延川南區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層垂向非均質(zhì)性特征及意義

鄭歡 許曉宏 王則 胡佳杰 雷琳 林燕

摘? 要：為搞清延川南區(qū)塊儲(chǔ)層垂向非均質(zhì)性特征及對(duì)煤層氣開發(fā)的影響，基于延川南區(qū)塊2#煤層取心資料和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了煤層組分、含氣量及吸附時(shí)間、裂縫發(fā)育程度及煤體結(jié)構(gòu)等參數(shù)的垂向非均質(zhì)性及其對(duì)煤層氣開發(fā)的影響。結(jié)果表明：2#煤層煤巖組分具垂向非均質(zhì)性，其中揮發(fā)分和灰分垂向非均質(zhì)性最強(qiáng);煤層含氣量、甲烷吸附時(shí)間及解吸速率垂向非均質(zhì)性強(qiáng)，且吸附時(shí)間與解吸速率成正比，與含氣量成反比，部分小層含氣量相對(duì)較高、吸附時(shí)間短、解吸速率快，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。煤層裂縫滲透性具有明顯垂向非均質(zhì)性，滲透率指數(shù)能夠有效表征裂縫滲透性強(qiáng)弱，裂縫滲透指數(shù)高于100時(shí)為相對(duì)高滲層，相對(duì)高滲層連續(xù)分布能夠?qū)崿F(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)。煤層煤體結(jié)構(gòu)垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同煤體結(jié)構(gòu)煤厚度占比差異導(dǎo)致煤層整體力學(xué)參數(shù)差異，碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比越大，煤層壓裂縫半長(zhǎng)越短。

關(guān)鍵詞：延川南區(qū)塊;煤層氣;垂向;非均質(zhì)性;儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

煤層氣儲(chǔ)層易受多期構(gòu)造影響，孔裂隙發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性對(duì)煤層開發(fā)具重要影響[1]。目前對(duì)煤層氣儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性研究較多，陳立超等研究了沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層平面非均質(zhì)性，認(rèn)為3#煤層在平面上具裂隙系統(tǒng)、巖石骨架及內(nèi)部流體賦存方面均存在顯著的空間分布差異性[2]。康向濤等研究了低滲透煤層平行和垂直煤巖層理方向變形特征，探討了瓦斯?jié)B流平面非均質(zhì)性特征[3]。針對(duì)延川南區(qū)塊，陳剛等評(píng)價(jià)了煤體結(jié)構(gòu)平面非均質(zhì)性對(duì)產(chǎn)氣量分布的影響，認(rèn)為碎裂結(jié)構(gòu)煤層厚度大于1 m的區(qū)域是有利區(qū)域[4];陳貞龍等通過研究認(rèn)為延川南深部煤層氣受沉積、構(gòu)造和水文條件聯(lián)合控制，并從上述幾方面對(duì)延川南平面非均質(zhì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[5]。目前，對(duì)煤層氣儲(chǔ)層垂向非均質(zhì)性的研究較少，劉軍等研究了重慶市北碚區(qū)煤層氣K2、K6及K9煤層垂向非均質(zhì)性[6]，王海平等研究了澳大利亞Rangal煤系地層中不同部位煤層特征，認(rèn)為垂向上填充礦物類型和含量對(duì)儲(chǔ)層滲透率具有重要影響，碳酸鹽填充儲(chǔ)層滲透率遠(yuǎn)低于粘土礦物填充儲(chǔ)層[7]，但劉軍和王海平等人的研究并未涉及單個(gè)煤層內(nèi)部垂向非均質(zhì)性。張有生等認(rèn)為煤儲(chǔ)層割理、裂縫系統(tǒng)和應(yīng)力敏感性非均質(zhì)性導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率垂向和水平非均質(zhì)性，指出煤巖類型本身差異在垂向上引起滲透率非均質(zhì)性，提出應(yīng)用馬爾柯夫鏈對(duì)煤層滲透率垂向非均質(zhì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法[8]。陳龍偉等研究了鄭莊區(qū)塊3#煤儲(chǔ)層含氣量的垂向非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育的平面非均質(zhì)性[9]。目前未見延川南區(qū)塊垂向非均質(zhì)性的報(bào)道，本文以延川南區(qū)塊煤層為例，重點(diǎn)研究了2#煤層在煤巖組分、含氣量、吸附時(shí)間、裂縫發(fā)育程度及煤體結(jié)構(gòu)等方面的垂向非均質(zhì)性，闡明各參數(shù)的垂向非均質(zhì)性對(duì)煤層氣開發(fā)效果的影響，以期為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供有效手段和借鑒。

1? 區(qū)域地質(zhì)概況

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，構(gòu)造上處于渭北隆起與晉西撓褶帶交匯處（圖1）[10]。研究區(qū)整體呈西傾單斜構(gòu)造，中部為白鶴-中剁斷裂帶，東部為墰坪構(gòu)造帶，西部為萬寶山構(gòu)造帶[11]。延川南區(qū)塊主力煤層氣層為上二疊統(tǒng)山西組2#煤層，2#煤層厚2.8～8.3 m，埋深650～1 510 m[12]，煤層中底部發(fā)育0.1～1 m的夾矸。儲(chǔ)層含氣量差異較大，為3.5～35.7 m3/t，含氣量低值區(qū)主要受斷層、陷落柱等影響，保存條件較差。最大鏡質(zhì)組反射率為1.59%～3.22%，屬中、高煤階煤層氣儲(chǔ)層。煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般小于0.5×10-3μm2，孔隙度一般小于6%，屬低孔、低滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層壓力為2.8～13.2 MPa，壓力系數(shù)為0.8～0.97，為欠壓儲(chǔ)層。水型以氯化鈣和碳酸氫鈉型為主，氯化鈣型礦化度為11 400～80 450 mg/L，pH值為4.0～6.9;碳酸氫鈉型礦化度為2 170～7 970 mg/L，pH值為6.9～8.3。

2? 垂向非均質(zhì)性

2.1? 煤巖組分

圖2表明延川南區(qū)塊Yx井2#煤層垂向上水分含量為0.86%%～1.27%，平均1.1%，水分含量差異較小;揮發(fā)分含量6.31%～8.48%，平均7.46%，埋深459.1 m處達(dá)8.48%，埋深大于460 m后揮發(fā)分含量較穩(wěn)定;灰分含量垂向上波動(dòng)最大，在埋深459.1 m處達(dá)最大值16%，埋深460.5 m處達(dá)最小值，為10.23%。煤巖顯微組分垂向上分布較穩(wěn)定，其中鏡質(zhì)組含量74.3%～81.9%，平均79.9%，惰質(zhì)組含量12.9%～25.7%，平均20.1%。表明煤巖工業(yè)分析組分和顯微組分在垂向上存在差異。煤巖組分主要影響為間接的對(duì)煤層氣開發(fā)的影響，煤巖組分煤巖顯微組分主要影響煤層物性。圖3表明惰鏡比（惰質(zhì)體含量與鏡質(zhì)體含量比值）越高，煤層天然裂縫密度越低。這主要是由于鏡質(zhì)體含量越高，煤巖越脆，煤巖裂縫越發(fā)育，惰質(zhì)體含量越高，煤巖塑性越強(qiáng)，天然裂縫越不發(fā)育。煤巖灰分含量越高，煤層含氣量越低（圖3），這是因?yàn)榛曳趾吭黾用簬r吸附能力降低，導(dǎo)致煤層甲烷逸散較多。

2.2? 含氣量及吸附時(shí)間

延川南區(qū)塊Yx井2#煤層含氣量在垂向上差異較大，分布在18.8～23.1 m3/t，平均21.1 m3/t（圖2）。由于垂向上灰分含量差異導(dǎo)致吸附能力差異，影響煤層含氣量。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析證實(shí)，含氣量隨灰分增加而降低，二者相關(guān)性較好（圖3），含氣量與吸附時(shí)間成正比（圖2）。吸附時(shí)間是指在煤心原始含氣量測(cè)定時(shí)，解吸氣量達(dá)到總吸附氣量63.2%時(shí)所用的時(shí)間[13]，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，解吸效率越低，這從側(cè)面表明，解吸效率差異是煤層垂向含氣量差異的重要原因。另煤層垂向滲透率較弱，甲烷難以在垂向上運(yùn)移達(dá)到平衡，也是煤層含氣量垂向非均質(zhì)性的重要原因。圖2表明，延川南區(qū)塊Yx井2#煤層吸附時(shí)間在垂向上同樣存在較大差異，分布在4.6～17.4 d。圖4表明，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，煤層氣解吸速率越低，如埋深在461.1 m時(shí)，吸附時(shí)間為17.4 d，解吸速率最低。表明垂向上煤層的解吸速率存在極大差異，因此在開發(fā)過程中，同樣存在“指進(jìn)”現(xiàn)象，即吸附時(shí)間較短的層位解吸產(chǎn)氣速度快，對(duì)單井產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，導(dǎo)致不同小層間儲(chǔ)量動(dòng)用不均衡。圖2，4還表明，垂向上，吸附時(shí)間與解吸速率成正比，與含氣量成反比，部分小層吸附時(shí)間長(zhǎng)、解吸速率慢、含氣量低，對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較小，為非優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，部分小層吸附時(shí)間短、解吸速率快，含氣量相對(duì)較高，對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

2.3? 裂縫發(fā)育程度

延川南區(qū)塊Yy井2#煤層主裂縫長(zhǎng)度均值分布于0.16～0.48 cm（表1），高度均值分布于0.08～1.05 cm，寬度均值分布于6～41 μm，密度均值分布于3.7～15.7條·cm-1;次裂縫長(zhǎng)度均值分布于0.12～0.47 cm，高度均值分布在0.16～0.64 cm，寬度均值分布于5～14 μm，密度均值分布在1.6～14.5條·cm-1。說明垂向上煤層裂縫發(fā)育程度存在巨大差異。煤巖基質(zhì)孔隙滲透率極低，其滲透性主要取決于裂縫發(fā)育程度，受裂縫長(zhǎng)度、高度、寬度和密度的綜合影響，其中裂縫寬度是最主要因素[14]，因此，可通過單位距離中煤巖裂縫的總寬度所占比例表征煤巖滲透性，筆者將其定義為裂縫滲透指數(shù)：

[Fper=wz×dz+wc×dc]…（1）

式中，[Fper]為裂縫滲透指數(shù)，無量綱量;[wz]，[wc]分別為主、次裂縫平均寬度，μm;[dz]，[dc]分別為主、次裂縫密度，條·cm-1。

煤層垂向裂縫指數(shù)分布見表1。數(shù)據(jù)表明煤層滲透性在垂向上差異較大，存在局部低滲特低滲層，導(dǎo)致煤層垂向滲透性較差。

延川南區(qū)塊Yy井2#煤層裂縫滲透指數(shù)整體較低，為56.4～160.5，平均94.5，呈高滲層、低滲層相互間隔發(fā)育特征（圖5）。該類井產(chǎn)氣效果差，平均產(chǎn)量小于500 m3/d，整體低產(chǎn);Yx井裂縫滲透指數(shù)整體較高，為109.1～220.5，平均174.7，呈高滲層整體分布特征，該類井平均產(chǎn)量達(dá)2 500 m3/d以上，開發(fā)效果好;Yz井裂縫滲透指數(shù)為51～143.6，平均104.9，呈整體平均裂縫滲透指數(shù)較低，但高滲層連續(xù)分布特征，該類井平均產(chǎn)量達(dá)到1 500 m3/d以上，實(shí)現(xiàn)了效益開發(fā)。表明高滲層連續(xù)分布對(duì)于煤層氣井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)具重要作用。

2.4? 煤體結(jié)構(gòu)

延川南區(qū)塊2#煤層煤巖煤體結(jié)構(gòu)具較大差異，原生煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤均有分布，煤層煤體結(jié)構(gòu)垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)。Yz井2#煤碎粒煤、糜棱煤抗壓強(qiáng)度在10.5～12.1 MPa，彈性模量在0.93～1.01 GPa，泊松比在0.34～0.35（圖6）;原生煤、碎裂煤抗壓強(qiáng)度為13.5～14.5 MPa，彈性模量為1.05～1.17 GPa，泊松比為0.31～0.34，與碎粒煤和碎裂煤相比，抗壓強(qiáng)度、彈性模量相對(duì)較高，而泊松比相對(duì)較低。

煤體結(jié)構(gòu)不同，煤巖力學(xué)參數(shù)存在差異，不同煤體結(jié)構(gòu)煤層厚度占比差異導(dǎo)致煤層整體力學(xué)參數(shù)差異。據(jù)微破裂四維向量壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)研究區(qū)壓裂裂縫長(zhǎng)度，利用取心和測(cè)井資料預(yù)測(cè)研究區(qū)碎粒煤和糜棱煤厚度之和占煤層總厚度的比例，結(jié)果表明，壓裂裂縫半長(zhǎng)隨碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比增加而降低（圖7），當(dāng)碎粒煤和糜棱煤厚度占比大于50%時(shí)，壓裂裂縫半長(zhǎng)小于80 m。這主要是由于碎裂煤、糜棱煤的抗拉強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)較低，泊松比相對(duì)較高，脆性較弱，壓裂時(shí)容易形成短寬縫，不能有效改造儲(chǔ)層。煤層垂向煤體結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)差異是造成煤層氣井間壓裂效果差異的主要原因。

3? 結(jié)論

（1）研究區(qū)2#煤層煤巖組分具垂向非均質(zhì)性，水分含量垂向波動(dòng)較小，揮發(fā)分、灰分波動(dòng)較大，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量分布相對(duì)穩(wěn)定。煤巖組分對(duì)煤層含氣量和物性具重要影響，惰鏡比越高，煤層天然裂縫密度越低，煤巖灰分含量越高，煤層含氣量越低。

（2）同一煤層含氣量、吸附時(shí)間垂向非均質(zhì)性強(qiáng)，解吸速率在垂向上存在巨大差異。垂向上吸附時(shí)間與解吸速率成正比，與含氣量成反比，部分小層吸附時(shí)間短、解吸速率快、含氣量相對(duì)較高，對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

（3）煤層裂縫參數(shù)及滲透性具明顯垂向非均質(zhì)性，滲透率指數(shù)能有效表征裂縫滲透性強(qiáng)弱，裂縫滲透指數(shù)高于100時(shí)為相對(duì)高滲層，相對(duì)高滲層連續(xù)分布能實(shí)現(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)。

（4）煤層煤體結(jié)構(gòu)垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)，原生煤、碎裂煤具高抗壓強(qiáng)度、高彈性模量、低泊松比特征，碎粒煤和碎裂煤具低抗壓強(qiáng)度、低彈性模量、高泊松比特征，不同煤體結(jié)構(gòu)煤厚度占比差異導(dǎo)致煤層整體力學(xué)參數(shù)差異，碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比越大，煤層壓裂縫半長(zhǎng)越短。

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The Features and Meanings of Vertical Heterogeneity of CoalbedMethane Reservoir in Yanchuannan Block

Zhenghuan1，Xuxiaohong1，Wang Ze2， Hu Jiajie3， Leilin4， Linyan4

（1.School of Earth Sciences，Yangtze University，Wuhan，Hubei，430100，China;2.China University Of Petroleum（Beijing），Beijing，102249，China;3.Changqing Oilfield Company，PetroChina， Yan’an，Shaanxi，710021，China;4. Laojunmiao Production Plant，Yumen Oilfield Compamy，Gansu Province，jiuquan city，735019）

Abstract：In order to figure out the vertical heterogeneityof coalbed methane （CBM） reservoir andit’s effects on the development of CBM in Yanchuannan Block，the vertical heterogeneity features of coal seam components，air content，adsorption time，fracture development degree and the coal body structure of and its impact on coalbed methane developmentare studied by experiments and data statistics，based on core testing and production dataof 2# coal seam in Yanchuannan Block， the results showed that 2# coal seam in industrial analysis of coal and rock composition and the maceral with vertical heterogeneity， including volatile and strongest ash vertical heterogeneity; Coal seam has strong vertical heterogeneity in gas content，methane adsorption time and desorption rate，and the adsorption time is directly proportional to the desorption rate and inversely proportional to the gas content. Some small layers have relatively high gas content， short adsorption time and fast desorption rate，which are high-quality reservoirs.The fracture permeability of coal seam has obvious vertical heterogeneity， and the permeability index can effectively characterize the strength and weakness of fracture permeability. When the fracture permeability index is higher than 100，it is a relatively high permeability layer， and the continuous distribution of relatively high permeability layer can achieve high production of coalbed gas Wells. The vertical heterogeneity of coal structure of coal seam is strong，and the difference of coal thickness proportion of different coal structure leads to the difference of overall mechanical parameters of coal seam.

Key words：SouthernYanchuan Block;Coalbedmethane;Vertical;Heterogeneity;Formation evaluation