山西河东煤田隰县南煤层气储层特征及含气性研究

郝力生

摘 要：煤储层特征和含气性是煤层气成藏的关键因素，也是煤层气开采的重要依据。通过对山西河东煤田隰县南煤层气储层的孔隙度、吸附性、含气性、渗透性、储层压力、含气饱和度和储层温度等特征进行分析，探讨该地区煤层气开发利用的前景，划分出煤层气勘探开发的有利区域。

关键词：煤田；煤层气；储层特征；含气性；

中图分类号：P618.11 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）03-0145-02

1 概述

河东煤田是我国重要的煤炭基地，也是煤层气开发的热点地区之一。从河东煤田隰县南部煤层气的资源条件、储层特征和含气性等方面进行研究，探讨该地区煤层气开发利用的前景。

2 煤层气地质特征

研究区位于鄂尔多斯台坳东缘和紫荆山断裂带西侧，整体为倾向西的单斜构造。主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。其中太原组地层厚51.10～111.6 m，一般厚72.53 m左右，共含煤7层，平均厚度7.17 m，含煤系数7.79%；山西组地层厚34.75～72.15 m，平均厚47.16 m，共含煤6层，煤层平均厚度5.46 m，含煤系数11.58%.

2.1 煤层

2号煤层为山西组主力煤层，位于山西组下部。煤层厚0.81～7.57 m，平均厚4.46 m，平面分布上具有东北薄西南厚的特点。煤层结构较为简单，一般含0～2层夹矸，顶、底板岩性都以泥岩为主。

9号煤层为太原组主力煤层，位于太原组下部，上距2号煤层49.62～72.36 m，平均60.28 m。煤层厚0.54～6.71 m，平均厚3.80 m，厚煤带主要集中在明珠找煤勘查区的中部，四周煤层厚度相对较薄，一般含0～1层夹矸，顶板为K2石灰岩（局部为泥岩），底板以铝质泥岩为主。

2.2 煤质特征

2号煤层宏观煤岩类型以半亮型煤为主，次为暗淡型煤，条带状结构，水平层理发育；9号煤层为光亮型煤，宏观煤岩成分均以亮煤、暗煤为主，割理和内生裂隙一般较为发育。显微组分中有机组分都以镜质组为主，无机组分以黏土类为主，壳质组含量极少。煤的变质程度较高，主要为中—高变质程度的焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤，平面上自东向西煤的变质程度逐渐增高，呈带状展布。东部露头区，煤阶主要为焦煤和瘦煤，向西随着埋藏深度的增加，变质程度逐渐增高，过渡为贫煤和无烟煤，该区主要受深成变质作用和叠加区域岩浆变质作用影响，使南部煤的变质程度比北部高。

3 煤层气储层特征

3.1 孔隙特征

煤是一种无序的非均质孔隙介质。其中孔隙主要由气孔、植物组织孔、原生粒间孔和溶蚀孔等几种类型形成。煤的孔径结构特征不仅与孔隙的赋存状态有关，而且还极大地影响到煤基质块与气、水介质间的物理和化学作用。

由煤样孔隙测试结果可知，本区煤层的总孔容在36.0～67.5 mm3/g之间，9号煤层的总孔容高于2号煤层，但二者的孔径分布特征相似，都是以大孔为主，过渡孔次之，微孔和中孔所占比例最低，属过渡型孔隙类型。由于过渡孔所占比例较大并含有一定数量的微孔，所以气体在煤基质块中的运移较为困难。两煤层孔比表面积分布特征测试结果相似，过渡孔的比表面积所占比例最高，次为微孔，大孔和中孔比表面积所占比例很低，与孔容的分布趋势一致。煤层气主要富集在微孔、过渡孔隙中，中孔、大孔的不发育是造成煤层气扩散、渗流的“瓶颈”。

3.2 裂隙特征

研究区2号煤面割理走向大致分布在190°～360°范围内，面割理和端割理的频度分别为4～28条/5 cm和3～2条/5 cm；9号煤面割理走向大致在140°～200°之间，面割理和端割理频度分别为5～27条/5 cm和2～18条/5 cm，部分裂隙被矿物质充填。从煤层割理发育频度、长度、缝宽情况看，大宁地区古驿—窑渠背斜轴部裂隙发育良好。

杜家沟矿和张节塔矿9号煤层内生裂隙密度分别为2条/cm和22条/cm，毛则渠矿和台头矿2号煤层分别为6条/cm和5条/cm。镜煤和亮煤条带中内生裂隙极为发育，但走向变化较大，多与层面垂直。井下可见切穿煤层的构造裂隙，间距多在10 m以内。

3.3 煤层渗透率

测试研究区煤层气井渗透率的注入压降，发现区内煤层渗透率平面差异较大，渗透率变化在0.02～42.86 mD。整体随煤层埋藏增大的，渗透率降低的趋势明显；局部埋藏加深的，渗透率增高与构造密切相关，背斜构造轴部，断裂构造发育区域煤层孔渗条件均较好，比如吉试4井、吉试13井位于古驿—窑渠背斜构造轴部，煤层渗透率大于18 mD。相比之下，区内2号煤储集性能优于9号煤层，煤层浅埋藏区（<1 000 m）、背斜构造轴部是寻找高孔渗区的有利部位。

3.4 储层压力、温度特征

研究区主力煤层埋藏深度在1 100～1 321.00 m，储层压力在10.30～12.95 MPa，压力梯度范围为0.84～1.07 MPa/100 m，采用压力梯度为0.85 MPa/100 m，平均地温梯度为2.34 ℃/100 m，恒温带深度120 m，温度16 ℃。不同埋藏深度条件下储层压力、温度预测值见表1.

3.5 等温吸附特征

区块内煤的吸附能力较强，空气干燥基Langmuir体积平均吸附量为23.73 m3/t，2号煤为25.06 m3/t，9号煤为22.24 m3/t。干燥无灰基Langmuir体积吸附量平均为27.68 m3/t，2号煤为27.83 m3/t，9号煤为27.51 m3/t。Langmuir压力为1.22～3.93 MPa，平均为2.06 MPa，2号煤为2.06 MPa，9号煤为2.16 MPa。由图1可见，2号煤吸附能力较9号煤略强。

4 含气性

4.1 煤层实测含气量

根据收集到的煤田钻孔含气量测试数据（国内解吸法MT77-84测得），2号煤层气含量介于0.08～13.52 m3/t之间，埋藏深度在199.47～1 326.90 m，一般在700～1 100 m；9号煤层气含量介于0.71～16.54 m3/t之间，埋藏深度在242.10～1 382.70 m，一般范围为800～1 100 m。由于浅部数据较少，根据已有含气量数据推测，瓦斯氧化带深度在380 m左右，如图2所示。

由该地区内煤层气井测试数据显示，2号煤层含气量介于10.73～20.87 m3/t之间，埋深分布于977.80～1 356.00 m之间，平均含气量17.22 m3/t；9号煤层含气量介于1.12～17.2 m3/t之间，一般在8～14 m3/t之间，平均9.68 m3/t，埋深分布于965.10～1 443.00 m之间。

根据区内煤田钻孔煤层气气测成果，2号煤层CH4平均浓度占77.23%，其中N2占13.01%，CO2占4.88%，重烃占4.86%；9号煤层CH4平均浓度占85.29%，其中N2占6.67%，CO2占4.01%，重烃占4.01%。此外，区块内重烃含量的较高区域，煤层气解吸相对困难。

图1 煤的空气干燥基等温吸附曲线图 图2 煤层含气量与埋藏深度的关系图

4.2 含气饱和度

研究地区含气饱和度较高，煤层气井实测含气量平均在11.76～20.87 m3/t之间，含气饱和度在70.66%～92.38%之间。但是，煤田钻孔测试煤层气含气量较煤层气井低（埋藏深度612.86～1 085.00 m），通过等温吸附方程计算理论最大吸附气量，获得含气饱和度为19.33%～62.49%，预测在800～2 000 m埋藏深度区间含气饱和度为31.78%～81.92%之间。

5 结束语

研究区煤层气储层单层厚度较大，大部分区域煤层厚度大于3 m，结构简单，煤层气资源丰富；煤层孔隙比较发育，煤的吸附能力较强，且随着埋深的增加，吸附能力增大；煤层渗透率平面差异较大，总体上埋藏深度增加，渗透性变差，背斜构造轴部，断裂构造发育区域煤层渗透条件均较好；储层含气量及含气饱和度较高，储层压力梯度较大，为煤层气开发利用提供良好基础条件。

研究区的中西部薛关—峪口挠曲周边煤层埋藏深度适中（600～1 500 m）、渗透率相对较好的，可作为煤层气勘探开发利用首选区之一。

参考文献

[1]孙斌，王宪花，陈彩虹，等.鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区煤层气分布特征[J].天然气工业，2004，24（5）：17-20.

[2]陈飞，姜波，曾春林，等.大宁—吉县地区构造应力场研究及对煤层气分布的影响[A].煤层气勘探开发理论与实践[C]. 2007：104-109.

[3]孙斌，邵龙义，李五忠.大宁地区煤层气成藏控气因素分析[J].天然气工业，2008，28（3）：40-44.

[4]韦重韬，桑树勋.河东煤田乡宁地区主煤层储层物性特征及意义[J].中国矿业大学学报，1997，26（4）：45-48.

[5]马财林，陈岩，权海奇.大宁—吉县区块煤层气勘探开发潜力评价[A].中国煤层气勘探开发利用技术进展[C].北京：地质出版社，2006：68-77.

[6]杨遂发.山西省大宁—吉县地区煤层气地质研究[D].北京：中国地质大学，2002.

[7]赵庆波，李贵中，孙粉锦，等.煤层气地质选区评价理论与勘探技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

〔编辑：李珏〕

4 含气性

4.1 煤层实测含气量

根据收集到的煤田钻孔含气量测试数据（国内解吸法MT77-84测得），2号煤层气含量介于0.08～13.52 m3/t之间，埋藏深度在199.47～1 326.90 m，一般在700～1 100 m；9号煤层气含量介于0.71～16.54 m3/t之间，埋藏深度在242.10～1 382.70 m，一般范围为800～1 100 m。由于浅部数据较少，根据已有含气量数据推测，瓦斯氧化带深度在380 m左右，如图2所示。

由该地区内煤层气井测试数据显示，2号煤层含气量介于10.73～20.87 m3/t之间，埋深分布于977.80～1 356.00 m之间，平均含气量17.22 m3/t；9号煤层含气量介于1.12～17.2 m3/t之间，一般在8～14 m3/t之间，平均9.68 m3/t，埋深分布于965.10～1 443.00 m之间。

根据区内煤田钻孔煤层气气测成果，2号煤层CH4平均浓度占77.23%，其中N2占13.01%，CO2占4.88%，重烃占4.86%；9号煤层CH4平均浓度占85.29%，其中N2占6.67%，CO2占4.01%，重烃占4.01%。此外，区块内重烃含量的较高区域，煤层气解吸相对困难。

图1 煤的空气干燥基等温吸附曲线图 图2 煤层含气量与埋藏深度的关系图

4.2 含气饱和度

研究地区含气饱和度较高，煤层气井实测含气量平均在11.76～20.87 m3/t之间，含气饱和度在70.66%～92.38%之间。但是，煤田钻孔测试煤层气含气量较煤层气井低（埋藏深度612.86～1 085.00 m），通过等温吸附方程计算理论最大吸附气量，获得含气饱和度为19.33%～62.49%，预测在800～2 000 m埋藏深度区间含气饱和度为31.78%～81.92%之间。

5 结束语

研究区煤层气储层单层厚度较大，大部分区域煤层厚度大于3 m，结构简单，煤层气资源丰富；煤层孔隙比较发育，煤的吸附能力较强，且随着埋深的增加，吸附能力增大；煤层渗透率平面差异较大，总体上埋藏深度增加，渗透性变差，背斜构造轴部，断裂构造发育区域煤层渗透条件均较好；储层含气量及含气饱和度较高，储层压力梯度较大，为煤层气开发利用提供良好基础条件。

研究区的中西部薛关—峪口挠曲周边煤层埋藏深度适中（600～1 500 m）、渗透率相对较好的，可作为煤层气勘探开发利用首选区之一。

参考文献

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[7]赵庆波，李贵中，孙粉锦，等.煤层气地质选区评价理论与勘探技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

〔编辑：李珏〕

4 含气性

4.1 煤层实测含气量

根据收集到的煤田钻孔含气量测试数据（国内解吸法MT77-84测得），2号煤层气含量介于0.08～13.52 m3/t之间，埋藏深度在199.47～1 326.90 m，一般在700～1 100 m；9号煤层气含量介于0.71～16.54 m3/t之间，埋藏深度在242.10～1 382.70 m，一般范围为800～1 100 m。由于浅部数据较少，根据已有含气量数据推测，瓦斯氧化带深度在380 m左右，如图2所示。

由该地区内煤层气井测试数据显示，2号煤层含气量介于10.73～20.87 m3/t之间，埋深分布于977.80～1 356.00 m之间，平均含气量17.22 m3/t；9号煤层含气量介于1.12～17.2 m3/t之间，一般在8～14 m3/t之间，平均9.68 m3/t，埋深分布于965.10～1 443.00 m之间。

根据区内煤田钻孔煤层气气测成果，2号煤层CH4平均浓度占77.23%，其中N2占13.01%，CO2占4.88%，重烃占4.86%；9号煤层CH4平均浓度占85.29%，其中N2占6.67%，CO2占4.01%，重烃占4.01%。此外，区块内重烃含量的较高区域，煤层气解吸相对困难。

图1 煤的空气干燥基等温吸附曲线图 图2 煤层含气量与埋藏深度的关系图

4.2 含气饱和度

研究地区含气饱和度较高，煤层气井实测含气量平均在11.76～20.87 m3/t之间，含气饱和度在70.66%～92.38%之间。但是，煤田钻孔测试煤层气含气量较煤层气井低（埋藏深度612.86～1 085.00 m），通过等温吸附方程计算理论最大吸附气量，获得含气饱和度为19.33%～62.49%，预测在800～2 000 m埋藏深度区间含气饱和度为31.78%～81.92%之间。

5 结束语

研究区煤层气储层单层厚度较大，大部分区域煤层厚度大于3 m，结构简单，煤层气资源丰富；煤层孔隙比较发育，煤的吸附能力较强，且随着埋深的增加，吸附能力增大；煤层渗透率平面差异较大，总体上埋藏深度增加，渗透性变差，背斜构造轴部，断裂构造发育区域煤层渗透条件均较好；储层含气量及含气饱和度较高，储层压力梯度较大，为煤层气开发利用提供良好基础条件。

研究区的中西部薛关—峪口挠曲周边煤层埋藏深度适中（600～1 500 m）、渗透率相对较好的，可作为煤层气勘探开发利用首选区之一。

参考文献

[1]孙斌，王宪花，陈彩虹，等.鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区煤层气分布特征[J].天然气工业，2004，24（5）：17-20.

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[4]韦重韬，桑树勋.河东煤田乡宁地区主煤层储层物性特征及意义[J].中国矿业大学学报，1997，26（4）：45-48.

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[6]杨遂发.山西省大宁—吉县地区煤层气地质研究[D].北京：中国地质大学，2002.

[7]赵庆波，李贵中，孙粉锦，等.煤层气地质选区评价理论与勘探技术[M].北京：石油工业出版社，2009.

〔编辑：李珏〕