沁水盆地南部3號(hào)與15號(hào)煤層產(chǎn)氣量差異因素

陸小霞，黃文輝（中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院）

敖衛(wèi)華，劉浩 中國地質(zhì)大學(xué) （北京）海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083

沁水盆地南部是我國重要的煤層氣生產(chǎn)基地，其主采煤層是3號(hào)和15號(hào)煤層。目前煤層氣的開采主要集中在3號(hào)煤層，因?yàn)?號(hào)煤層埋藏較淺，滲透率較高，產(chǎn)水量小，較易開采，已進(jìn)入商業(yè)開發(fā)階段。而15號(hào)煤層產(chǎn)氣量較低，還不能形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能[1]。但15號(hào)煤層煤層氣資源量相當(dāng)豐富 （1.8×1012m3），因此探討其產(chǎn)量低的原因，有助于煤層氣的開采，以提高經(jīng)濟(jì)效益。前人研究成果表明，影響煤層氣井產(chǎn)量的主要因素有：構(gòu)造條件、煤層厚度、煤層埋深、煤儲(chǔ)層壓力、氣含量、滲透率及水文地質(zhì)條件等[2]。其中滲透率是制約煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵因素[3]。而滲透率的主控因素是煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙發(fā)育特征。筆者通過對(duì)比分析沁水盆地南部3號(hào)和15號(hào)煤層孔隙及裂隙特征、煤層埋深、厚度、氣含量等，探討15號(hào)煤層產(chǎn)氣量低的地質(zhì)因素。

1 煤儲(chǔ)層孔隙特征

1.1 孔隙充填特征

沁水盆地南部3號(hào)和15號(hào)煤層中礦物較多，借助掃描電鏡可以觀察孔隙發(fā)育和礦物充填情況。采集了沁水盆地南部淺部煤礦及深部鉆孔中的3號(hào)和15號(hào)煤層樣品，目的是對(duì)比3號(hào)與15號(hào)煤層以及淺部與深部的煤孔隙特征 （圖1）。試驗(yàn)采用中國地質(zhì)大學(xué) （北京）VEGA/LSH型掃描電鏡。觀察發(fā)現(xiàn)隨埋深的增加，煤中孔隙閉合程度、被充填情況并無明顯規(guī)律 （圖1）。但對(duì)比3號(hào)和15號(hào)煤層發(fā)現(xiàn)，15號(hào)煤層的孔隙被礦物充填更嚴(yán)重，且礦物種類較多。3號(hào)煤層的孔隙有的未被充填，有的部分被充填，完全充填的情況較少，且充填物多為黏土礦物。15號(hào)煤層的孔隙被充填情況較嚴(yán)重，充填物有黏土礦物 （圖1 （e）、（f））、黃鐵礦 （圖1 （g））、石英 （圖1 （h））等。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

利用壓汞試驗(yàn)資料，對(duì)沁水盆地南部6個(gè)煤礦的3號(hào)和15號(hào)煤層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。壓汞試驗(yàn)采用9500－IV型壓汞儀，測(cè)試壓力范圍為0.003～35MPa，孔徑范圍183.132～0.018μm，測(cè)試單位為華北油田勘探開發(fā)研究院，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 沁水盆地南部煤樣孔隙掃描電鏡照片

表1 沁水盆地南部煤樣測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，沁水盆地南部煤層孔隙結(jié)構(gòu)以微孔隙、小孔隙為主，中孔隙次之，大孔隙很不發(fā)育。其中3號(hào)煤層的大孔隙較15號(hào)煤層發(fā)育，但15號(hào)煤層的中孔隙和微小孔隙較3號(hào)煤層的發(fā)育。其中3號(hào)煤層平均進(jìn)汞飽和度為29.34%，高于15號(hào)煤層的27.88%。排驅(qū)壓力反映汞進(jìn)入煤樣最大喉道時(shí)的毛管壓力，其值越小，說明孔喉半徑較大。3號(hào)煤層排驅(qū)壓力平均值為6.11MPa，15號(hào)煤層為5.50MPa，兩者相差不大。一般退汞效率越高，孔隙系統(tǒng)的連通性越好[4]。沁水盆地南部煤樣退汞效率在48.35%～81.41%之間，大多高于50%，退汞效率較高，表明孔隙的連通性較好。3號(hào)煤層的平均退汞效率較15號(hào)煤層高，孔隙連通性好于15號(hào)煤層。

根據(jù)前人大量測(cè)試分析可知，煤儲(chǔ)層毛管壓力曲線形態(tài)可分為兩種類型，即孔隙型壓汞曲線和裂隙－孔隙型壓汞曲線[5]。沁水盆地3號(hào)和15號(hào)煤層壓汞曲線都屬于孔隙型。但不同孔隙結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管壓力曲線不同。因此又可依據(jù)毛細(xì)管壓力曲線形狀，將沁水盆地南部煤樣孔隙類型分為3種類型。

1）Ⅰ型特點(diǎn)是孔隙度高，孔喉直徑均值大，排驅(qū)壓力小 （圖2（a））。孔徑結(jié)構(gòu)以微小孔隙為主，但中孔隙和大孔隙所占比例較其他類型高，孔徑結(jié)構(gòu)配置較好。滲透率也較高，有利于氣體的滲流。退汞效率較低，表明孔隙連通性較差。此類型對(duì)煤層氣的富集和產(chǎn)出有利。

2）Ⅱ型曲線為兩段式，進(jìn)汞曲線呈反 “S”形 （圖2（b））。大孔隙含量較高，但其退汞效率相對(duì)較低，這是由于孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，連接大孔隙和微小孔隙的中孔隙含量相對(duì)較少。此類型的孔隙對(duì)煤層氣的產(chǎn)出較為有利。

3）Ⅲ型進(jìn)汞曲線呈較陡的弧形，其特點(diǎn)是孔隙結(jié)構(gòu)較差，排驅(qū)壓力較大，孔喉直徑較小，進(jìn)汞飽和度低 （圖2（c））。中孔隙和大孔隙總體低于10%，孔喉直徑均值也較低，說明吸附孔很發(fā)育，但滲流孔較少。其進(jìn)汞飽和度很低，表明其有效孔隙較少。此類型的孔隙對(duì)煤層氣的吸附有利，但不利于產(chǎn)出。

圖2 壓汞曲線和孔徑特征

對(duì)比研究區(qū)3號(hào)和15號(hào)煤層發(fā)現(xiàn)，3號(hào)煤層孔隙類型大多為Ⅱ類，個(gè)別為Ⅲ類；15號(hào)煤層既有Ⅰ類孔也有Ⅱ和Ⅲ類孔。但總體而言，與3號(hào)煤層相比，15號(hào)煤層微小孔較發(fā)育，大孔不甚發(fā)育，孔隙連通性較差，不利于煤層氣的滲流。

2 煤儲(chǔ)層裂隙特征

2.1 宏觀裂隙充填特征

滲透率取決于煤層裂隙特別是煤層割理的發(fā)育情況，后期方解石等地下流體的充填作用會(huì)對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[6]。因此，研究煤層裂隙的充填情況顯得尤為重要。

沁水盆地南部3號(hào)和15號(hào)煤層中的裂隙都有被礦物充填的現(xiàn)象，但15號(hào)煤層中裂隙被充填得更為嚴(yán)重。如表2所示，在7件3號(hào)煤層的樣品中，只有3件被方解石充填；而8件15號(hào)煤層的樣品中，有6件被方解石、黃鐵礦充填，且充填量也較3號(hào)煤層大。煤層中裂隙充填物主要有兩種產(chǎn)狀：一種是完全充填于裂隙中，一種是以薄膜狀發(fā)育在裂隙面上。

表2 3號(hào)層和15號(hào)煤層礦物充填特征

在伯方煤礦3號(hào)煤層中，寬約1mm的十幾條細(xì)方解石脈交錯(cuò)充填裂隙 （圖3（a））、薄膜狀的方解石 （圖3（b））沿裂隙面發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層滲透性有較大危害。在鳳凰山煤礦15號(hào)煤層中，發(fā)育面積較大的方解石薄膜 （圖3（c））。15號(hào)煤層中的方解石大多以這種薄膜狀發(fā)育在煤的裂隙面上，且分布面積較3號(hào)煤層大。這與15號(hào)煤層頂板主要為灰?guī)r有關(guān)，灰?guī)r的巖溶水易進(jìn)入煤層中，并沉淀形成方解石[7]。泊村煤礦和王臺(tái)鋪煤礦15號(hào)煤層中分別觀察到條帶狀黃鐵礦和黃鐵礦結(jié)核充填裂隙 （圖3（d）、（e））。這是由于15號(hào)煤層是海相成煤環(huán)境，含硫較高，易形成黃鐵礦[8]。通過以上宏觀對(duì)比，可見15號(hào)煤層被礦物充填更為嚴(yán)重，滲透率受影響程度更大。

圖3 煤樣宏觀照片

2.2 顯微裂隙充填特征

利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，沁水盆地南部高煤級(jí)樣品中顯微裂隙較發(fā)育，多為次生裂隙，原生裂隙較少。裂隙閉合度較高，多見充填物，以方解石為主，次為黏土礦物。

3號(hào)煤層中的顯微裂隙有的完全被充填 （圖4（a）），有的部分被充填了黏土礦物等 （圖4（b）），有的未被充填 （圖4（c））。15號(hào)煤層中的裂隙則絕大多數(shù)被礦物充填 （圖4（d）～ （f））。可見，15號(hào)煤層裂隙充填程度較3號(hào)煤層嚴(yán)重。

3 煤儲(chǔ)層滲透率

煤的滲透率是儲(chǔ)層孔隙、裂隙系統(tǒng)優(yōu)劣特征的綜合反映，其大小在一定程度上直接反映了煤儲(chǔ)層的滲透性能。沁水盆地南部注入－壓降試驗(yàn)測(cè)得：3號(hào)煤層的滲透率為0.004～112.6mD，平均為5.44mD；15號(hào)煤層的滲透率為0.0265～5.707mD，平均為0.86mD，遠(yuǎn)低于3號(hào)煤層的。

圖4 沁水盆地南部煤樣裂隙掃描電鏡照片

影響煤層滲透率的因素有煤階、煤巖類型、煤巖組分和煤體結(jié)構(gòu)等，它們主要通過割理裂隙的發(fā)育特征及開啟程度影響煤儲(chǔ)層滲透性。此外，有效應(yīng)力、煤層埋深等也對(duì)滲透率有重要影響。筆者認(rèn)為，導(dǎo)致沁水盆地南部15號(hào)煤層滲透率低于3號(hào)煤層的重要原因是15號(hào)煤層大量裂隙被方解石、黃鐵礦、黏土礦物等充填，其中方解石是主要充填物。

4 煤層埋深及厚度

深度是影響煤層氣產(chǎn)量的重要因素之一。煤層氣開發(fā)目標(biāo)煤層埋藏淺，則地應(yīng)力低，滲透率高，排水降壓容易，氣井產(chǎn)量就越高[9]。沁水盆地南部煤層埋深與氣井產(chǎn)量呈弱的負(fù)相關(guān)，埋深為400～800m，產(chǎn)氣量分布區(qū)間較大；埋深大于800m，平均產(chǎn)氣量多小于200m3/d（圖5）。同一口鉆孔中15號(hào)煤層埋深平均比3號(hào)煤層深100m左右，則地應(yīng)力高于3號(hào)煤層，而滲透率、產(chǎn)氣量則低于3號(hào)煤層。

圖5 煤層埋深與氣井平均產(chǎn)氣量的相關(guān)性

煤層厚度對(duì)氣井產(chǎn)量也有較大影響，它決定研究區(qū)資源量的大小以及煤層氣井的日產(chǎn)氣量和生產(chǎn)周期的長(zhǎng)短。煤層厚度與氣井產(chǎn)量呈正相關(guān)，煤層越厚，氣源越充足，產(chǎn)量也就越高。沁水盆地南部3號(hào)煤層平均厚度為6.02m，15號(hào)煤層平均厚度為4.16m。3號(hào)煤層厚度大于15號(hào)煤層，這也是導(dǎo)致15號(hào)煤層產(chǎn)氣量低于3號(hào)煤層的因素之一。

煤層厚度的穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)氣量也有一定影響。沁水盆地南部3號(hào)煤層厚度分布較穩(wěn)定，而15號(hào)煤層橫向上有分叉。煤層厚度的穩(wěn)定性可用變異系數(shù)評(píng)價(jià)，3號(hào)煤層的變異系數(shù)為0.09，15號(hào)煤層的變異系數(shù)為0.21，較3號(hào)煤層的大，變異系數(shù)大表明15號(hào)煤層穩(wěn)定性不好。其一方面由于原始的沉積環(huán)境變化大，另一方面受后期構(gòu)造影響，對(duì)煤層的原生裂隙和滲透性都有破壞，影響煤層氣的產(chǎn)量。

5 含氣量及產(chǎn)氣量特征

煤層氣含氣量是決定煤層氣豐度的關(guān)鍵參數(shù)，是影響煤層氣高產(chǎn)的主要控制因素。沁水盆地南部煤儲(chǔ)層含氣量較高，其中3號(hào)煤層含氣量3.55～25.48m3/t，平均14.29m3/t。15號(hào)煤層含氣量8.15～27.07m3/t，平均16.24m3/t。15號(hào)煤層含氣量比3號(hào)煤層稍高。因此，含氣量不是導(dǎo)致15號(hào)煤層產(chǎn)氣量低于3號(hào)煤層的因素。

根據(jù)煤層氣產(chǎn)能分級(jí)方案[10]，統(tǒng)計(jì)獲得的沁水盆地南部柿莊區(qū)塊88口生產(chǎn)井產(chǎn)量數(shù)據(jù)表明，平均單井日產(chǎn)氣量大于3000m3的高產(chǎn)井僅有2口，平均日產(chǎn)氣量1000～3000m3的中產(chǎn)井為5口，其余81口井為平均日產(chǎn)氣量低于1000m3的低產(chǎn)井。單獨(dú)排采3號(hào)煤層的有67口井，平均單井日產(chǎn)量199.4m3，其中不產(chǎn)氣的井13口，占19.4%；單獨(dú)排采15號(hào)煤層的有8口井，平均單井日產(chǎn)氣量81.6m3，其中不產(chǎn)氣的井3口，占37.5%；3號(hào)煤層和15號(hào)煤層合采的有13口井，平均單井日產(chǎn)氣量1191.2m3?？梢?，15號(hào)煤層的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于3號(hào)煤層。由前面的分析可知，導(dǎo)致15號(hào)煤層產(chǎn)氣量低的因素有滲透率低、埋深大以及厚度小，而滲透率低的主要原因是15號(hào)煤層的孔隙、裂隙被方解石等礦物充填。

6 結(jié) 論

1）沁水盆地南部3號(hào)煤層和15號(hào)儲(chǔ)層孔隙、裂隙均不同程度被礦物充填。但15號(hào)煤層孔隙、裂隙充填較3號(hào)煤層嚴(yán)重。特別是15號(hào)煤層的宏觀和微觀裂隙被大量的方解石充填對(duì)滲透率有較大負(fù)面影響，進(jìn)而影響煤層氣井的產(chǎn)量。

2）與3號(hào)煤層相比，15號(hào)煤層的微、小孔隙較發(fā)育，而大孔隙不甚發(fā)育，進(jìn)汞飽和度和退汞效率都較低，孔隙結(jié)構(gòu)均質(zhì)性較差，不利于煤層氣的滲流。

3）15 號(hào)煤層產(chǎn)氣量遠(yuǎn)低于3號(hào)煤層。煤層氣井產(chǎn)量與埋深呈負(fù)相關(guān)，與厚度呈正相關(guān)。15號(hào)煤層埋深大于3號(hào)煤層，而厚度小于3號(hào)煤層，這也是影響其產(chǎn)氣量的原因。

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