准南煤田煤储层和围岩对煤层气聚集的影响分析

王德利 李凤义 杨曙光

(新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 830091)

准南煤田煤储层和围岩对煤层气聚集的影响分析

王德利 李凤义 杨曙光

(新疆煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 830091)

准南煤田煤层气资源量丰富且赋存条件较好，具有重大的研究意义。本文通过煤层气参数井及部分煤矿井的采样测试数据，从煤体结构、煤层裂隙、渗透性、储层压力等方面分析了煤储层特征。在总结准南煤田煤储层及围岩特征的基础上，重点分析了煤储层及其围岩对煤层气聚集的影响，为今后的煤层气开发工作提供依据。

准南煤田 煤储层 围岩 煤层气 影响分析

本文研究区东起吉木萨尔的水西沟，西到乌苏四棵树，东西长约450km，大地构造位于天山-兴蒙褶皱系一级构造单元下的二级构造单元天山褶皱带北部，含煤时代为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组。研究区总的煤层气资源量是3618.68×108m3，其中 1000m以浅的资源量为 1651.97×108m3;1500m以浅的资源量2942.98×108m3。煤层气资源丰度在0.4180×108m3/km2～11.6694×108m3/km2之间，平均1.1626 ×108m3/km2。

1 煤储层特征

1.1煤体结构特征

在原地气含量达到临界可采界限时，有无高的回采率关键取决于煤层的渗透率。因此，煤体结构对于煤储层渗透性和煤层压裂完井作业效果有重要影响，研究表明原生结构煤层对煤层气开发比较有利。

图1 准南煤田煤层气勘查程度图

在本研究区，霍尔果斯河-三屯河区段的呼图壁矿区以原生结构煤层为主，三屯河-乌鲁木齐河区段的硫磺沟煤矿为原生结构煤层，乌鲁木齐河-四工河区段的六道湾煤矿为碎裂结构-糜棱结构，大黄山煤矿区以碎裂结构-糜棱结构煤层为主，后峡煤矿区的四井田煤矿为碎裂结构煤层，后峡煤矿区的二井田煤矿为原生结构。

1.2 宏观裂隙特征

为研究本区域煤储层的宏观裂隙特征，对采集的样品，进行宏观裂隙观测，确定裂隙的几何形态参数。结果见表1。

表1 煤中裂隙观测结果表

由表1数据可以看出，研究区煤层裂隙相对发育，在裂隙横向上延伸远，纵向上切穿煤层高度大。一般都有两组相互垂直或近似于垂直的裂隙发育，长度可达几十厘米或几米，高度也可达到十厘米或几十厘米。部分构造煤为碎裂结构，裂隙发育，裂隙未被矿物质充填，是开放性裂隙，增加了煤层的渗透性，如大浦沟煤矿，煤体结构多为碎裂结构，构造断裂发育，正断层比比皆是;另一部分受强烈构造挤压，地层发生褶皱，煤层成陡立状，严重揉皱为糜棱结构，如大黄山煤矿。同时，可见八道湾组煤层裂隙比西山窑组煤层裂隙发育，长度和高度大，频率高。

1.3 煤的渗透性

为研究本地区煤储层渗透性情况，在乌鲁木齐河东乌参1井、阜康白杨河阜参1井、阜康建新煤矿阜参2-3井均进行了试井，对煤储层渗透率进行了测试，测试结果如表2所示。

表2 各参数井测试煤层渗透率一览表

从表2测试结果来看，除了阜康建新煤矿测试的煤层渗透率较低以外，其它地区煤层的渗透率均较高，最高达到13.48mD，对煤层气的开采十分有利。按煤储层评价标准，应属低-中渗储层;具(微)裂缝者可达高渗储层级别。研究表明其变化与层位、孔隙度和岩石密度似无直接线性关系，而与煤岩类型有关。初步分析，暗淡煤的渗透率最低，由半暗煤-半亮煤-光亮煤，其渗透率有增高趋势。

1.4 煤储层压力

煤储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用。同时，储层压力也是水和气体从煤中裂隙流向井筒的能量，当降低煤储层压力，煤孔隙中吸附的气体开始解吸，向裂隙方向扩散，在压力差作用下从裂隙向井筒流动。现实中一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，将储层压力划分为三种类型 (见表3)。

表3 储层压力类型划分方案

在乌鲁木齐河东乌参1井、阜康白杨河阜参1井、阜康建新煤矿阜参2-3井均进行了试井，对渗透率、储层压力等进行了测试，得到数据见表4。

表4 各参数井测试煤层储层压力一览表

乌鲁木齐河东地区属于低压和正常压力储层;阜康大黄山矿区基本属于正常压力储层;阜康建新煤矿属于低压储层。

1.5 煤储层含气量

1.5.1 气含量的平面分布特征

经统计，研究区内气含量从2～15cm3/g均有分布，气体含量较大的地区阜康大黄山和乌鲁木齐矿区最高气含量均达到15cm3/g左右。阜康大黄山为侏罗系下统八道湾组地层，乌鲁木齐矿区则为侏罗系中统西山窑组地层。

准南煤田煤层气含量总体表现为东部和中部高，向西部逐渐变小的趋势。西部的石河子到乌苏四棵树地区，由于煤层变薄，构造复杂，煤层气开采价值不大。

1.5.2 气含量及气成分的垂向分布特征

垂向上，气含量与深度呈正相关关系，一般随埋深增大气含量逐渐增加，说明浅部煤层气保存条件差，煤层气含量低，深部地区煤层气保存条件好，煤层气含量高;而气成分与埋深的关系总体来说似乎不明显，但乌参1井测试数据显示，气体成分 (甲烷含量)与深度具有较好的相关性 (图2)。

图2 乌参1井甲烷含量平均值与深度的关系曲线

2 煤储层特征对煤层气聚集的影响

本区煤储层相对很厚，对煤层气的封闭极为有利。例如硫磺沟区西山窑组厚度大于10m的煤层有3层，八道湾组厚度大于10m的煤层有1层;乌鲁木齐河东区西山窑组厚度大于8m的煤层有8层，厚度大于20m的有5层，八道湾组厚度大于10m的煤层有4层。这些巨厚煤层生成的气体赋存在煤的孔隙表面，一般情况下不易发生运移，构成了煤层气保存的有利场所。

据傅雪海 (2001)研究，煤储层中微裂隙与煤岩类型关系密切，从光亮煤-半亮煤-半暗煤-暗淡煤，微裂隙发育程度逐渐减弱。本区煤层主要为光亮煤和半亮煤，煤储层中的微裂隙发育程度较高。

根据本区煤储层裂隙发育情况和傅雪海(2001)研究成果，属于矩形网状形态，裂隙彼此近于直交，连通性较好，因而具有较高的渗透性，渗透率的方向性中等。

以上诸因素，决定了本区煤的渗透性能好，为本区煤层气开发奠定了良好的储层条件。

3 煤层顶底板特征

本文在搜集大量准南煤田地勘期间钻孔资料的基础上，总结出本区煤层顶底板岩性组合多为以下几种:细砂岩、粉砂岩、泥岩等。为了阐明煤层气的保存条件，本次按照岩性粒度大小及其对气体的封闭能力，把煤层顶底板岩性组合划归为两类:即粗碎屑岩、细碎屑岩。砾岩及粗砂岩、中砂岩归类到粗碎屑岩，粉砂岩、泥岩、页岩及其互层归类为细碎屑岩。根据这一归类对主要煤层的顶底板岩性进行统计，结果见图3、4。

图3 各区煤层顶板岩性比例示意图

图4 各区煤层底板岩性比例示意图

研究区顶底板细碎屑岩均占60%以上，吉木萨尔水西沟最高达91%;底板细碎屑岩均占70%以上，乌鲁木齐河-四工河最高达到100%，从以上结果可以看出，各区煤层顶板和底板岩性均以细碎屑岩为主。

4 围岩对煤层气聚集的影响

4.1 顶板岩性对煤层气保存的影响

煤储层顶板对煤层气的封闭作用有三种机制:毛细管封闭、压力封闭和浓度封闭。毛细管封闭和压力封闭可以阻止气体运移;浓度封闭主要阻止气体的扩散。盖层毛细管封闭能力的大小主要表现为排驱压力，而烃浓度封闭能力与扩散系数关系密切。处于饱和或过饱和状态的煤层，如果缺乏良好的盖层，其中的游离气就会逸散，游离气散失导致压力降低，吸附气也会因浓度差从孔隙表面发生解吸，流入裂隙系统成为游离气而散失，使得煤层成为欠饱和煤层。所以，煤层气要很好的保存，围岩的封闭作用不可或缺。

煤层本身既是生气层又是储集层，造成气体浓度差异的机遇很少存在，煤层特殊的双孔隙结构，微孔隙发育，主要表现为毛细管力，盖层的毛细管力阻止气体的逸散。毛细管力的大小取决于毛细管半径大小及其分布，盖层岩石的岩性、粒度以及致密程度控制着毛细管大小。由上文分析可知，研究区煤层顶板和底板岩性均以细碎屑岩为主，均属于低渗透型隔挡层，透气性差，有利于煤层气的保存。

围岩封闭能力不仅在于粒度，围岩厚度也是很重要的。细粒致密的岩性和一定厚度的配合，大面积的稳定分布是煤层气保存的最佳条件。

4.2 煤系地层的封闭影响

煤层气以吸附状态赋存在煤孔隙中，吸附量一般达到90%～95%以上，处于游离态和溶解在水中的气是很少的。吸附状态的气体如果没有外界压力降的作用不容易散失，煤系地层的压力，维系着煤中气体解吸-吸附的动态平衡，阻止气体逸散。

煤层气储层封盖层的性能也与厚度有关，煤层的伪顶厚度小，其岩性对煤层气的保存影响很小。研究区侏罗纪含煤地层一般可达2500m左右，硫磺沟区、乌鲁木齐河东矿区含煤地层厚度由东向西逐渐增大，沉积环境由冲积相向河流相、湖泊相过渡，沉积粒度由西向东由粗变细。

垂向上，八道湾组含煤地层一般厚800余m，粗碎屑岩占53.6%，集中分布在该组下部，细碎屑岩46.1%，发育在上部;三工河组厚580m，粗碎屑岩占48.6%，细碎屑岩占51.4%，下部粒度粗上部粒度细;西山窑组含煤地层厚900余m，粗碎屑岩占35.6%，细碎屑岩占57.3%。这一岩性变化趋势与上节煤层顶底板岩性统计结果是一致的，西山窑组位于煤系上部，细碎屑岩比例高，封闭性最好。

垂向上的沉积岩性变化说明，3个煤系地层组为3个由粗到细的水进序列沉积，八道湾组的扇三角洲和西山窑组的湖泊三角洲沉积体系，水域比较稳定，水体动能小，构成了较厚的细碎屑岩含煤地层，对煤层气的封堵起了重要作用。

总体上，研究区煤层多、煤层厚度大，目标煤层顶底板岩性和煤系地层的厚度和岩性均以细碎屑岩为主，有利于本区煤层气的保存。

5 结论

本区煤储层相对很厚，煤层层数多，在垂向上构成多层封堵，减少和延缓了气体的散失，对煤层气的封闭极为有利。另外，本区煤变质程度低，煤孔隙度高，处于低生多储类型。煤的气含量低、孔隙度高，吸附能力相对强，煤层生成的气体被就地保存在煤的孔隙中。

煤储层顶底板岩性多为细碎屑岩，可以占到60%以上;煤系地层中，八道湾组地层岩性粗碎屑岩稍占优势，中上部的三工河组和西山窑组地层，岩性以细碎屑岩为主，围岩的岩性及厚度对煤层气的保存很有利。

煤层孔隙度高达10%左右，压汞试验煤的比表面积和孔容比等变质其它地区煤层的大，孔隙结构以裂隙-孔隙型为主，微孔可占50%以上;裂隙发育，实验室测定煤层渗透率高，在储层压力条件下 (4MPa)，可达1.33mD～70.8mD;这对于煤层气开采非常有利。

［1］新疆准噶尔盆地南缘煤层气选区评价报告 ［R］.新疆煤田地质局煤层气研究开发中心.2009.

［2］杨曙光，田继军;准噶尔盆地东部地区煤层气储层特征 ［J］.中国煤层气.2011，8(2):20-23.

［3］王俊民;准噶尔含煤盆地构造演化与聚煤作用［J］.新疆地质.1998，12(1):25-30.

［4］蔚远江;准噶尔盆地低煤级煤储层及煤层气成藏初步研究 ［D］.中国地质大学博士学位论文.2002.

［5］李瑞明;新疆准南煤田乌鲁木齐矿区煤层气储层特征 ［J］.中国西部科技.2009，8(16):1-3.

［6］张国庆;准南煤田煤层气资源开发前景 ［J］.中国煤田地质.2001，13(2):34-35.

The Influence Analysis of Coal Reservoir and Surrounding Rock on CBM Accumulation in Zhunnan Coalfield

Wang Deli，Li Fengyi，Yang Shuguang
(CBM R＆D Center of Xinjiang Coal?Geological Bureau，Xinjiang 830091)

Zhunnan coalfield has rich CBM resources with good occurrence condition，which is of great research significance.The paper analyze features of the coal reservoir form the aspects of coal structure，fractures in the coal seams，permeability，storage pressure，etc.through the data of test samples from the CBM parameter wells and parts of the coal mines.Based on the features summary of the coal reservoir and surrounding rock in Zhunnan coalfield，it analyzes the influence of the coal reservoir and surrounding rock on CBM accumulation，which will be provided as a reference for CBM development in the future.

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王德利，男，地质工程师，工学硕士学位，现于新疆煤田地质局煤层气研究开发中心从事煤及煤层气地质相关工作。

(责任编辑 桑逢云)