韓城北部煤層氣儲層物性特征及其主控因素研究

葛 毓，麻銀娟，魏 曉，陳興隆

（1.陜西省一三一煤田地質有限公司，陜西 韓城 715400；2.鄭州商學院，河南 鄭州 450000）

韓城礦區(qū)煤層氣資源豐富，總量為1 289.18×108m3，其中煤層埋深小于500 m 的資源量為97.39×108m3，500～1 000 m 的資源量為758.10×108m3，1 000～1 500 m 的資源量為433.69×108m3，是國內中-高階煤層氣勘探開發(fā)的重點區(qū)域[1]。煤層的滲透性和含氣性是影響煤層氣生產的重要因素，因此對系統(tǒng)分析滲透率、含氣性有關參數(shù)的相關性對于指導煤層氣開采具有重要意義[2-10]。前人對韓城礦區(qū)的煤層氣成藏條件和儲層特征方面進行了較多研究，認為該區(qū)煤巖演化程度較高，達到了大量生氣的階段，蓋層條件的封閉性也較好，為煤層氣的吸附富集提供了儲存條件[10-17]。以往對于韓城礦區(qū)北部煤層含氣性及物性的研究較少，特別是對煤層氣賦存的主控因素研究，不同地區(qū)則出現(xiàn)的規(guī)律性不盡相同。因此，在全面收集研究區(qū)煤層及煤層氣地質勘查資料及實驗測試成果的基礎上，采用定量化分析方法，系統(tǒng)分析煤層吸附能力、含氣性、地應力、孔滲性等變化規(guī)律。

1 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)構造形態(tài)與韓城礦區(qū)基本一致，為總體走向NE、傾向NW 的單斜構造，地層傾角平緩，一般3°～5°，東北角傾角較大為14°左右，在單斜構造形態(tài)的背景上存在寬緩的波狀起伏，起伏不大。東淺部有14 條斷距5～10 m 左右的正斷層，分布范圍較小。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），煤層埋深320～1 480 m，3#及11#煤層可采，分布較穩(wěn)定。3#平均煤厚5.06 m，11#煤平均煤厚2.36 m。煤類以無煙煤三號（WY03）和貧煤（PM11）為主，屬低灰～中灰、特低～低揮發(fā)分、低～高硫、中高～特高發(fā)熱量的含油煤。宏觀煤巖類型以半亮型為主，次之半暗煤，偶見暗淡型煤。性脆易碎，以粉末狀為主，見少量塊煤。有機組分含量較高，平均91.13%～92.30%，主要由鏡質組與惰質組組成，殼質組不發(fā)育，礦物雜質以黏土類為主。煤系及其上覆地層的富水性弱，且各含水層之間有泥巖隔水層存在，地下水補給條件差，水化學類型復雜多樣，在深部形成滯留帶，水文地質條件簡單。韓城礦區(qū)構造綱要圖如圖1。

圖1 韓城礦區(qū)構造綱要圖Fig.1 Structural outline of Hancheng Mining Area

2 煤儲層含氣性

2.1 變質程度

煤的變質程度從2 個方面影響煤層氣含量：①決定氣的生成量；②影響煤層吸附氣體的能力。隨變質程度的增加，一方面煤的溫度升高，煤化作用加強，生氣能力增強；另一方面，煤中的微孔隙會更多，對煤層氣的吸附能力增強[18]。區(qū)內煤層經歷了從晚石炭世至現(xiàn)今5 個埋藏階段，遭受了晚石炭世-中侏羅世的正常古地溫、晚侏羅世-白堊紀末異常高地溫場和新生代正常古地溫場，期間經歷了2 次煤化作用，發(fā)生2 次生氣過程。3#、11#煤層屬第Ⅶ變質階段的煙煤或無煙煤，為較高煤化階段煤。煤的變質程度總體符合深成變質作用特點，即變質程度與埋深有良好一致性。受控于傾向北西的單斜構造，該區(qū)煤層埋深總體呈東南淺、西北深的特點，與煤層走向大體一致，沿煤層傾向埋深增大，同時由于次級褶皺發(fā)育，引起中部煤層埋深變淺。該區(qū)煤類有明顯的北東-南西向帶狀分布特點，分界線東南側煤類為貧煤PM，分界線西北側為無煙煤WY，中部由于煤層埋深變化，分界線發(fā)生一定彎曲變化，與埋深變化趨勢一致。3#和11#煤層煤類分區(qū)圖如圖2。

圖2 3#和11#煤層煤類分區(qū)圖Fig.2 Coal classification for 3# and 11# coal seams

此外，煤的揮發(fā)分與變質作用關系密切，變質程度越高，揮發(fā)分越低，3#、11#煤揮發(fā)分與埋深之間均具有良好的負相關性，也說明隨著埋深加深，變質作用增強，變質程度增高。3#煤層、11#煤層揮發(fā)分與埋深關系分別如圖3、圖4。

圖3 3#煤層揮發(fā)分與埋深關系Fig.3 Relationship between volatile matter and buried depth of 3# coal seam

圖4 11#煤層揮發(fā)分與埋深關系Fig.4 Relationship between volatile matter and buried depth of 11# coal seam

2.2 吸附能力

煤層等溫吸附參數(shù)見表1。3#煤層蘭氏體積為20.33～28.44 m3/t，蘭氏壓力1.28～3.16 MPa；11#煤層蘭氏體積為20.98～31.21 m3/t，蘭氏壓力1.13～3.51 MPa。3#、11#煤層蘭氏體積均大于20 m3/t，反映了該區(qū)各煤層均具有很強的吸附能力。

表1 煤層等溫吸附參數(shù)Table 1 Isothermal adsorption parameters of coal seam

蘭式體積與煤層埋深的關系如圖5。蘭式壓力與煤層埋深的關系如圖6。

圖5 蘭式體積與煤層埋深的關系Fig.5 Relationship between Langmuir volume and depth of coal seam

圖6 蘭式壓力與煤層埋深的關系Fig.6 Relationship between Langmuir pressure and coal seam depth

一般而言，煤的變質程度越高，微孔隙越發(fā)育，吸附甲烷的能力越強。前文述及，該區(qū)煤變質程度符合深成變質作用規(guī)律，與埋深具有較好的正相關性。等溫吸附測試參數(shù)蘭式體積表征煤的吸附能力，但該區(qū)煤的蘭式體積與埋深之間并不呈正相關關系，且關系較為離散。

因為煤的吸附能力一方面受到煤化作用的影響，埋深增大，變質程度增高，煤的吸附能力增加；另一方面，埋深變化，地應力狀態(tài)轉換引起的孔隙結構變化有關，埋深超過一定界限后，煤所受的上覆壓力和構造應力更大，內部孔隙被壓縮，吸附能力變弱。數(shù)據(jù)點煤層埋深介于600～1 500 m 之間，主要分布于800～1 200 m，根據(jù)以往研究認識，正好處于地應力轉換深度，這可能是導致吸附能力與埋深關系比較離散的主要原因。同時，蘭式壓力與埋深關系也較為離散，但埋深大于1 100 m，蘭式壓力均大于2.5 MPa。從煤層氣降壓解吸角度，蘭式壓力大，有利于降壓解吸，因此，深部煤層氣也有可能存在有利于開采的深度范圍。

2.3 含氣量

煤層埋深對含氣量的影響主要考慮埋深引起的溫度和壓力變化，根據(jù)煤層氣吸附理論[19]，埋深增大，產生壓力增大的正效應和溫度增加的負效應，即埋深對含氣量的影響為2 個效應的疊加結果。根據(jù)實測鉆孔統(tǒng)計，區(qū)內3#煤層含氣量1.50～17.36 m3/t，平均9.04 m3/t，含氣飽和度為32.45%～67.45%，平均46.91%；11#煤層含氣量6.91～16.92 m3/t，平均10.49 m3/t，含氣飽和度為37.10%～58.63%，平均46.77%，總體而言，含氣量和含氣飽和度偏低，屬于欠飽和煤層氣藏。煤層氣含量與埋深等值線圖如圖7。從平面上看，3#、11#煤層氣含量從淺部到深部（從東到西）沿單斜構造傾向方向含量逐漸增大，研究區(qū)西部大部分達到了8 m3/t。

圖7 煤層氣含量與埋深等值線圖Fig.7 Isolines of coal seam depth and coal bed methane content

但是，進一步分析埋深與含氣量之間的關系發(fā)現(xiàn)，埋深增加，含氣量并非一直增大，含氣量和含氣飽和度均呈先增大后減小的變化規(guī)律，即當埋深小于1 000 m，隨埋深增大，以壓力增大引起的吸附正效應主導，含氣量逐漸增加，并且含氣量的增加速率大于煤的吸附能力增加速率，使得煤的含氣飽和度亦呈增加趨勢。而當埋深超過1 000 m 以后，地溫增加引起的吸附負效應開始發(fā)揮主導作用，埋深增大，含氣量逐漸減小，同時，由于埋深加大，煤層所受應力增大，煤儲層孔隙結構發(fā)生變化，導致吸附能力變弱，但變化速率小于含氣量變化速率，導致含氣飽和度降低。煤層含氣性與埋深的關系如圖8。

圖8 煤層含氣性與埋深的關系Fig.8 Relationship between coal seam gas content and buried depth

由圖8 可知，煤層埋深主要通過引起煤儲層壓力和溫度變化從而影響煤層含氣量，分析埋深與儲層壓力、溫度之間的關系發(fā)現(xiàn)，煤儲層壓力與埋深之間總體呈正相關關系，但相關性不好，數(shù)據(jù)離散性強，尤其是700～1 000 m 的埋深范圍，因為淺部地下水活動相對較強，可能是導致該區(qū)煤層含氣量在以上埋深段變化復雜、含氣量與埋深之間相關性較差的原因之一。儲層溫度與埋深之間相關性較好，說明該區(qū)地溫場基本穩(wěn)定，地溫梯度區(qū)域變化較小。雖然儲層壓力與埋深關系較為離散，但總體變化趨勢沒有改變，且溫度與埋深相關性較強，因此，含氣量隨埋深的變化規(guī)律仍然符合埋深所引起的儲層壓力和溫度變化導致吸附量變化的認識。

3 煤儲層滲透性

3.1 孔滲特征

煤層孔隙即是煤層氣的儲存空間，又是主要滲流通道，是煤層氣吸附/解吸性能及在煤層中運移的基礎。根據(jù)煤層滲透率測試結果，3#煤層孔隙度、滲透率分別為1.5%～9.05%、0.003×10-15～0.54×10-15m2，11#煤層分別為1.36%～8.54%、0.005×10-15～0.49×10-15m2?？紫抖取B透率與埋深關系如圖9、圖10。

圖9 孔隙度與埋深關系Fig.9 Relationship between porosity and depth

圖10 滲透率與埋深關系Fig.10 Relationship between permeability and depth

一般認為，埋深越大，煤層所受地應力越大，煤的結構更加致密，內部孔隙被壓縮，孔隙度和滲透率降低。但是，研究區(qū)煤的孔隙度和滲透率與埋深之間并明顯的非線性關系，相互之間關系較為復雜，總體相關性較差。隨埋深增加，孔隙度呈先減小后增大趨勢，轉換深度約1 000 m，而滲透率變化則與之相反，整體近似正態(tài)分布，呈先增大后減小趨勢，轉換深度與孔隙度大致相同。

分析認為，淺部煤層（＜1 000 m），埋深增大，上覆壓力增大，煤中的較大孔隙被壓縮甚至閉合，孔隙度減小；深部煤層，埋深增大，孔隙度反而逐漸增大，是因為埋深增大致使煤變質作用更將強烈，有機質裂解成氣體后形成大量次生氣孔，煤的孔隙度逐漸反彈。滲透率則與煤的孔隙結構密切相關，如裂隙和中大孔隙發(fā)育程度、孔隙形態(tài)及連通性等，并非與孔隙度呈簡單的正相關關系，所以滲透率隨埋深的變化與孔隙度的變化并不一致。從煤層氣開發(fā)角度而言，研究區(qū)深部煤儲層滲透性存在1 個有利埋深段，大致為700～1 000 m。

3.2 地應力

3.2.1 地應力計算

隨埋深的增大，地應力場也發(fā)生變化，其對煤儲層物性具有重要影響，因此，需要研究地應力與埋深之間的關系，揭示不同埋深段地應力狀態(tài)和變化規(guī)律。地應力可以根據(jù)煤層氣井水力壓裂測試數(shù)據(jù)計算得出：

式中：σH為最大水平主應力，MPa；pc為閉合壓力，MPa，與最小水平主應力大小相等；pf為破裂壓力，MPa；p0為儲層壓力，MPa；T 為煤的抗拉強度，MPa；σv為垂向主應力，MPa；ρ 為巖石密度，t/m3；H為埋深，m。

3.2.2 地應力特征

煤層氣井地應力計算結果見表2。

表2 煤層氣井地應力計算結果Table 2 Calculation results of in-situ stress of coalbed methane well

地應力計算結果顯示，3#煤層最小水平應力9.95～29.96 MPa，平均15.47 MPa；最大水平主應力14.4 ～47.01 MPa，平 均24.92 MPa；垂 向 主 應 力15.17～33.98 MPa，平均21.62 MPa。11 號煤層最小水平應力12.37～31.88 MPa，平均17.78 MPa；最大水平主應力19.94～54.74 MPa，平均28.9 MPa；垂向主應力16.88～35.77 MPa，平均23.97 MPa。利用康紅普等[20]判定標準（超高應力區(qū)＞30 MPa、高應力區(qū)18～30 MPa、中應力區(qū)10～18 MPa、低應力區(qū)0～10 MPa），該區(qū)煤層整體以高應力區(qū)為主，部分埋深大的區(qū)域為超高應力區(qū)，較高的地應力對煤層氣開發(fā)具有一定不利影響。

另外，各方向的主應力差異會導致煤儲層滲透性的各向異性。該區(qū)最大水平主應力σH與最小水平主應力σh之比σH/σh為1.45～1.76 之間，平均1.61，區(qū)域上變化不大，構造應力場基本穩(wěn)定，說明煤儲層滲透率沿最大水平主應力方向高于最小水平主應力方向。最大水平主應力σH和垂向主應力σv之比σH/σv為0.92～1.53 之間，大部分區(qū)域高于1，說明地應力以水平應力為主導。

3.2.3 埋深與地應力

各方向主應力與埋深之間關系如圖11。側壓系數(shù)與埋深關系如圖12。

圖11 各方向主應力與埋深之間關系Fig.11 Relationship between principal stress and buried depth in all directions

圖12 側壓系數(shù)與埋深關系Fig.12 Relationship between lateral pressure coefficient and buried depth

地質條件下煤層主要承受上覆巖層壓力和水平構造應力，前者較為穩(wěn)定，一般與上覆巖層的自重有關，后者較為復雜，不同區(qū)域情況各異，并隨時間發(fā)生變化。1 個地區(qū)的現(xiàn)今地應力場主要由最大/小水平主應力及垂向主應力之間的相互關系所決定，并且同一地區(qū)不同埋深范圍的地應力狀態(tài)可能發(fā)生變化。根據(jù)3 個方向主應力之間的相互關系可知研究區(qū)煤儲層所處的地應力場隨埋深發(fā)生變化，劃分為3 種類型：埋深小于750 m 的淺部，煤儲層所受應力σH＞σv＞σh，水平主應力和垂向主應力隨埋深增大而增大，地應力表現(xiàn)為壓縮狀態(tài)，屬大地動力場型；埋深介于750～1 000 m 之間，垂向主應力仍隨埋深增大而增大，而水平主應力與埋深并不呈明顯的線性關系，離散性強，部分區(qū)域煤儲層應力為σH＞σv＞σh，同時部分區(qū)域為σv＞σH＞σh，屬于過渡帶，前者與淺部情況類似，后者地應力為拉張狀態(tài)，屬大地靜力場型，有利于張性斷裂和裂隙的發(fā)育；埋深超過1 000 m，煤儲層所受水平應力大幅增加，最大達54.74 MPa，地應力以水平應力主導，為σH＞σv＞σh，地應力為壓縮狀態(tài)，并且，隨埋深增加，地應力增加快，對煤層氣開發(fā)產生不利影響。

另外，側壓系數(shù)λ 也常作為判定地應力狀態(tài)重要參數(shù)，λ=（σh+σH）/2σv。該區(qū)域3#和11#煤儲層的側壓系數(shù)介于0.75～1.21 之間，平均0.93。埋深小于1 000 m，側壓系數(shù)為0.75～1.01，基本小于1.0，與埋深相關性不強；埋深大于1 000 m 后，側壓系數(shù)大于1.0，尤其當埋深超過1 200 m 后，側壓系數(shù)大于1.1，但由于實測的數(shù)據(jù)有限，對于深部側壓系數(shù)變化控制略顯不足。

3.3 地應力影響

煤層滲透率與垂強系數(shù)關系如圖13，煤層滲透率與側壓系數(shù)關系如圖14。

圖13 煤層滲透率與垂強系數(shù)關系Fig.13 Relationship between coal permeability and vertical strength coefficient

圖14 煤層滲透率與側壓系數(shù)關系Fig.14 Relationship between coal permeability and lateral pressure coefficient

煤儲層滲透率是影響煤層氣產出的關鍵因素之一，由于煤儲層本身滲透性較低，其滲透率對地應力較常規(guī)油氣儲層更加敏感。一般認為，隨著埋深增大，地應力增大，孔裂隙趨于閉合，煤儲層的滲透率逐漸減小，滲透性變差。前文述及，本區(qū)煤層滲透率隨埋深增大并非線性減小，不同埋深段變化規(guī)律存在差異，因而需要分析縱向上地應力狀態(tài)與滲透性變化之間的相互關系。該區(qū)煤層滲透率與最小/最大水平主應力、垂向主應力總體呈倒“V”字型關系，即隨著最小/最大水平主應力、垂向主應力增大，滲透率呈先增大后減小的變化關系，與前文滲透率隨埋深變化的認識基本一致。以最小水平主應力15 MPa，最大水平主應力25 MPa、垂向主應力20 MPa為界，大致對應埋深1 000 m。當?shù)貞π∮谂R界值時，煤層滲透率隨地應力的增大而增大；當?shù)貞Τ^臨界值后，煤層滲透率隨地應力的增大快速減小，最小水平主應力、最大水平主應力、垂向主應力分別增大至20、30、25 MPa 后，煤層滲透率極低（＜0.05×10-15m2）。之所以煤層滲透率與地應力之間分段變化規(guī)律與地應力狀態(tài)有關，埋深小于750 m 的淺部，地應力為壓縮狀態(tài)，此時地應力增大，煤層滲透率減小，但由于該深度段實測滲透率數(shù)據(jù)少，表現(xiàn)不明顯；埋深750～1 000 m 之間為地應力轉化帶，地應力由淺部的壓縮狀態(tài)向拉張狀態(tài)過渡，為張性裂隙的發(fā)育提供了有利條件，地應力增大，煤層滲透率不降反增；埋深超過1 000 m 后，地應力重新轉化為壓縮狀態(tài)，煤層滲透率隨地應力增大而急劇減小。因此，從煤層滲透性角度而言，800～1 000 m 埋深段可能成為深部煤層氣開發(fā)的有利帶，垂強系數(shù)K（最小主應力/垂向主應力）和側壓系數(shù)λ 常被用來定量表征地應力狀態(tài)。

研究區(qū)煤層地應力垂強系數(shù)為0.59～0.89 之間，平均0.72。該區(qū)煤層滲透率與垂強系數(shù)和側壓系數(shù)之間均類似正態(tài)分布，即隨著強系數(shù)和側壓系數(shù)增大，滲透率總體呈先增大后減小的趨勢，滲透率較高的垂強系數(shù)范圍為0.7～0.8、側壓系數(shù)范圍為0.9～1.1，超出這個范圍將不利于煤層的滲透性，滲透率一般低于0.1×10-15m2，因此可以利用垂強系數(shù)和側壓系數(shù)預測煤儲層滲透性。

4 結 論

1）研究區(qū)煤層埋深介于320～1 480 m 之間，東淺西深，總體埋深較大，大部分區(qū)域超過700 m，含氣量為1.50 ～17.36 m3/t，含氣飽和度為32.45%～67.45%，屬于埋藏較深的欠飽和煤層氣藏。

2）研究區(qū)煤的變質程度隨埋深增大而增高，含氣量、含氣飽和度隨埋深增大呈先增大后減小的變化規(guī)律，轉換深度為1 000 m，埋深小于1 000 m，壓力的正效應起主導作用，含氣量、含氣飽和度隨埋深的增大而增高；埋深超過1 000 m，溫度的負效應起主導作用，含氣量、含氣飽和度隨埋深的增大而降低。

3）研究區(qū)煤層孔隙度為1.36%～9.05%、滲透率為0.003×10-15～0.54×10-15m2，孔隙度和滲透率均較低。埋深低于1 000 m，隨埋深增大，孔隙度降低，滲透率增高；埋深超過1 000 m，隨埋深增大，孔隙度逐漸反彈，滲透率逐漸降低。

4）地應力狀態(tài)與埋深密切相關，對煤層滲透性影響顯著。埋深小于750 m，以水平應力為主，為壓縮型地應力場；埋深介于750～1 000 m 之間，部分轉換為以垂直應力為主，表現(xiàn)出拉張型地應力場，有利于裂隙發(fā)育，滲透性變好，滲透率隨埋深增大而增高；埋深大于1 000 m，以水平應力為主且地應力突增，重新轉換為壓縮型地應力場，煤層滲透性變差，滲透率隨埋深增加大幅降低。