樊莊-鄭莊區(qū)塊無煙煤儲(chǔ)層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑的研究

胡秋嘉，劉世奇，閆 玲，王 鶴，方輝煌，張 慶，毛崇昊，賈慧敏

（1.中國石油天然氣股份有限公司 山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治046000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤儲(chǔ)層流體主要指充填于裂隙與大孔內(nèi)的煤層水以及吸附于基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的煤層氣[1-2]。隨著煤層氣商業(yè)性開發(fā)的不斷發(fā)展及基礎(chǔ)理論研究的逐漸深入[3-4]，煤儲(chǔ)層流體的賦存與運(yùn)移規(guī)律的研究逐漸被學(xué)者們所重視[5-6]。煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)不僅是煤層氣的主要賦存空間，更是煤層氣、水的運(yùn)移、產(chǎn)出通道[7-8]。良好的含氣儲(chǔ)層需具備2 個(gè)條件：發(fā)育能使氣體吸附的孔隙系統(tǒng)和發(fā)育能使氣水運(yùn)移、產(chǎn)出的裂隙系統(tǒng)[9-10]。一般認(rèn)為，基質(zhì)孔隙主要為煤層氣的賦存空間，宏觀裂隙主要為煤層氣、水的運(yùn)移通道和煤層水的儲(chǔ)集空間，孔徑介于兩者間的顯微裂隙則起著溝通基質(zhì)孔隙與宏觀裂隙的橋梁作用[11-13]。煤儲(chǔ)層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑的研究，應(yīng)將基質(zhì)孔隙、微觀裂隙及宏觀裂隙作為整體進(jìn)行研究。煤層氣主要呈吸附態(tài)（70%～95%）、游離態(tài)（10%～20%）與溶解態(tài)，且三者處在1 個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡中[14]。煤層氣主要以物理吸附的方式吸附于煤基質(zhì)的內(nèi)表面[15]。煤層氣井投產(chǎn)后，隨儲(chǔ)層壓力的降低，吸附態(tài)的煤層氣開始解吸，該過程可用朗格繆爾吸附模型進(jìn)行描述[16]；解吸后的煤層氣在濃度梯度驅(qū)使下向裂隙系統(tǒng)擴(kuò)散，該過程遵循菲克定律[17]。擴(kuò)散后的煤層氣在壓力差的驅(qū)使下進(jìn)一步在天然裂隙中流動(dòng)，該過程遵循達(dá)西定律[18]。而煤層水則以達(dá)西流動(dòng)在宏觀裂隙中運(yùn)移[19-20]?；诖?，以沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊內(nèi)無煙煤儲(chǔ)層為研究對(duì)象，基于水測滲透率、克氏滲透率及核磁共振成像等實(shí)驗(yàn)，對(duì)無煙煤儲(chǔ)層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑及其模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究對(duì)加深煤儲(chǔ)層氣水產(chǎn)出機(jī)理的認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)煤層氣井排采控制具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

樊莊-鄭莊區(qū)塊位于山西省沁水盆地南部，行政區(qū)隸屬于沁水縣、安澤縣和陽城縣等，樊莊-鄭莊區(qū)塊是目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)程度較高和開發(fā)效益較好的區(qū)塊。樊莊-鄭莊區(qū)塊含煤地層為石炭二疊系，自下向上依次為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，其中山西組的3#煤層全區(qū)穩(wěn)定分布，因此是煤層氣開發(fā)最重要的目的地層。

鄭莊區(qū)塊地層寬緩，地層傾角平均約4°，低緩、平行褶皺普遍發(fā)育，呈近SN 和NNE 向，褶皺的幅度相對(duì)較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，呈典型的長軸線性褶皺。斷層相對(duì)不發(fā)育，斷距大于20 m 的斷層僅在西南部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈1組NE-EW 向斷層組成的弧形斷裂帶[21]。樊莊區(qū)塊與鄭莊區(qū)塊以寺頭斷層相隔，主要由沁河復(fù)式向斜、晉東南山字型構(gòu)造和寺頭-后城腰斷裂帶組成，主要構(gòu)造形態(tài)仍呈NNE 向展布；次一級(jí)褶曲發(fā)育，且方向多變，表現(xiàn)了多期構(gòu)造作用的影響[22]。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

選取沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊周邊胡底礦（樊莊區(qū)塊）和沁城礦（鄭莊區(qū)塊）煤巖樣品開展研究。所采煤樣均為無煙煤，樣品的采集、保存、運(yùn)輸均按GB/T 19222—2003 國家標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 16773—2008 國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。為了避免煤樣氧化，所采集的大塊煤樣用吸水紙包裹并用膠帶纏繞，放入密封袋內(nèi)保存。樣品保存在5 °C 左右的恒溫環(huán)境內(nèi)。

1）原始煤柱水測滲透率實(shí)驗(yàn)。原始煤柱中主要為割理和和顯微裂隙，因此原始煤柱水測滲透率實(shí)驗(yàn)主要研究的是割理和和顯微裂隙的水測滲透率。樣品采用直徑50 mm、長度50～100 mm 的煤柱，由機(jī)械鉆樣機(jī)鉆取，并由磨面機(jī)將兩端面打磨平整。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫；注水壓力設(shè)定為2 MPa，出口壓力為大氣壓，即煤柱兩端的壓差約為2 MPa；圍壓分別設(shè)定為4、5 MPa；水注入速率恒定為20 mL/min。

2）宏觀裂隙水測滲透率實(shí)驗(yàn)。利用人造裂縫模擬煤巖宏觀裂隙，并測試其滲透率。采用樣品同樣是直徑50 mm、長度50～100 mm 的煤柱。為了模擬宏觀裂隙，采用切割線直徑為200 μm 的線切割機(jī)，將煤柱沿軸剖開，然后再合在一起，用膠帶將側(cè)面包裹，形成1 個(gè)軸截面有裂隙的煤柱。切割完成后的煤柱人造裂隙裂口寬度約500 μm，可有效模擬煤中外生裂隙。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫；注水壓力、圍壓，以及水的注入速率與原始煤柱水測滲透率實(shí)驗(yàn)一致。

3）克氏滲透率實(shí)驗(yàn)。研究通過克氏滲透率實(shí)驗(yàn)獲得測試樣品的氣測滲透率。克氏滲透率測試所采用是美國CoreLab 公司生產(chǎn)的PDP-200（Pulse-Decay Permeameter）超低滲透率巖石滲透率儀，所使用的樣品為直徑25 mm、長度40～70 mm 的煤柱，同樣由機(jī)械鉆樣機(jī)鉆取。實(shí)驗(yàn)溫度為室溫；注氣壓力為1.03 MPa，圍 壓 分 別 為2.07、2.76、3.45、4.14、4.83 MPa。測試所采用的氣相介質(zhì)是氮?dú)狻?/p>

4）核磁共振成像實(shí)驗(yàn)。研究基于氣驅(qū)水條件下煤樣的低場核磁共振成像實(shí)驗(yàn)獲得了測試煤樣內(nèi)部氣、水分布與賦存狀態(tài)的直觀認(rèn)識(shí)。核磁共振成像實(shí)驗(yàn)采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的紐曼MesoMR23-060H-I 核磁共振儀，所使用的樣品同樣為直徑25 mm、長度40～70 mm 的煤柱。實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別為：圍壓4 MPa，注氣壓力1.5 MPa，出口壓力為大氣壓，氣體類型為CH4。設(shè)定8 個(gè)成像時(shí)間點(diǎn)，分別為初始見水或見氣時(shí)，見水或見氣后5、15、30、60、120、180 min，和無水流出或氣體流量穩(wěn)定時(shí)。

核磁共振成像實(shí)驗(yàn)的基本流程如下：①干燥煤樣T2譜測試：60 ℃條件下，將測試樣品置于真空干燥箱真空干燥24 h，然后測試干燥煤樣的T2譜；②飽和水煤樣T2譜測試：干燥煤樣T2譜測試完成后，將測試樣品在6 MPa 條件下抽真空飽水12 h，飽水完成后測試飽和水煤樣T2譜；③氣驅(qū)水核磁共振實(shí)驗(yàn)：飽和水煤樣T2譜測試完成后，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的圍壓、注氣壓力開展氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測出口氣體流量，按照設(shè)計(jì)的成像時(shí)間點(diǎn)完成全部設(shè)計(jì)的核磁共振成像實(shí)驗(yàn)。

3 煤層氣水賦存與運(yùn)移路徑

3.1 煤層氣水賦存空間

1）煤層水的賦存空間。胡底礦樣品T2譜成像結(jié)果及特征如圖1 和圖2。圖1 中高亮區(qū)域?yàn)樗袣湓有盘?hào)，代表了水的分布狀態(tài)。綜合圖1 和圖2可知，樣品中水呈2 種分布狀態(tài)：①條帶狀分布，這部分水主要賦存在10～100 μm 尺度的微裂隙中，對(duì)應(yīng)于T2譜線中100～1000 ms 的譜峰；②零散分布，這部分水主要賦存在50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中，對(duì)應(yīng)于T2譜線中0.03～3 ms 的譜峰。由此可見，6 MPa 條件下煤層水既可賦存于顯微裂隙中，也可賦存于大孔中。根據(jù)研究區(qū)煤層氣井試井解釋結(jié)果，煤儲(chǔ)層壓力介于1.77～11.32 MPa，并以4～8 MPa 為主。樊莊-鄭莊區(qū)塊儲(chǔ)層壓力條件下，大孔、顯微裂隙和宏觀裂隙均為煤層氣水的賦存空間。

圖1 胡底礦樣品T2 譜成像結(jié)果Fig.1 T2 imaging results of Hudi sample

2）煤層氣的賦存空間。前人研究表明，孔隙是煤中CH4的主要賦存空間[14-16]。雖然核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)孔徑＜50 nm 的孔隙分辨率較低，但由核磁共振結(jié)果仍可看出，測試樣品孔徑＜50 nm 的孔隙含量占優(yōu)，且隨孔徑增大，含量呈減小趨勢，飽和水樣品核磁共振實(shí)驗(yàn)孔徑分布特征如圖3。因此，測試樣品中含有大量孔徑＜50 nm 的微孔和中孔，為煤層氣儲(chǔ)集提供了充足的空間，CH4也主要賦存在這部分孔隙中。

圖2 胡底礦樣品T2 譜特征Fig.2 T2 spectra of Hudi sample

圖3 飽和水樣品核磁共振實(shí)驗(yàn)孔徑分布特征Fig.3 Poresize distribution of water saturated samples

3.2 煤層氣水運(yùn)移路徑

3.2.1 煤層水的運(yùn)移通道

1）微觀運(yùn)移通道。對(duì)比圖1 和圖2 可以看出，氣驅(qū)水核磁共振實(shí)驗(yàn)開始后，10～100 μm 尺度的微裂隙中賦存的水被大量驅(qū)替出，T2譜中100～1 000 ms的譜峰在初見氣5 min 后即消失；而50 nm～1 μm尺度的大孔和顯微裂隙中賦存的水至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（見氣后180 min）未見明顯變化，其T2譜（0.03～3 ms）也未見明顯變化。說明煤中水以微米尺度（10～100 μm）顯微裂隙作為優(yōu)勢運(yùn)移路徑，50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中賦存的水流動(dòng)性差，存在大量難以運(yùn)移產(chǎn)出的殘余水。同時(shí)進(jìn)一步證實(shí)了，煤中殘余水主要賦存于50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中。

2）宏觀運(yùn)移通道。圍壓4、5 MPa 時(shí)，原始煤柱的水測滲透率介于0.001 56～0.011 52 mD（1 mD=1×10-3μm2），外生裂隙的水測滲透率介于0.165 27～0.251 85 mD。同一樣品的原始煤柱水測滲透率遠(yuǎn)小于外生裂隙的水測滲透率，二者相差1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。圍壓超過5 MPa 時(shí)，原始煤柱持續(xù)實(shí)驗(yàn)14 h，巖心夾持器出口端無水產(chǎn)出，水測滲透率為0。說明原始煤柱水測滲透率僅能維持在低圍壓狀態(tài)下，隨圍壓的升高，割理和顯微裂隙大量閉合，水在其中的流動(dòng)能力大幅降低。

3.2.2 煤層氣運(yùn)移通道

1）微觀運(yùn)移通道。由于CH4分子直徑小，分子間作用力弱，可以通過表面擴(kuò)散、擴(kuò)散、滑移、達(dá)西流動(dòng)等多種方式運(yùn)移。因此，理論上煤儲(chǔ)層中所有孔隙和裂隙均可成為CH4的運(yùn)移產(chǎn)出通道。這也決定了煤儲(chǔ)層連通性對(duì)煤層中CH4產(chǎn)出起主要限制作用。由T2譜（圖2）和孔徑分布特征（圖3）可以看出，測試樣品孔徑＞0.5 μm 的孔隙和顯微裂隙發(fā)育程度相對(duì)較弱，造成大孔和顯微裂隙連通性相對(duì)較差，制約了氣體產(chǎn)出效果。

2）宏觀運(yùn)移通道。圍壓為2.07～4.83 MPa 條件下，原始煤柱的克氏滲透率較低，一般小于0.01 mD。測試樣品克氏滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。說明不同于煤層水，割理和顯微裂隙是煤層氣運(yùn)移和產(chǎn)出的重要通道。但受限于樊莊-鄭莊區(qū)塊煤巖樣品的割理和顯微裂隙發(fā)育程度，特別是裂口寬度和滲透率，煤層氣的流動(dòng)能力較弱。

表1 測試樣品克氏滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Klinkenberg permeability ofexperimental samples

4 煤儲(chǔ)層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑模式

1）煤層氣賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑。綜合上述對(duì)煤層氣賦存空間和運(yùn)移路徑的認(rèn)識(shí)，提出樊莊-鄭莊區(qū)塊煤層氣賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑。樊莊-鄭莊區(qū)塊3#煤層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑模式示意圖如圖4。微孔和中孔是煤層氣的主要賦存空間，微孔和中孔中解吸出的煤層氣或直接運(yùn)移至大孔和顯微裂隙，或運(yùn)移至中孔（含超微裂隙），再通過中孔運(yùn)移至大孔和顯微裂隙。大孔中游離態(tài)的煤層氣或直接運(yùn)移至宏觀裂隙，或通過顯微裂隙運(yùn)移至宏觀裂隙。顯微裂隙中游離態(tài)的煤層氣或直接運(yùn)移至與之連通的外生裂隙，或先運(yùn)移至內(nèi)生裂隙，再由內(nèi)生裂隙運(yùn)移至外生裂隙。內(nèi)生裂隙中游離態(tài)的煤層氣或直接運(yùn)移至壓裂裂縫，或先運(yùn)移至外生裂隙，再由外生裂隙運(yùn)移至壓裂裂縫。其中孔徑＞0.5 μm 的孔隙和顯微裂隙發(fā)育程度相對(duì)較弱，制約了氣體產(chǎn)出效果。

圖4 樊莊-鄭莊區(qū)塊3#煤層氣水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of occurrence-migration-output path model of gas and water in 3# coal seam in Fanzhuang-Zhengzhuang block

2）煤層水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑。同樣綜合上述對(duì)煤層水賦存空間和運(yùn)移路徑的認(rèn)識(shí)，提出樊莊-鄭莊區(qū)塊煤層水賦存-運(yùn)移-產(chǎn)出路徑（圖4）。煤儲(chǔ)層中大孔、顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙均是煤層水的重要儲(chǔ)集場所。其中，孔徑＜1 μm 的大孔和顯微裂隙中賦存大量不可流動(dòng)水。大孔和顯微裂隙中賦存的煤層水或直接運(yùn)移至與之連通的外生裂隙，或先運(yùn)移至內(nèi)生裂隙，再由內(nèi)生裂隙運(yùn)移至外生裂隙。內(nèi)生裂隙中的煤層水或直接運(yùn)移至壓裂裂縫，或由外生裂隙運(yùn)移至壓裂裂縫。而外生裂隙中的煤層水或直接流向井筒，或經(jīng)壓裂裂縫流向井筒。煤層地應(yīng)力狀態(tài)下，外生裂隙與割理和顯微裂隙共同組成了煤層水的運(yùn)移和產(chǎn)出通道，其中裂口寬度＜10 μm 的割理和顯微裂隙對(duì)煤層水運(yùn)移和產(chǎn)出貢獻(xiàn)較弱，對(duì)煤層水運(yùn)移和產(chǎn)出起主要作用的是裂口寬度＞10 μm 的顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙。

5 結(jié) 論

1）煤儲(chǔ)層大孔、顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙均是煤層水的重要儲(chǔ)集場所?？讖剑? μm 的大孔和顯微裂隙中賦存的煤層水主要為不可流動(dòng)水。外生裂隙、內(nèi)生裂隙與顯微裂隙共同組成了煤層水的運(yùn)移和產(chǎn)出通道，其中對(duì)煤層水運(yùn)移和產(chǎn)出起主要作用的是裂口寬度＞10 μm 的顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙。

2）煤儲(chǔ)層微孔和中孔是煤層氣的主要賦存空間，不同尺度的孔隙和裂隙共同組成了煤層氣運(yùn)移產(chǎn)出的通道。中孔、顯微裂隙和內(nèi)生裂隙，不僅是煤層氣體運(yùn)移的重要介質(zhì)形態(tài)，而且是溝通孔隙與裂隙的重要橋梁，對(duì)煤層氣運(yùn)移和產(chǎn)出至關(guān)重要。