高煤级煤储层压汞特征分析及渗透率估算

付新，薄舒月，段宏臻

(中国石油集团测井有限公司青海事业部，甘肃 敦煌 736202)

曹超

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 晋城 048000)

含气性和渗透率是煤层气储层地质研究中最为关键的基础参数，前人对此多有研究[1,2]。但随着研究的深入开展，人们逐渐发现含气性好的煤储层未必能获得高产，而含气性一般的煤储层也可能获得高产，这其中的原因与煤储层的渗透性有非常大的关联[3]。煤储层的渗透率高低与其孔隙结构关系密切，因而深入开展煤储层孔隙结构研究对明确其渗流机理、储层评价及“甜点”区预测均有重要意义[4，5]。压汞测试是研究煤储层孔隙结构的一种重要方法，压汞曲线可以反映储层岩石中连通性孔喉的结构特征[6]。入汞过程即为非润湿相驱替润湿相的过程，而退汞过程可模拟油气采排的生产过程[7]。笔者以沁水盆地和顺区块高煤级煤储层为研究对象，利用压汞测试分析煤储层孔隙结构特征，并探索基于压汞法的煤储层渗透率估算方法。该研究对煤层气勘探开发均有重要参考价值。

图1 研究区位置及含煤地层柱状图

1 地质背景

研究区位于沁水盆地东北部和顺煤层气开发区块(图1(a))，试验测试的高煤级烟煤样品取自该区块井下煤矿，为太原组15号煤(图1(b))。和顺区块构造上位于沁水块坳东北部沾尚-武乡-阳城北北东向褶皱带内，以褶皱构造为特征。地层整体为北西倾向，倾角15°左右，为一单斜构造。断裂构造不发育，存在次级宽缓褶皱构造，构造线呈北北东向展布[8]。该煤层属高煤级贫煤，宏观煤岩类型为光亮型煤及半光亮型煤，煤相为森林泥炭沼泽相。所研究15号煤在区内厚度分布稳定(5m左右)，埋深适中(300～400m)，镜质体反射率Ro较高，主要分布在1.8～2.5。

2 高煤级煤储层特征及试验测试分析

2.1 煤储层特征

图2 煤储层显微结构特征图

1)孔隙特征 该区15号煤储层的变质程度较高，含气量大(通常>15m3/t)，煤样具有玻璃及强玻璃光泽，凝胶化组分体积分数较高，属于优质煤层气开发储层。该区15号煤储层的有机显微组分以镜质组体积分数最高，主要分布在62%～80%。镜质组多呈凝胶状或层状，脆度比较大，孔隙比较发育，且可见较多微裂隙，为煤层气最重要的储存空间和渗流通道；惰质组体积分数主要分布在10%～25%；壳质组非常少，偶见，多被伊利石充填。其他矿物组分如黏土矿物组分主要包含伊利石及高岭石，其体积分数主要分布在1%～8%；方解石主要分布在1%～15%；菌藻、孢子体和玉髓(硅质)偶见。

由于矿物组分、体积分数及充填程度等方面因素的差异性，所研究的煤储层具有非常强的非均质性及各向异性。但研究区构造相对简单，构造活动对煤储层的影响较小，煤储层以原生结构煤为主，天然气的保存条件较好[8]。通过对煤岩进行扫描电镜观察，发现该煤储层发育孔隙、裂隙及割理。煤岩中孔隙以<100nm的纳微孔为主，介于100～1000nm的中孔及>1000nm的大孔次之。孔隙的形态多为圆形及椭圆形(图2(a))，与生烃作用相关[2]，同时也表明成岩作用进行得比较彻底。当孔隙以孔隙团的形式大量分布时，表明孔隙间的连通性较好；而当孔隙以孤立的形式分布时，表明孔隙间的连通性差。煤岩中裂隙多为剪切缝(图2(b))、张性缝(图2(c))及滑脱缝，均为构造成因缝，表明该地区煤储层仍受一定程度的构造作用影响。上述3类微裂缝多未充填，有效性好，表明其形成的时期较晚，对渗透率的贡献程度较高[9]。而割理缝多被脉状方解石充填(图2(d))，有效性差，表明其形成时期较早，煤储层渗透率会发生急剧降低，因此，割理缝对煤储层渗透率的贡献程度非常低[9,10]。

2)物性特征 物性试验测试结果表明，该地区煤岩孔隙度主要分布在9%～15%，平均为12%；渗透率主要分布在0.0011～0.2192mD，平均为0.07mD。按照行业内相关评价标准[3]，对于煤岩来说，具有较好煤层气开发潜力的煤储层的孔隙度通常>5%，而渗透率通常>0.5mD。因此，该区煤储层的物性相对较差。其具有较高的孔隙度，但渗透率相对偏低。因此在后期煤层气开发过程中，应重视对于煤储层渗透率的保护。

2.2 压汞试验测试

1)测试方法 压汞试验测试所采用的仪器为AutoPore Ⅳ 9500自动压汞仪，依据国家测试标准GB/T 21650.1—2008进行操作。仪器具有快速的升压速率，灵活可控的真空系统，高性能的低压和高压系统。基本测试条件为：汞表面张力480mN/m，汞接触角140°，实际测量最大压力228MPa，孔径测量范围0.05～1000μm，有1个高压站和2个低压站。样品制成岩心柱后经过24h的干燥处理后进行试验测试。压汞曲线可反映连通性孔喉结构特征，压汞试验过程中，进汞过程为非润湿相驱替润湿相。当注入压力增加到突破更细小的孔喉毛细管压力时，进汞饱和度逐渐增加。

压汞试验的具体操作步骤为：①开通氮气阀门、压汞仪及计算机；②选择样品管及封装样品，涂密封脂，封装完成后称重；称重后样品管放入低压仓，旋紧低压仓(不要过紧)，装好测量筒；③进行低压分析，分析结束后可取出样品管，样品管称重，记录其重量，准备进行高压分析；④开始高压分析，样品管先向上送入高压仓样品室，松开高压仓样品室手柄，缓慢地将高压仓样品室与样品管一同落下。到达半程后，将样品管送入高压仓内，并确认其与底座接触良好；将样品室落下，检查排气阀应打开，旋紧样品室；其间应观察到有高压油及气泡进入排气阀上方小杯中，此时可反复进行松-紧操作以确保高压仓中气泡可以排净，开始高压分析；⑤分析结束后松开排气阀，旋出样品室，稍后取出样品管，擦净，放汞；清洗样品管及密封件并烘干，退出系统，试验结束。

2)试验结果 利用压汞法确定的测试贫煤样品压汞特征参数见表1。所测试煤储层的均值(φ)分布在14.807～16.031，该值较大，表明小孔居多；分选值分布在1.962～3.646，表明其分选较差；歪度值分布在-1.394～-2.779，其值偏负。对于煤储层，其歪度值趋近于0或正值时表明孔喉配比关系较好，因而该煤储层的孔喉配比关系较差；变异系数分布在0.122～0.246，该值偏小，表明该煤储层以微孔为主，孔喉配比关系较差。

通过对压汞试验所反映的不同喉道半径孔隙数目进行统计，<100nm喉道半径的入汞量所对应的孔隙空间占总孔隙空间的77%～90%，<10nm喉道半径的入汞量所对应的孔隙空间占总孔隙空间的65%～83%。岩石中微小孔隙所占体积份额较大，这是其渗透率偏低的重要原因，该煤储层的孔喉配置关系为微孔-微喉型。

表1 测试煤样压汞特征参数表

3 渗透率估算

表2 测试煤样物性及R25%取值结果表

由于煤岩复杂的孔隙结构特征，因此，利用其孔隙度与渗透率间的关系无法对渗透率进行预测。如表2物性测试数据显示，所取煤岩样品的孔隙度和渗透率间无明显相关性。

分析压汞测试数据，以入汞量10%所对应的毛细管压力为排驱压力，则可以发现所测试各组煤岩样品的排驱压力均较高，最高达7.2MPa，其所对应的煤岩喉道半径为0.1μm。通过对比不同入汞量所对应的煤岩喉道半径与毛细管压力间的关系，发现在入汞量约为25%时，各煤岩样品的毛细管压力曲线均存在较为明显的拐点，表明此时煤岩的渗透率发生了较大程度变化。因此，对各样品入汞量为25%时的喉道半径(R25%)进行读值，结果见表2。

通过对(K/φ)0.5与R25%(注：K为渗透率mD；φ为孔隙度，%；R25%为样品中入汞量为25%时对应的喉道半径，μm。)分别取对数，并进行回归分析，发现两者存在非常好的线性相关性(图3)。利用该定量关系可以对煤岩渗透率进行预测。通过对预测结果进行校正，可得最终预测结果，并与实测值进行对比，结果见图4。由图4对比结果来看，预测结果与实测值间极为相符，表明基于压汞测试的煤岩储层渗透率预测方法有效可行。

图3 lg(K/φ)0.5与lgR25%相关性分析图 图4 煤岩样品渗透率实测值与预测值间对比图

4 结论

1) 研究区高煤级煤储层发育孔缝双重储集空间，孔隙形态多为圆形及椭圆形；割理多被脉状方解石充填，形成期早；此外，煤岩中还存在大量未充填的张性缝、剪切缝及滑脱缝，形成期晚。该煤储层具有中孔-低渗特征，孔喉配置关系为微孔-微喉型。

2)通过对比不同入汞量所对应的煤岩喉道半径与毛细管压力间的关系，发现在入汞量约为25%时，毛细管压力曲线存在较为明显的拐点。建立了该拐点所对应煤岩喉道半径与渗透率的回归模型，能实现对煤岩渗透率的有效预测。