鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤層氣煤儲(chǔ)層滲透性及其影響因素

張士全

中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院

鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤層氣煤儲(chǔ)層滲透性及其影響因素

張士全

中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院

鄉(xiāng)寧礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣的河?xùn)|煤田南部，煤層氣資源豐富。煤儲(chǔ)層滲透性是制約煤層氣勘探選區(qū)的重要參數(shù)，通過(guò)對(duì)該區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性及其影響因素的研究，認(rèn)為本區(qū)主要2#、3#、10#煤層屬于低—中滲透性煤儲(chǔ)層，該區(qū)煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)是影響滲透性優(yōu)劣的決定性要素，此外，還與顯微組分、宏觀煤巖類(lèi)型、煤變質(zhì)程度、埋藏深度和有效應(yīng)力有關(guān)。

鄉(xiāng)寧礦區(qū)；煤層氣；滲透性；煤儲(chǔ)層；影響因素

鄂爾多斯盆地是國(guó)內(nèi)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)區(qū)，鄉(xiāng)寧礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣的河?xùn)|煤田南部，煤層氣資源豐富，勘探開(kāi)發(fā)潛力較大，但該區(qū)煤層滲透率較低。制約煤層氣勘探選區(qū)的重要參數(shù)之一是煤儲(chǔ)層滲透性,通過(guò)研究這一地區(qū)煤儲(chǔ)層的滲透性特征及其影響因素是十分必要的，對(duì)指導(dǎo)該區(qū)的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性特征

研究表明，煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)是其滲透性優(yōu)劣的決定性要素，此外，煤儲(chǔ)層滲透性還與顯微組分、宏觀煤巖類(lèi)型、煤變質(zhì)程度、埋藏深度和有效應(yīng)力有關(guān)。

目前滲透率的獲取途徑主要有室內(nèi)測(cè)定、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等手段。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要是試井分析與評(píng)價(jià)，常用注入壓降測(cè)試、段塞流測(cè)試、壓降測(cè)試、變流量等多種試井方法。試井評(píng)價(jià)技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的滲透性評(píng)價(jià)技術(shù)。

韋重韜等（2002）對(duì)臺(tái)頭礦2+3#煤層和張節(jié)塔礦10#煤層分層進(jìn)行了滲透率測(cè)試，其中2+3#煤層的滲透率為0.011 mD，10#煤層的滲透率為為0.002mD[1]。二者均低于0.1 mD。說(shuō)明本區(qū)煤層的滲透率很低。

根據(jù)煤層展布特征，在該區(qū)有代表性地選取4個(gè)鉆孔點(diǎn)進(jìn)行注入/壓降和原地應(yīng)力測(cè)試。由于2#、3#煤層間距較小，現(xiàn)場(chǎng)分層測(cè)試?yán)щy，將2+3#煤層合并進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)2+3#煤層、10#煤層進(jìn)行了注入/降壓測(cè)試和原地應(yīng)力測(cè)試，并利用英國(guó)愛(ài)丁堡石油服務(wù)公司生產(chǎn)的PanVytem V2.6試井分析軟件對(duì)測(cè)試資料進(jìn)行分析。從測(cè)試結(jié)果（表1）看，2+3#煤層的滲透率較低（0.0067～0.268 mD），平均0.0903mD；10#煤層滲透率稍高（0.011～0.249 mD），平均為0.1118 mD[2]；試井獲得的滲透率分析結(jié)果與韋重韜等人實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)論基本一致，即本區(qū)主要煤層2#、3#、10#煤層屬于低—中滲透性煤儲(chǔ)層,10#煤儲(chǔ)層滲透率較2#、3#煤儲(chǔ)層高。分析認(rèn)為，這與儲(chǔ)層壓力有關(guān)。2#、3#煤儲(chǔ)層埋藏較淺，由于儲(chǔ)層降溫、蓋層突破等因素使之儲(chǔ)層壓力散失，在原地應(yīng)力作用下裂隙閉合，滲透率變小。

2 影響煤儲(chǔ)層滲透性因素

煤儲(chǔ)層滲透性是制約煤層氣勘探選區(qū)的重要參數(shù)。煤儲(chǔ)層滲透性受裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度、有機(jī)顯微組分和煤巖類(lèi)型、煤的變質(zhì)程度、有效應(yīng)力和埋藏深度等因素的影響。其中裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度是鄉(xiāng)寧地區(qū)煤儲(chǔ)層滲透性的主要控制因素。

2.1 裂隙系統(tǒng)的影響

煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)是煤儲(chǔ)層滲透性優(yōu)劣的決定性要素，從成因上講裂隙包括內(nèi)生裂隙（割理）和外生裂隙（節(jié)理）和繼承性裂隙。煤儲(chǔ)層的滲透率決定于裂隙系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度，特別是割理系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度，煤儲(chǔ)層滲透率與裂隙系統(tǒng)的發(fā)育和連通程度呈正相關(guān)性。通過(guò)對(duì)4個(gè)煤層氣參數(shù)井煤芯觀察研究發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)西部、南部裂隙密度較東部、北部大，但是西部南部面割理多閉合，北部東部面割理開(kāi)啟性較好。因此，根據(jù)裂隙發(fā)育程度，10#煤層裂隙在鄉(xiāng)寧礦區(qū)的發(fā)育程度較2#、3#煤層高，滲透性比2#、3#煤層好。與該區(qū)試井測(cè)試結(jié)果相一致。

2.2 煤巖的影響

煤有機(jī)顯微組分和宏觀煤巖類(lèi)型是影響煤儲(chǔ)層滲透率的又一重要因素。不同有機(jī)顯微組分和宏觀煤巖類(lèi)型的煤層，割理發(fā)育程度也不同，一般情況下，光亮煤中割理較暗淡煤發(fā)育程度高。畢建軍等（2001）認(rèn)為，光亮型煤分層中割理發(fā)育較暗淡型煤分層好，甚至很少延伸到暗淡型煤分層中[4]。因此，從煤層顯微組分組成和煤巖類(lèi)型上講，鏡質(zhì)組含量越高，割理越發(fā)育，滲透性越好；鏡煤和亮煤含量越高，割理越發(fā)育，滲透性越好；光亮型煤的滲透性最好，其次是半亮型煤、半暗型煤和暗淡型煤。

鄉(xiāng)寧礦區(qū)各煤層鏡質(zhì)組含量較高。2#煤層去礦物基鏡質(zhì)組平均含量為74.6%，惰質(zhì)組含量為25.4%。3#煤層去礦物基鏡質(zhì)組含量平均為72.55%，惰質(zhì)組含量為27.45%。10#煤層去礦物基鏡質(zhì)組含量平均為75.1%，惰質(zhì)組含量為24.9%。各煤層鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，含少量碎屑鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組以碎屑惰質(zhì)體為主，絲質(zhì)體次之，含少量粗粒體及微粒體（表1）。

表1 鄉(xiāng)寧礦區(qū)各主煤層顯微組分含量

鄉(xiāng)寧礦區(qū)各主煤層宏觀煤巖類(lèi)型多為半亮型煤，3#煤層亮煤含量稍低為半暗～半亮型煤。各主煤層以亮煤為主，暗煤次之，未見(jiàn)結(jié)核及礦物包裹體。從測(cè)試結(jié)果（表1）看出，10#煤層鏡質(zhì)組含量較高，亮煤含量較2#、3#煤層高，單從有機(jī)顯微組分和宏觀煤巖類(lèi)型來(lái)看，10#煤層滲透性較高。同時(shí)也說(shuō)明了煤有機(jī)顯微組分和宏觀煤巖類(lèi)型是影響煤儲(chǔ)層滲透率的又一重要因素。

2.3 煤變質(zhì)程度的影響

關(guān)于煤變質(zhì)程度對(duì)滲透性的控制作用，前人已作大量研究。一般認(rèn)為，隨煤化作用的進(jìn)行，從褐煤到煙煤，割理密度逐漸增大，而過(guò)煙煤階段之后割理閉合，割離密度減少[4]。從而滲透性也表現(xiàn)為相似規(guī)律性。鄉(xiāng)寧礦區(qū)各主煤層R0，max在2%左右（表2），煤變質(zhì)程度屬于貧瘦煤階段，從測(cè)試數(shù)據(jù)看，割理密度最大值出現(xiàn)R0，max=2.149%時(shí)。鄉(xiāng)寧地區(qū)外生裂隙變化不大，在1-3條/5cm之間，表明煤變質(zhì)程度對(duì)外生裂隙的影響較小。綜合河?xùn)|煤田南部數(shù)據(jù)，可以看出，割理密度由低煤級(jí)開(kāi)始逐漸增加，到中煤級(jí)瘦煤階段達(dá)到最大值，之后向高煤級(jí)割理密度發(fā)生微弱降低。

2.4 埋藏深度和有效應(yīng)力的影響

煤層是應(yīng)力敏感性地層，割理對(duì)有效應(yīng)力非常敏感，有效應(yīng)力越大，割理寬度越小，從而對(duì)儲(chǔ)層滲透性產(chǎn)生負(fù)面影響。根據(jù)試井測(cè)試結(jié)果，本區(qū)2+3#煤儲(chǔ)層地應(yīng)力梯度為1.22MPa/100m—2.02MPa/100m，原地應(yīng)力為9.56MPa—13.65MPa；10#煤儲(chǔ)層地應(yīng)力梯度為1.42MPa/100m—2.26MPa/100m，原地應(yīng)力為10.25MPa— 20.29MPa。鄉(xiāng)寧地區(qū)有效應(yīng)力相對(duì)較高，這也是制約該區(qū)煤層滲透性的主要地質(zhì)因素之一。

3 結(jié)論

（1）鄉(xiāng)寧礦區(qū)主要煤層2#、3#、10#煤層屬于低—中滲透性煤儲(chǔ)層，該區(qū)煤儲(chǔ)層的裂隙系統(tǒng)是影響滲透率大小的決定性要素。

（2）鄉(xiāng)寧礦區(qū)各煤層鏡質(zhì)組含量較高、煤變質(zhì)程度屬于貧瘦煤階段、宏觀煤巖類(lèi)型多為半亮型煤、有效應(yīng)力相對(duì)較高等因素，制約了該區(qū)煤層滲透性。說(shuō)明該區(qū)主要煤儲(chǔ)層滲透性還與顯微組分、宏觀煤巖類(lèi)型、煤變質(zhì)程度、埋藏深度和有效應(yīng)力有關(guān)。

（3）鄉(xiāng)寧礦區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)潛力較大，但主要煤儲(chǔ)層滲透率較低，成為研究區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的不利因素。煤儲(chǔ)層滲透性是制約煤層氣勘探選區(qū)的重要參數(shù)，研究該區(qū)煤層的滲透性特征及其影響因素，有利于指導(dǎo)該區(qū)的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。

張士全(1968-)，工程師，就職于中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，從事煤田及煤層氣地質(zhì)工作。