煤層氣儲層特征分析與孔滲參數(shù)測井評價(jià)
——以沁水盆地南部3#煤層為例

趙銳，王剛，孫貴

（1.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥 230088；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710000）

0 引言

煤層氣作為一種開發(fā)潛力巨大的清潔能源，具有廣闊的市場前景。它自生自儲、主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層中[1]。與常規(guī)天然氣儲集層相區(qū)別，煤層中廣泛發(fā)育微孔-裂隙系統(tǒng)，孔隙度度量煤層氣儲集空間之大小，而煤層氣井產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化則主要受滲透率控制，孔、滲兩參數(shù)共同影響著煤層氣產(chǎn)出量的高低[2]，如何準(zhǔn)確表征煤儲層的孔隙度與滲透率值得進(jìn)行有意義的探討。沁水盆地煤層含氣量較高，煤層氣資源量大，開發(fā)條件好，為我國重要的煤層氣勘探地區(qū)，也是實(shí)現(xiàn)局部大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的唯一地區(qū)[3]。本文以沁水盆地南部樊莊區(qū)塊下二疊統(tǒng)山西組的3#煤層為研究對象，嘗試建立適合于本區(qū)實(shí)際情況的孔隙度、滲透率模型，為后續(xù)的儲層深入評價(jià)提供支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沁水盆地位于呂梁和太行隆起帶之間，為一復(fù)式向斜構(gòu)造[3]，含煤面積約4.2×104km2，煤炭儲量約2.7×1011t，主要為中—高變質(zhì)煙煤和無煙煤[4]。下二疊統(tǒng)山西組是沁水盆地主要含煤地層之一，屬近海三角洲及河湖相沉積[5]，基本巖性為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤等，煤層一般3～7 層，3#煤層為其中主采煤層。在本文研究的南部地區(qū)，3#煤層埋深介于500～800m 之間，賦存基礎(chǔ)穩(wěn)定，煤層發(fā)育較厚（一般5～7m），結(jié)構(gòu)相對簡單（夾矸1～3 層），夾矸一般為泥巖或者碳質(zhì)泥巖，以距煤層底部約1m處的夾矸較穩(wěn)定。

2 煤層氣儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

對樣品的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)3#煤層的工業(yè)分析指標(biāo)變化較大，其中固定碳（70%～80%），灰分（10%～20%），揮發(fā)分（＜8%），水分（＜3%），巖樣密度測定值變化在1.35～1.65g/cm3之間。其顯微組分中，鏡質(zhì)組占絕大部分（＞70%），另有少量惰質(zhì)組、礦物質(zhì)及其他組分。鏡質(zhì)組主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，惰質(zhì)組主要為絲質(zhì)體。礦物質(zhì)主要包括黏土礦、碳酸鹽礦及黃鐵礦等，其中黏土礦最多，星點(diǎn)狀、斷續(xù)的條帶狀為其主要分布形態(tài)，胞腔內(nèi)亦發(fā)現(xiàn)有少量充填；碳酸鹽礦次之，多數(shù)充填在微裂隙中；零星見黃鐵礦。由于有機(jī)質(zhì)成熟度高，偶見石墨化組分。

沁水盆地南部地區(qū)3#煤層宏觀煤巖類型，以光亮型為主，其次為半光亮型。光亮型煤質(zhì)純、較輕、性脆和易碎，色澤烏黑，斷口光滑，棱角狀，割理中充填物少見，面割理與端割理多呈網(wǎng)狀組合，如圖1a。與光亮型煤相比，半光亮型煤相對致密，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，面割理與端割理開始不連接，如圖1b。

圖1 研究區(qū)3#煤層煤心照片實(shí)例Figure 1. Sample photo of the core of coal seam No.3 in the study area

2.2 物性特征

煤層的孔-裂隙系統(tǒng)是地下水和煤層氣的儲集場所和運(yùn)移通道。對本區(qū)部分具有代表性的煤樣以普通顯微鏡與掃描電鏡相結(jié)合進(jìn)行孔裂隙結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果顯示：依成因粗略來看，煤巖中顯微孔隙主要有屬于次生孔隙的氣孔，及屬于原生孔隙的植物組織孔、粒間孔、晶間孔等，此外還有裂隙等。氣孔在觀察中出現(xiàn)較多（圖2a），原因主要在于本區(qū)顯微煤巖類型以鏡質(zhì)組為主的區(qū)域特征，而鏡質(zhì)組一般被認(rèn)為具有較強(qiáng)生氣能力，觀察中氣孔大小各異，輪廓圓滑，近圓形，單個(gè)出現(xiàn)多，偶爾也見密集分布，排列不規(guī)整。對于原生孔隙，以胞腔中空的絲質(zhì)體或半絲質(zhì)體最為常見（圖2b），粒間孔次之（圖2c），晶間孔零星可見，見于簇狀分布的黃鐵礦晶體之間（圖2d）。同時(shí)也常見開放的微裂隙（圖2e），微裂隙中偶見方解石充填（圖2f）。

圖2 研究區(qū)3# 煤層顯微孔-裂隙結(jié)構(gòu)Figure 2. Micropore-fracture texture of coal seam No.3 in the study area

分析研究區(qū)3#煤層的22個(gè)樣品氦氣孔隙度測定值發(fā)現(xiàn)，整體上該煤層的孔隙度值變化范圍較大，樣品測定孔隙度的平均值為3.99%，最大值為9.46%，最小值為0.68%，其中孔隙度值大于5%的樣品僅占31.82%，這表明該區(qū)3#煤層孔隙度值整體偏低。本區(qū)3#煤層滲透率變化范圍較大，有時(shí)可相差1～3 個(gè)數(shù)量級，但通常滲透率值小于5mD。

3 孔滲參數(shù)模型

針對煤層獨(dú)特的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，本文主要以總孔隙度、裂縫孔隙度、裂縫滲透率等3 個(gè)參數(shù)來進(jìn)行表征。煤層氣的吸附儲集空間主要是基質(zhì)孔隙，而滲流則主要靠裂縫孔隙。煤層裂縫孔隙多由割理組成，決定著滲透率大小。

3.1 總孔隙度

在常規(guī)煤層氣測井中，孔隙度系列主要包括聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度等。由于煤巖孔裂隙發(fā)育，性脆易碎，鉆孔中煤巖段常存在擴(kuò)徑現(xiàn)象，聲波時(shí)差計(jì)算煤巖總孔隙度不可靠，同時(shí)，煤巖本身的水分及有機(jī)質(zhì)干擾含氫指數(shù)，采用補(bǔ)償中子也不準(zhǔn)確。因此，本文以密度測井根據(jù)體積物理模型來計(jì)算煤巖總孔隙度：

式中，ρma、ρb、ρf分別表示煤巖骨架密度、測井密度、孔隙流體密度，單位為g/cm3。φD表示煤巖總孔隙度，小數(shù)。

在利用（1）式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常是根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，選取一個(gè)具有代表性的固定值作為煤巖骨架密度。由于本區(qū)煤巖組分含量變化范圍較大，煤巖樣品測試得到的真實(shí)密度值變化范圍也很大，因而，將煤巖骨架密度作為一個(gè)固定值用以求算總孔隙度是不準(zhǔn)確的。本文引入一種浮動(dòng)方法進(jìn)行處理。即將（1）式中的煤巖總孔隙度φD替換成測試孔隙度φS，經(jīng)過一輪公式變形，得到公式（2），即一種可根據(jù)已知量反算的煤巖骨架密度值求法：

現(xiàn)利用部分關(guān)鍵井的孔隙度測試數(shù)據(jù)及合理的流體密度計(jì)算出煤巖骨架密度值。基于煤巖骨架密度與密度測井值之間存在線性關(guān)系的基本認(rèn)知，將兩者線性擬合，得估算公式，相關(guān)系數(shù)R為0.9984：

結(jié)合公式（3）和（1），即可完成煤巖總孔隙度的求算，此即變骨架密度值法。為檢驗(yàn)該方法的準(zhǔn)確性，本文選取沁水盆地南部地區(qū)樊莊區(qū)塊8口取心井3#煤層的22塊巖樣，計(jì)算其測井總孔隙度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之對比見圖3。結(jié)果表明，除少數(shù)樣品由于其實(shí)測值過小導(dǎo)致相對誤差偏大外，大部分實(shí)測值與測井計(jì)算值吻合較好。這表明了該方法在本區(qū)是適用的。由于各地區(qū)的骨架密度擬合公式系數(shù)不同，本方法在應(yīng)用中需獲得關(guān)鍵井的煤巖孔隙度測試數(shù)據(jù)。

圖3 3#煤層煤巖總孔隙度模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測定值對比Figure 3. Comparison of model-based calculated andmeasured values of total porosity of the coal rock of coal seam No.3

3.2 裂縫孔隙度

本文基于研究區(qū)域3#煤層光亮型煤為主、網(wǎng)狀裂隙發(fā)育的煤層氣儲層特點(diǎn)，選取Aguilera.R.的裂縫立方體模型[6～8]，以阿爾奇公式為基礎(chǔ)，進(jìn)行裂隙孔隙度求算。

圖4 Aguilera.R.裂縫立方體模型[6]Figure 4. Aguilera.R.fracture cube model[6]

裂隙立方體模型（圖4）是一種理想化模型，假定面割理和端割理將煤巖切割成大小均一的立方塊，若以其體積為單位1，將煤巖基質(zhì)塊邊長換算為小數(shù)x，則每個(gè)單位立方塊中的裂縫空間（也即裂縫孔隙度）為：

經(jīng)嚴(yán)格推導(dǎo)，地層因子F為[7]：

據(jù)Archie原始文獻(xiàn)[9]：

式中，Rw、Ro、Rt、φ、Sw、m、n、I依次代表地層水電阻率、飽含水地層電阻率、地層真電阻率、孔隙度、含水飽和度、孔隙度指數(shù)（膠結(jié)指數(shù)）、飽和度指數(shù)及電阻率增大系數(shù)。

根據(jù)公式（6a）推導(dǎo)得裂縫孔隙度指數(shù)與地層因子和裂縫孔隙度的關(guān)系式如下：

煤層氣測井系列中深、淺側(cè)向電阻率（RLLD和RLLS）分別反映原狀地層和沖洗帯地層，原狀地層的裂縫孔隙中自由流體為地層水，未被泥漿侵入；沖洗帶地層則相反，裂縫孔隙中的地層水已為泥漿濾液所替換。由于煤巖層的雙孔隙結(jié)構(gòu)，我們一般認(rèn)為其流體由基質(zhì)孔隙束縛水和裂縫孔隙自由流體兩部分組成，基于公式（8），深、淺側(cè)向電阻率可被分別表述為公式（9）和公式（10）：

我們認(rèn)為沖洗帶完全為泥漿濾液所侵入（即Sxo=1），基于此，對（11）式作如下兩種情形下的變形：①原狀煤層飽含水（Swf=1），此為大多數(shù)情況；②原狀煤層不含水（Swf=0），分別對應(yīng)得到（12a）式和（12b）式。

上述各式中，RLLD、RLLS、Rmf分別表示深側(cè)向、淺側(cè)向、泥漿濾液電阻率，單位為ohm.m；φb、φ2分別表示基質(zhì)、裂縫孔隙度，小數(shù)；Swb、Swf、Sxo分別表示基質(zhì)、裂縫原始及沖洗帶含水飽和度，小數(shù)；mb、mf分別表示基質(zhì)、裂縫孔隙度指數(shù)，小數(shù)；nb、nf分別表示基質(zhì)、裂縫飽和度指數(shù)，小數(shù)。

本文求算裂縫孔隙度采用一種循環(huán)迭代的方法，具體公式參照（4）式至（12）式，以比較兩次計(jì)算得到的φ2誤差是否在精度范圍內(nèi)來控制迭代進(jìn)程，求算流程詳見圖5。

圖5 求算裂縫孔隙度的迭代法流程圖Figure 5. Flow chart of the iterative method for calculating fracture porosity

3.3 裂縫滲透率

一般而言，煤巖的裂縫滲透率和裂縫孔隙度之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。本文綜合前人的數(shù)值模擬成果[10～11]進(jìn)行裂縫滲透率求算。如若今后測試資料豐富，可以嘗試用測試值對計(jì)算的滲透率進(jìn)行標(biāo)定，得出相應(yīng)的地區(qū)系數(shù)，增加該方法的適用性。

Faivre等人分垂直、水平裂縫，分別得到了（13）式和（14）式兩種數(shù)值模擬結(jié)果[10]。簡而言之，對于垂直裂縫，深、淺雙側(cè)向電導(dǎo)率之差與裂縫寬度、侵入泥漿成正比關(guān)系，而對于水平裂縫，則是深側(cè)向電導(dǎo)率與基質(zhì)塊電導(dǎo)率之差。

上兩式中，w垂直與w水平分別表示垂直與水平裂縫寬度，單位為μm；CLLS、CLLD、Cb分別表示深、淺側(cè)向及基質(zhì)塊電導(dǎo)率，單位為mS/m，Cm表示泥漿電導(dǎo)率，單位為S/m。

需要特別指出的是，在本文中，把雙側(cè)向測井響應(yīng)的正負(fù)差作為判斷垂直裂縫和水平裂縫的依據(jù)，正差異（RLLS＜RLLD）為垂直縫，負(fù)差異為水平縫（RLLS＞RLLD）。計(jì)算出裂縫寬度和裂縫孔隙度后，根據(jù)侯俊勝等[11]立方體模型下的裂縫滲透率計(jì)算公式，可以得到裂縫滲透率：

4 模型應(yīng)用效果分析

本文以沁水盆地南部地區(qū)的樊莊區(qū)塊華固4-14井為例，利用本文得到的孔隙度、滲透率測井模型，對下二疊統(tǒng)山西組3#煤層（即782.10～788.50m）進(jìn)行了處理與解釋，圖6 為處理成果圖。華固4-14 井782.10～788.50m段在測井曲線上，煤層特征明顯（深側(cè)向電阻率：745～11000ohm.m；補(bǔ)償中子：41%～47%；補(bǔ)償密度：1.30～1.52g/cm3；補(bǔ)償聲波：400～450μs/m；自然伽馬：29～106API），厚度大，煤質(zhì)好，灰分含量低，噸煤含氣量高，是綜合解釋上的較好煤層氣儲集層。微電阻率掃描成像結(jié)果證實(shí)，該段煤層裂縫較為發(fā)育。

從圖6中可以看到，測井計(jì)算的煤巖總孔隙度結(jié)果與煤巖巖心測試結(jié)果兩者吻合得較好。而在782～783m之間，裂隙孔隙度與裂隙滲透率的計(jì)算結(jié)果明顯失真，有時(shí)裂隙孔隙度甚至超過了總孔隙度，井徑曲線證實(shí)，可能由于煤層煤質(zhì)較軟，該井段井眼擴(kuò)徑明顯，而裂隙孔隙度與裂隙滲透率的計(jì)算結(jié)果均深受深淺電阻率的差值影響，擴(kuò)徑導(dǎo)致深淺側(cè)向電阻率差值變大，從而致使計(jì)算結(jié)果失真。由此可見，深淺電阻率的測井質(zhì)量對于裂隙孔滲參數(shù)的準(zhǔn)確求算至關(guān)重要。

除上述擴(kuò)徑井段外，本文模型處理得到的裂縫孔隙度總體小于2%，裂縫滲透率主要分布在0.001×10-3～5×10-3mD之間。本研究區(qū)3#煤層8口取心井測試結(jié)果表明（表1），本文模型的計(jì)算結(jié)果具備較高的可靠性。同時(shí)，裂隙孔、滲參數(shù)計(jì)算結(jié)果與微電阻率掃描成像成果亦頗為吻合，其中在該煤層下部787.0～787.5m發(fā)育一層夾矸，夾矸下部發(fā)育有低角度裂縫，這些都在裂縫孔滲參數(shù)的計(jì)算結(jié)果上有良好顯示。

表1 樊莊區(qū)塊3號煤層裂隙孔隙度及滲透率檢測結(jié)果Table 1.Test results of fracture porosity and permeability of coal seam No.3 in the Fanzhuang block

綜上所述，本文基于區(qū)域煤層氣儲層特征實(shí)際情況建立的總孔隙度、裂縫孔隙度、裂縫滲透率等參數(shù)的測井解釋模型具有較高的精度，可為后續(xù)的煤層氣生產(chǎn)開發(fā)工作提供有力的支撐。

圖6 華固4-14井3# 煤層（782.10～788.50m）孔滲參數(shù)處理成果圖Figure 6. Results of treatment of porosity and permeability parameters of coal seam No.3（782.10～788.50m）in Huagu Well 4-14

5 結(jié)論

（1）沁水盆地南部地區(qū)樊莊區(qū)塊3#煤層是一套全區(qū)穩(wěn)定分布、厚度大、煤質(zhì)好的良好煤層氣儲層。3#煤層以無煙煤為主，宏觀煤巖類型以光亮型為主。煤巖密度變化范圍大，網(wǎng)狀裂隙發(fā)育。

（2）3#煤層煤樣普通顯微鏡與掃描電鏡成果研究表明，其顯微孔隙按成因可粗略分為屬于次生孔隙的氣孔，及屬于原生孔隙的植物組織孔、粒間孔、晶間孔等。此外還有裂隙、氣孔、原生孔隙均較常見，同時(shí)常見開放的微裂隙，微裂隙中偶見方解石充填。

（3）3#煤層的孔隙度值、滲透率值變化范圍均較大，且整體偏低。本文根據(jù)研究對象實(shí)際情況，采用變煤巖骨架密度值法計(jì)算煤巖總孔隙度，以裂縫立方體模型迭代法計(jì)算煤巖裂縫孔隙度，進(jìn)而求算裂縫滲透率。解釋模型經(jīng)研究區(qū)華固4-14井3#煤層實(shí)際處理之驗(yàn)證，達(dá)到了較高的精度。