沁水盆地南部3号与15号煤层产气量差异因素

2013-06-13陆小霞黄文辉中国地质大学北京能源学院

石油天然气学报 2013年3期

陆小霞，黄文辉（中国地质大学（北京）能源学院）

敖卫华，刘浩中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083

沁水盆地南部是我国重要的煤层气生产基地，其主采煤层是3号和15号煤层。目前煤层气的开采主要集中在3号煤层，因为3号煤层埋藏较浅，渗透率较高，产水量小，较易开采，已进入商业开发阶段。而15号煤层产气量较低，还不能形成经济产能[1]。但15号煤层煤层气资源量相当丰富（1.8×1012m3），因此探讨其产量低的原因，有助于煤层气的开采，以提高经济效益。前人研究成果表明，影响煤层气井产量的主要因素有：构造条件、煤层厚度、煤层埋深、煤储层压力、气含量、渗透率及水文地质条件等[2]。其中渗透率是制约煤层气开发的关键因素[3]。而渗透率的主控因素是煤储层孔隙、裂隙发育特征。笔者通过对比分析沁水盆地南部3号和15号煤层孔隙及裂隙特征、煤层埋深、厚度、气含量等，探讨15号煤层产气量低的地质因素。

1 煤储层孔隙特征

1.1 孔隙充填特征

沁水盆地南部3号和15号煤层中矿物较多，借助扫描电镜可以观察孔隙发育和矿物充填情况。采集了沁水盆地南部浅部煤矿及深部钻孔中的3号和15号煤层样品，目的是对比3号与15号煤层以及浅部与深部的煤孔隙特征（图1）。试验采用中国地质大学（北京）VEGA/LSH型扫描电镜。观察发现随埋深的增加，煤中孔隙闭合程度、被充填情况并无明显规律（图1）。但对比3号和15号煤层发现，15号煤层的孔隙被矿物充填更严重，且矿物种类较多。3号煤层的孔隙有的未被充填，有的部分被充填，完全充填的情况较少，且充填物多为黏土矿物。15号煤层的孔隙被充填情况较严重，充填物有黏土矿物（图1 （e）、（f））、黄铁矿（图1 （g））、石英（图1 （h））等。

1.2 孔隙结构特征

利用压汞试验资料，对沁水盆地南部6个煤矿的3号和15号煤层的孔隙结构进行分析。压汞试验采用9500－IV型压汞仪，测试压力范围为0.003～35MPa，孔径范围183.132～0.018μm，测试单位为华北油田勘探开发研究院，测试结果见表1。

图1 沁水盆地南部煤样孔隙扫描电镜照片

表1 沁水盆地南部煤样测试结果

试验结果显示，沁水盆地南部煤层孔隙结构以微孔隙、小孔隙为主，中孔隙次之，大孔隙很不发育。其中3号煤层的大孔隙较15号煤层发育，但15号煤层的中孔隙和微小孔隙较3号煤层的发育。其中3号煤层平均进汞饱和度为29.34%，高于15号煤层的27.88%。排驱压力反映汞进入煤样最大喉道时的毛管压力，其值越小，说明孔喉半径较大。3号煤层排驱压力平均值为6.11MPa，15号煤层为5.50MPa，两者相差不大。一般退汞效率越高，孔隙系统的连通性越好[4]。沁水盆地南部煤样退汞效率在48.35%～81.41%之间，大多高于50%，退汞效率较高，表明孔隙的连通性较好。3号煤层的平均退汞效率较15号煤层高，孔隙连通性好于15号煤层。

根据前人大量测试分析可知，煤储层毛管压力曲线形态可分为两种类型，即孔隙型压汞曲线和裂隙－孔隙型压汞曲线[5]。沁水盆地3号和15号煤层压汞曲线都属于孔隙型。但不同孔隙结构，毛细管压力曲线不同。因此又可依据毛细管压力曲线形状，将沁水盆地南部煤样孔隙类型分为3种类型。

1）Ⅰ型特点是孔隙度高，孔喉直径均值大，排驱压力小（图2（a））。孔径结构以微小孔隙为主，但中孔隙和大孔隙所占比例较其他类型高，孔径结构配置较好。渗透率也较高，有利于气体的渗流。退汞效率较低，表明孔隙连通性较差。此类型对煤层气的富集和产出有利。

2）Ⅱ型曲线为两段式，进汞曲线呈反 “S”形（图2（b））。大孔隙含量较高，但其退汞效率相对较低，这是由于孔隙结构不均匀，连接大孔隙和微小孔隙的中孔隙含量相对较少。此类型的孔隙对煤层气的产出较为有利。

3）Ⅲ型进汞曲线呈较陡的弧形，其特点是孔隙结构较差，排驱压力较大，孔喉直径较小，进汞饱和度低（图2（c））。中孔隙和大孔隙总体低于10%，孔喉直径均值也较低，说明吸附孔很发育，但渗流孔较少。其进汞饱和度很低，表明其有效孔隙较少。此类型的孔隙对煤层气的吸附有利，但不利于产出。

图2 压汞曲线和孔径特征

对比研究区3号和15号煤层发现，3号煤层孔隙类型大多为Ⅱ类，个别为Ⅲ类；15号煤层既有Ⅰ类孔也有Ⅱ和Ⅲ类孔。但总体而言，与3号煤层相比，15号煤层微小孔较发育，大孔不甚发育，孔隙连通性较差，不利于煤层气的渗流。

2 煤储层裂隙特征

2.1 宏观裂隙充填特征

渗透率取决于煤层裂隙特别是煤层割理的发育情况，后期方解石等地下流体的充填作用会对煤储层渗透性产生严重的负面影响[6]。因此，研究煤层裂隙的充填情况显得尤为重要。

沁水盆地南部3号和15号煤层中的裂隙都有被矿物充填的现象，但15号煤层中裂隙被充填得更为严重。如表2所示，在7件3号煤层的样品中，只有3件被方解石充填；而8件15号煤层的样品中，有6件被方解石、黄铁矿充填，且充填量也较3号煤层大。煤层中裂隙充填物主要有两种产状：一种是完全充填于裂隙中，一种是以薄膜状发育在裂隙面上。

表2 3号层和15号煤层矿物充填特征

在伯方煤矿3号煤层中，宽约1mm的十几条细方解石脉交错充填裂隙（图3（a））、薄膜状的方解石（图3（b））沿裂隙面发育，对储层渗透性有较大危害。在凤凰山煤矿15号煤层中，发育面积较大的方解石薄膜（图3（c））。15号煤层中的方解石大多以这种薄膜状发育在煤的裂隙面上，且分布面积较3号煤层大。这与15号煤层顶板主要为灰岩有关，灰岩的岩溶水易进入煤层中，并沉淀形成方解石[7]。泊村煤矿和王台铺煤矿15号煤层中分别观察到条带状黄铁矿和黄铁矿结核充填裂隙（图3（d）、（e））。这是由于15号煤层是海相成煤环境，含硫较高，易形成黄铁矿[8]。通过以上宏观对比，可见15号煤层被矿物充填更为严重，渗透率受影响程度更大。

图3 煤样宏观照片

2.2 显微裂隙充填特征

利用扫描电镜观察发现，沁水盆地南部高煤级样品中显微裂隙较发育，多为次生裂隙，原生裂隙较少。裂隙闭合度较高，多见充填物，以方解石为主，次为黏土矿物。

3号煤层中的显微裂隙有的完全被充填（图4（a）），有的部分被充填了黏土矿物等（图4（b）），有的未被充填（图4（c））。15号煤层中的裂隙则绝大多数被矿物充填（图4（d）～（f））。可见，15号煤层裂隙充填程度较3号煤层严重。

3 煤储层渗透率

煤的渗透率是储层孔隙、裂隙系统优劣特征的综合反映，其大小在一定程度上直接反映了煤储层的渗透性能。沁水盆地南部注入－压降试验测得：3号煤层的渗透率为0.004～112.6mD，平均为5.44mD；15号煤层的渗透率为0.0265～5.707mD，平均为0.86mD，远低于3号煤层的。

图4 沁水盆地南部煤样裂隙扫描电镜照片

影响煤层渗透率的因素有煤阶、煤岩类型、煤岩组分和煤体结构等，它们主要通过割理裂隙的发育特征及开启程度影响煤储层渗透性。此外，有效应力、煤层埋深等也对渗透率有重要影响。笔者认为，导致沁水盆地南部15号煤层渗透率低于3号煤层的重要原因是15号煤层大量裂隙被方解石、黄铁矿、黏土矿物等充填，其中方解石是主要充填物。

4 煤层埋深及厚度

深度是影响煤层气产量的重要因素之一。煤层气开发目标煤层埋藏浅，则地应力低，渗透率高，排水降压容易，气井产量就越高[9]。沁水盆地南部煤层埋深与气井产量呈弱的负相关，埋深为400～800m，产气量分布区间较大；埋深大于800m，平均产气量多小于200m3/d（图5）。同一口钻孔中15号煤层埋深平均比3号煤层深100m左右，则地应力高于3号煤层，而渗透率、产气量则低于3号煤层。

图5 煤层埋深与气井平均产气量的相关性

煤层厚度对气井产量也有较大影响，它决定研究区资源量的大小以及煤层气井的日产气量和生产周期的长短。煤层厚度与气井产量呈正相关，煤层越厚，气源越充足，产量也就越高。沁水盆地南部3号煤层平均厚度为6.02m，15号煤层平均厚度为4.16m。3号煤层厚度大于15号煤层，这也是导致15号煤层产气量低于3号煤层的因素之一。

煤层厚度的稳定性对产气量也有一定影响。沁水盆地南部3号煤层厚度分布较稳定，而15号煤层横向上有分叉。煤层厚度的稳定性可用变异系数评价，3号煤层的变异系数为0.09，15号煤层的变异系数为0.21，较3号煤层的大，变异系数大表明15号煤层稳定性不好。其一方面由于原始的沉积环境变化大，另一方面受后期构造影响，对煤层的原生裂隙和渗透性都有破坏，影响煤层气的产量。

5 含气量及产气量特征

煤层气含气量是决定煤层气丰度的关键参数，是影响煤层气高产的主要控制因素。沁水盆地南部煤储层含气量较高，其中3号煤层含气量3.55～25.48m3/t，平均14.29m3/t。15号煤层含气量8.15～27.07m3/t，平均16.24m3/t。15号煤层含气量比3号煤层稍高。因此，含气量不是导致15号煤层产气量低于3号煤层的因素。

根据煤层气产能分级方案[10]，统计获得的沁水盆地南部柿庄区块88口生产井产量数据表明，平均单井日产气量大于3000m3的高产井仅有2口，平均日产气量1000～3000m3的中产井为5口，其余81口井为平均日产气量低于1000m3的低产井。单独排采3号煤层的有67口井，平均单井日产量199.4m3，其中不产气的井13口，占19.4%；单独排采15号煤层的有8口井，平均单井日产气量81.6m3，其中不产气的井3口，占37.5%；3号煤层和15号煤层合采的有13口井，平均单井日产气量1191.2m3。可见，15号煤层的产量远低于3号煤层。由前面的分析可知，导致15号煤层产气量低的因素有渗透率低、埋深大以及厚度小，而渗透率低的主要原因是15号煤层的孔隙、裂隙被方解石等矿物充填。