沁水盆地煤層含氣量和物性隨埋深變化及其應(yīng)力敏感性

張守仁

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

沁水盆地煤層含氣量和物性隨埋深變化及其應(yīng)力敏感性

張守仁

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

就沁水盆地已有煤層氣井儲(chǔ)層物性資料統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，由淺至深，煤儲(chǔ)層含氣性、孔隙度、滲透率等均具有明顯階躍性變化特征，特別是在埋深600m、900m等2個(gè)深度點(diǎn)具有明顯的躍變；而同樣，煤儲(chǔ)層所承受的最大水平主應(yīng)力也在埋深600m、900m具有明顯的躍變，兩者具有很好的一致性；兩者間的相關(guān)關(guān)系說(shuō)明了隨著深度增加，最大水平主應(yīng)力成為了影響煤儲(chǔ)層物性的主要影響因素。因此，對(duì)于深煤層煤層氣地質(zhì)選區(qū)和井位優(yōu)選，最大水平主應(yīng)力應(yīng)該作為一主要影響因素來(lái)考慮。

深煤層 煤層氣 階躍式變化 最大水平主應(yīng)力

沁水盆地埋深大于1000m的煤層氣地質(zhì)資源量占全盆地總資源量的47%。該盆地是我國(guó)目前的兩大煤層氣地面開(kāi)發(fā)基地之一，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)逐漸向深部發(fā)展。與淺部相比，深部煤層氣開(kāi)采地質(zhì)條件發(fā)生改變，煤層具有地應(yīng)力高、孔隙壓力高、溫度高以及被壓縮程度強(qiáng)、滲透性差等基本特征，使得煤層氣開(kāi)發(fā)難度加大。研究分析煤儲(chǔ)層物性隨深度變化的特征及其地質(zhì)控制因素，對(duì)于探索深部煤層氣成藏條件和開(kāi)發(fā)途徑具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地為華北地臺(tái)內(nèi)的一個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，是古生界基底基礎(chǔ)上形成的沉積盆地，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，其現(xiàn)今構(gòu)造面貌為一個(gè)近南北向的大型復(fù)式向斜，主要受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響所致。自燕山期以來(lái)，盆地主要以拉張應(yīng)力為主，使煤層保持了較好的原生結(jié)構(gòu)，割理裂隙得以保留并在局部地區(qū)得到強(qiáng)化，使得沁水盆地煤層氣開(kāi)發(fā)具有一定的優(yōu)勢(shì)條件。

沁水盆地自下布上發(fā)育有奧陶系、石炭系、二疊系、第三系、第四系等地層，含煤地層為二疊山西組和石炭系的太原組，主要可采煤層為山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層，同時(shí)也是煤層氣主力開(kāi)發(fā)層位。沁水盆地太原組、山西組煤層埋深由邊緣露頭向盆地中部逐漸增大。沁縣一帶是向斜軸部，煤層埋藏最深(2000～3000m)。埋深小于1000m的區(qū)域主要分布在盆地周邊，分布面積14750km2，占總含煤面積的52%；埋深1000～2000m含煤帶呈環(huán)帶狀分布于前兩者之間，面積9950km2，占總含煤面積的35%。

目前，我國(guó)已申報(bào)探明儲(chǔ)量主要集中在沁水盆地，已在北部的壽陽(yáng)地區(qū)、中南部的柿莊地區(qū)、南部的晉城地區(qū)進(jìn)入煤層氣商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。其中，沁水盆地沁水盆地南部目前是我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用最為成功的地區(qū)，目前已有煤層氣井4000余口，占我國(guó)煤層氣生產(chǎn)井總數(shù)的 60%以上。

2 煤層含氣量及孔滲性隨深度的變化

2.1 煤層含氣量隨深度的變化

前人研究成果顯示，煤層含氣量與煤層埋藏深度具有一定的相關(guān)關(guān)系(張新民，1991；秦勇，2005，2012)。統(tǒng)計(jì)沁水盆地煤層氣井實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)煤層含氣量除隨煤層埋藏深度的增大而增高外，還有一個(gè)重要特征：即在煤層埋藏深度小于600 m時(shí)，煤層含氣量最小值4.8 m3/t，最大值22.0 m3/t，普遍分布在17 m3/t以下(圖1)；煤層埋藏深度大于600 m后，含氣量變化范圍為10～30 m3/t，均大于10 m3/t。

圖1 煤層含氣量隨埋藏深度的變化

因此，煤層埋藏深度600m是一個(gè)重要的深度點(diǎn)，在埋藏深度大于這個(gè)深度點(diǎn)后，煤層埋深對(duì)含氣量的影響顯著明顯。

2.2 煤巖孔隙度隨深度的變化

統(tǒng)計(jì)分析顯示，沁水盆地煤巖孔隙度與煤層埋深之間的關(guān)系點(diǎn)分布較零散，但整體呈現(xiàn)隨埋深增加而降低的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而且具有如下特征：當(dāng)煤層埋深小于800m時(shí)，孔隙度的大小分布范圍較寬，可以從小于1%變化到大于13%；而當(dāng)煤層埋藏深度超過(guò)800m時(shí)，孔隙度的大小的分布范圍則較為集中，其值均分成在小于6.5%的范圍之內(nèi)。

因此，煤層埋深800m是一個(gè)重要的深度點(diǎn)，大于這個(gè)深度點(diǎn)，煤層埋藏深度對(duì)煤巖孔隙度的影響程度顯著增強(qiáng)。

2.3 煤層滲透率隨深度的變化

統(tǒng)計(jì)沁水盆地63口煤層氣井試井資料，發(fā)現(xiàn)煤層滲透率雖埋藏深度的增加而呈指數(shù)減小，這與前人認(rèn)識(shí)一致(Enever et al，1997；葉建平，1999；孫可明等，2007)。在煤層埋藏深度小于600m范圍內(nèi)，滲透率變化范圍較大，多分布在<5mD范圍內(nèi)，個(gè)別可達(dá)到10mD左右；而當(dāng)煤層埋藏深度大于600m后，隨著埋藏深度的增加，煤層滲透率減小趨勢(shì)明顯加劇，滲透率均小于0.45mD；當(dāng)煤層埋藏深度大于900m后，滲透率均小于0.15mD(圖2)。

圖2 煤層滲透率與埋藏深度的關(guān)系

可見(jiàn)，對(duì)于煤層滲透率來(lái)說(shuō)，埋深600m、900m是兩個(gè)重要深度點(diǎn)，大于600m之后，埋藏深度對(duì)滲透率的影響顯著加強(qiáng)，滲透率出現(xiàn)躍變式減小；大于900m之后，煤層滲透率又一次出現(xiàn)躍變式減小。

3 深部煤層物性的應(yīng)力敏感性分析

通過(guò)對(duì)沁水盆地南部1400m以淺的56個(gè)主采煤層水力壓裂測(cè)定的原巖地應(yīng)力資料統(tǒng)計(jì)，沁南地區(qū)最大水平主應(yīng)力為6.42～33.25MPa，平均為18.02MPa，最大水平主應(yīng)力梯度為1.17～5.83MPa/100m，平均為2.74MPa/100m；最小水平主應(yīng)力為3.12～26.58MPa，平均為12.28MPa；最小水平主應(yīng)力梯度為0.91～3.10MPa/100m，平均為1.80MPa/100m。盡管隨著地質(zhì)環(huán)境的變化，不同地區(qū)地應(yīng)力稍有差異，但整體來(lái)說(shuō)，煤層內(nèi)地應(yīng)力隨深度的增加呈線性關(guān)系增大；而且隨深度增大，最大水平主應(yīng)力比最小水平主應(yīng)力增加幅度更大，也就是說(shuō)，隨著深度增加，最大水平主應(yīng)力增加得更快，是影響深煤層儲(chǔ)層物性的主要應(yīng)力。

鑒于此，本次研究又分析了沁水盆地南部各個(gè)埋深范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力值的頻率分布及正態(tài)分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨煤層埋藏深度增加，最大不平主應(yīng)力呈階躍式增大(圖3)。在埋藏深度300m以淺，最大水平主應(yīng)力多在10MPa左右；埋深在300～600m范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力多在15MPa左右；埋深在600～900m范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力多在20～25MPa；埋深大于900m以后，最大水平主應(yīng)力多大于25MPa。在1100m以淺，整體上最大水平主應(yīng)力的變化可分為4個(gè)臺(tái)階，也就是說(shuō)出現(xiàn)過(guò)3次躍變，躍變深度點(diǎn)分別為300m、600m、和900m。

圖3 最大水平主應(yīng)力與煤層埋藏深度頻率分布圖

通過(guò)以上分析可知，煤儲(chǔ)層物性均有躍變性變化特征。除煤層孔隙度在800m的埋深點(diǎn)有一次標(biāo)志性變化外，煤層含氣量在埋深600m、煤層滲透率在埋深600m、900m均有躍變式變化，而煤儲(chǔ)層最大水平主應(yīng)力在埋深600m、900m均有階躍式變化，與煤儲(chǔ)層含氣量和滲透率變化具有很好的一致性。

4 結(jié)論

(1)煤層埋藏深度大于600m后，煤層埋深對(duì)含氣量的影響顯著明顯，含氣量出現(xiàn)階躍式增大；

(2)煤層埋藏深度大于800m后，煤層埋深對(duì)煤巖孔隙度的影響程度顯著增強(qiáng)，孔隙度出現(xiàn)階躍式減小。

(3)煤層埋藏深度大于600m后，煤層埋深對(duì)滲透率的影響顯著加強(qiáng)，滲透率出現(xiàn)躍變式減小；大于900m之后，煤層滲透率又一次出現(xiàn)躍變式減小。

(4)隨著埋藏深度增加，最大水平主應(yīng)力梯度增加最大，而且在埋深300m、600m、和900m等三個(gè)深度點(diǎn)，最大水平主應(yīng)力分別出現(xiàn)階躍式增大。

(5)在相同深度點(diǎn)，最大水平主應(yīng)力與儲(chǔ)層物性和含氣性均出現(xiàn)階躍式變化，說(shuō)明了最大水平主應(yīng)力是影響儲(chǔ)層物性的主要地質(zhì)因素。

雖然由于資料有限，研究分析程度還不夠，不足以定量化儲(chǔ)層物性與最大水平主應(yīng)力間的定變化關(guān)系，但這個(gè)認(rèn)識(shí)至少可以給予我們很好的啟示，即對(duì)于深煤層煤層氣地質(zhì)選區(qū)和井位優(yōu)選，地應(yīng)力應(yīng)該作為一個(gè)影響煤層氣開(kāi)發(fā)的主要指標(biāo)因素來(lái)考慮。

[1] 陳振宏, 王一兵, 郭凱, 等. 2008. 高煤階煤層氣藏儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性研究[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 82(10): 1390-1395.

[2] 國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心. 2010. 全國(guó)石油天然氣資源評(píng)價(jià)[M]. 北京: 中國(guó)大地出版社, 211-232.

[3] 聶懷耀, 李俊生, 張俊. 2009. 焦作煤田深部煤層含氣量預(yù)測(cè)[J]. 煤礦安全, 總415期: 79-82.

[4] 秦勇, 申建, 王寶文, 等. 2012. 深部煤層氣成藏效應(yīng)及其耦合關(guān)系[J]. 石油學(xué)報(bào), 33(1): 48-54.

[5] 秦勇, 宋全友, 傅雪海. 2005. 煤層氣與常規(guī)油氣共采可行性探討—深部煤儲(chǔ)層平衡水條件下的吸附效應(yīng)[J]. 天然氣地球科學(xué), 16(4): 492-498.

[6] 秦勇, 張德民, 傅雪海, 等. 1999. 山西沁水盆地中、南部現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與煤儲(chǔ)層物性關(guān)系之探討[J]. 地質(zhì)論評(píng), 45(6): 576-583.

[7] 楊新樂(lè), 張永利. 2008. 氣固耦合作用下溫度對(duì)煤瓦斯?jié)B透率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào), 14(4): 379-380.

[8] 葉建平, 史保生, 張春才. 1999. 中國(guó)煤儲(chǔ)層滲透性及其主要影響因素[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 24(2): 118-122.

[9] 孫可明, 潘一山, 梁冰. 2007. 流固耦合作用下深部煤層氣井群開(kāi)采數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 26(5): 994-1001.

[10] 張新民, 張遂安, 李靜, 等. 1991. 中國(guó)的煤層甲烷[M]. 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社.

[11] 祝捷, 姜耀東, 趙毅鑫, 等. 2010. 加卸荷同時(shí)作用下煤樣滲透性的試驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 35(增刊): 76-80.

[12] Enever J. R. E., Henning A.. 1997. The relationship between permeability and effective stress for Australian coal and its implications with respect to coalbed methane exploration and reservoir modeling [A]. Proceedings of the 1997 International Coalbed Methane Symposium[C]. 13-22.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Change and Stress Sensitivity of Physical Properties and Gas Content of Coal Reservoir with Depth in Qinshui Basin

ZHANG Shouren

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

According to the statistical researches of the coalbed methane data in Qinshui Basin, the gas content, the porosity, and the permeability of the coal change in jump at the depth of 600m and 900m. And likewise, the maximum horizontal principal stress has the same variation. The relation between them shows that the maximum horizontal principal stress becomes one of the important geological factors of the coal reservoir in the deep. So for the exploration of the deep coalbed methane, the maximum horizontal principal stress should be looked as one of the most important geological factors.

Deep coal reservoir; coalbed methane; variation in jump; maximum horizontal principal stress

科技項(xiàng)目 國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2011ZX05042)資助。

張守仁，男，博士，煤層氣地質(zhì)研究方向。