高煤級煤儲層壓汞特征分析及滲透率估算

付新，薄舒月，段宏臻

(中國石油集團測井有限公司青海事業部，甘肅 敦煌 736202)

曹超

(中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 晉城 048000)

含氣性和滲透率是煤層氣儲層地質研究中最為關鍵的基礎參數，前人對此多有研究[1,2]。但隨著研究的深入開展，人們逐漸發現含氣性好的煤儲層未必能獲得高產，而含氣性一般的煤儲層也可能獲得高產，這其中的原因與煤儲層的滲透性有非常大的關聯[3]。煤儲層的滲透率高低與其孔隙結構關系密切，因而深入開展煤儲層孔隙結構研究對明確其滲流機理、儲層評價及“甜點”區預測均有重要意義[4，5]。壓汞測試是研究煤儲層孔隙結構的一種重要方法，壓汞曲線可以反映儲層巖石中連通性孔喉的結構特征[6]。入汞過程即為非潤濕相驅替潤濕相的過程，而退汞過程可模擬油氣采排的生產過程[7]。筆者以沁水盆地和順區塊高煤級煤儲層為研究對象，利用壓汞測試分析煤儲層孔隙結構特征，并探索基于壓汞法的煤儲層滲透率估算方法。該研究對煤層氣勘探開發均有重要參考價值。

圖1 研究區位置及含煤地層柱狀圖

1 地質背景

研究區位于沁水盆地東北部和順煤層氣開發區塊(圖1(a))，試驗測試的高煤級煙煤樣品取自該區塊井下煤礦，為太原組15號煤(圖1(b))。和順區塊構造上位于沁水塊坳東北部沾尚-武鄉-陽城北北東向褶皺帶內，以褶皺構造為特征。地層整體為北西傾向，傾角15°左右，為一單斜構造。斷裂構造不發育，存在次級寬緩褶皺構造，構造線呈北北東向展布[8]。該煤層屬高煤級貧煤，宏觀煤巖類型為光亮型煤及半光亮型煤，煤相為森林泥炭沼澤相。所研究15號煤在區內厚度分布穩定(5m左右)，埋深適中(300～400m)，鏡質體反射率Ro較高，主要分布在1.8～2.5。

2 高煤級煤儲層特征及試驗測試分析

2.1 煤儲層特征

圖2 煤儲層顯微結構特征圖

1)孔隙特征 該區15號煤儲層的變質程度較高，含氣量大(通常>15m3/t)，煤樣具有玻璃及強玻璃光澤，凝膠化組分體積分數較高，屬于優質煤層氣開發儲層。該區15號煤儲層的有機顯微組分以鏡質組體積分數最高，主要分布在62%～80%。鏡質組多呈凝膠狀或層狀，脆度比較大，孔隙比較發育，且可見較多微裂隙，為煤層氣最重要的儲存空間和滲流通道；惰質組體積分數主要分布在10%～25%；殼質組非常少，偶見，多被伊利石充填。其他礦物組分如黏土礦物組分主要包含伊利石及高嶺石，其體積分數主要分布在1%～8%；方解石主要分布在1%～15%；菌藻、孢子體和玉髓(硅質)偶見。

由于礦物組分、體積分數及充填程度等方面因素的差異性，所研究的煤儲層具有非常強的非均質性及各向異性。但研究區構造相對簡單，構造活動對煤儲層的影響較小，煤儲層以原生結構煤為主，天然氣的保存條件較好[8]。通過對煤巖進行掃描電鏡觀察，發現該煤儲層發育孔隙、裂隙及割理。煤巖中孔隙以<100nm的納微孔為主，介于100～1000nm的中孔及>1000nm的大孔次之。孔隙的形態多為圓形及橢圓形(圖2(a))，與生烴作用相關[2]，同時也表明成巖作用進行得比較徹底。當孔隙以孔隙團的形式大量分布時，表明孔隙間的連通性較好；而當孔隙以孤立的形式分布時，表明孔隙間的連通性差。煤巖中裂隙多為剪切縫(圖2(b))、張性縫(圖2(c))及滑脫縫，均為構造成因縫，表明該地區煤儲層仍受一定程度的構造作用影響。上述3類微裂縫多未充填，有效性好，表明其形成的時期較晚，對滲透率的貢獻程度較高[9]。而割理縫多被脈狀方解石充填(圖2(d))，有效性差，表明其形成時期較早，煤儲層滲透率會發生急劇降低，因此，割理縫對煤儲層滲透率的貢獻程度非常低[9,10]。

2)物性特征 物性試驗測試結果表明，該地區煤巖孔隙度主要分布在9%～15%，平均為12%；滲透率主要分布在0.0011～0.2192mD，平均為0.07mD。按照行業內相關評價標準[3]，對于煤巖來說，具有較好煤層氣開發潛力的煤儲層的孔隙度通常>5%，而滲透率通常>0.5mD。因此，該區煤儲層的物性相對較差。其具有較高的孔隙度，但滲透率相對偏低。因此在后期煤層氣開發過程中，應重視對于煤儲層滲透率的保護。

2.2 壓汞試驗測試

1)測試方法 壓汞試驗測試所采用的儀器為AutoPore Ⅳ 9500自動壓汞儀，依據國家測試標準GB/T 21650.1—2008進行操作。儀器具有快速的升壓速率，靈活可控的真空系統，高性能的低壓和高壓系統。基本測試條件為：汞表面張力480mN/m，汞接觸角140°，實際測量最大壓力228MPa，孔徑測量范圍0.05～1000μm，有1個高壓站和2個低壓站。樣品制成巖心柱后經過24h的干燥處理后進行試驗測試。壓汞曲線可反映連通性孔喉結構特征，壓汞試驗過程中，進汞過程為非潤濕相驅替潤濕相。當注入壓力增加到突破更細小的孔喉毛細管壓力時，進汞飽和度逐漸增加。

壓汞試驗的具體操作步驟為：①開通氮氣閥門、壓汞儀及計算機；②選擇樣品管及封裝樣品，涂密封脂，封裝完成后稱重；稱重后樣品管放入低壓倉，旋緊低壓倉(不要過緊)，裝好測量筒；③進行低壓分析，分析結束后可取出樣品管，樣品管稱重，記錄其重量，準備進行高壓分析；④開始高壓分析，樣品管先向上送入高壓倉樣品室，松開高壓倉樣品室手柄，緩慢地將高壓倉樣品室與樣品管一同落下。到達半程后，將樣品管送入高壓倉內，并確認其與底座接觸良好；將樣品室落下，檢查排氣閥應打開，旋緊樣品室；其間應觀察到有高壓油及氣泡進入排氣閥上方小杯中，此時可反復進行松-緊操作以確保高壓倉中氣泡可以排凈，開始高壓分析；⑤分析結束后松開排氣閥，旋出樣品室，稍后取出樣品管，擦凈，放汞；清洗樣品管及密封件并烘干，退出系統，試驗結束。

2)試驗結果 利用壓汞法確定的測試貧煤樣品壓汞特征參數見表1。所測試煤儲層的均值(φ)分布在14.807～16.031，該值較大，表明小孔居多；分選值分布在1.962～3.646，表明其分選較差；歪度值分布在-1.394～-2.779，其值偏負。對于煤儲層，其歪度值趨近于0或正值時表明孔喉配比關系較好，因而該煤儲層的孔喉配比關系較差；變異系數分布在0.122～0.246，該值偏小，表明該煤儲層以微孔為主，孔喉配比關系較差。

通過對壓汞試驗所反映的不同喉道半徑孔隙數目進行統計，<100nm喉道半徑的入汞量所對應的孔隙空間占總孔隙空間的77%～90%，<10nm喉道半徑的入汞量所對應的孔隙空間占總孔隙空間的65%～83%。巖石中微小孔隙所占體積份額較大，這是其滲透率偏低的重要原因，該煤儲層的孔喉配置關系為微孔-微喉型。

表1 測試煤樣壓汞特征參數表

3 滲透率估算

表2 測試煤樣物性及R25%取值結果表

由于煤巖復雜的孔隙結構特征，因此，利用其孔隙度與滲透率間的關系無法對滲透率進行預測。如表2物性測試數據顯示，所取煤巖樣品的孔隙度和滲透率間無明顯相關性。

分析壓汞測試數據，以入汞量10%所對應的毛細管壓力為排驅壓力，則可以發現所測試各組煤巖樣品的排驅壓力均較高，最高達7.2MPa，其所對應的煤巖喉道半徑為0.1μm。通過對比不同入汞量所對應的煤巖喉道半徑與毛細管壓力間的關系，發現在入汞量約為25%時，各煤巖樣品的毛細管壓力曲線均存在較為明顯的拐點，表明此時煤巖的滲透率發生了較大程度變化。因此，對各樣品入汞量為25%時的喉道半徑(R25%)進行讀值，結果見表2。

通過對(K/φ)0.5與R25%(注：K為滲透率mD；φ為孔隙度，%；R25%為樣品中入汞量為25%時對應的喉道半徑，μm。)分別取對數，并進行回歸分析，發現兩者存在非常好的線性相關性(圖3)。利用該定量關系可以對煤巖滲透率進行預測。通過對預測結果進行校正，可得最終預測結果，并與實測值進行對比，結果見圖4。由圖4對比結果來看，預測結果與實測值間極為相符，表明基于壓汞測試的煤巖儲層滲透率預測方法有效可行。

圖3 lg(K/φ)0.5與lgR25%相關性分析圖 圖4 煤巖樣品滲透率實測值與預測值間對比圖

4 結論

1) 研究區高煤級煤儲層發育孔縫雙重儲集空間，孔隙形態多為圓形及橢圓形；割理多被脈狀方解石充填，形成期早；此外，煤巖中還存在大量未充填的張性縫、剪切縫及滑脫縫，形成期晚。該煤儲層具有中孔-低滲特征，孔喉配置關系為微孔-微喉型。

2)通過對比不同入汞量所對應的煤巖喉道半徑與毛細管壓力間的關系，發現在入汞量約為25%時，毛細管壓力曲線存在較為明顯的拐點。建立了該拐點所對應煤巖喉道半徑與滲透率的回歸模型，能實現對煤巖滲透率的有效預測。