沁水盆地东北部地区15号煤储层物性特征分析

2013-01-12单钰铭赵军辉郑莲慧

地质与资源 2013年4期

尹帅，单钰铭，王磊，赵军辉，郑莲慧

（1.成都理工大学能源学院，四川成都610059；2.西北大学地质学系，陕西西安710069）

沁水盆地作为我国规划建设的煤层气产业化基地之一，煤层气资源量大，具有煤层埋深适中（一般300～1000m）、厚度大、地层产状平缓、含气量较高、断层少、割理系统发育、渗透率较高等良好的储层地质条件和资源条件［1］.前人对本区煤储层特征研究主要集中在煤岩成分测定、镜下观察、孔渗、孔隙结构、割理、裂缝、顶底板、煤岩变形等方面［2-11］.但由于高变质阶段烟煤自身的独特性和强非均质性，人们对煤储层特征了解不够深入.笔者采用各种分析测试方法，对目前研究程度尚低的沁水盆地东北部地区15#煤储层物性特征进行综合分析，希望获得一些新的认识，为该地区煤储层的进一步深入研究提供对比和参考.

1 地质特征

1.1 构造特征

沁水盆地位于吕梁隆起东侧，太行复背斜西侧，中条山隆起带以北，五台山隆起带以南，为华北地台内的一个二级构造单元，现今面貌为一个近南北向的大型复式向斜［1］，其北部构造纲要如图1.

图1 沁水盆地北部构造纲要图（据梁宏斌，2012，修改）Fig.1 Regionaltectonic outlineofnorthern QinshuiBasin（modified from LIANGHong-bin,2012）1—断层（faul）t；2—背斜（anticline）

1.2 地层特征

该区域的地层是在华北地台基础上逐步发展完善起来的，最下部为震旦系古老结晶基底，随后沉积了寒武、奥陶系碳酸盐岩地层，其上沉积了石炭系的本溪组、太原组，二叠系的山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，其中太原组和山西组为主要含煤层位，再往上沉积了三叠系、第四系等碎屑岩沉积及松散沉积物.石炭系上统太原组厚度约为100～150m，主要由灰色砂岩、灰黑色砂质泥岩、泥岩、灰岩及煤层组成，为海陆交互相沉积，夹灰岩数层，含煤多层.本次研究的15#煤层，厚度一般5m左右，埋深300～400m.其顶底板以黑色或灰黑色泥岩、砂质泥岩、岩屑砂岩为主，对煤层气的保存较为有利.

2 煤岩特征

2.1 煤岩宏观特征

本区15#煤层煤类主要是高煤级烟煤中的贫煤（Ro范围1.8～2.5），变质程度较高，往往煤层气的生成量与变质程度正相关 .煤样呈黑色、褐黑色块状、粉末状或条带状结构，层状或块状构造，具有玻璃或强玻璃光泽，贝壳状、参差状或阶梯状断口，裂隙发育.宏观煤岩组分以亮煤或亮煤-镜煤为主，暗煤和丝碳较少.宏观煤岩类型主要为光亮型煤、半光亮型煤，夹有少量半暗型和暗淡型煤，表明凝胶化组分含量较高，煤相为森林泥炭沼泽相［5］，易于形成利于开发的有利储层.

2.2 岩石学特征

通过对33个煤样的薄片进行镜下观察，并作其有机组分含量三角图（如图2），发现其有机显微组分最显著的特点就是镜质组含量高，含量约为62%～80%，平均含量70.02%，最少仅为28%，最高可达85%.一般来说镜质组的脆度最大，且生气能力较高，单组分煤岩有机显微类型强度低于双组分和三组分［3］，脆度越大越容易断裂形成裂隙，使煤层气储集和运移.惰质组含量约为10%～25%，平均含量18.48%，最少仅为2%，最高可达60%，镜质组和惰质组呈现一种此消彼长的关系.87%的样本V/I（镜质体/惰质体）值在2以上，58%的样本V/I值在5以上，最高可达30以上.壳质组含量少，且难区分，仅在少数薄片中具有零星分布，且多被伊利石充填.其他薄片由于样本煤化程度高，壳质组在显微镜下难以辨认.镜质组主要以块状、凝胶状、不规则条状零星或层状分布（如图3A），这主要是因为高煤阶凝胶化作用较彻底，凝胶体往往孔隙比较发育［12］，且在缩聚时容易产生裂隙，从而增加了煤层气的储集空间.惰质组呈斑块状、长条状、透镜状、线状或薄层状不均匀分布于煤岩中（如图3B、C、D），有些被伊利石等黏土矿物充填.煤中矿物含量较低，一般约为1%～15%，矿物成分中主要为黏土矿物（如伊利石、高岭石）、氧化物（如石英）、硫化物（如黄铁矿）和碳酸盐矿物（如方解石）.

图2 有机显微组分含量三角图Fig.2 Triangulardiagram oforganic contents

图3 煤岩显微照片Fig.3 Micrograph ofcoal单偏光（single polarization）：A—镜质组及被矿物填充的孔隙，4×10（vitriniteand pore filled bymineral）；B—透镜状惰质组，2×10（lenticular inertinite）；C—团块状惰质组，4×10（crumb inertinite）；D—镜质组中夹层状惰质组，4×10（bedded inertinite in vitrinite)

整体分析认为，本区V/I值高，镜质组具有明显的优势，利于生气，同时脆度大强度低易于产生裂隙，利于煤层气的储集和运移.

3 孔隙类型

煤中的孔隙是指煤体中未被有机质或者矿物质充填的空间.煤具有无序性和很强的非均质性，因此存在复杂的孔隙类型.煤中的裂隙主要为凝胶化组分收缩或构造作用产生的裂隙.以往的煤层气井主要分布在割理比较发育的中煤级煤中，中煤级煤的割理系统控制着储层的渗透率已经被证实［6］，但高煤级煤的割理系统往往被矿物质充填.煤的成岩作用对古环境具有一定的依赖性，不同古环境下形成的煤层的孔隙类型有差别，煤岩作为非常规储层性脆，自晚古生代以来经历了多期复杂的构造运动，对其进行了后生改造，与其他地区相比，本区构造相对简单、平缓.同时在区域性热变质的作用下煤层经历了复杂的热演化［13］，达到高煤级烟煤中的贫煤阶段，具有很强的非均质性，加剧了孔隙的复杂特征.通过扫描电镜对15#煤样在一定尺度上进行观察，发现煤储层的孔隙类型为孔隙和裂隙的双孔隙特征（如图4A、B），同时发育割理（如图4C），且割理多被脉状方解石充填（如图4D），从而使渗透率急剧降低.一般孔隙直径小于65 nm或100 nm时，孔隙内的气体运移方式为扩散，而大于65 nm或100 nm时，气体运移方式为渗流［14］，因此在裂缝处一般以达西渗流方式运移，在纳微级别孔隙中一般以扩散方式运移.

图4 煤样电镜照片Fig.4 ElectronicmicrographofcoalsamplesA—孔隙（pore）；B—裂隙（crack）；C—割理（cleat）；C—割理被方解石填充（cleat filled with calcite）

4 孔渗特征

对本区煤样33个孔隙度测试数据和5个渗透率的测试数据进行分析，结果表明孔隙度在9%～15%范围内达到79%（如图5）.最大值为17.4%，最小值为6.82%，平均值为12.18%.对33个煤样中孔隙度分布频率较高的5个进行渗透率测定（如表1），结果表明其渗透率最小值为0.0011mD，最大值为0.2192mD，平均值为0.07mD，由于强非均质性导致其渗透率变化比较大.按照相关煤储层参数评价标准，有效孔隙度大于 5%［15］，渗透率大于 0.5mD［16］的煤储层最好.相比之下本区样本煤样孔隙度较高，但都表现出低渗—特低渗的特征.整体分析表明，本区15#煤储层在深度、厚度、有效孔隙度、构造特征等方面均达到了Ⅰ类储层的评价标准［15］，但渗透率变化比较大，具有低渗—特低渗的特征，给煤层气开发带来一定难度，但整体具有较好的储层条件.

图5 煤样孔隙度分布直方图Fig.5 Porositydistribution histogram ofcoalsamples

5 孔隙结构特征

5.1 压汞特征分析

通过对表1的5个煤样进行压汞实验，作如图6所示的进汞曲线（入汞喉道半径下限为0.0038μm）.笔者以压入汞10%对应的毛管压力值作为排驱压力，可以看出5个样品的排驱压力都比较高.其中3#和4#样品相对较低，分别为0.27MPa和0.38MPa，对应的喉道半径分别为 2.74 和 1.99 μm.1#、2#、5#样品排驱压力高，分别为2、4.8和7.2MPa，其对应的喉道半径分别为0.37、0.16和0.1μm.煤样的总进汞率都较低，一般为50%左右，说明喉道半径小于0.0038μm的有效孔隙仍占有较大比例空间，退汞效率在60%～80%之间.由于基数（入汞量）较低，因此退汞效率较高.5个煤样中值压力都较高，其中值压力对应的喉道半径都在10～30 nm的范围内，以煤储层按孔隙直径1～10、10～100、100～1000、>1000 nm 分为微孔、小孔、中孔、大孔为标准，可以看出此曲线偏向于微孔喉型压汞曲线型式.

图6 煤样进汞曲线Fig.6 Mercury pressurecurveofcoalsamples

通过计算得出煤样的物性参数如表2.对于煤岩来说，孔喉均值（Ф）越小，表示较大孔越多.分选值小，表示分选越好，煤储层主要偏向于某一类孔，孔可大可小.歪度表示孔喉分布相对于平均值来说是偏于大孔还是偏于小孔，好的煤储层歪度一般为正值或趋向于零的负值.变异系数表示观测值的相对变化性，一般变异系数值越大，表示煤储层越好.综上可以看出，15#煤储层的均值（Ф）偏大，分选值较大（分选差），歪度为负值，偏离零中等，变异系数偏小，表明15#煤储层的孔喉配比较差，几乎都偏于小孔.本文压入汞对应的最小喉道半径为3.8 nm，喉道半径低于3.8 nm对应的微孔孔隙占有一定空间，9.4μm以上入汞量极低.通过统计，1#～5#煤样喉道半径小于100 nm压入汞所对应的孔隙空间占总压入汞所对应的孔隙空间的87%、90%、77%、81%和89%，喉道半径小于10 nm压入汞所对应的孔隙空间（其中60%对应的喉道半径小于5 nm）占总压入汞所对应的孔隙空间的76%、83%、71%、65%和79%.渗透率越小，显示出微小孔隙所占的体积份额就越大.由此可以看出，本区15#煤富含微孔，微孔为其主要的孔隙类型.综上所述，本区煤储层的孔喉配置关系为微孔-微喉型.

表2 煤样孔隙结构物性参数Table2 Physicalparametersofporestructureofcoalsamples

5.2 孔隙结构分形特征分析

孔隙分形是指孔隙结构在一定尺度范围内具有分形性，对于压汞来说，表现为压入汞的体积与毛管压力或毛管半径在一定转换条件下具有线性相关，具有较好的分形特征，并可计算出分形维数D.但是前人对高变质烟煤的分形性研究比较少.

根据贺承祖［17］给出的的原始公式：

因为rminrmax，所以S代表孔隙半径小于r的累积孔隙体积分数，r为孔径，V为孔径r对应的孔隙体积.本文中未作说明的孔径均指半径.

对于压汞来说，压入汞的体积所对应的孔径代表大于r的累积孔隙体积分数，所以SHg代表压入的汞的体积.由Laplace公式，压汞时Pc=0.75/r（Pc为孔径r对应的毛管压力，当Pc单位取MPa时，r的单位取 μm），带入（3）得：Pmin为入口毛管压力.两边同时取对数，得：

设 a，b是任意常数，（5）式两边同时加上 lnea+（D-3）lneb，化简得：Pmin是定值，对于具分形性的同一类孔隙来说，D可以看做一个定值，因此ln［ea（1-SHg）］和lnebPc之间存在线性关系，根据斜率可求得D.从此式中还可以清楚的看出D值的求取与1-SHg和Pc的单位无关.

为使Y轴值尽可能趋于正值，将（6）式变形为：

对本区 1#～5#煤样做 ln［100（1-S Hg）］/ln Pc图（如图7A～E，横向从左到右孔径范围为 9.4～0.0038μm）.

由于高煤级烟煤的孔隙结构随孔径变化差别很大，因此对于9.4～0.0038μm范围孔径从整体上来说并不具有线性相关，不符合（7）式（如图 7 A～E），因此有必要通过划分区段来讨论煤岩的分形性.前人通过对煤岩进行分形性研究划分出不同的分形下限，主要有 65、75、100 和 50 nm 等［2］，这些孔径值均为直径.笔者通过拟合，认为本区煤样在9.4μm到0.036μm孔径范围内，除了5#煤样，均具有较好的分形特征，符合（7）式（如图7F～J）.因此笔者认为本区贫煤的孔径分形下限为36 nm.如果按照前人一般以直径进行定义，则分形下限为72 nm.

按照（7）式进行计算，在这个范围内1#～5#煤样的分形维数 D 分别为 2.9688、2.9816、2.9535、2.9639 和2.9699.可以看出，本区贫煤分形维数值在2.9～3之间，一般D值越小表示分形越好，D值越大，孔隙结构越杂乱，分形越差.整体来说，本区贫煤的分形较差，孔隙结构比较杂乱.前人［2］认为高煤级烟煤孔隙分形维数与解吸能力相关，分形维数降低则解吸能力增强，相比而言本区煤层气相对易解吸，因此在煤层气（兰氏体积）富集或较富集的15#煤层区域，可以作为勘探开发的有利区块.

对于了解程度尚不深入的煤储层孔隙结构，本文从煤样分形维数随孔径的变化规律角度进行分析.对煤样所有测试点进行3次拟合，发现具有较高拟合度（如图7A～E），其曲线型式主要有宽 S 型（1#、2#、3#、5#）和狭窄 S型（4#）两种，与孔隙度有一定对应关系.通过二次求导计算出1#～5#煤样的拐点横坐标值分别为0.3651、0.3333、0.7980、0.4415 和-0.2571，其对应的孔径分别为0.5206、0.5374、0.3377、0.4823和 0.9699 μm，各值相差不大，平均值为0.57μm.拐点左边二次求导恒为正，右边恒为负，说明曲线在拐点左侧斜率整体有增大的趋势.D值变大，孔隙分形特征变差，右侧斜率整体有减小的趋势.D值减小，孔隙分行特征变好，说明孔隙结构并不是一味的杂乱下去，而是开始趋于变好，尤其是在微孔孔径级别D值减小迅速，表现出较好的分形特征.本文采用的是3次拟合，出现一个拐点，如果采用更高次拟合，也许会出现多个拐点，斜率变化会出现更多起伏，但其变化相对整体来说是甚微的.由于3次拟合已经达到比较高的拟合度，足以表现煤样分形维数随孔径的变化规律，因此本文将一些极其微小的变化忽略不计.

6 力学参数特征分析

6.1 变压条件下煤岩体力学参数变化规律

在轴压5 kN不变，逐步增加围压条件下，煤岩部分参数变化规律如图8A、B、C.可以看出V p随着围压的增加而变大，10 MPa之后开始变缓，15 MPa之后有略微下降的趋势.V s随着围压的增加而变大，15MPa之后变化开始放缓；杨氏模量随着围压的增加而变大，15MPa之后变化开始放缓.在围压20MPa不变，逐步增加轴压条件下，煤岩部分参数变化规律如图8D、E、F.可以看出杨氏模量随着轴压的增加先是增加，而后在轴压80 kN附近开始下降；V p开始阶段随着轴压的增加而增大，在轴压120 kN附近开始下降；V s开始阶段随轴压的递增而增加，在60 kN附近出现下降.泊松比在增加围压时略有增加，在增加轴压时略有减小，整体变化范围为0.3～0.34，变化不大.由此可以看出，在变压条件下，煤岩的力学参数具有一定的变化规律，2次拟合的拟合度较高，但由于煤岩具有强各向异性及非均质性，各项力学参数并没有统一的变化范围.

图7 煤样压汞双ln图Fig.7 Logarithmic diagram ofmercury injection of coalsamples

图8 变压条件下煤岩力学参数变化规律Fig.8 The coalpetrologic parameter curvesundervariable pressure

6.2 模拟地层条件下力学参数分析

在实验室三轴应力模拟地层条件下（轴压5 kN，围压20MPa，温度25℃）获得的煤岩力学参数数据如表3.

由表3可以看出煤样的杨氏模量范围为4～10 GPa，为顶底板（砂、泥岩）的 1/7～1/9，相对偏低，且变化幅度不大.根据兰姆方程，煤岩的压裂裂缝宽度与弹性模量成反比，沁南1500m以浅的煤岩杨氏模量一般在4GPa左右.因此本区15#煤层进行压裂产生的压裂裂缝宽度要比沁南煤层小.沁南1500m以浅的煤层压裂裂缝均不同程度延入煤层顶底板，裂缝最大高度可达压裂层厚度的4倍［10］，煤层与顶底板的杨氏模量之差一般约为35 GPa.此差值越大，煤层与顶底板的岩石力学性质差异越大，层间易形成弱面，造成应力集中，裂缝沿着弱面进行延展，形成“T”形缝或“工”形缝［10］，这样压裂裂缝就越容易被控制在煤层中，且裂缝的形态具有随机性，与埋深关系不大.相比本区15#煤层与顶底板的杨氏模量差值约为40GPa，比沁南略高，因此压裂裂缝高度要相对容易控制一些，但也会延入顶底板.煤样泊松比偏高，在0.33～0.37范围内变化不大.抗压强度较低，为顶底板的1/2.纵横波波速相对顶底板均偏低，但纵横波波速比相对较高，煤储层整体表现出性脆、易被压缩的特点.

表3 研究区煤岩体力学参数Table3 Coalpetrologic parametersof thestudied area

7 结论

1）本区15#煤（贫煤）宏观煤岩类型主要为光亮、半光亮型煤，利于生气，其指示的煤相（森林泥炭沼泽相）一般来说易于形成有利储层，有机显微组分具有明显的镜质组优势，V/I值一般都在2以上，易于产生裂隙.孔隙类型具有孔隙和裂隙双孔隙特征，利于煤层气进行扩散和渗流，同时发育割理，但割理多被脉状方解石充填，这是本区渗透率低的重要原因之一.煤储层在深度、厚度、有效孔隙度、构造特征等方面均达到了Ⅰ类储层的评价标准，利于煤层气开发，但渗透率变化比较大，具有低渗—特低渗的特征，孔喉配置关系为微孔-微喉型，增加了开采难度.本区15#煤整体具有较好的储层条件.

2）通过对孔隙结构分形下限计算方法的探讨，发现本区15#煤在9.4～0.0038μm孔径（半径）范围内，其孔径分形下限为36 nm，分形维数D值在2.9～3之间，煤层气相对易解吸，在煤层气（兰氏体积）富集或较富集区的15#煤层区域，可以作为勘探开发的有利区块.经过3次拟合对煤岩孔隙结构进行研究，发现孔径以0.57μm作为拐点，拐点左侧分形特征有整体变差的趋势，拐点右侧分形特征有整体变好的趋势.并且随着孔径越来越小，分形特征呈现急剧变化的趋势.

3）本区煤岩力学性质与顶底板差异明显，煤样杨氏模量范围为 4～10GPa，为顶底板的 1/7～1/9，比沁南1500m以浅煤层杨氏模量（4GPa左右）高，因此压裂产生的压裂裂缝宽度要比沁南煤层的小.煤层与顶底板的杨氏模量差值比沁南略高，因此压裂裂缝高度比沁南煤层略小，相对容易控制在煤层中一些，但也会延入顶底板.泊松比在0.33～0.37范围内变化不大，煤层抗压强度为顶底板的1/2，纵横波波速均较顶底板偏低，但纵横波波速比相对较高，煤储层性脆，易被压缩.

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