海孜煤矿深部勘查区中组煤层气储层物性特征分析

孙林 郭鸿

摘 要：【目的】煤层气储层的物性特征是进行煤层气开发研究的关键因子。【方法】重点对海孜煤矿深部勘探区域中组煤储层的物性参数进行调查，以对井田内中组煤储层物性特征进行研究。【结果】研究表明，煤层的物性特征适宜开采，其中有机显微组分占优，无机显微组分次之。该煤层含气量多，虽然煤层渗透率相对较小，但符合煤层气开采条件。煤层开采时的吸附作用一般，但有利于煤层气储集和缩短煤层气的开发周期。【结论】研究结果可为该研究区煤层气抽采提供可靠的技术参考。

关键词：海孜煤矿深部勘查区；中组煤；煤层气储层物性特征

中图分类号：TD712.6；TE37；P618.13 文献标志码：A  文章编号：1003-5168（2024）05-0039-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.008

Analysis of Physical Characteristics of Coal-Bed Methane Reservoirs in the Middle Group in the Deep Exploration Area of Haizi Coal Mine

SUN Lin GUO Hong

（The Third Exploration Team of Anhui Coalfield Geological Bureau， Suzhou 234000， China）

Abstract： [Purposes] The physical characteristics of CBM reservoirs are key factors in conducting CBM development studies. [Methods] The study focuses on the investigation of the physical parameters of the Middle Group coal reservoirs in the deep exploration area of the Haizi coal mine and investigates the physical characteristics of the Middle Group coal reservoirs in the well field. [Findings] Research showsthe physical properties of the coal seam are suitable for mining， with the organic microfractions predominant and the inorganic microfractions second. The coal seam contains a lot of gas and although the permeability of the seam is relatively small， it meets the conditions for CBM mining. The adsorption of the coal seam during mining is average， but it facilitates CBM storage and reduces the CBM development cycle. [Conclusions] The results of the study can provide reliable technical parameters for the extraction of CBM in this study area.

Keywords： deep exploration area of Haizi coal mine； middle group coal； physical characteristics of coal bed methane reservoirs

0 引言

煤層气作为我国重要的矿产资源［1］，对国民经济的发展具有重要意义。其可开采量较丰富，其中1 500～3 000 m埋深的煤层气地质资源量约为30.37×1012 m3，是1 500 m以上浅煤层气资源量的两倍［2］。煤层气的开采受众多地质因素影响，因此，对煤层气储层开展物性特征研究是煤层气高效开发的先决条件［3］。本研究通过对海孜煤矿深部勘查区的物性特征进行研究，为煤层气开发提供基础。

1 研究区概况

海孜煤矿深部勘查范围地处淮北煤田的中部，位于安徽省濉溪县境内，如图1所示。地质坐标范围是东经116°35′20″—116°40′28″、北纬33°41′05″—33°43′22″，勘查区域面积约为27.73 km2。区域内的基本构造类型基本上为一个东西走向、向北倾斜的单斜构造，是从海孜矿井区向深部的自然延伸地带。但局部也有较小的起伏，且地层结构斜度也比较平均，通常为10°～20°；区内有构造断面20个，其构造复杂程度为中等。断层走向通常以北东向与中东西向为主，走向间隔一般较长。由于相对强烈的岩浆活动，从而导致煤层、煤质受到了相当程度的破坏。

海孜煤矿深部勘查范围主要包括二叠系下统的山西组、下石盒子组和上统上石盒子组，大致涵盖了1～11个煤层（组），其中又以3、4、7、8、9、10为可采煤层，其厚度约为10.08 m。其中，1～3号煤层发育于上石盒子组，4～9号煤层发育于下石盒子组，10、11煤层群发育于山西组。3煤层为部分可采煤层，4～10为发育较均匀稳定的区域［4］。中组煤系指下石盒子组下部7、8、9煤层，煤层平均厚度为1.88～2.65 m，均属于中厚煤层，具体情况见表1。由于中组煤成煤时间较早、埋藏密闭条件较好，所以煤层含气量较大。为此，根据海孜煤矿深部勘查区中组煤储层的物性参数，分析区内中组煤储层的物性特征。

2 中组煤物性特征

2.1 煤层及煤岩特征

海孜煤矿深部勘查区中组煤属下石盒子组含煤地层，位于该组下部，上距上石盒子组底部标志层K3砂岩153.2～355.5 m；下距下石盒子组底部标志层K2铝质泥岩5.9～33.9 m，平均17.1 m。据勘探及发掘资料证实：7、8煤层开采区大部分为可开采较稳定煤层，9煤层开发全区主要为可开采较稳定煤层，厚度一般为1.88～2.65 m，即上中组煤层均属中厚煤层。其含有0～2个夹矸，夹矸主要是炭质泥岩和泥质岩，构造类型比较简单。煤层顶板主要由泥岩组成，粉砂岩次之，少许小砂岩和中砂岩。而煤层底板则主要由泥岩组成。由此可见，本区中组煤属较稳定煤层，含煤性较好，为煤层气开发和煤炭开采提供了条件。

中分组煤层的色泽一般呈棕黑或黑色，条痕呈灰黑色，有玻璃光泽，内生裂隙多，断口阶梯状或参差状，条带结构，性脆易碎，在镜质中的最大反照率变化程度通常为1.33%～1.57%，属中煤级煤，即煤变质程度高。宏观煤岩组成上则以亮煤为主，其次为暗煤。

中组煤具有有机显微组分较多而无机显微组分较少的特点。其中，无机显微组分大多为黏土类矿物，还有少量碳酸盐类和硫化物。镜质组含量平均值为80.33%，惰质组含量平均值为18.85%，不含壳质组。

2.2 煤层气吸附性

科学研究已经证明，煤炭可以对甲烷吸附物产生很大的吸附力。而影响煤炭吸附能力的因素主要包括煤岩成分、变质程度、孔隙类型、储层压力、储层温度及含水程度等［5］。煤层的等温吸收曲线表示在煤储层温度、不同压强下煤层存储甲烷的能力。所以，煤层开采对甲烷的吸收能力，决定着煤层气在煤储层内的赋存能力、储集能力及煤层气生产活动。目前，大多采用兰格缪尔（Langmuir）单分子吸收模型来研究煤层气的吸附过程，其表达式见式（1）。

[V=VLPPL+P] （1）

式中：V为吸附压力下的吸附量，cm3/g；P为吸附压力，MPa；VL为兰格缪尔体积（极限吸附量），cm3/g；PL为兰格缪尔压力，MPa。

中组煤层的等温吸收曲线如图2所示，等温吸附试验结果见表2。在兰格缪尔压力（PL）为1.92～2.16 MPa、平均值为2.06 MPa的条件下，空气干燥基兰格缪尔容积VL为13.85～15.13 m3/t；干燥无灰基兰格缪尔容积VL为16.67～17.86 m3/t，平均值为17.23 m3/t，说明该区中组煤层在试验压力下，煤层的吸附能力中等。

2.3 煤层气含量

煤层气含量，是指在一定情况下单位质量煤体中所包含的气含量，单位为m3/t或mL/g。煤层气含量是煤层气开采的储层描述以及发展潜力、煤层气储量预测和对煤矿瓦斯涌出总量进行预测的一个关键技术参数。该区域1#参数井采用钻井取芯、现场解吸法对中组煤层气含量进行测试，其测试结果见表3。由表3可知，该区域中组煤层气含量为5.57～8.23 m3/t，平均为6.08～8.23 m3/t。由此可见，该区域中组煤层气含量中等，局部气含量较高，这无疑会增加未来矿井瓦斯防治工作的复杂性和经济成本。

2.4 煤层渗透性

煤层渗透性通常采用煤层渗透率表示。煤层渗透率是煤储层研究的一个最主要的因素，通常所指的煤储层渗透率，实质上是指在煤层气或矿产资源开采背景下，对煤层内裂隙系统所表现的流体流动能力的专业量化评估。煤层渗透率的高低，直接决定着煤层气的运移能力［6］。根据1#参数井及其他勘查钻孔观测结果，中组煤呈粉状、碎块状，少量呈饼状、块状及碎粒状，发育大量构造滑面。煤体极疏松，手捻成粉状，层理消失，煤岩成分及裂隙无法观测。该区域以糜棱结构煤为主，其次为碎裂结构煤，煤体结构较差。1#参数井用煤层气注入/压降试井法测定中组煤储层的渗透率，此方法测试结果为0.013 mD，属于典型的中低渗煤储层，具体见表4。研究表明，其煤层气渗流性差、产出性差，不利于煤层气抽采。后期抽采应通过压裂技术改造煤层渗透性，以提高煤层气的产出性。

2.5 煤储层压力

煤储层压力直接决定着煤层内对甲烷等吸附类气体的吸附能力及解吸性能，是影响煤层气开采的重要参数［7］。通常采用煤储层压力梯度来量化描述不同埋深的煤储层压力，煤储层压力梯度是同垂深煤贮层压力的增量。在煤层气开发过程中，根据煤储层压力大小将煤储层划分为高压煤储层、正常压力煤储层及低压储层等三种类型，划分标准见表5。煤储层压力梯度值越大，则代表煤系地层产状压力也越大，这样则越有利于煤层气开采、煤层气矿井的高产建设和煤层气采收，反之則不利于煤层气的开发利用。

根据《煤层气井注入/压降试井方法》（GB/T 24504－2009），可采用试井方法测定中组煤的储层压力，由表4中的试验结果可知，在中组煤平均埋深1 124.14～1 149.94 m的区域内，最大的储层压力为9.65 MPa，最大储层压力梯度为8.73×10-3 MPa/m，临界解吸压为1.29～2.49 MPa，临储比为0.13～0.26。由此可见，中组煤属于低压煤储层，不利于煤层气的高效开发［8］。

3 结语

海孜煤矿深部勘查区中组煤属中厚煤层，煤层气含量较大，渗透性差，其吸附甲烷能力中等，吸附量较大，储气能力和空间较好，为煤层气开发提供了良好的开采条件和气源保障。中组煤层渗透性差，属低压煤储层，不利于煤层气的高效开发，但有利于煤层气储集和缩短煤层气的开发周期。

参考文献：

［1］黄宝发，安文杰，张斌，等.中国煤层气开发技术现状及优化策略［J］.化工管理，2019（28）：66-67.

［2］秦勇，申建.论深部煤层气基本地质问题［J］.石油学报，2016，37（1）：125-136.

［3］辛博文，李鑫，田继军.阜康砂沟先导试验区煤储层物性特征及有利区评价［J］.新疆地质，2022，40（3）：399-404.

［4］王剑英.寺家庄井田8号煤层气储层物性特征研究［J］.煤，2019，28（11）：5-8，80.

［5］ 孔锐，张哨楠.煤层气储层评价方法的选择［J］.地质通报，2012，31（4）：586-593.

［6］ 秦燕菲.晋城矿区胡底区块3号煤层气储层物性特征分析［J］.煤，2017，26（8）：13-16，28.

［7］钟玲文.中国煤储层压力特征［J］.天然气工业，2003，23（5）：132-134.

［8］宋诚.长平井田3号煤层气储层物性及特征研究［J］.煤，2020，29（3）：4-7.