樊莊區(qū)塊煤層滲透率模擬評價及地質(zhì)控制分析

桑浩田，桑樹勛

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

煤儲層滲透率是進(jìn)行煤層氣滲流分析的主要參數(shù)，在煤層氣資源已查明的前提條件下，煤儲層滲透率又是制約我國煤層氣資源地面開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素之一。因此開展煤儲層滲透率預(yù)測、動態(tài)變化規(guī)律和煤儲層氣、水兩相介質(zhì)的滲流機(jī)理顯得迫切重要[1]。

1 樊莊區(qū)塊煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)

沁水盆地南部煤層氣田樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū)，主體部分位于山西省沁水縣境內(nèi)，寺頭斷層西側(cè)為鄭莊區(qū)塊，東側(cè)為樊莊區(qū)塊[4]。區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造簡單，主要構(gòu)造類型為一系列北北東向的寬緩褶曲，主要構(gòu)造形態(tài)（斷層走向與褶曲軸向）仍呈NNE向展布，地層基本連續(xù)完整且平緩，除西部邊界的寺頭正斷層有局部影響之外，地層傾角一般為5°～10°，如圖1所示。

研究區(qū)發(fā)育石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤系，煤層氣地質(zhì)條件優(yōu)越，可采性好。含煤地層為太原組和山西組，山西組含煤1～5層，其中，3號煤層是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)煤層，也是本文研究主要的模擬評價對象，3#煤厚度，全區(qū)內(nèi)比較穩(wěn)定，煤厚主要變化于6.0～7.0m且由WS向NE方向呈緩慢遞增的趨勢。

3#煤在大部分地區(qū)埋深介于500～700m之間，小于500m的區(qū)域主要位于區(qū)內(nèi)的西北角，大于700m的區(qū)域則呈塊狀零星散布于區(qū)內(nèi)。

2 樊莊區(qū)塊煤儲層物性特征

研究區(qū)內(nèi)3#煤鏡質(zhì)組最大反射率值介于3.2%～4.0%之間，平均約為3.7%，煤的變質(zhì)程度屬于無煙煤三號階段，區(qū)塊內(nèi)3#煤整體屬于無煙煤階段，無明顯的區(qū)域變化趨勢。

區(qū)內(nèi)煤層含氣量一般介于8～25.7cm3/g之間，含氣量大于20cm3/g的區(qū)域位于區(qū)塊的中部及東北部，含氣量小于10cm3/g的區(qū)域僅零星分布；含氣量變化與地質(zhì)構(gòu)造呈現(xiàn)出明顯相關(guān)性，含氣量高值區(qū)主要發(fā)育于區(qū)塊內(nèi)NNE向復(fù)式向斜中的次級背斜和次級向斜兩翼，低值區(qū)則發(fā)育于張性斷層附近。同時，根據(jù)朗格繆爾方程，結(jié)合自然解吸實測的含氣量和室內(nèi)等溫吸附實驗所得數(shù)據(jù)，對區(qū)內(nèi)煤儲層的含氣（甲烷）飽和度進(jìn)行了計算，區(qū)內(nèi)3#煤儲層含氣飽和度介于28%～99%之間，平均值約為67%。總體上處于欠飽和狀態(tài)，部分區(qū)域接近飽和狀態(tài)。

滲透率的大小直接影響到煤層氣開發(fā)的難易程度，其值一般主要是通過試井的方法獲得。沁南地區(qū)樊莊區(qū)塊的鉆井測試結(jié)果表明，除個別局部情況外，該區(qū)煤層滲透率總體來看都比較高[5-6]。本區(qū)煤儲層試井滲透率介于0.01～5.7mD之間，一般不超過2mD。

從研究區(qū)實際鉆探獲取的資料來看，該區(qū)煤儲層壓力具有偏低的特點，一般情況下，3號煤儲層壓力為0.08～3.36MPa，壓力系數(shù)多小于0.8（蘇現(xiàn)波，2002），屬于欠壓儲層，個別地區(qū)存在正常壓力，異常高壓罕見，儲層壓力具有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢。壓力梯度為8.35～10.80kPa/m，平均約為9.61kPa/m，其值低于靜水壓力梯度9.78kPa/m（傅雪海，2003），故研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诘蛪好簝樱糠謪^(qū)域為常壓煤儲層，少數(shù)區(qū)域為超壓狀態(tài)。

甲烷等溫吸附實驗結(jié)果表明，在30℃的條件下，本區(qū)煤的吸附性變化較大。3#煤層Langmuir體積VL變化于27.61～44.91m3/t之間，平均為37.03m3/t；Lang?muir壓力PL為3.28～3.93MPa，平均3.40MPa。

煤的力學(xué)性質(zhì)一般包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等，由表1可知：區(qū)內(nèi)3#煤儲層的抗壓強(qiáng)度（飽和）介于1.46～14.55MPa之間，平均為6.63MPa，抗壓強(qiáng)度（干燥）介于2.51～28.45MPa之間，平均為12.61MPa；抗拉強(qiáng)度（飽和）介于0.06～1.20MPa之間，平均為0.37MPa，抗拉強(qiáng)度（干燥）介于0.09～1.20MPa之間，平均為0.61MPa；彈性模量介于210～2330MPa之間，平均為1027.77MPa；泊松比介于0.28～0.33之間，平均為0.32。

3 煤儲層滲透率模擬評價過程

以研究區(qū)的地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，結(jié)合20口具有代表性的煤層氣井的排采歷史資料，運用COMET3軟件，采用單井與井組生產(chǎn)歷史與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，進(jìn)行煤層氣井排采數(shù)據(jù)的反演和模型重要參數(shù)的獲取。對于井組歷史擬合，由于實際的煤層氣開發(fā)方式多采用井網(wǎng)開采，周圍煤層氣井的排采會對中心的單井產(chǎn)生干擾效應(yīng)，進(jìn)而影響對儲層模型的修正精度，因此選取小井組歷史擬合準(zhǔn)確度要高于單井歷史擬合。

需要模擬的20口煤層氣井排采狀態(tài)不一，根據(jù)歷史擬合方法的適用性條件，采用單井歷史擬合與井組歷史擬合相結(jié)合的手段進(jìn)行儲層模擬評價，選擇研究區(qū)的QN03井和QN04井作為小井組模擬的研究實例，對QN03井2007年6月17號至2009年3月2號和QN04井2007年6月29號至2009年3月2號的排采資料進(jìn)行歷史擬合計算，兩井位置相距約360m，模擬區(qū)域為以兩井為中心的760m×400m的長方形區(qū)域（圖2），模擬所需儲層參數(shù)見表1，參照實際排采數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的排采工作制度。

經(jīng)過參數(shù)多方面的合理調(diào)整，QN03井和QN04井的模擬產(chǎn)氣量與實際產(chǎn)氣量接近，能夠正確描述煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理；井組水產(chǎn)量的模擬結(jié)果與實際產(chǎn)水量擬合效果一般，尤其對排水初期對水產(chǎn)量的模擬均低于實際產(chǎn)水量，分析原因可能是由于地層部分壓裂液被排出，影響對日產(chǎn)水量的擬合效果，累積產(chǎn)水量的擬合結(jié)果正好反映了這種現(xiàn)象。

采用井組進(jìn)行儲層模擬能夠更好地反映實際情況下的煤層氣井在受到周圍井排采干擾后的儲層壓力動態(tài)變化規(guī)律，從圖3～圖6可以看出，井組通過排水降壓促進(jìn)煤層氣的解吸，儲層壓力均衡降低并不斷向井筒周圍傳遞，當(dāng)排采到128d時，兩井壓降漏斗邊界開始相接，QN04井的壓力傳播速度明顯快于QN03井，其壓力傳播面積與壓降漏斗體積均大于QN03井，這得益于QN04井儲層較高的導(dǎo)流能力，利于氣水的運移產(chǎn)出，促進(jìn)儲層壓力的降低。隨著抽水的進(jìn)行，當(dāng)排采到700d時，壓降漏斗在水平方向不在擴(kuò)展，而在垂直方向上加深，且儲層壓力降低很快，氣體大量解吸，提高了井組整體的采收率。

通過以上分析可以得出：結(jié)合實際煤層氣開發(fā)情況，采用井組歷史擬合方法進(jìn)行儲層模擬評價，提高了獲取儲層參數(shù)值的準(zhǔn)確程度，相較單井的歷史擬合，井組模擬評價的過程更符合儲層參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，排采過程中井組內(nèi)部產(chǎn)生的井間干擾效應(yīng)這是單井模擬所不能實現(xiàn)的。因此，井組模擬評價降低了不確定性，并且，所模擬的井?dāng)?shù)越多，則更能接近實際井網(wǎng)開采煤層氣的排水產(chǎn)氣過程，模擬結(jié)果具有一定的可靠性，經(jīng)過修正后的儲層參數(shù)能夠正確評價煤儲層的物性條件（表1），對于儲層的滲透性，QN03井儲層初始滲透率為，滲透性一般；QN04井的滲透率為，滲透性較好。

表1 井組模擬所需儲層參數(shù)與歷史擬合參數(shù)

對樊莊區(qū)塊的20口煤層氣井進(jìn)行模擬研究，結(jié)合地質(zhì)背景與開發(fā)條件，采用合適的擬合方法對儲層滲透率進(jìn)行模擬評價，也就是利用單井歷史擬合與井組歷史擬合的相結(jié)合的方法進(jìn)行滲透率評價，區(qū)塊20口煤層氣井模擬評價所得到的儲層滲透率見表2。

4 煤儲層滲透率地質(zhì)控制分析

煤儲層滲透率受控于多種復(fù)雜地質(zhì)條件，如地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤體結(jié)構(gòu)、煤層埋深、煤變質(zhì)程度和天然裂隙系統(tǒng)等都不同程度地影響著煤儲層滲透率。有時是某一因素起主要作用，有時是多因素綜合作用的結(jié)果。筆者主要依據(jù)樊莊區(qū)塊20口煤層氣井的煤儲層滲透率模擬評價結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)資料，探討區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)和煤變質(zhì)程度等對煤儲層滲透率的控制機(jī)理，定量評價各地質(zhì)因素對煤儲層滲透率的控制程度。

4.1 構(gòu)造應(yīng)力場

古構(gòu)造應(yīng)力控制了割理樣式，是控制割理發(fā)育程度的主控因素。成煤期后構(gòu)造活動是產(chǎn)生煤層構(gòu)造裂縫的主要因素，對煤儲層的滲透性既有建設(shè)性作用，也有破壞性作用。研究區(qū)目前承受NW—SE向拉張應(yīng)力場，也就是在NE—SW向的擠壓。在該期應(yīng)力場作用下，原先的NE向節(jié)理處于拉張狀態(tài)而表現(xiàn)為滲透性較好，NW向節(jié)理則在新的應(yīng)力場下而處于擠壓環(huán)境，節(jié)理相對閉合而不利于煤層氣的滲透。

樊莊區(qū)塊試井主應(yīng)力與煤層滲透率的關(guān)系研究表明，煤層面割理滲透率隨最小主應(yīng)力的增大而減小，與最小主應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系：y=103.42exp（-0.5981x），存在一定的負(fù)相關(guān)性，也就是說最小主應(yīng)力值越大，煤層面割理滲透率越小、其煤層氣滲透性越差。當(dāng)最小主應(yīng)力小于9.5MPa時，面割理滲透率分布范圍為0.2～1.8mD，主要集中0.5mD，當(dāng)最小主應(yīng)力大于9.5MPa時，面割理滲透率分布范圍為0.06～0.5mD，主要集中在0.1mD以下，滲透性較差。

對比地應(yīng)力差與煤層滲透率各向異性程度發(fā)現(xiàn)：地應(yīng)力差增大，煤層各向異性程度增加，兩者之間的關(guān)系式為：y=0.1847exp（0.5043x），地應(yīng)力差主要影響煤層割理裂隙壁距的大小，說明了研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的最大主應(yīng)力方向與面割理方向一致，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差越大，對煤層面割理裂隙的拉張力就越強(qiáng)，越有利于面割理的滲透率增大；而對端割理裂隙的擠壓力就越大，端割理滲透率越小，從而煤層各向異性程度越大。因此，現(xiàn)今地壓力狀態(tài)直接影響了節(jié)理或煤層割理的開合度，從而控制了煤層的滲透率和儲層的各向異性程度。

4.2 煤層埋深

對煤層埋深與試井地應(yīng)力資料的研究關(guān)系表明：煤層埋藏深度與相應(yīng)地層的的最小主應(yīng)力存在較高的線性正相關(guān)性，關(guān)系式為：y=0.0179x-1.4661，擬合系數(shù)R2=0.952，擬合度較高，隨著煤層埋藏深度的增加，最小主應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。研究煤層埋深與面割理滲透率和平均滲透率的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，面割理滲透率和平均滲透率隨埋深的增加成指數(shù)降低的趨勢，且埋深對平均滲透率的控制程度好于面割理滲透率，但最小主應(yīng)力對面割理滲透率的控制程度又高于埋深對平均滲透率的控制程度。

綜合以上分析，不同深度條件下煤儲層的地應(yīng)力不同，地應(yīng)力隨深度的增加而明顯增大，煤層滲透率隨地應(yīng)力的增大而降低，這反映了煤層滲透率與埋深的關(guān)系，其實質(zhì)是地應(yīng)力對滲透率的控制。

4.3 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)是指煤層經(jīng)過構(gòu)造變動所形成的結(jié)構(gòu)特征。適度的構(gòu)造作用能增加煤中的裂縫，有益于煤層滲透性的改善，但構(gòu)造應(yīng)力過強(qiáng)把煤層破碎為非常細(xì)小的顆粒時，煤中的裂縫系統(tǒng)遭到破壞和充填，煤層滲透性會顯著變差。

在應(yīng)力（或其它力）作用下，煤體會發(fā)生不同程度的變形，煤體變形導(dǎo)致煤的正常結(jié)構(gòu)被破壞，使煤體結(jié)構(gòu)由原生結(jié)構(gòu)變?yōu)樗榱呀Y(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)或糜棱結(jié)構(gòu)等。煤體變形使得煤作為煤層氣儲層的非均質(zhì)性更為強(qiáng)烈，從原生結(jié)構(gòu)到糜棱結(jié)構(gòu)，煤層的破裂程度增強(qiáng)，對煤層氣開發(fā)來說，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為最好。

樊莊區(qū)塊3#煤層主要為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，原生結(jié)構(gòu)煤占50%，原生—碎裂結(jié)構(gòu)煤占46%，局部地區(qū)為碎粒煤或糜棱煤，占4%，這些煤體結(jié)構(gòu)會對煤的孔滲性產(chǎn)生重要的影響。研究區(qū)塊FZ04、FZ02和FZ09井經(jīng)過擬合后的煤層平均滲透率均低于0.05mD，滲透率較低，通過對這3口井煤樣品的破碎程度解剖研究，發(fā)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)多為碎粒—糜棱結(jié)構(gòu)煤，煤層滲透性較差；FZ06井煤層平均滲透率為0.76mD，煤層滲透率較高，對煤樣品的破碎程度解剖發(fā)現(xiàn)，煤體結(jié)構(gòu)多為原生—碎裂結(jié)構(gòu)煤，裂隙系統(tǒng)完整，滲透性較好。

4.4 構(gòu)造形式

煤層構(gòu)造的基本類型包括褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造2大類。褶皺構(gòu)造是指煤層及其巖層在應(yīng)力作用下形成的波狀彎曲，但仍然保持著它們的連續(xù)性和完整性，包括背斜和向斜兩種構(gòu)造形式。斷裂構(gòu)造是在巖層受力后，作用力超過巖層強(qiáng)度時所產(chǎn)生的破壞。當(dāng)斷裂后，兩側(cè)巖層沿斷裂面沒有發(fā)生顯著位移，或僅有微量位移的斷裂稱為裂隙；巖層沿斷裂面發(fā)生顯著位移則稱為斷層。不同構(gòu)造樣式所處的邊界條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、受力方式不同，因而必然對煤儲層滲透率呈現(xiàn)出不同的控制作用。

（1）向斜軸部：研究區(qū)向斜軸部煤層氣井?dāng)M合數(shù)據(jù)不多，向向斜軸部延伸，煤儲層埋深增大，煤層埋深普遍大于700m，根據(jù)埋深與最小主應(yīng)力和煤儲層面割理滲透率的經(jīng)驗公式，可以推斷出：在向斜軸部煤層深處，最小主應(yīng)力大于11MPa，較為顯著，煤層滲透率普遍低于0.07mD，如FZ01井，平均滲透率為0.038mD，煤層滲透性較差。

（2）背斜軸部：地層在形成背斜過程中，背斜軸部受到拉張應(yīng)力會形成各種類型的裂隙，有利于裂隙壁距的增大和煤層滲透率的提高，煤中的裂隙的發(fā)育特征關(guān)系到煤儲層滲透率的大小和最大滲透率的方向。如FZ06和FZ12井處在區(qū)塊背斜軸部，F(xiàn)Z06井煤層擬合面割理滲透率為1.8mD，平均滲透率為0.761mD，煤層滲透性較好，最大方向滲透率較高；FZ12煤層擬合面割理滲透率為0.72mD，平均滲透率為0.379mD，相較FZ06井，由于煤層埋藏深度增加，煤層滲透性和最大方向滲透率略差。

（3）斷層帶：斷裂構(gòu)造在研究區(qū)并不十分發(fā)育，在野外實際觀測中也見有幾條斷層，多為正斷層，斷層的規(guī)模相對較小。在正斷層影響帶范圍內(nèi)，地層應(yīng)力釋放，煤層及其頂板巖層產(chǎn)狀變化明顯，裂隙增多，煤儲層滲透率在斷層帶相對較大，如FZ20井，煤層面割理滲透率為0.65mD，平均滲透率為0.46mD，最大方向滲透率較高，煤層滲透性較好；遠(yuǎn)離斷層，應(yīng)力作用降低，相應(yīng)煤層孔裂隙變形也較弱，儲層滲透率降低，如FZ17井，煤層面割理方向滲透率為0.15mD，平均滲透率只有0.058mD，煤層滲透性較差。

5 結(jié)論

通過對樊莊區(qū)塊煤層氣井模擬研究發(fā)現(xiàn)：相較單井的歷史擬合，采用井組歷史擬合方法進(jìn)行儲層模擬評價，獲取儲層滲透率的準(zhǔn)確程度更高，模擬過程更符合儲層參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，經(jīng)過修正后的儲層參數(shù)能夠正確評價煤儲層的物性條件。

依據(jù)研究區(qū)煤層滲透率模擬預(yù)測結(jié)果分析認(rèn)為：構(gòu)造應(yīng)力直接影響了節(jié)理或煤層割理的開合度，從而控制了煤層的滲透率和儲層的各向異性程度；埋深對滲透率的控制，其實質(zhì)是地應(yīng)力對滲透率的控制；煤體的正常結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致煤層滲透性的改變，對煤層氣開發(fā)來說，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為最好；不同構(gòu)造樣式必然對煤儲層滲透率呈現(xiàn)出不同的控制作用，其中以背斜軸部和正斷層附近部位的煤層滲透性較好，向斜軸部位的煤層滲透性較差。