朱學(xué)申 呂玉民 郭廣山 袁 遠(yuǎn) 曹代勇

(1.中海油研究總院，北京 100028；2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

基于煤體結(jié)構(gòu)的煤層氣井煤粉產(chǎn)出規(guī)律研究

朱學(xué)申1呂玉民1郭廣山1袁 遠(yuǎn)2曹代勇3

(1.中海油研究總院，北京 100028；2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

以韓城礦區(qū)為研究對(duì)象，采用煤礦井下精細(xì)觀(guān)察和描述，以及產(chǎn)出煤粉鏡下形態(tài)觀(guān)察的方法，闡述了不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系。研究表明，韓城礦區(qū)各煤層構(gòu)造煤普遍發(fā)育，厚度百分比約46%，3號(hào)煤層發(fā)育鱗片煤為主，5號(hào)煤層以碎粒煤為主，碎裂煤次之，11號(hào)煤層以碎裂煤和碎粒煤為主；煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型決定了煤粉產(chǎn)出的破壞形式、產(chǎn)出特征及產(chǎn)出的傾向性，構(gòu)造煤是煤粉產(chǎn)生和產(chǎn)出的主要控制因素。因此，查明不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤的平面展布規(guī)律和縱向分布特征，對(duì)煤層氣的區(qū)帶優(yōu)選和儲(chǔ)層改造層段選取具有重要的指導(dǎo)意義。

煤體結(jié)構(gòu) 煤粉 煤層氣 韓城 控制因素

1 韓城地區(qū)主力煤層特征

韓城地區(qū)位于鄂爾多斯盆地的東南緣，受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，構(gòu)造演化過(guò)程與整個(gè)鄂爾多斯盆地具有一致性，主要經(jīng)歷了海西運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)階段。燕山期NE向和喜山期近EW向褶皺和斷裂的發(fā)育(圖1)，為區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤的發(fā)育提供了有利條件，也基本控制了區(qū)內(nèi)煤層的展布。韓城煤層氣田主力開(kāi)發(fā)煤層為3號(hào)、5號(hào)和11號(hào)，劃分了六個(gè)開(kāi)發(fā)層系組合，主要以3+5+11號(hào)、3+11號(hào)和11號(hào)煤層為主。前人把煤體結(jié)構(gòu)劃分為塊煤、塊粉煤和粉煤，基于測(cè)井信息的響應(yīng)，對(duì)韓城地區(qū)主力煤層做了初步探討，指出構(gòu)造煤的發(fā)育與構(gòu)造帶的展布密切相關(guān)，5號(hào)煤破碎最為嚴(yán)重，分布范圍廣，圍繞著構(gòu)造帶分布；3號(hào)和11號(hào)煤層相對(duì)來(lái)說(shuō)破碎較輕，主要沿著東澤村構(gòu)造帶和邊淺部隆起斷裂構(gòu)造帶分布。

以象山煤礦為采樣點(diǎn)，在井下對(duì)3號(hào)、5號(hào)和11號(hào)煤層從宏觀(guān)煤巖組成、煤層特征和煤體結(jié)構(gòu)方面做了精細(xì)觀(guān)察和描述：

圖1 韓城地區(qū)構(gòu)造綱要圖

3號(hào)煤層以半暗型煤為主，次為暗淡型和半亮型煤，夾有鏡煤、絲炭和夾矸條帶；顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，占到78.1%；煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為原生結(jié)構(gòu)煤和鱗片煤，厚度分別占到68.2%和31.8%(圖2)。

5號(hào)煤層以半暗型煤為主，次為暗淡型煤，光澤較暗，割理發(fā)育。煤層后期遭受?chē)?yán)重破壞，煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)煤、碎粒煤和碎裂煤，厚度分別占到33.3%、53.7%和13.0%(圖2)。

圖2 韓城象山煤礦不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤厚度統(tǒng)計(jì)直方圖

11號(hào)煤層上部以半亮型煤為主，下部以半暗型煤為主，完整性較好，硬度較大；煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤和碎粒煤，厚度分別占到69.1%、18.5%和12.3%(圖2)。

2 基于煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的煤粉產(chǎn)出規(guī)律

煤體結(jié)構(gòu)是在地質(zhì)歷史演化過(guò)程中經(jīng)受各種地質(zhì)作用表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)構(gòu)特征，總的可以分為原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤。目前，對(duì)于構(gòu)造煤的成因觀(guān)點(diǎn)不一，但構(gòu)造作用對(duì)構(gòu)造煤的形成受到一致認(rèn)同，并且控制了構(gòu)造煤的展布特征。前人關(guān)于構(gòu)造煤的分類(lèi)，從不同的角度入手劃分為若干類(lèi)型，袁崇孚(1986)基于對(duì)瓦斯地質(zhì)與瓦斯突出等特征的研究，根據(jù)煤體的宏觀(guān)和微觀(guān)架構(gòu)特征，把煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四種類(lèi)型，被廣泛應(yīng)用于研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

從煤粉產(chǎn)出的先后順序和誘因出發(fā)，把煤粉劃分為原生和次生兩種類(lèi)型。原生煤粉是指煤層中固有的煤粉，形成于地質(zhì)歷史時(shí)期；次生煤粉是指煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于工程因素誘發(fā)產(chǎn)生的煤粉。結(jié)合前人的分類(lèi)方案，從煤粉產(chǎn)生的破壞形式、產(chǎn)出特征以及產(chǎn)出傾向性，總結(jié)不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤產(chǎn)出煤粉的規(guī)律，如表1。

表1 不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤與煤粉產(chǎn)出關(guān)系

3 煤粉產(chǎn)出控制因素

在韓城象山煤礦3號(hào)、5號(hào)和11號(hào)煤層采塊煤樣，通過(guò)抖動(dòng)可獲得抖落的煤粉樣，以此方法獲得煤層中的近似原生煤粉。在韓城煤層氣田，以恒定體積的容器，收集煤層氣井產(chǎn)出液樣，用濾紙過(guò)濾晾干，獲得煤層氣井產(chǎn)出煤粉。利用掃描電鏡觀(guān)察煤層中煤粉與煤層氣井產(chǎn)出煤粉的形態(tài)特征和破壞形式，具有很好的一致性，建立了二者之間的關(guān)系，表明構(gòu)造煤發(fā)育對(duì)煤粉的產(chǎn)出具有重要控制作用。

(1)原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤與產(chǎn)出煤粉關(guān)系

煤的原生結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，基本保持著整體狀，裂隙發(fā)育，煤質(zhì)堅(jiān)硬，難以掰開(kāi)，煤體較脆，在儲(chǔ)層改造工程中，易形成優(yōu)勢(shì)裂縫，壓裂效果較好。煤層內(nèi)原生煤粉較少，后期鉆井、儲(chǔ)層改造和排采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定量的煤粉，顆粒較大且不規(guī)則。從原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-1和3-2)可以看出，煤粉顆粒呈塊狀斷裂的方式脫落，沿著裂隙發(fā)育處脫落，呈塊狀，棱角分明，顆粒直徑較大，不規(guī)則。根據(jù)原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤煤粉的破壞形式和形態(tài)特征，結(jié)合煤層氣井產(chǎn)出煤粉的形態(tài)特征(圖3-3和3-4)，棱角分明，呈塊狀，且不均一，此類(lèi)煤粉主要來(lái)自于這兩種煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤層。

(2)碎粒煤與產(chǎn)出煤粉關(guān)系

煤的原生結(jié)構(gòu)已被破壞，煤層受到強(qiáng)烈的構(gòu)造作用，網(wǎng)狀裂隙密集發(fā)育，破碎非常嚴(yán)重，煤層較軟，壓裂效果較差。煤體結(jié)構(gòu)已完全破壞，煤層呈顆粒狀，原生煤粉較多，后期工程擾動(dòng)易產(chǎn)生大量的次生煤粉。碎粒煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-5)可以看出，煤粉以粒狀的方式脫落，呈顆粒狀，棱角偶見(jiàn)被磨蝕，呈次棱角狀，顆粒直徑較小且變化不大，均一性好。從韓城煤層氣井產(chǎn)出煤粉的掃描電子顯微鏡圖像可以觀(guān)察到(圖3-6)，一些呈粒狀，磨圓相對(duì)較好，粒徑變化不大的煤粉，此類(lèi)煤粉來(lái)自于碎粒煤煤層，后期在搬運(yùn)過(guò)程中發(fā)生磨圓，呈現(xiàn)球粒狀。

(3)鱗片煤、片煤與產(chǎn)出煤粉關(guān)系

煤層受到嚴(yán)重破壞，光澤變暗，發(fā)育裂隙，層面上呈網(wǎng)狀密布，并發(fā)生一定的錯(cuò)動(dòng)和位移，形成鱗片狀。煤層較軟，存在大量的片狀煤粉顆粒，受工程因素影響，后期產(chǎn)生大量的片狀煤粉。鱗片煤煤粉掃描電子顯微鏡圖像中(圖3-7)可以看出，煤粉以片狀剝落的方式產(chǎn)生，呈片狀，大小不一。從韓城煤層氣井產(chǎn)出煤粉的掃描電子顯微鏡圖像可以觀(guān)察到(圖3-8)，存在一些片狀煤粉，大小不等，從斷面可以看出其片狀剝落方式，此類(lèi)煤粉來(lái)自于鱗片煤煤層。

4 結(jié)論

(1)韓城地區(qū)受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過(guò)程，燕山期NE向、喜山期近EW向褶皺和斷裂的發(fā)育，為區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤的發(fā)育提供了有利條件。通過(guò)對(duì)象山煤礦3號(hào)、5號(hào)和11號(hào)煤層煤礦井下精細(xì)觀(guān)察和描述，不同類(lèi)型構(gòu)造煤普遍發(fā)育，占煤層總厚度的46%。3號(hào)煤層發(fā)育鱗片煤為主；5號(hào)煤層以碎粒煤為主，碎裂煤次之；11號(hào)煤層以碎裂煤和碎粒煤為主。

(2)從煤粉產(chǎn)生的破壞形式、產(chǎn)出特征以及產(chǎn)出傾向性，總結(jié)了煤粉產(chǎn)出規(guī)律，查明了不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤產(chǎn)出煤粉的特征，為探討煤粉的來(lái)源提供了依據(jù)。通過(guò)掃描電鏡下對(duì)比觀(guān)察分析，闡述了不同煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤與產(chǎn)出煤粉之間的關(guān)系，指出構(gòu)造煤是煤粉產(chǎn)生的主要控制因素。

(3)在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，查明構(gòu)造煤的橫向展布規(guī)律和縱向分布特征，可以指導(dǎo)煤層氣的區(qū)帶優(yōu)選以及儲(chǔ)層改造的層段選取。構(gòu)造煤不發(fā)育區(qū)作為煤層氣的優(yōu)先開(kāi)發(fā)區(qū)，而原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤煤層作為儲(chǔ)層改造的首選層段。

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Study on the Output Law of Coal Fine Produced by Different Coalbody Structure Coal from CBM Wells

ZHU Xueshen1, LV Yumin1, GUO Guangshan1, YUAN Yuan2, CAO Daiyong3

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100028; 2.Oil and Gas Survey, China Geological Survey,Beijing 100029; 3.China University of Mining &Technology(Beijing), Beijing 100083)

Based on the observation of coalbed in Hancheng Mining Area and output coalfine, Hancheng Block is taken as the study area to explore the relationship between different types of coalbody structure and coal fines produced by CBM well. Some conclusions are proposed as follows. Deformed coal is commonly developed and account for 46% of the total coalbed thicknessby the careful observation and description of coal seam No.3, No.5 and No.11 in Xiangshan coal mine. Scaled coal is mainly developed in No.3 coal seam, granulated coal in No.5 coal seam and fragmented&granulated coal in No.11 coal seam. The type of coalbodystructure determines the destructionalforms, output characteristics and proneness of coal fines, and the development of deformed coal are the control factors on the generation and output of coal fines by scanning electron microscope. Therefore, the identification of lateral and vertical distribution laws on different types of coalbody structure can provide guidance for zone optimization and selection of stimulated interval.

Coalbody structure; coal fine; coalbed methane; Hancheng; controlling factors

朱學(xué)申，男，工程師，碩士研究生，主要從事煤層氣地質(zhì)研究工作。