煤渗透率变化研究论文

许浩 汤达祯 唐书恒 陶树 吕玉民 赵兴龙

基金项目:国家“973”计划项目(2009CB219604);国家科技重大专项课题34(2008ZX05034-003);国家科技重大专项示范工程62(2008ZX05062)

作者简介:许浩,1979年生,男,河北黄骅人,博士,讲师,主要从事石油、天然气、煤层气教学及科研工作.电话:.邮政:

(中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083)

摘要:以沁南地区郑庄和樊庄区块为主要研究对象,在实验测试的基础上,利用试井及测井资料,探讨了地应力、埋深、储层压力、煤岩、岩石力学性质、煤体结构、含气量等因素与煤层渗透率的关系。结果表明:研究区煤储层渗透率纵向上受埋深和地应力影响显著,随埋深增加渗透率逐渐减小,产能逐渐降低;当煤层埋深相差不大时,煤储层渗透率平面上受煤层镜质组含量、岩石力学性质及煤体结构的控制,镜质组含量越高、煤体弹性模量越大、煤层裂隙越发育渗透率越大,产能越高。同时指出,研究区内高渗区与富集区(即渗透率高值区与含气量高值区)存在着不一致性,在煤层气勘探和开发过程中应综合考虑,二者兼顾。

关键词:渗透率 控制因素 产能 煤层气 沁南地区

Controlling Factors and Productivity Response of CoalRese- rvoir Permeability in the Key Block of Southern Qinshui Basin

XU Hao TANG Dazhen TANG Shuheng TAO Shu LV Yumin ZHAO Xinglong

(School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083 China)

Abstract: On the basis of experiment and test, utilizing well testing and logging data, this article discusses the relationship between in - situ stress, buried depth, reservoir pressure, coal petrology rock mechanical proper- ty, coal structure, gas content and permeability of Zhengzhuang and Fanzhuang Block in southern Qinshui Ba- sin. The result shows that permeability is influenced by buried depth and in - situ stress significantly in the longitu- dinal direction, permeability decreasing along with depth increasing, productivity decreasing gradually; on the plane, permeability was controlled by vitrinite content, rock mechanical property and coal structure when the bur- ied depth of coal seam differs little, the higher content of vitrinite, the higher elastic modulus and the more devel- oped fractures, the higher the permeability and the higher the productivity. Meanwhile, there is inconsistency be- tween high permeability zone and enrichment area, both should be considered during the process of coalbed meth- ane exploration and development.

Keywords:permeability; controlling factors; productivity; coalbed methane; southern Qinshui Basin

沁水盆地是我国煤层气勘探开发最活跃的地区,前人对该地区高煤级煤储层的渗透性影响因素进行了广泛和深入的探讨(秦勇等,1999;连承波等,2008)。由于煤层具有较强的应力敏感性,地应力一直被认为是煤层渗透率的主要影响因素。很多人认为地应力和埋深是该地区煤层渗透率的主要控制因素(傅雪海等,2001;董敏涛等,2005;金大伟等,2006)。但从生产实际分析来看,地应力与现场实测渗透率及煤层气井产能虽然具有一定的相关性,但离散性较强(刘洪林等,2007);另外,仅以上两种主控因素很难解释某一构造稳定区块煤层埋深相差不大的条件下,渗透率的平面变化。说明该地区煤层渗透率应该是多种因素综合作用的结果,一些学者也认识到了这一问题,并进行了煤储层内在因素以及外在因素对渗透率影响的探讨,但研究成果大多属于区域性描述和分析,专门针对煤层气开发重点区块煤层渗透率控制因素与产能响应的系统研究却少见报导。本次研究以沁南地区郑庄和樊庄区块为主要研究对象,在实验测试的基础上,利用试井及测井资料,探讨了地应力、埋深、储层压力、煤岩煤质、岩石力学性质、煤体结构、含气量等因素与煤层渗透率的关系,为未勘探地区煤层渗透率及产能的综合预测提供了科学依据。

1 埋深与地应力对煤层渗透率的影响

研究区地应力随深度增加而增大(图1),煤储层渗透率总体上具有随埋深增大呈指数减小的趋势(图2),这种规律已得到很多专家学者证实(何伟钢等,2000;傅雪海等,2001),说明研究区煤储层渗透性受地应力影响较大。

图1 地应力与埋藏深度关系

图2 渗透率与煤层埋深关系

由于煤储层原始渗透率对产气量的贡献较改造渗透率更大(倪小明,2009),本次研究统计了沁南地区38口煤层气井的产气情况,由于研究区煤层气井类型多样且排采时间不同,为了使产能数据具有可比性,本次研究对产能数据的取值做了如下限定:(1)只统计直井产气数据;(2)以排采时间一年为界限,取其中最大日产气量及平均日产气量;(3)剔除在这一时间段内由于工程或人为因素导致的停井等不正常因素的干扰。结果表明,该区煤层气井平均日产气量及最大日产气量与煤层的埋深相关性明显,即随煤层埋深增大,研究区煤层气井平均日产气量及最大日产气量均呈现出降低的趋势(图3,图4),这可能与随埋深增大煤储层渗透性降低有关。

图3 煤层气井平均日产气量与煤层埋深关系图

图4 煤层气井最大日产气量与煤层埋深关系图

但需要指出的是,以上统计数据的离散性较强,研究区煤层渗透率及地应力在埋深变化不大的情况下,存在较大差异(图1、图2)。表明在埋深对渗透率的总体控制之下,存在着其他因素的叠加,在埋深相似的条件下,这种叠加因素往往对渗透率起着更为重要的控制作用。

2 煤层渗透率与镜质组含量的关系

煤岩组分中镜质组含量影响着煤层的含气量大小和煤层的渗透性。镜质组含量大,生气能力强,煤层裂隙发育,煤层渗透率相对较高。研究区试井渗透率与煤层镜质组含量有很好的相关关系,煤层渗透率均随镜质组含量的增加而增大(图5)。同时,根据研究区9口井3#煤层产能数据分析表明,最大日产气量与镜质组含量呈正相关关系,即煤层镜质组含量越高单井日最大产气量越大(图6)。

图5 煤储层镜质组含量与渗透率关系

图6 煤层镜质组含量与最大日产气量关系

3 煤储层渗透率与储层压力系数的关系

研究区煤储层压力与埋深呈正相关关系,即随埋深的增大储层压力逐渐增大(图7)。煤储层压力与煤储层渗透率的相关性不明显,但随着煤储层渗透率的增大压力系数逐渐减小(图8)。渗透率是表征储层内流体渗透性的参数,它的大小反映了煤储层内流体与外部流体的沟通能力,这一关系说明,储层内流体越不容易与外部沟通越容易导致储层内高压的形成,相反,越容易与外部流体发生沟通,其压力系数就越低。主要是因为渗透率较大的煤储层中流体压力相对更容易释放。

图7 煤储层压力与深度关系

图8 煤储层压力系数与渗透率关系

4 渗透率与煤体结构及含气量的关系

煤体结构是决定煤储层渗透率的重要因素,利用测井曲线评价煤体结构,是基于各煤体结构间存在着物性差异,能够间接反映煤储层的渗透率(Chatterjee R. et al.,2010;FU Xuehai et al.,2009)。通常煤体孔、裂隙越发育,物性越好,声波时差增大,这不仅反映了煤体结构与煤层渗透率的关系,而且为研究区渗透率的预测提供了依据。但值得注意的是,研究区煤层含气量与声波时差呈负相关关系,即随含气量的增加声波时差值逐渐减小(图9),指示了煤层渗透率越低含气饱和度越高,说明对于物性较差的煤层,虽然煤层气相对富集,但煤层气解吸-产出困难,不一定是高产区,因此,在研究区内的高渗区与富集区可能不是重合的。

5 煤层渗透率与岩石力学性质的关系

弹性模量是表征煤体发生弹性变形难易程度的指标,其值越大,使煤体发生一定弹性变形的应力也越大,即煤体刚度越大,亦即在一定应力作用下,发生弹性变形越小。杨满平(2003)研究认为,随着弹性模量的增大,岩石的可压缩性降低,渗透率受到的影响也越小。通过对研究区试井渗透率与实验室测试煤体弹性模量的分析表明,在埋深相差不大的条件下,煤层所受地应力相似,煤体弹性模量越大,煤体越不容易发生形变,则渗透率越大(图10),但需要说明的是,弹性模量对煤体渗透率产生的这种规律性影响所必须具备的前提是煤体结构相似,煤岩组成相差不大的煤储层。

图9 煤层声波时差与含气量关系

图10 煤层弹性模量与渗透率关系

6 结论

综合分析认为,对于研究区煤储层来说,纵向上,渗透率受埋深和地应力影响显著,随埋深增加渗透率逐渐降低,产能也有一致性的反映;平面上,当煤层埋深相差不大时,渗透率受煤层镜质组含量、岩石力学性质及煤体结构的控制,进而影响了煤层气的产量,可根据测井资料进行预测。由于研究区内高渗区与富集区存在着不一致性,在煤层气勘探和开发过程中应综合考虑,二者兼顾。

参考文献

董敏涛,张新民,郑玉柱等.2005.煤层渗透率统计预测方法[J].煤田地质勘探,33(6):28~30

傅雪海,秦勇,姜波等.2001.煤割理压缩实验及渗透率数值模拟[J].煤炭学报,26(6):573~577

傅雪海,秦勇,李贵中.2001.沁水盆地中-南部煤储层渗透率主控因素分析[J].煤田地质与勘探,16~19

何伟钢,唐书恒,谢晓东.2000.地应力对煤层渗透性的影响[J].辽宁工程技术大学学报,19(4):353~355

金大伟,赵永军.2006.煤储层渗透率复合因素数值模型研究[J].西安科技大学学报,(4):460~464

连承波,钟建华,赵永军等.2008.基于试井资料分析的煤储层渗透率定量预测模型[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),27(4):481~484

刘洪林,王勃,王烽等.2007.沁水盆地南部地应力特征及高产区带预测[J].天然气地球科学,18(6):885~890

倪小明,苏现波,魏庆喜等.2009.煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系[J].煤炭学报,34(9):1194~1198

秦勇,张德民,傅雪海等.1999.山西沁水盆地中、南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨[J].地质论评,45(6):576~582

杨满平,王正茂,李冶平.2003.影响变形介质气藏储层渗透率变化的主要因素[J].天然气地球科学,14(5):386~388

Chatterjee R. , Pal P. K..Estimation of stress magnitude and physical properties for coal seam of Rangamati area, Raniganj coalfield, India [J] .International Journal of Geology Coal, 2010, 81: 25～36

Fu Xuehai, Qin Yong, Wang Geoff ., Rudolph V.. Evaluation of coal structure and permeability with the aid of geo- physical logging technology [J] .Fuel, 2009, 88: 2278～2285

林 亮 姚 勇 黄晓明

( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘 要: 通过实施国家科技重大专项 《大型油气田及煤层气开发》项目 “鄂尔多斯盆地石炭二叠系煤层气勘探开发示范工程”柳林示范项目，收集大量煤田资料并施工煤层气试验生产井，研究了柳林地区煤层气储层孔渗发育特征。研究结果表明: 该区煤岩孔隙度主要受煤化程度、显微组分、矿物含量和煤体结构的影响; 煤层渗透率变化较大，渗透率相对较低，具有较强的非均质性; 总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势，太原组较山西组煤层渗透率偏低。

关键词: 柳林区块 煤层气 孔隙变 渗透率

基金项目: 国家科技重大专项示范工程 62 ( 20092 ×05062)

作者简介: 林亮，1983 年生，男，工程师，硕士，2009 年毕业于中国矿业大学 ( 北京) ，现工作于中联煤层气有限责任公司国际合作与勘探部，从事含油气盆地分析及煤层气勘探开发利用研究工作。010 －64298881，atlan-tics@ foxmail. com

The Porosity and perm eability Characteristics of the Liulin Coalbed Methane Block，Shanxi Province

LIN Liang YAO Yong HUANG Xiaoming

( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd，Beijing 100011，China)

Abstract: The Liulin demonstration projects of“ordos Basin Carboniferous and Permian’ s coalbed methane Exploration and Development Demonstration Project”is one of the Major National Science and Technology special projects on “Large Oil and Gas Fields and Coalbed Methane Development Program. ” In order to study the porosi- ty and permeability Characteristics of coalbed reservoir characteristics of this area，we collected a large number of coal fields data and many Parameters and production wells have been implemented. The results show that the coal porosity is mainly affected by the degree of coalification，maceral，mineral content and coal shape. The coal per- meability was relatively low and varied significantly，and it shows a decreasing trend from northeast to southwest area. The coal permeability of Taiyuan formation is lower than that of Shanxi formation.

Keywords: Liulin block; coalbed methane; porosity; permeability

柳林位于山西省西部，河东煤田中部，南邻石楼北区块，东邻杨家坪区块。行政区划隶属于山西省吕梁市柳林县的穆村镇、薛村镇、庄上镇、高家沟乡、贾家垣乡。地理坐标:东经110°44'00"～110°53'00"，北纬37°21'00"～37°31'00"，区块东西宽约，南北长约，面积。

1 区域地质背景

河东煤田主要处在黄河东岸———吕梁山西坡的南北向构造带上，属于李四光指出的“黄河两岸南北向构造带”的东岸部分。煤田总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造，属于吕梁复背斜西翼的一部分，在单斜上又发育了次一级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造［1］。

柳林地区位于河东煤田中段离柳矿区西部，南邻石楼北区块，北邻三交区块，构造上位于鄂尔多斯盆地东缘石鼻状构造南翼。在研究区北部，地层向西倾斜，向南逐渐转为向西南倾斜，总体为一向西或西南倾斜的单斜构造。地层产状平缓，倾角约3°～8°。在鼻状构造的背景上，发育有起伏微弱的次级小褶曲，起伏高度一般小于50m。区内断层不发育，仅在区块北部发育有由聚财塔南北正断层组成的地堑及其派生的小型断层。地表未见陷落柱，也未见岩浆活动［2］。

本区块内及周边赋存的地层有奥陶系中统峰峰组(O2f);石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t);二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x);二叠系上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh);三叠系下统刘家沟组(T1l)、和尚沟组(T1h);新生界上第三系上新统(N2);第四系中更新统(Q2)、上更新统(Q3)、全新统(Q4)。本区内发育煤层14层，其中山西组5层，自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5号煤层;太原组9层，自上而下编号为6上、6、7、7下、8+9、9下、10、10下、11号［2］。其中山西组的2、3、4(3+4)、5号煤层，太原组的8+9、10号煤为主要可采煤层［3］。

2煤储层孔隙特征

煤岩孔隙是指未被固体物质充填满的空间，为煤结构的重要组成部分，与煤储层的储集性能、渗透性等密切相关。一般来说，随着煤阶的升高，煤中的总孔容呈指数下降，总的规律为微孔和小孔增加、大孔和小孔减少［4］。

空隙的划分方案较多，一般采用.霍多特方案，即大孔大于1000nm，中孔为1000～100nm，小孔为100～10nm，微孔小于10nm的标准。

从鄂尔多斯盆地东缘煤储层孔隙体积百分含量上来看，孔隙体积百分含量在～之间，均值为，微孔变化在～，平均为;大孔次之，介于～，均值为;中孔最弱，变化于～，平均。不同地区不同层位，煤储层孔隙分布变化较大［5］。

杨家坪井组数据(表1)表明柳林地区煤层孔隙以小孔为主体，一般占煤层孔隙的40%～55%，此外，微孔和大孔发育较多，中孔发育最少。平均总孔隙含量在～之间，孔隙发育情况一般。在4MPa有效上覆压力条件下，柳林地区8号煤层总孔隙度平均为，5号煤层总孔隙度平均，4号煤层总孔隙度平均为，以8号煤层孔隙度最优。

表1 柳林地区不同煤层孔隙发育情况(注:杨家坪井组数据)

总体上看，柳林地区总孔容一般变化于(148～547)×10－4cm3/g之间，平均323×10－4cm3/g左右。如图1，孔容分布上主要以小孔、微孔为主，尤以小孔含量为优，中孔发育最少。

图1 柳林地区各类孔隙孔容比对比图

柳林地区煤层压汞总孔比表面积在～之间，且小孔和微孔总孔比表面积比占绝对优势，大孔和中孔所占比率甚微，过渡孔所占比例又略高于微孔所占比例。

3 煤储层渗透率特征

研究区内3+4号煤层渗透率为～，平均;FL－EP1井渗透率相对较高;5号煤层渗透率变化范围为～，平均;8+9号煤层渗透率变化范围～，平均;整体上8+9煤层渗透率要明显高于3+4号与5号，各个层位渗透率都呈现出北高南低的特点［6］(图2)。

煤岩渗透率平面变化较大，西部由于煤层埋深较大，渗透率相对较低，测试反映了煤层具有较强的非均质性;总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势，太原组较山西组煤层渗透率高。

煤储层的渗透性是控制煤层甲烷气生产能力的主导因素。渗透率一般指试井渗透率，通过试井资料获得，由于研究区内煤层气探井有限，所以煤层气试井渗透率资料非常有限。据已有资料，柳林地区的渗透率在～10mD之间，南部渗透性要好于北部。煤层气储层的渗透率受煤体结构、裂隙系统的发育程度、地应力等影响;此外，煤层气开采过程中外界条件的改变特别是储层压力变化引起的有效应力效应与基质收缩效应，也对煤岩渗透率产生强烈影响:

图2 柳林地区4、5、8+9煤层渗透率

1.柳林示范区及周边地区以中煤级为主，裂隙非常发育是渗透率的主控因素。裂隙多近东西向展布，端裂隙与之斜交。两组裂隙在平面上以规则的菱形网格状为主，次为不规则网状，孤立状很少见到。

大孔尤其是裂隙的发育情况决定了储层在原始地层条件下的渗透能力。裂隙的发育程度主要是指裂隙的密度(或间距)、长度、宽度、裂口宽度等，它们的值越大，煤层的渗透性越好。裂隙系统的发育程度与煤岩成分、煤变质程度、构造应力等因素密不可分。光亮型煤、中等变质程度的烟煤(如肥煤、焦煤、瘦煤)、低灰分煤等条件最有利于裂隙的大量形成。柳林地区煤以半亮煤为主体，煤级以焦煤为主，有利于形成裂隙。统计面裂隙密度表明，裂隙密度较大，且裂隙大部分未被充填，大幅度扩大了煤体的渗透率［6］。

2.煤层是对地应力十分敏感的天然气储层。通常，地应力场被分解为垂直应力和水平应力。垂直应力是由上覆岩层的重量引起的。煤层裂隙系统的渗透率是有效应力的函数，有效应力是垂直力与地层压力的函数差。垂直应力和地层压力均随埋藏深度的增加而成线数增加关系，由于岩层的密度远大于孔隙中流体的密度，可知，有效应力随深度的增加而增大，裂隙系统的渗透率随着深度的增加而变小。柳林地区煤层由东往西，往南埋深加大，例如4号煤层埋深由东部的200m加大到西南的1250m，渗透率在地应力的作用下呈现变小的趋势。

3.示范区内构造应力场及其伴生的节理发育特征是控制煤储层渗透率的主要因素之一，南部节理变化较小，而中部较大，这预示在中部地区不同走向节理交切部位可能呈网状分布，形成高渗透性地层分布区。同时，统计数据表明，示范区内中部较东西两侧渗透性好。受燕山运动影响，柳林地区地层裂隙呈北东向展布;FL－EP1井山西组3+4号煤层压裂结果显示，造缝裂隙方向仍为北东南西向，与煤层主裂隙方向一致。

4结论

柳林矿区内所含的煤系地层由老到新分别为上石炭统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)以及下二叠统山西组(P1s)。其中矿区内有煤层气勘探潜力的煤层为上石炭统太原组底部8+9+10号煤，下二叠统山西组3+4+5号煤。

两套煤层宏观煤岩类型以半亮煤和半暗煤为主，光亮煤和暗淡煤为辅，镜质组含量高，主要为焦煤。煤层孔隙以小孔为主体，一般占煤层孔隙的40%～55%，此外，微孔和大孔发育较多，中孔发育最少。总孔容一般变化于(148～547)×10－4cm3/g之间，平均323×10－4cm3/g左右。汞总孔比表面积在～之间，且小孔和微孔总孔比表面积比占绝对优势。

煤岩渗透率平面变化较大，西部由于煤层埋深较大，渗透率相对较低，测试反映了煤层具有较强的非均质性;总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势，太原组较山西组煤层渗透率高。

从煤层厚度、煤岩煤质、孔渗条件等方面考虑，柳林地区具备煤层气富集成藏的条件，有大规模开发的潜力。

参考文献

〔1〕刘新社，席胜利，周焕顺.2007.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征［J］.煤田地质与勘探，35(1)

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〔3〕黄晓明，林亮，王赞维等.2010.山西柳林地区煤系地层对比特征［J］.煤层气勘探开发理论与技术———2010年全国煤层气学术研讨会论文集

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