大裂隙主要发育两组，即分为主裂隙和次裂隙(国外煤层气研究中分别称谓“面割理”和“端割理”)，二者垂直相交或近似垂直相交。

表6 3号煤大裂隙特征观测结果

主裂隙长度不一，0.005～4.8 cm均有发育，平均长度一般为0.3～1.29 cm。裂隙高度范围广，基本在毫米级别，裂隙高度介于0.01～3.8 cm，多数在0.5 cm左右，平均高度一般为0.13～2.0 cm。煤中裂隙属于微型-中型裂隙规模发育类型，以小型裂隙为主。裂隙密度介于1～10.8条/cm之间，裂隙密度级别为较密-密型；次裂隙长度不一，介于0.01～2.00 cm之间，1 cm以下居多，平均为0.02～0.64 cm；裂隙高度范围广，基本在毫米级别，裂隙高度介于0.01～3.5 cm，多数小于1 cm，平均高度一般为0.04～1.19 cm。煤中裂隙属于微型-中型裂隙规模发育类型，以小型裂隙为主；裂隙密度介于0.8～5.8条/cm之间，裂隙密度级别为较密-密型，见图2。

研究区3号煤中裂隙变质程度较高(最大镜质组反射率为Ro,max为3.68%～4.36%)，煤岩类型为半光亮型煤，煤中裂隙发育程度为较发育-发育。裂隙的连通性分异现象显著，差-好连通性裂隙均有发育，基本以中等连通性裂隙发育为主。

图2 潘庄煤层气区块3号煤层地面钻井取芯实物

2.2 煤中微裂隙特征

煤层气主要吸附储集于煤基质微孔裂隙中，煤层气开采通过排水降压降低煤储层原始压力，进而促使煤层气从微孔裂隙内表面脱附解吸出来，浓度差时在亚微观裂隙系统中发生扩散，然后汇聚的煤层气通过大裂隙系统以达西流形式渗流产出。因此，煤微观裂隙是煤层气吸附储集的主要场所(或空间)和扩散运移通道，影响着煤的吸附/解吸特性、渗透性、含气量和煤层气开采效果[23]，是煤层气地质理论和煤层气开发重要研究内容之一。在多年的煤层气勘探开发实践中，学者们在煤微观尺度裂隙研究理论、技术及方法方面开展了大量卓有成效的研究工作[24-26]，极大丰富了煤层气地质理论，对煤层气生产实践起到了有力指导和积极助推作用。

扫描电子显微镜具有高放大倍数、高分辨率、高清晰度、极强图像立体感、实验过程和操作简单等特点，在研究煤岩微观尺度孔裂隙特征、成因判识、类型划分等方面应用尤为广泛[26-27]。本文采用德国卡尔.蔡司公司制造的EVO MA15扫描电子显微镜对潘庄煤层气区块3号煤微裂隙特征进行研究。EVO MA15扫描电子显微镜镜下物像可放大5～106倍，观测分辨率高达7.68(32 000×24 000)亿像素，可实现可变压力和快速抽采真空条件下实验观测。扫描电子显微镜下潘庄煤层气区块3号煤微裂隙特征观测结果见图3(a)～(l)：扫描电镜观测的煤裂隙均平行于煤的层理方向，可见区块内平行于3号煤层理方向发育有张裂隙和剪裂隙两种力学性质的裂隙类型，分别见图3(a)～(f)、图3(g)～(i)。张裂隙由张应力作用形成，裂隙不规则分布，裂隙延伸较短，几微米至几百微米长的裂隙均有发育。多单独产出，亦可见少量张裂隙与剪裂隙呈大角度相交，张裂隙延伸终止于与剪裂隙交汇处，见图3(f)。裂隙面凹凸不平，裂缝延伸多比较短。裂缝形态多样，可见弯曲状见图3(b)～(d)、锯齿状见图3(a)和“T型”状见图3(e)裂隙，产状多不稳定。裂口基本为敞开状态，裂口宽度多在10 μm以下，一般为3 μm至几千纳米，裂口中多见片状、粒状碎屑物质充填，部分被方解石脉充填，见图3(d)。

剪裂隙是在剪切应力作用下形成，裂隙面多较光滑平整，裂隙延伸相对较长，裂隙长度基本为几百微米，部分长度达数千微米。裂缝延伸有规律，基本以平直延伸，产状稳定。裂缝形态多样，可见平直状见图3(i)～(l)、共轭“X型”见图3(g)和“T型”状见图3(h)裂隙。裂口基本为紧闭状态，裂口宽度基本在2 μm以下，一般为几百纳米至几千纳米，裂口中多见片状、粒状碎屑物质充填，部分被方解石脉充填，见图3(l)。

图3 扫描电子显微镜下3号煤微裂隙特征

3 结 语

1) 潘庄煤层气区块3号煤变质程度高，煤岩类型为半光亮型煤，煤中大裂隙发育程度为较发育-发育，裂隙发育规模属于微型-中型，以小型裂隙为主；裂隙密度级别为较密-密型。

2) 煤中大裂隙主要发育有3个裂隙系，各裂隙系的走向不同，其中，以走向为150～160°的裂隙最为发育，其次为走向60～70°和走向110～120°的裂隙。裂缝间距变化大，介于1～500 cm之间，平均间距4.5～185 cm。区块内3号煤中裂隙的倾角大，变化范围为35～89°，垂直或近于垂直煤层层理面。

3) 煤中可见张裂隙和剪裂隙两种力学成因微裂隙发育，二者特征不同。张裂隙延伸较短，裂隙面凹凸不平，裂隙形态较多，产状多不稳定，裂口基本呈敞开状，裂口中可见部分碎屑物质和方解石脉充填；剪裂隙延伸较远且延伸有规律、产状稳定，裂隙面多光滑平整，裂隙形态多样，裂口基本呈紧闭状且裂口多见碎屑物质和部分裂口被方解石脉充填。