刘明杰

（1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030000）

1 引言

韩城矿区是我国著名的煤炭开采和具有煤层气开发潜力的矿区之一，地处鄂尔多斯盆地渭北隆起之东南缘，南临渭河地堑，西南与澄台矿区毗邻，东部边界以韩城大断裂和黄河为界。矿区主要含煤地层石炭～二叠系蕴藏着丰富的煤炭和煤层气资源，当前，区内煤层气已初步实现了商业化开发，部分煤层气开发理论亦逐渐开展，主要集中在煤层气赋存规律及其地质控制因素、煤层气开发潜力评价方面，而在煤层气储层物性特征方面研究甚少。本文基于韩城矿区地质资料和煤层气勘探开发资料，对区内3号煤层物性特征进行了探究，研究成果对区内煤层气开发提供技术支撑。

2 煤层气储层物性特征

2.1 煤层与煤岩特征

（1）煤层特征

煤层是煤层气的生气层和储集层，亦是煤层气开发的目标层位，其特征影响着煤层气开发的难易程度和经济可采性[1]。韩城矿区3号煤层位于山西组中下部，上距2号可采煤层4.0～28.0m，一般在15m左右。3号煤层为全区稳定可采煤层，累计厚度1.3～5.6m，一般在2m左右，为中～厚煤层。从该煤层矿区整体赋存情况来看，其在矿区中段东部板桥一带最为发育，最高厚度可达5.6m，向西北部和西南部逐渐变薄，厚度一般1.5m左右。煤层结构较简单，一般含矸石1～2层。煤层顶板多为湖泊相粉砂岩、砂质泥岩，老顶为河床相含白云母中～细砂岩，底板为滨湖相细砂岩或沼泽相粉砂岩、砂质泥岩。可见，韩城矿区3号煤层赋存良好、煤层结构简单且全区稳定可采，为煤层气开发提供了良好对象。

（2）煤岩特征

① 宏观煤岩特征

3号煤层为中高煤级的烟煤，其镜质组反射率为1.39%～1.81%。其以半光亮型煤为主，部分为光亮型、半暗淡型煤。暗煤和亮煤常形成2～3mm的线理状和细条带状互层，镜煤常呈1～2cm的薄层状、透镜体或条带状夹于煤层中，丝炭以薄层状产出。煤中可见大量方解石细脉充填裂隙之中，煤层中下部有黄铁矿成层分布现象，方解石含量亦较多。

② 显微煤岩特征

显微煤岩组分以镜质组为主，其次为半镜质组、丝质组、半丝质组，含有少量粗粒体和碎屑丝质体，矿物质极少。其中，镜质组以无结构镜质体和均质镜质体为主。半丝质与丝质组以有结构为特征，可见拉长的细胞、长轴。煤中方解石含量较高（2.8～5.0%），常以方解石脉形式充填于后生裂隙之中。粘土、黄铁矿含量较少，他们以粒状分散状分布。

2.2 煤层孔裂隙特征

（1）煤层孔隙特征

煤层孔隙是煤层气的主要聚集场所和运移通道，煤孔隙结构及其特征是研究煤层气赋存状态、煤层气解吸、扩散和渗流的主要内容[2]。采用压汞法对韩城矿区3号煤层孔隙结构进行了测定：3号煤层孔隙度3.3～4.6%，煤层孔隙类型主要以微孔（小于10nm）和过渡孔（10～100nm）为主，大孔（大于1000nm）次之，中孔（100～1000nm）最少。其中，微孔和过渡孔所占比例81.30～88.15%，中孔所占比例为3.55～5.06%，大孔所占比例为8.12～13.64%。3号煤层微孔和过渡孔发育较甚的特点，有利于煤层气的大量吸附和储集；退汞效率偏低，为43.51～56.23%，显示了煤层孔隙发育的多样性和连通性稍差。

（2）煤储层裂隙特征

煤层裂隙系统是煤层气储集、扩散、运移及渗流的通道，不同尺度的裂隙对煤层气产出的作用机理各异[3]。一般认为，微裂隙系统主要对煤层气起到储集作用，而其大裂隙系统则主要影响着煤层气扩散、运移及渗流[4]。通过对韩城矿区3号煤层的裂隙系统进行观测和统计分析：割理的组合形式以网状和孤立、网状为主。一般面割理密度为0.8～1.5条/cm，宽度为0.2～1.2mm，无充填，均垂直层理发育，多数切层连通状况不好，以镜煤中发育最好。端割理密度一般0.8～1.2条/cm，裂口宽度微米级。可知，3号煤层裂隙比较发育，割理系统中矿物质充填现象较少，对煤层气的产出极为有利。

2.3 煤层含气性

煤层含气性系指煤层中含甲烷气体的多寡，常用单位质量或体积的煤中所含的气体量来表征，单位为ml/g或m3/t。煤层含气性是煤层气区块评价及优选、煤层气资源量计算、矿井瓦斯涌出量计算及预测的关键参数[5]。韩城矿区在煤层气勘探开发过程中，采用钻井取芯含气量现场解吸法对区内3号煤层的原煤含气量进行了测定，其原煤含气量为3.00～16.07m3/t，平均11.03m3/t。同时，对其他组分亦进行了测定，煤层气体组分以甲烷为主，次为二氧化碳和氮气。其中，甲烷所占体积分数为86.11～96.73%，多在90%以上。次为氮气（N2）和二氧化碳（CO2），两者之和一般在8%左右。纵向上，煤层气成分与煤层变质程度同步变化，无明显差异。可知，3号煤层含气量和甲烷浓度总体均较高，可为煤层气开发提供良好的资源条件。

2.4 煤的吸附特性

煤的吸附试验是在一定温压条件下评价煤对甲烷气体分子的吸附能力、吸附量及储集空间的重要技术手段，试验参数是计算煤层气临界解吸压力、枯竭压力及煤层气采收率的重要资料[6]。煤层气在煤层中主要以单分子层吸附为主，因而遵循Langmuir吸附方程。据韩城矿区3号煤的等温吸附试验结果：在兰氏压力1.33～3.33MPa，平均2.32MPa条件下，3号煤的兰氏体积为15.27～29.72m3/t，平均为22.06m3/t。可见，在兰氏压力中等～高条件下，该煤层对甲烷具有较强的吸附能力，吸附量亦相对较高，体现了煤中具有较好的储集煤层气空间。

2.5 煤储层压力

储层压力即为作用于煤岩孔隙空间内流体上的压力值，常用压力梯度值来对其定量描述或表征。当前，煤储层压力梯度值主要基于压力梯度大于、等于或小于淡水压力梯度的情况来衡量的，即当煤储层压力梯度大于9.79kPa/m时为超压(或高压)煤储层压力异常状态。煤储层压力梯度等于9.79kPa/m时，为正常煤储层压力状态。煤储层压力梯度小于9.79kPa/m时，称之为低压煤储层压力异常状态。采用煤层气注入/压降试井法对韩城矿区3号煤储层压力进行了测定，在煤储层埋深601.07～672.33m范围内，煤储层压力为7.31～9.43MPa，压力梯度为10.87～15.68kPa/m。可见，韩城矿区3号煤储层压力总体较高，为超压异常状态，显示了该区地层能量较高和驱动煤层气产出的动力强劲，有利于煤层气的排水降压产出和煤层气井的高产。

2.6 煤层渗透性

煤层渗透性系指诸如水、煤层气等流体在压差作用下，通过煤层的难易程度，常用渗透率来定量表示。煤层渗透性是煤层气井产能预测和煤层气区块评价及优选的关键参数之一，煤层渗透率越高，对煤层气开发越为有利，反之亦然。据研究和煤层气开发资料显示，煤层渗透率介于0.55～100mD的煤层气区块，区内煤层气井多为高产井，渗透率过低或者过高均对煤层气生产不利。采用煤层气注入/压降试井法对韩城矿区3号煤层渗透率进行了测定，其值为1.93～3.50mD。可见，韩城矿区3号煤层渗透率相对较高，煤层渗透性较好，体现了煤层中煤层气运移、渗流通道良好，利于煤层气的高效产出和煤层气井的高产。

3 结论

（1）3号煤层为全区稳定可采的中～厚煤层，煤层结构简单，可为煤层气开发提供良好的目标层位；3号煤层为中高煤级的烟煤，宏观煤岩类型以半光亮型为主，部分为光亮型、半暗淡型。宏观煤岩组分中暗煤和亮煤常以线理状和细条带状互层，丝炭以薄层状产出。显微有机煤岩组分以镜质组为主，无机矿物质极少。

（2）3号煤层的中高变质，不但使得煤中大量的微孔及过渡孔隙发育，为煤层气提供了大量吸附和储集空间。亦导致煤中裂隙系统相对发育，为煤层气提供了良好的渗流通道，渗透率相对较高。同时，煤的变质促进了煤的大量生烃，使得煤层含气量整体较高；煤储层压力为超压异常状态，显示了该区地层能量较高和驱动煤层气产出的动力强劲，有利于煤层气的排水降压产出和煤层气井的高产。