邢丽茹1，张 洲1，2，3，任峻杉1，余婉莹1，王鹏翔1
(1.河南理工大学资源环境学院，河南省焦作市，454000；2.中原经济区煤层〈页岩〉气河南省协同创新中心，河南省焦作市，454000；3.河南省非常规能源地质与开发国际联合实验室，河南省焦作市，454000)
摘 要 为了探讨深部与浅部煤层气赋存的差异，采集准噶尔盆地煤矿1 500 m以浅煤样和煤矿钻孔1 500 m以深煤样，通过资料搜集和室内测试分析了研究区深部与浅部煤储层物性特征的差异，最终得到以下结论：深部镜质组含量比浅部高，煤体结构更完整，储层改造性更强；深部比浅部含气量大，煤层气赋存状态由欠饱和状态逐步转变为超饱和状态，煤层气成因多样；浅部煤岩的渗流孔比深部发育，深部煤岩的吸附孔比浅部发育。浅部煤岩以外生裂隙为主，孔裂隙间连通性好；深部煤岩以内生裂隙为主，有矿物质充填裂隙，且深部孔隙度和裂隙密度比浅部小，渗透性较差。对比分析表明，准噶尔盆地深部煤层气比浅部富集性更优，具有较大开发潜力。但渗透性远不如浅部，且开发难度大，因此建议通过压裂改造与排水采气工艺技术相结合的方式促进深部煤层气开发。
关键词 准噶尔盆地；深部煤层；浅部煤层；物性特征；煤层气开发
根据煤层气产出深度，通常将埋藏1 500 m以深的煤层气称为深部煤层气，1 500 m以浅称为浅部煤层气。临界深度带的存在使得超过一定深度之后，深部围压正效应和温度负效应强弱相互转换，导致深部煤储层物性特征发生显著变化[1]。目前我国煤层气的勘探开发主要集中在1 500 m以浅的煤层，并形成了排水-降压-解吸-产出的煤层气开发模式。煤层气储层物性是煤层孔隙性、含气量、渗透性和可改造性4者关系的耦合体现[2-3]，而深部煤储层具有的特殊储层物性特征，使得现有的国内浅部煤层气开采的技术方法在深部煤层气开采中并不能适用，因此对比深部和浅部的煤储层物性特征，对深部煤层气勘探开发具有重要意义。
准噶尔盆地深部和浅部都蕴藏着丰富的煤层气资源。2012-2013年，科林思德新能源有限公司在新疆阜康地区钻探CSD01井组对浅部煤层气进行开采，经排采日产气量达1.72×104 m3/d[4]。目前浅部煤层气资源已得到了较好的利用[5-7]，但由于对深部煤层气富集高产规律认识不清，因此勘探开发进度较为缓慢。本文从煤储层物性特征入手，以准噶尔盆地南缘(准南)和准噶尔盆地东部(准东)地区煤岩为研究对象，系统分析深/浅部煤储层的物性特征差异，进一步促进深部煤层气勘探开发。
准噶尔盆地位于新疆北部，是我国低阶煤层气勘探开发的重点区域。准噶尔盆地包含6个一级构造单元，分别为陆梁隆起、乌伦古坳陷、北天山山前冲断带(南部隆起)、西部隆起、中央坳陷和东部隆起。浅部煤层主要分布在盆地边缘地带，深部煤层主要分布在盆地腹部[8]。盆地含煤地层主要为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组。其中西山窑组煤层厚(>5 m)、分布范围广、物性特征好，煤层气资源总量大，是目前准噶尔盆地煤层气勘探开发的主要目标地层，因此本文煤样均采自西山窑组。本文研究区位于准南和准东地区，构造分区分别隶属北天山山前冲断带和中央坳陷。研究区地质地形和采样点位置示意如图1所示。
图1 研究区地质地形和采样点位置示意
样品采自准噶尔盆地西山窑组煤层，煤样采自研究区内煤矿和钻孔，气样采自阜康矿区，经分类和包装后立即送往实验室。浅部煤样以半暗煤为主，裂隙较发育。深部煤样以半亮煤为主，裂隙不发育。浅部煤岩以构造煤为主，力学强度较低，不利于钻井以及大规模压裂；而深部煤岩以原生结构煤为主，煤体结构完整、力学强度好，有利于后期对储层进行压裂改造。
本文煤岩浅部煤层埋深为100～432 m，深部煤层埋深为2 107.61～2 646.73 m。采集煤样信息见表1。
表1 采集煤样信息
采样地点地层样品名称矿/井煤岩类型煤体结构埋深/m准噶尔盆地浅部西山窑组XG西沟矿光亮煤碎粒结构100.00西山窑组KG宽沟矿半暗煤原生结构300.00西山窑组LHG硫磺沟矿暗淡煤碎裂结构400.00西山窑组WD乌东矿半暗煤碎裂结构432.00准噶尔盆地深部西山窑组QG1Q6井半亮煤原生结构2 107.61～2 107.73西山窑组QG2Q6井半亮煤原生结构2 108.25～2 108.36西山窑组CN1CN61H井半亮煤原生结构2 243.80～2 266.57西山窑组CN2CN61H井半亮煤原生结构2 243.80～2 266.57西山窑组DN1DN201井光亮煤原生结构2 644.37～2 644.43西山窑组DN2DN201井光亮煤原生结构2 646.68～2 646.73
按照《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》(GB/T 6948-2008)，使用MSP UV-VIS2000显微光度计对煤样光片进行显微组分含量测试。根据《煤的工业分析方法》(GB/T 212-2008)，使用HTGF-6000型分析仪对煤样进行工业分析。应用Merlin Compact扫描电子显微镜对煤样孔裂隙特征进行观察。应用稳定同位素比值质谱仪(IRMS)对甲烷氢同位素和碳同位素进行测试。并进行了以下实验。
(1)甲烷等温吸附。按照《煤的高压等温吸附试验方法 容量法》(GB/T 19560-2004)进行，应用FINESORB-3120型等温测量系统(0～10 MPa)，采用吸附质为99.99%的甲烷，浅部煤样在25 ℃恒定温度、平衡水条件下进行甲烷等温吸附实验。准噶尔盆地地表平均温度为20 ℃，地温梯度为2.2 ℃/hm，因此深部煤岩的实验温度为66～78 ℃。
(2)低温氮吸附。液氮吸附法能有效区分吸附孔中的微孔和小孔，通过氮气吸附法来测定吸附孔的特征，应用ASAP 2460型孔隙表面分析仪分析样品在相对压力为0.05～0.99的氮气吸附/解吸特征。在温度为-196 ℃条件下进行低温氮吸附分析，测量孔径范围为2～500 nm。
(3)压汞法。压汞法在测试煤的大、中孔的孔径结构上具有一定优势，通过压汞法来测定渗流孔的特征，应用AutoPore Ⅳ型压汞仪，测量孔径范围为6～200 000 nm。
准噶尔盆地浅部与深部显微组分和工业分析见表2。由表2可以看出，研究区浅部煤岩灰分为8.20%～12.31%，水分为3.42%～9.89%，挥发分为21.10%～29.92%，为低灰、低水分、中挥发分煤。深部煤岩灰分为2.23%～5.99%，水分为2.73%～4.86%，挥发分为23.13%～43.35%，为特低灰、低水分、中高挥发分煤。
对比浅部和深部煤岩显微组分含量发现，深部煤岩的镜质组含量是浅部煤岩的1.72倍，壳质组含量是浅部煤岩的5.26倍，深部煤岩的惰质组含量比浅部低。煤吸附甲烷能力与镜质组含量呈正相关[9]，所以深部煤岩吸附甲烷能力比浅部更强。常见方解石、菱铁矿、黄铁矿、黏土矿物等无机矿物在孔隙和裂隙间填充，降低了渗透率。准噶尔盆地浅部和深部煤岩显微组分如图2所示。
表2 准噶尔盆地浅部与深部显微组分和工业分析 %
采样地样品名称工业分析灰分水分挥发分去矿物质显微组分占比镜质组惰质组壳质组有机质总量矿物质总量准噶尔盆地浅部XG12.318.0125.2055.9543.170.8894.985.02KG8.205.7921.1021.2078.000.8099.600.40LHG8.959.8925.1512.5586.610.8499.190.81WD11.103.4229.9250.0048.401.6089.8410.00准噶尔盆地深部QG12.234.8623.1331.5167.580.9198.331.67QG22.483.8725.8445.5653.670.7799.240.76CN15.024.2829.5963.4535.840.7195.174.83CN25.994.1629.6550.6648.660.6895.204.80DN12.832.8641.5084.270.9714.7697.272.73DN22.872.7343.3584.360.9414.7097.912.09
图2 准噶尔盆地浅部和深部煤岩显微组分
3.2.1 吸附特征
由于实验样品数量的限制，只对深部样品QG-1、CN-1、DN-1、DN-2进行了等温吸附实验的测试。等温吸附测试曲线如图3所示。由图3可以看出，随压力增加，煤岩对甲烷的吸附量增加，最后吸附量趋于稳定，达到吸附饱和状态。利用Langmuir单分子层吸附模型对实验数据进行拟合，得到Langmuir吸附参数。浅部煤岩的兰氏体积为10.52～19.03 m3/t，平均为14.56 m3/t，深部煤岩的兰氏体积为4.98～10.84 m3/t，平均为8.89 m3/t。兰氏体积表示最大吸附量，深部煤岩的兰氏体积小于浅部原因是因为深部地温高，气体分子动能变大，气体由吸附态逐渐转为游离态，吸附气含量减少，游离气含量增加[10]。因此研究区深部煤层气平均含气饱和度为136.68%，处于“超饱和”状态，深部煤层气的开发可大大缩短见气时间，而浅部煤层气处于欠饱和状态。
图3 等温吸附测试曲线
因为实验条件有限，含气量无法在现场测得，用改进的Langmuir模型[11]进行计算，见式(1)：
(1)
式中：V——含气量，m3/t；
A——灰分，%；
W——水分，%；
VL——兰氏体积，m3/t；
P——煤储层压力，MPa；
PL——兰氏压力，MPa；
Sgas——含气饱和度，%。
研究区含气量计算结果见表3。由表3可知，深部含气量平均为10.04 m3/t，是浅部含气量的2.3倍。研究区深部煤层含气量普遍高于浅部煤层，深部含气饱和度高，煤层气处于“超饱和”状态，为深部煤层气富集提供了物质基础。
表3 研究区含气量特征
样品名称VL/(m3·t-1)PL/MPa温度/℃R2Sgas/%V/(m3·t-1)XG10.523.26250.9977.662.48KG17.742.95250.9946.054.04LHG10.982.64250.9974.414.82WD19.032.38250.9952.936.43QG110.841.56660.9992.439.62CN110.021.78660.99100.018.71DN19.724.35780.99153.0912.84DN24.982.55780.99201.208.97
3.2.2 煤层气成因
SCHOELL[12]、WHITICAR[13]等把甲烷碳同位素值(δ13C1-CH4 )和甲烷氢同位素值( δ13D1-CH4 )作为划分生物气和热成因气的标准，并提出了如图4所示的判识图版。将气样的同位素测试结果在图版中表示出来，发现浅部气样中的 δ13C1-CH4介于-42.5‰～-54.83‰，煤层来源为生物成因气和热成因气的混合成因气。
图4 煤层气成因类型
深部气样的 δ13C1-CH4为-41.8‰～-44.9‰，其甲烷碳同位素整体偏重，煤层气成因为热成因气。因为随着埋深增加，煤化作用程度提高，热成因气体分子中的12C-12C键比13C-13C键更容易断开，致使残留气体中富集13C，因此随煤层埋藏深度增加煤储层甲烷的δ13C1值呈增大趋势，如图5所示。
图5 煤层气δ13C1-CH4和埋深关系
煤的微观孔隙结构是影响煤储层吸附、渗流能力的重要因素，因此探究煤体微观孔结构对煤层气吸附解吸特性的影响具有重要意义[14]。本文采用Χoдoт十进制孔隙分类标准，将孔隙按孔径大小分为微孔(<10 nm)、小孔(≥10～<102 nm)、中孔(≥102～<103 nm)和大孔(≥103 nm)。其中微孔和小孔是气体富集的场所，主要影响煤层气的吸附和解吸，因此被称为吸附孔隙。而中孔和大孔是气体渗流通道，主要影响煤层气的扩散和渗流，被称为渗流孔[15]。
3.3.1 吸附孔隙结构特征
准噶尔盆地煤岩低温氮测试吸附孔隙特征见表4。由表4可知，研究区深部煤岩的微小孔比表面积平均值为5.66 m2/g，是浅部的4.75倍。研究区深部煤岩的微小孔的孔体积平均值为0.007 6 cm3/g，是浅部的2.42倍。更加证明了深部煤岩的吸附孔比浅部发育，对煤层气的吸附聚集更为有利。
表4 准噶尔盆地煤岩低温氮测试吸附孔隙特征
样品名称BET比表面积/(m2·g-1)BJH孔体积/(cm3·g-1)XG0.7360.002 62KG1.4940.002 59LHG0.8120.001 81WD1.7220.005 54QG12.1480.003 97QG22.3410.004 76CN118.9850.024 90CN210.1380.010 90DN10.2380.000 58DN20.1150.000 32
低温氮吸/脱附曲线能够评价煤岩孔隙形态和连通性[16]。测试结果显示所有煤岩样品的吸/脱附曲线都符合IUPAC分类标准中的Ⅳ(a)型[17]物理吸附等温线，准噶尔盆地煤岩低温氮吸/脱附曲线如图6所示。根据孔隙结构的复杂性、孔隙的连通性和煤层气运移的有利条件，将煤岩的低温氮吸附脱附曲线概括为3类曲线，且按储层评价进行排序：Ⅱ型 >Ⅰ型 >Ⅲ型。研究区煤岩的吸附孔隙结构判断如下。
(1)Ⅰ型以CN-2为代表，包括所有深部煤岩，吸/脱附曲线间有明显的滞留回环，孔隙形态主要为墨水瓶状孔，连通性较好，孔隙发育以微孔为主，如图6(a)所示。孔隙形态有利于煤层气的吸附和储存，但不利于解吸和扩散，增加开发难度。
(2)Ⅱ型以KG为代表，包括XG、LHG，吸/脱附曲线间的滞留回环较小，孔隙形态较为复杂，微孔主要为半封闭型孔，其他孔则既有半封闭型又有开放型，连通性较好，此类煤岩最有利于气体吸附、解吸、扩散，如图6(b)所示。
(3)Ⅲ型以WD为代表，吸/脱附曲线近于平行，滞留回环较小，孔隙形态一般为半封闭孔，孔隙连通性不好，不利于煤层气解吸、扩散，如图6(c)所示。
总体来看，深部煤岩的吸附孔的孔隙形态主要为墨水瓶状孔，连通性较好，孔隙发育以微孔为主，孔隙形态有利于煤层气的吸附和储存，但不利于解吸和扩散，增加开发难度。浅部煤岩的吸附孔主要为半封闭型孔和开放型孔，连通性较好，此类煤岩最有利于气体吸附、解吸、扩散。
图6 准噶尔盆地煤岩低温氮吸/脱附曲线
3.3.2 渗流孔隙结构特征
由于实验样品数量的限制，只对深部样品QG-2、CN-1、CN-2、DN-1进行了高压压汞测试，结果发现研究区浅部煤岩的中大孔及裂隙的孔体积平均值为0.037 cm3/g，是深部煤岩的1.49倍，说明浅部煤岩的渗流孔比深部发育，对煤层气的扩散渗流更有利。浅部和深部煤岩的平均体积中值孔径分别为36.38 nm和22.3 nm，浅部和深部煤岩的退汞效率平均值分别为52.57%和40.19%，浅部煤岩的平均孔隙度为12.73%，深部煤岩的平均孔隙度为11.99%。体积中值孔径和退汞效率越大，孔隙连通性越好，说明浅部煤岩渗流孔隙连通性比深部好。准噶尔盆地煤岩高压压汞测试孔隙特征见表5。
表5 准噶尔盆地煤岩高压压汞测试孔隙特征
样品名称孔隙度/%体积中值孔径/nm比表面积中值孔径/nm退汞效率/%孔体积/(cm3·g-1)微孔小孔中孔大孔及裂隙XG12.380-4.47067.5200.011 70.021 70.013 50.050 8KG11.13023.1504.76044.3800.036 20.027 10.019 00.007 8LHG18.27071.5705.12061.3100.050 20.039 60.046 10.020 4WD9.14014.4304.69037.0700.033 10.020 00.005 30.009 8QG29.53015.7504.65037.1300.023 50.017 90.008 10.023 5CN114.68013.0105.23041.6200.050 00.028 50.018 40.021 0CN214.61019.2904.95047.3200.053 40.025 70.017 50.016 2DN17.20016.5304.50034.7000.021 10.008 40.001 50.025 8
准噶尔盆地煤岩压汞测试孔径分布曲线如图7所示。研究区浅部煤样孔径分布曲线状态呈现“多峰”形态，说明研究区浅部煤岩中渗流孔和吸附孔分布均匀且连续，如图7(a)所示。研究区深部煤岩孔径分布为“双峰”分布，说明深部煤岩的微小孔、大孔及裂隙发育，中孔不发育，如图7(b)所示，这种孔径特点极易导致渗流的“瓶颈”问题，从而降低孔隙的渗透性。
图7 准噶尔盆地煤岩压汞测试孔径分布曲线
煤岩进-退汞曲线如图8所示。由图8可以看出，以LHG为代表的浅部煤岩的孔径类型相似，进、退汞体积差较大，滞后环宽大，表明煤岩主要发育有开放孔，孔隙连通性好。以DN-1为代表的深部煤岩进、退汞体积差较小，滞后环相对窄小，表明煤岩以开放孔为主，并发育有相当数量的半封闭孔，孔隙连通性较差，不利于煤层气的扩散渗流。
通过低温氮吸附法和压汞法获得的孔隙结构特征结果表明，浅部煤岩各种孔径段孔隙均发育，吸附孔隙形态以半封闭孔和开放透气孔为主。深部煤岩发育微孔和大孔，孔径分布为“双峰”分布，孔隙形态以墨水瓶状孔为主。浅部煤岩的渗流孔比深部发育，且连通性更好，更有利于煤层气扩散和渗流。深部煤岩的吸附孔比浅部发育，更有利于煤层气吸附和解吸。
煤储层中的显微裂隙是沟通孔隙和大裂隙的桥梁，对煤层气的运移和产出至关重要。根据裂隙形态，将观察到的裂隙形状分为A型、B型、C型和D型4类，研究区内A型裂隙几乎没有，因此将A型和B型归为一类。显微裂隙密度分析结果见表6。
样品镜下显微裂隙形态如图9所示。由图9可以看出，显微裂隙密度在垂向上具有明显的差异性，浅部煤岩的C型和D型裂隙比深部发育得更好，因为浅部受构造作用影响更大，构造煤更发育[18]。由于镜质组是煤中脆性最大、韧性最小的显微组分，煤岩绝大部分微裂隙在镜质组中，尤其在均质镜质体中发育，一般不穿过其他显微组分。浅部煤岩以外生裂隙为主，充填有方解石、粘土矿物等，微裂隙密度为90～161条/5 cm2。深部煤岩以内生裂隙为主，微裂隙密度为74～89条/5 cm2，有矿物质充填裂隙。深部煤岩的裂隙密度较浅部小。
图8 煤岩进-退汞曲线
表6 显微裂隙密度分析结果
样品名称显微裂隙密度/(条·5 cm-2)A+B型C型D型合计微裂隙镜下形态描述XG1213136161外生裂隙极发育,裂隙呈网状KG114397151剪切裂隙较发育,连通性较好LHG4108094外生裂隙发育,连通性中等WD5137290外生裂隙较发育,连通性中等QG15136381张性裂隙较发育QG24176889内生裂隙发育,多呈斜交状CN13106174外生裂隙发育,连通性不好CN24136582外生裂隙发育,连通性中等DN22225984内生裂隙发育,连通性不好
注：A型：W>5 μm且L>10 mm；B型：W>5 μm且1 mm≤L≤10 mm；C型：W<5 μm且300 μm<L<1 mm；D型：W<5 μm且L<300 μm。W为裂隙宽度，L为裂隙长度。
图9 样品镜下显微裂隙形态
准噶尔盆地深/浅部煤储层的物性特征存在着显著的差异。研究结果显示，深部煤层厚度、煤层气含量、含气饱和度等明显优于浅部，因此煤层气富集性优于浅部。但是由于深部地应力大，深部煤岩的孔隙度、裂隙密度比浅部小，渗流孔发育不如浅部，导致深部渗透性差，不易产出煤层气。
在钻井技术方面，目前煤层气开发常用的井型包括定向井、丛式井和水平井。丛式井具有占地面积小、技术工艺成熟、适合多煤层同时开发、便于集中管理等优点，适合地面条件差的地区，而水平井的成本较普通定向井低。针对准噶尔盆地煤层具有倾斜、煤层多、煤层厚的特点，再对深部煤层气进行开发时，可建立以丛式井为主、水平井为辅的开发模式。由于深部煤层渗透性差，煤层气开发难度大，建议通过压裂改造与排水采气工艺技术相结合的方式提高煤层气开采效率。
通过对煤岩煤质特征、含气性特征、孔裂隙结构的实验测试，系统比较了准噶尔盆地深/浅部煤储层的物性特征差异，得到以下结论。
(1)深部煤岩煤质比浅部煤岩更优，水分和灰分更低；深部煤岩的煤体结构比浅部更完整，储层改造性更强；深部煤岩的镜质组含量是浅部煤岩的1.72倍。
(2)随着埋深增加，含气量逐渐增加，深部煤岩含气量平均为10.04 m3/t，是浅部的2.3倍。深部煤层气为超饱和赋存状态，浅部煤层气为欠饱和赋存状态。深部煤层气为热成因气，浅部煤层气为生物气和热成因气的混合成因气。
(3)深部煤层气富集性优于浅部，但深部煤储层的孔隙度和裂隙密度比浅部小，渗透性差，开发难度较大。可建立以丛式井为主、水平井为辅的开发模式，并建议通过压裂改造与排水采气工艺技术相结合的方式提高煤层气开采效率。
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XING Liru1, ZHANG Zhou1,2,3, REN Junshan1, YU Wanying1, WANG Pengxiang1
Abstract In order to investigate the differences in deep and shallow CBM occurrence, coal samples were collected from boreholes at depths of over 1 500 m and below 1 500 m in the Junggar Basin coal mine. Through data collection and laboratory testing, the variations in physical properties of deep and shallow coal reservoirs in the research area were analyzed, leading to the following conclusions: vitrinite content of deep-buried coal was higher than that of shallow-buried coal, with a more intact coal structure and stronger reservoir modification; deep-buried coal had a higher gas content than the shallow-buried coal and the CBM occurrence state gradually changed from undersaturation to supersaturation, with diverse gas origins; the permeability pores of shallow-buried coal were more developed than those of deep-buried coal, while the adsorption pores in deep-buried coal were more developed than those in shallow coal rock. The shallow-buried coal rocks were primarily characterized by externally generated fractures with good connectivity between pore fractures, while deep-buried coal rocks were dominated by internally generated fractures with mineral-filled fractures, and deep porosity and fracture density were smaller than those in the shallow part, resulting in poorer permeability. Comparative results indicated that the deep part of the Junggar Basin had better CBM enrichment than the shallow part, with significant development potential. However, the permeability of deep CBM reservoir was much lower than that in the deep part, posing challenges to development. Therefore, it was recommended to promote deep CBM development through a combination method of fracturing transformation and drainage gas extraction technologies.
Keywords the Junggar Basin; deep coal reservoir; shallow coal reservoir; physical properties; CBM development
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基金项目：国家自然科学基金项目(42230814)；河南省科技攻关项目(222102320140)