高煤級(jí)煤儲(chǔ)層壓汞特征分析及滲透率估算

付新，薄舒月，段宏臻

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司青海事業(yè)部，甘肅 敦煌 736202)

曹超

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 晉城 048000)

含氣性和滲透率是煤層氣儲(chǔ)層地質(zhì)研究中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)參數(shù)，前人對(duì)此多有研究[1,2]。但隨著研究的深入開(kāi)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)含氣性好的煤儲(chǔ)層未必能獲得高產(chǎn)，而含氣性一般的煤儲(chǔ)層也可能獲得高產(chǎn)，這其中的原因與煤儲(chǔ)層的滲透性有非常大的關(guān)聯(lián)[3]。煤儲(chǔ)層的滲透率高低與其孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，因而深入開(kāi)展煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究對(duì)明確其滲流機(jī)理、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及“甜點(diǎn)”區(qū)預(yù)測(cè)均有重要意義[4，5]。壓汞測(cè)試是研究煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的一種重要方法，壓汞曲線可以反映儲(chǔ)層巖石中連通性孔喉的結(jié)構(gòu)特征[6]。入汞過(guò)程即為非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相的過(guò)程，而退汞過(guò)程可模擬油氣采排的生產(chǎn)過(guò)程[7]。筆者以沁水盆地和順區(qū)塊高煤級(jí)煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，利用壓汞測(cè)試分析煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，并探索基于壓汞法的煤儲(chǔ)層滲透率估算方法。該研究對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)均有重要參考價(jià)值。

圖1 研究區(qū)位置及含煤地層柱狀圖

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于沁水盆地東北部和順煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊(圖1(a))，試驗(yàn)測(cè)試的高煤級(jí)煙煤樣品取自該區(qū)塊井下煤礦，為太原組15號(hào)煤(圖1(b))。和順區(qū)塊構(gòu)造上位于沁水塊坳?yáng)|北部沾尚-武鄉(xiāng)-陽(yáng)城北北東向褶皺帶內(nèi)，以褶皺構(gòu)造為特征。地層整體為北西傾向，傾角15°左右，為一單斜構(gòu)造。斷裂構(gòu)造不發(fā)育，存在次級(jí)寬緩褶皺構(gòu)造，構(gòu)造線呈北北東向展布[8]。該煤層屬高煤級(jí)貧煤，宏觀煤巖類(lèi)型為光亮型煤及半光亮型煤，煤相為森林泥炭沼澤相。所研究15號(hào)煤在區(qū)內(nèi)厚度分布穩(wěn)定(5m左右)，埋深適中(300～400m)，鏡質(zhì)體反射率Ro較高，主要分布在1.8～2.5。

2 高煤級(jí)煤儲(chǔ)層特征及試驗(yàn)測(cè)試分析

2.1 煤儲(chǔ)層特征

圖2 煤儲(chǔ)層顯微結(jié)構(gòu)特征圖

1)孔隙特征 該區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層的變質(zhì)程度較高，含氣量大(通常>15m3/t)，煤樣具有玻璃及強(qiáng)玻璃光澤，凝膠化組分體積分?jǐn)?shù)較高，屬于優(yōu)質(zhì)煤層氣開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層。該區(qū)15號(hào)煤儲(chǔ)層的有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)最高，主要分布在62%～80%。鏡質(zhì)組多呈凝膠狀或?qū)訝?，脆度比較大，孔隙比較發(fā)育，且可見(jiàn)較多微裂隙，為煤層氣最重要的儲(chǔ)存空間和滲流通道；惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)主要分布在10%～25%；殼質(zhì)組非常少，偶見(jiàn)，多被伊利石充填。其他礦物組分如黏土礦物組分主要包含伊利石及高嶺石，其體積分?jǐn)?shù)主要分布在1%～8%；方解石主要分布在1%～15%；菌藻、孢子體和玉髓(硅質(zhì))偶見(jiàn)。

由于礦物組分、體積分?jǐn)?shù)及充填程度等方面因素的差異性，所研究的煤儲(chǔ)層具有非常強(qiáng)的非均質(zhì)性及各向異性。但研究區(qū)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，構(gòu)造活動(dòng)對(duì)煤儲(chǔ)層的影響較小，煤儲(chǔ)層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，天然氣的保存條件較好[8]。通過(guò)對(duì)煤巖進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)該煤儲(chǔ)層發(fā)育孔隙、裂隙及割理。煤巖中孔隙以<100nm的納微孔為主，介于100～1000nm的中孔及>1000nm的大孔次之?？紫兜男螒B(tài)多為圓形及橢圓形(圖2(a))，與生烴作用相關(guān)[2]，同時(shí)也表明成巖作用進(jìn)行得比較徹底。當(dāng)孔隙以孔隙團(tuán)的形式大量分布時(shí)，表明孔隙間的連通性較好；而當(dāng)孔隙以孤立的形式分布時(shí)，表明孔隙間的連通性差。煤巖中裂隙多為剪切縫(圖2(b))、張性縫(圖2(c))及滑脫縫，均為構(gòu)造成因縫，表明該地區(qū)煤儲(chǔ)層仍受一定程度的構(gòu)造作用影響。上述3類(lèi)微裂縫多未充填，有效性好，表明其形成的時(shí)期較晚，對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)程度較高[9]。而割理縫多被脈狀方解石充填(圖2(d))，有效性差，表明其形成時(shí)期較早，煤儲(chǔ)層滲透率會(huì)發(fā)生急劇降低，因此，割理縫對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的貢獻(xiàn)程度非常低[9,10]。

2)物性特征 物性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該地區(qū)煤巖孔隙度主要分布在9%～15%，平均為12%；滲透率主要分布在0.0011～0.2192mD，平均為0.07mD。按照行業(yè)內(nèi)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)于煤巖來(lái)說(shuō)，具有較好煤層氣開(kāi)發(fā)潛力的煤儲(chǔ)層的孔隙度通常>5%，而滲透率通常>0.5mD。因此，該區(qū)煤儲(chǔ)層的物性相對(duì)較差。其具有較高的孔隙度，但滲透率相對(duì)偏低。因此在后期煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)重視對(duì)于煤儲(chǔ)層滲透率的保護(hù)。

2.2 壓汞試驗(yàn)測(cè)試

1)測(cè)試方法 壓汞試驗(yàn)測(cè)試所采用的儀器為AutoPore Ⅳ 9500自動(dòng)壓汞儀，依據(jù)國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21650.1—2008進(jìn)行操作。儀器具有快速的升壓速率，靈活可控的真空系統(tǒng)，高性能的低壓和高壓系統(tǒng)。基本測(cè)試條件為：汞表面張力480mN/m，汞接觸角140°，實(shí)際測(cè)量最大壓力228MPa，孔徑測(cè)量范圍0.05～1000μm，有1個(gè)高壓站和2個(gè)低壓站。樣品制成巖心柱后經(jīng)過(guò)24h的干燥處理后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。壓汞曲線可反映連通性孔喉結(jié)構(gòu)特征，壓汞試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)汞過(guò)程為非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相。當(dāng)注入壓力增加到突破更細(xì)小的孔喉毛細(xì)管壓力時(shí)，進(jìn)汞飽和度逐漸增加。

壓汞試驗(yàn)的具體操作步驟為：①開(kāi)通氮?dú)忾y門(mén)、壓汞儀及計(jì)算機(jī)；②選擇樣品管及封裝樣品，涂密封脂，封裝完成后稱(chēng)重；稱(chēng)重后樣品管放入低壓倉(cāng)，旋緊低壓倉(cāng)(不要過(guò)緊)，裝好測(cè)量筒；③進(jìn)行低壓分析，分析結(jié)束后可取出樣品管，樣品管稱(chēng)重，記錄其重量，準(zhǔn)備進(jìn)行高壓分析；④開(kāi)始高壓分析，樣品管先向上送入高壓倉(cāng)樣品室，松開(kāi)高壓倉(cāng)樣品室手柄，緩慢地將高壓倉(cāng)樣品室與樣品管一同落下。到達(dá)半程后，將樣品管送入高壓倉(cāng)內(nèi)，并確認(rèn)其與底座接觸良好；將樣品室落下，檢查排氣閥應(yīng)打開(kāi)，旋緊樣品室；其間應(yīng)觀察到有高壓油及氣泡進(jìn)入排氣閥上方小杯中，此時(shí)可反復(fù)進(jìn)行松-緊操作以確保高壓倉(cāng)中氣泡可以排凈，開(kāi)始高壓分析；⑤分析結(jié)束后松開(kāi)排氣閥，旋出樣品室，稍后取出樣品管，擦凈，放汞；清洗樣品管及密封件并烘干，退出系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)束。

2)試驗(yàn)結(jié)果 利用壓汞法確定的測(cè)試貧煤樣品壓汞特征參數(shù)見(jiàn)表1。所測(cè)試煤儲(chǔ)層的均值(φ)分布在14.807～16.031，該值較大，表明小孔居多；分選值分布在1.962～3.646，表明其分選較差；歪度值分布在-1.394～-2.779，其值偏負(fù)。對(duì)于煤儲(chǔ)層，其歪度值趨近于0或正值時(shí)表明孔喉配比關(guān)系較好，因而該煤儲(chǔ)層的孔喉配比關(guān)系較差；變異系數(shù)分布在0.122～0.246，該值偏小，表明該煤儲(chǔ)層以微孔為主，孔喉配比關(guān)系較差。

通過(guò)對(duì)壓汞試驗(yàn)所反映的不同喉道半徑孔隙數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，<100nm喉道半徑的入汞量所對(duì)應(yīng)的孔隙空間占總孔隙空間的77%～90%，<10nm喉道半徑的入汞量所對(duì)應(yīng)的孔隙空間占總孔隙空間的65%～83%。巖石中微小孔隙所占體積份額較大，這是其滲透率偏低的重要原因，該煤儲(chǔ)層的孔喉配置關(guān)系為微孔-微喉型。

表1 測(cè)試煤樣壓汞特征參數(shù)表

3 滲透率估算

表2 測(cè)試煤樣物性及R25%取值結(jié)果表

由于煤巖復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此，利用其孔隙度與滲透率間的關(guān)系無(wú)法對(duì)滲透率進(jìn)行預(yù)測(cè)。如表2物性測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，所取煤巖樣品的孔隙度和滲透率間無(wú)明顯相關(guān)性。

分析壓汞測(cè)試數(shù)據(jù)，以入汞量10%所對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管壓力為排驅(qū)壓力，則可以發(fā)現(xiàn)所測(cè)試各組煤巖樣品的排驅(qū)壓力均較高，最高達(dá)7.2MPa，其所對(duì)應(yīng)的煤巖喉道半徑為0.1μm。通過(guò)對(duì)比不同入汞量所對(duì)應(yīng)的煤巖喉道半徑與毛細(xì)管壓力間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在入汞量約為25%時(shí)，各煤巖樣品的毛細(xì)管壓力曲線均存在較為明顯的拐點(diǎn)，表明此時(shí)煤巖的滲透率發(fā)生了較大程度變化。因此，對(duì)各樣品入汞量為25%時(shí)的喉道半徑(R25%)進(jìn)行讀值，結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)(K/φ)0.5與R25%(注：K為滲透率mD；φ為孔隙度，%；R25%為樣品中入汞量為25%時(shí)對(duì)應(yīng)的喉道半徑，μm。)分別取對(duì)數(shù)，并進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在非常好的線性相關(guān)性(圖3)。利用該定量關(guān)系可以對(duì)煤巖滲透率進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，可得最終預(yù)測(cè)結(jié)果，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4對(duì)比結(jié)果來(lái)看，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值間極為相符，表明基于壓汞測(cè)試的煤巖儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)方法有效可行。

圖3 lg(K/φ)0.5與lgR25%相關(guān)性分析圖 圖4 煤巖樣品滲透率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值間對(duì)比圖

4 結(jié)論

1) 研究區(qū)高煤級(jí)煤儲(chǔ)層發(fā)育孔縫雙重儲(chǔ)集空間，孔隙形態(tài)多為圓形及橢圓形；割理多被脈狀方解石充填，形成期早；此外，煤巖中還存在大量未充填的張性縫、剪切縫及滑脫縫，形成期晚。該煤儲(chǔ)層具有中孔-低滲特征，孔喉配置關(guān)系為微孔-微喉型。

2)通過(guò)對(duì)比不同入汞量所對(duì)應(yīng)的煤巖喉道半徑與毛細(xì)管壓力間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在入汞量約為25%時(shí)，毛細(xì)管壓力曲線存在較為明顯的拐點(diǎn)。建立了該拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)煤巖喉道半徑與滲透率的回歸模型，能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖滲透率的有效預(yù)測(cè)。