阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤儲(chǔ)層物性特征及有利區(qū)評(píng)價(jià)

辛博文，李鑫，田繼軍

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

煤層氣在我國資源中占重要的戰(zhàn)略地位[1]，新疆煤層氣資源量豐富，約占全國的26%[2]。煤層既是儲(chǔ)集層，也是生氣層[3-5]，受諸多地質(zhì)因素影響，不同礦區(qū)的煤儲(chǔ)層物性具很強(qiáng)的非均質(zhì)性，會(huì)對(duì)煤層氣的開采造成一定困難，而煤層氣高效開發(fā)的先決條件是對(duì)煤層氣儲(chǔ)層的物性認(rèn)識(shí)[6]。阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤儲(chǔ)層具低煤階、傾角大、厚度大、層數(shù)多等新疆部分區(qū)域煤儲(chǔ)層的典型特征[7]，通過巖心觀察、薄片鑒定、測(cè)井資料分析、煤樣化學(xué)分析、含氣量測(cè)定、等溫吸附試驗(yàn)、孔隙度測(cè)定等方法對(duì)阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行研究，可為試驗(yàn)區(qū)煤層氣有利層位優(yōu)選和勘探開發(fā)提供可靠的技術(shù)支持。

1 地質(zhì)概況

阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)構(gòu)造位于準(zhǔn)噶爾盆地南部、天山優(yōu)地槽褶皺帶北部的中央地區(qū)，呈近EW向展布（圖1-a）。試驗(yàn)區(qū)斷層為逆斷層，其中雅瑪里克山逆斷層位于區(qū)內(nèi)南部邊緣，為一區(qū)域性斷裂，具明顯波狀性，走向90°～95°，斷面南傾，傾角55°～60°，斷距大于300 m。阜康逆掩斷層分布于礦區(qū)北部一帶，為三級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)的次級(jí)構(gòu)造，斷面南傾。地表傾角較大，約為45°～55°，深部漸緩，約18°～40°，落差約3 978 m。

試驗(yàn)區(qū)由老到新依次發(fā)育二疊系、三疊系、侏羅系八道灣組、三工河組、白堊系及第四系[8-9]。主要含煤地層為侏羅系八道灣組，含煤10 層，自下而上依次發(fā)育45、44、43、42、41、40、39、37、35-36、34號(hào)煤層。由于試驗(yàn)區(qū)煤層多，分布面積大且構(gòu)造單元較大，本次研究選取煤層埋深較淺（500～1 200 m）、厚度變化穩(wěn)定且全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的42、41、39 號(hào)煤層作為主力煤層（圖1-b）。

圖1 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置示意圖（a）及試驗(yàn)區(qū)綜合柱狀圖（b）Fig.1 Regional tectonic position diagram of Fukang Shagou pilot test area(a)and comprehensive columnar diagram of test area(b)

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

觀察阜康先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)主力煤層190 個(gè)煤樣并參考其他地質(zhì)資料，八道灣組宏觀煤巖大致相同，主要以半暗型煤及半亮型煤為主，暗煤次之，光亮型煤最少（圖2）。

圖2 宏觀煤巖類型占比示意圖Fig.2 Macroscopic diagram of coal rock type proportion

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)八道灣組主力煤層有機(jī)質(zhì)總含量平均占比62.3%～96.3%，無機(jī)質(zhì)總含量平均占比3.8%～37.7%。有機(jī)質(zhì)大多以鏡質(zhì)體為主，平均占比37.8%～87.6%，以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體為主，基質(zhì)鏡質(zhì)體油浸反射色為深灰色，不顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)，表面不純凈且不平整，略顯突起；碎屑鏡質(zhì)體粒徑較小，呈不規(guī)則狀分布。半鏡質(zhì)組分平均占比0～16.6%，主要為基質(zhì)半鏡質(zhì)體，在油浸反射光下呈灰色，略顯突起，大多不顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)。惰質(zhì)組分平均占比1.7%～65.2%，主要以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主，可見碎屑惰質(zhì)體，油浸反射色為白色，突起較高。殼質(zhì)組分平均占比0～7.6%，主要為小孢子體，呈蠕蟲狀分布。反射率隨著深度增加而減小，39、41、42號(hào)煤層依次為0.90、0.85、0.70（表1）。

表1 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤巖鑒定成果表(平均值)Table 1 Coal and rock identification results table(average value)of Fukang Shagou pilot test area

2.2 煤質(zhì)特征

進(jìn)行煤化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)各煤層原煤水分（Mad）含量較低，均值為0.92%～1.17%；41、42煤層原煤灰分（Ad）產(chǎn)率均值為9.46%～9.76%，屬特低灰煤；39 號(hào)煤層原煤灰分均值為12.90 %，屬低灰煤。原煤揮發(fā)分（Vdaf）產(chǎn)率為39.46%～42.27%，屬于高揮發(fā)分煤（表2）。

表2 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)主力煤層原(浮)煤化學(xué)分析表Table 2 Chemical analysis table of primary(floating)coal in main coal seam of Fukang Shagou pilot test area 單位：%

3 煤儲(chǔ)層含氣性特征

3.1 煤儲(chǔ)層含氣量特征

儲(chǔ)層的含氣量是表征煤層含氣性的直接參數(shù)[10-11]。含氣量的大小對(duì)煤層氣能否取得較好的開發(fā)、產(chǎn)氣效果意義重大[12-13]。本次研究中，煤儲(chǔ)層的含氣量由DEN、GR測(cè)井曲線計(jì)算。擬合主力煤層的吸氣量與灰分關(guān)系，兩者具非常好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.8，公式如下：

其次對(duì)灰分與伽馬和密度的關(guān)系進(jìn)行了擬合，相關(guān)系數(shù)大于0.8，公式如下：

通過以上兩個(gè)公式，由測(cè)井參數(shù)GR和DEN計(jì)算煤層的含氣量，并擬合含氣量與埋深關(guān)系（圖3）。結(jié)果顯示試驗(yàn)區(qū)39號(hào)煤層含氣量均值為2.05～15.81 m3/t，41 號(hào)煤層含氣量均值為4.31～18.42 m3/t，42 號(hào)煤層含氣量均值為4.28～16.86 m3/t，整體含氣量較高，具良好的勘探開發(fā)價(jià)值。主力煤層含氣量變化規(guī)律主要受深度影響，即在500～1 200 m埋深范圍內(nèi)隨深度增加煤層含氣量不斷增加，但隨深度的進(jìn)一步增加含氣量增加梯度變緩。

圖3 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)含氣量與埋深關(guān)系圖：Fig.3 Relationship between gas content and buried depth in Fukang Shagou pilot test area

3.2 等溫吸附特征

煤的吸附性能是定量研究煤層氣儲(chǔ)集條件的重要指標(biāo)[14]，它能綜合反映煤巖溫度、壓力、煤質(zhì)等條件對(duì)煤吸附能力的影響[14-15]。蘭氏體積反映煤吸附能力的大小，等溫吸附曲線形態(tài)受蘭氏壓力影響，蘭氏壓力越大，煤層氣易解吸，有利于開采[15]。

運(yùn)用Langmuir等溫方程[15]，得出39號(hào)煤層的蘭氏體積為16.82～44.53 m3/t；41 號(hào)煤層的蘭氏體積為9.4～50.9 m3/t；42號(hào)煤層蘭氏體積為20.59～48.98 m3/t，表明煤層具中等-較強(qiáng)的儲(chǔ)氣能力；39號(hào)煤層蘭氏壓力為1.63～3.04 MPa，平均2.19 MPa；41 號(hào)煤層蘭氏壓力為1.61～2.86 MPa，平均2.45 MPa；42 號(hào)煤層蘭氏壓力為1.52～2.63 MPa，平均2.25 MPa。即主力煤層整體蘭氏壓力較高；同煤層不同深度、不同采樣位置，等溫吸附參數(shù)差別不大。

應(yīng)用等溫吸附的方法（遵照GB/T19560-2008《煤的高壓等溫吸附試驗(yàn)方法》執(zhí)行），對(duì)主力煤層的138個(gè)樣品進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)39號(hào)煤層含氣飽和度大于58%，屬高飽和度儲(chǔ)層，41、42號(hào)煤層含氣飽和度大于29%，屬中等飽和度儲(chǔ)層（表3），主力煤層臨界解吸壓力中等，為0.53～3.84 MPa。

表3 煤層含氣飽和度和臨界解吸壓力成果表Table.3 Results table of gas saturation and critical desorption pressure in coal seam

4 煤儲(chǔ)層孔滲發(fā)育特征

4.1 煤儲(chǔ)層孔裂隙特征

采用KXD-Ⅲ氦氣孔隙度測(cè)定儀對(duì)138 個(gè)樣品進(jìn)行孔隙度測(cè)定（圖4）。結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)39 號(hào)煤層平均孔隙度為3.40 %；41 號(hào)煤層平均孔隙度為3.41%；42號(hào)煤層平均孔隙度為3.73%，各煤層孔隙度隨深度增加而減少。但試驗(yàn)區(qū)孔隙度均小于5.5%，故全區(qū)為低孔隙度儲(chǔ)層。

圖4 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙度與埋深關(guān)系圖Fig.4 Porosity line chart of Fukang Shagou pilot test area

4.2 煤儲(chǔ)層滲透率分析

運(yùn)用卡門公式[16]，計(jì)算得出試驗(yàn)區(qū)46 口井各主儲(chǔ)層滲透率（圖5）。結(jié)果顯示，試驗(yàn)區(qū)39 號(hào)煤層的滲透率為0.007×10-6～3.94×10-6μm，平均滲透率為1.33×10-6μm；41 號(hào)煤層滲透率為0.01×10-6～4.82×10-6μm，平均滲透率為1.36×10-6μm；42 號(hào)煤層滲透率為0.011×10-6～5.245×10-6μm，平均滲透率為1.71 ×10-6μm，優(yōu)于39號(hào)、41號(hào)煤層，試驗(yàn)區(qū)整體上滲透率隨深度增加而增加?？梢姡房瞪皽舷葘?dǎo)試驗(yàn)區(qū)主儲(chǔ)層整體具有較好的滲透性能及產(chǎn)氣通道，為煤層氣的運(yùn)移與儲(chǔ)集提供了良好的條件。

圖5 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率與埋深關(guān)系圖Fig.5 Permeability line chart of Fukang pilot test area:(a)

5 開采有利區(qū)綜合評(píng)價(jià)

阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)煤層氣資源豐富，39 號(hào)煤層有效含氣面積為11.07 km2，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量可達(dá)19.61×108m3，41 號(hào)煤層有效含氣面積11.87 km2，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量可達(dá)28.62×108m3，42號(hào)煤層有效含氣面積9.73 km2，預(yù)計(jì)儲(chǔ)量可達(dá)49.33×108m3。綜合分析試驗(yàn)區(qū)主力煤層儲(chǔ)層特征與構(gòu)造特征資料，選取煤層厚度、煤層埋深、灰分產(chǎn)率、揮發(fā)分產(chǎn)率、固定碳含量、孔隙度、滲透率、含氣量等8 個(gè)參數(shù)對(duì)煤層氣開采有利區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法找出目標(biāo)值的主要影響因素[17]，將阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)13 口井各主力煤層的含氣量作為參考序列，其他7個(gè)參數(shù)為比較序列，運(yùn)用初值化方法變化原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出每口井比較序列與各主力煤層含氣量的絕對(duì)差值與極差后，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)：

式中：i—影響因素；n—井名；X0—含氣量，m3；ρ—分辨系數(shù)；φ—關(guān)聯(lián)系數(shù)。

其中ρ的設(shè)置是為了彌補(bǔ)最大絕對(duì)值引起的失真，ρ∈（0,1），本次計(jì)算取0.5。將計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，得到各主儲(chǔ)層有利區(qū)的綜合評(píng)價(jià)得分（表4）。

表4 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)39、41、42號(hào)煤層綜合評(píng)價(jià)Table 4 Comprehensive evaluation of No.39、41、42 coal seam in Fukang Shagou pilot test area

阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)各主煤層綜合評(píng)價(jià)評(píng)分高值區(qū)位于中部，呈EW 向條帶狀。39 號(hào)煤層高值區(qū)分布于東西兩側(cè)，以FS-38井為分界線，兩個(gè)高值區(qū)均為向北微凸的“耳蝸”狀展布（圖6-a）。41 號(hào)煤層高值區(qū)位于中部和東部，以FS-40、FS-24 井為中心，形成高分環(huán)帶（圖6-b）。42號(hào)煤層高值區(qū)分布與41號(hào)煤層類似，但高值中心分布在西部和東部，以FS-38與FS-18井為中心（圖6-c）。

圖6 阜康砂溝先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)主力煤層綜合評(píng)價(jià)得分分布圖Fig.6 Comprehensive evaluation score distribution map of main coal seam in Fukang Shagou pilot test area

6 結(jié)論

（1）阜康先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)以39、41、42號(hào)煤層作為主力煤層，以半暗煤、半亮煤為主；鏡質(zhì)組分占37.8%～87.6%，發(fā)育無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體；主力煤層屬于中低變質(zhì)階段，變質(zhì)類型主要以深成變質(zhì)為主；主力煤層原煤水分含量較低，灰分低，揮發(fā)分高。

（2）試驗(yàn)區(qū)主力煤層含氣量高，且隨深度增加而增加，但增加梯度變緩；其中39 號(hào)煤層屬高飽和度儲(chǔ)層，41、42 號(hào)煤層屬中等飽和度儲(chǔ)層；主力煤層的臨界解析壓力在0.53～3.84 MPa，主力煤層含氣性好，具良好的勘探開發(fā)價(jià)值。

（3）試驗(yàn)區(qū)主力煤層的孔隙度均小于5.5%，屬低孔隙度儲(chǔ)層，且隨深度增加減少；39號(hào)煤層平均滲透率為1.33×10-6μm，41號(hào)煤層平均滲透率為1.36×10-6μm，42號(hào)煤層平均滲透率最高為1.71×10-6μm，整體隨深度增加而增加，主力煤層具有較好的滲透性。

（4）試驗(yàn)區(qū)主力煤層有利區(qū)的綜合評(píng)價(jià)得分較高，其中41、42 號(hào)煤層綜合評(píng)價(jià)均值大于80。各主力煤層高值區(qū)基本位于試驗(yàn)區(qū)中部和東部，呈EW向條帶狀展布，3套煤層在試驗(yàn)區(qū)東部均發(fā)育高值中心，勘探開發(fā)前景可觀。