王建华，梁永平

(1.宁夏煤炭勘察工程有限公司，银川 750000；2.宁夏回族自治区煤炭地质局，银川 750001)

宁夏银川市红墩子矿区红三井田行政隶属兴庆区管辖，井田呈近南北向展布，东西宽约5.2km，南北长约9.6km，总面积约46.32km2，含煤地层为二叠系下统山西组和石炭二叠系太原组，全井田、大部及局部可采煤层6层，属较稳定煤层，煤类以气煤为主，煤质特征为中灰、中—中高硫、特低磷—低磷和低—中热值、中等水分、中黏结性煤的动力煤，是良好的动力用煤和化工用煤之一，探明资源量47 633万t，高硫煤9 729万t。

1 含煤地层及煤层

含煤地层为石炭二叠系太原组(C2P1t)和二叠系下统山西组(P1s)，地层总厚167.03～286.01m，平均176.36m，可采煤层6层，依次为2、4、9-1、9-2、10、11煤，平均总厚9.17m，可采含煤系数5.33%。沉积范围内全部可采煤层3层(9-1、9-2、10)，大部可采煤层3层(2、4、11)。

2 煤储层特征

煤层既是煤层气生成的物质基础，又是煤层气富集的载体。煤储层特征包括煤的物质组成、煤层气含量、吸附性、渗透性、储层压力以及煤体结构及孔隙特征等方面，这些因素直接影响到煤层气开发气井产出能力，关系到煤层气开发的可行性，因此对煤层气储层特征的研究具有重要意义。

2.1 煤的吸附性

煤对甲烷具有较强的吸附性。煤吸附能力的大小不仅取决于煤的显微组分、变质程度以及孔隙特征等内在因素，而且还受控于储层压力、储层温度及含水饱和度等外在条件。煤的等温吸附曲线反映了在一定温度(通常为煤储层温度)、不同压力下煤层通过吸附存储甲烷的能力。因此，煤层对甲烷气体的吸附能力，决定了煤层气在煤储层中的赋存状态、储集能力和煤层气产出过程。通常用Langmuir体积和Langmuir压力来描述煤的吸附特性，这两个参数可通过等温吸附实验得出。

勘探阶段在1111、712钻孔两口煤层气参数井中，分别采集了4号、5号及9号煤层的煤样，进行了高压等温吸附实验(表1)。绘制了3个煤层的等温吸附曲线图(图1至图3)。实验结果表明，该区煤的吸附性具有如下特点：

图1 红三井田4号煤层等温吸附曲线Figure 1 Coal No.4 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

图2 红三井田5号煤层等温吸附曲线Figure 2 Coal No.5 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

图3 红三井田9号煤层等温吸附曲线Figure 3 Coal No.9 isothermal adsorption curve in Hongsan minefield

表1 煤层等温吸附实验数据Table 1 Coal seam isothermal adsorption tested data

1)区内各煤层的吸附能力中等，与国内同变质程度煤的吸附能力相比较略低。一般情况，煤的吸附性主要受煤变质程度的控制，因此，煤级的分布基本上反映了在区域上煤的吸附特性。由于各煤层煤的变质程度基本相当，区内纵向上煤吸附能力变化较小。各煤层的空气干燥基Langmuir体积(VL)为12.85～17.11m3/t，干燥无灰基Langmuir体积(VL)为16.84～20.80m3/t，Langmuir压力(pL)为3.28～5.41MPa。

2)煤中灰分含量对其吸附性能有显著的影响。图4显示随着煤中灰分含量的增加，煤的空气干燥基吸附量明显降低。

图4 煤中灰分与空气干燥基吸附量关系Figure 4 Relationship between coal ash and air dried basis adsorptive capacity

2.2 煤层气含量

含气量是制定煤层气勘探计划、进行资源评价不可缺少的参数，它直接控制着煤层气资源量的大小，对煤层气可采性的预测有直接影响。因此，获取准确的气含量数据就显得尤其重要。

从表2测试数据在平面上的分布情况来看，难以反映整个勘探区气含量分布的情况；对勘探阶段布置的瓦斯含量测试孔数据进行了统计分析(表3)。两种方法测得数据存在一定的差异，但总体上，通过这些数据可以反映出井田内煤层气含量的基本变化趋势，为井田的气含量和资源量预测提供了依据。从表2和表3测试结果可以看出：井田内各煤层气含量普遍较低，平均甲烷含量均小于1.00 m3/t。各煤层气含量与煤层埋藏深度无明显规律，煤层气含量在下部煤层有所增加，水平方向上同一煤层其深度变化较大、但煤层气含量变化不大。但在双井梁断层与石门坎背斜狭长区域，甲烷含量相对偏高，甲烷含量达1.13 m3/t，结合以往勘探瓦斯测试资料，表明在井田背斜轴部及断层破碎带可能存在较高煤层气聚集点。

表2 2口煤层气参数井主要煤层气含量结果统计Table 2 Statistics of main coal seam CBM content results from 2 CBM stratigraphic wells m3/t

表3 红三井田各煤层瓦斯测试结果Table 3 Coal seams tested gas results in Hongsan minefield m3/t

2.3 气成分

两口煤层气参数井无法采集气成分样，通过对涵盖全区的地勘阶段所获取的气成分分析结果(表4)表明，N2浓度多高于80%，最高可达99.29%；CH4浓度都低于80%，最高为72.90%，普遍低于10%；CO2浓度从0.34%～16.55%，一般低于10%，具有瓦斯风化带的特征，即井田各主采煤层基本处于瓦斯风化带内。

表4 钻孔瓦斯气成分分析结果Table 4 Analyzed results of borehole gas composition analysis %

2.4 含气饱和度

含气饱和度是反映煤层含气的饱满程度，指煤样实测气含量与按该煤层实际储层压力下确定的理论吸附量的比值。对井田两口煤层气参数井4煤、5煤和9煤实测数据计算出的含气饱和度结果表5可以看出，该区煤储层的含气饱和度普遍偏低，含气饱和度为1%～7%，均处于欠饱和状态。

表5 煤储层含气饱和度计算结果Table 5 Computed results of coal reservoir gas saturation

2.5 煤层渗透率

煤层渗透率是煤储层评价的最为关键的参数，通常描述的煤储层渗透率是指煤层裂隙渗透率，通过注入/压降试井方法测得。煤层渗透率的高低直接决定着煤层气的运移和产出性。通过对井田内实施的两口煤层气参数井采用注入/压降法试井，测得2号煤层渗透率为94.50mD，由于测试层段较长，渗透率偏高不能完全代表煤储层情况；4号煤层渗透率为0.12mD，渗透性较差；9号煤层渗透率为0.30～2.32mD，平均为1.31mD，渗透性相对较好(表6)。参考相邻红四井田煤层渗透率测定结果，与国内其它地区煤层普遍低渗的特点相比，井田测试各煤层的渗透性相对较好。

表6 煤储层参数测定结果Table 6 Tested results of coal reservoir parameters

2.6 储层压力

煤储层压力直接决定着煤层对甲烷等气体的吸附和煤层气的解吸，是影响煤层气开发的重要参数。在气井排采时，煤储层压力越高，越容易降压排采，越有利于煤层气开发。井田两口煤层气参数井测试的煤储层压力数据见表6，由测试结果可以看出，该区实测各煤层储层压力为8.09～9.30MPa，压力梯度为0.78～1.09MPa/100m，多高于静水压力梯度，多属于常压至高压储层。

2.7 地应力

地应力是煤层渗透率非常敏感的控制因素。随地应力的增加，煤层渗透率会显著降低。煤层气勘探开发的实践表明：有效地应力越高，煤层渗透性越差；反之，煤层渗透性越好。据1111和712钻孔试井测得数据(6)，煤层地应力为11.48～17.73MPa，地应力梯度为1.48～1.78MPa/100m，同国内其它地区的煤层相比，其应力梯度属于正常范围。

2.8 储层温度

储层温度是煤层气富集能力的敏感条件，温度直接影响到煤对煤层气的吸附能力和解吸速度。从储气角度来看，温度越低，吸附量越大；而从开采角度来说，温度的升高有利于煤层气的解吸。该井田以往地质勘查成果表明，该区恒温带深度为50～70m，恒温带温度为14.68℃；垂深小于1 300m以浅，地温值最高56.46℃，低温梯度变化为2.38～4.34℃/100m，平均地温梯度为3.40℃/100m，属于地温异常区。结合本次施工两口井煤层气参数井主要煤层储层温度测量结果分析(表7)，4煤储层温度变化范围34.94～51.73℃，平均为44.41℃；9煤储层温度变化范围36.42～54.00℃，平均为46.19℃。

表7 煤层储层温度测试结果Table 7 Tested results of coal reservoir temperature

3 煤层含气量控制因素分析

煤层气含量的大小主要受埋藏深度、地质构造、煤的变质程度、煤的物质组成等多种因素控制，对不同地区各种因素的影响程度不同。从已经掌握的资料看，红三井田煤层含气量主要受地质构造和围岩封闭条件的控制。

3.1 煤层生气条件

煤的生气能力是煤层含气的基础，煤的生气能力由煤的变质程度决定，同时，煤层气的生成又受到煤的物质组成的控制。下面针对煤的物质组成和煤的变质程度对煤的生气影响进行分析。

煤的有机显微组分是生气组分，而无机组分不是产气组分。由井田施工钻孔采集煤样测试结果可知，各煤层煤的有机质含量为72.9%～98.6%，有机显微组分多在80%以上。因此，各煤层均具有大规模生气的物质条件。

由井田内各煤层采集煤样镜质组反射率测试结果可知，长焰煤阶段煤的总生气量41～93m3/t，气煤阶段为48～122m3/t。而从井田范围内所有测试点的煤层气(瓦斯)含量测试结果来看，煤层甲烷含量最大的点也只有1.13m3/t，远低于该阶段煤的生气量。因此，煤的生气能力不是影响该区煤层气分布主要因素。

3.2 煤的储气能力

90%以上的煤层气是以吸附状态吸附在煤基质表面，煤的储气能力大小主要表现在其吸附能力强弱，可用等温吸附常数来表示。井田主要煤层由于热演化程度较低，煤的孔隙发育、孔隙度高、连通性较好，从煤的生、储气能力来看，煤层在整个煤演化阶段中属“少生中储”类型。根据等温吸附试验参数测试的结果可知，各主要煤的Langmuir体积常数为16.84～20.80m3/t，远远高于各煤层实际煤层气含量，因此煤的储气能力不是影响该区煤层气分布主要因素。

3.3 煤层埋藏深度

煤层气含量具有随着煤储层埋藏深度和压力的增加而增大的分布规律。通过对井田内已有钻孔瓦斯资料看，埋深1 200m以浅煤层，随煤层埋深变化煤层气含量无明显分布规律，也从侧面反映出，该井田煤层气含量主要受控于其他地质因素。

3.4 地质构造

构造运动不仅控制了煤的演化和煤层气的生成过程，而且还影响到煤层气的保存条件。区域地质构造演化表明，聚煤期后，煤系地层被抬升，上覆地层遭到大量剥蚀，煤层气保存条件变差，大量气体在此期间逸散丢失。尤其是燕山期间的抬升运动，煤层气生气条件和保气条件均已恶化，这是造成本区煤层气含量低主要原因；井田地层总体向东倾伏，本区西北边界为黄河断裂，这就对煤层气逸散提供了良好的逸散通道。

3.5 煤层围岩封盖条件

煤层顶板岩性对于煤层气的保存与富集具有十分重要作用。良好的封盖层可以减少煤层气的向外渗流运移和扩散散失，保持较高地层压力，维持最大的吸附量，减弱地层水对瓦斯造成的散失。一般煤层顶板为砂质泥岩、泥岩类或致密灰岩时有利于煤层气的保存，顶板岩层的岩性越疏松、颗粒及孔隙越大，则越利于煤层气的运移和逸散。

井田各主要可采煤层顶板多为细砂岩、粉砂岩，其次为灰岩、中砂岩及粗砂岩，井田煤层顶底板岩性及分布对煤层气的保存较为不利。

3.6 水文地质条件

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中，地下水系统通过地层压力对煤层气吸附聚集起控制作用，地下水的流动对煤层气起溶解、逸散作用。因此，水文地质条件对煤层气的赋存和运移影响很大。红三井田煤系地层含水层富水性弱，地下水补给、径流和排泄条件都比较差，携带煤层瓦斯运移逸散的程度极低；地下水沿岩层倾向由浅部向深度径流，煤层中向上扩散的气体将被封堵，致使煤层气聚集，对煤层瓦斯的保存和富集有利。煤系地层上覆的下石盒子组砂岩含水层富水性差，属极弱含水层，地下水径流排泄条件差，对从煤系地层中逸散出来的煤层气起到了有效的隔离作用，对煤层气的保存有利。

4 结论

从煤层气参数井的测试结果分析，井田各煤层基本处于瓦斯风化带内，各煤层空气干燥基气含量均小于1.00 m3/t。按照《煤层气资源/储量规范》(DZ/T0216—2010)的要求，煤层气资源量计算气含量下限值为1.00 m3/t；煤层气参数井煤层气含量测试结果：各煤层空气干燥基总气含量为0.12～0.62 m3/t，均小于1.00 m3/t，综合测试结果表明各主要可采煤层气含量均较小。

对红三井田煤层气形成的地质条件系统分析认为，井田内地质构造是控制气含量的最关键性因素，其次为煤层顶底板的封盖条件，而煤的物质组成等其它因素对气含量的影响相对较小，这是造成井田煤层气含量低的主要原因，就煤层含气性而言，不具备进行地面煤层气开采条件。