Question

山西柳林地区煤层气储层孔渗发育特征研究

Answer 1

林亮 姚勇 黄晓明

基金项目:国家科技重大专项示范工程62(20092×05062)

作者简介:林亮,1983年生,男,工程师,硕士,2009年毕业于中国矿业大学(北京),现工作于中联煤层气有限责任公司国际合作与勘探部,从事含油气盆地分析及煤层气勘探开发利用研究工作。010-64298881,atlan-tics@foxmail.com

(中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘要:通过实施国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》项目“鄂尔多斯盆地石炭二叠系煤层气勘探开发示范工程”柳林示范项目,收集大量煤田资料并施工煤层气试验生产井,研究了柳林地区煤层气储层孔渗发育特征。研究结果表明:该区煤岩孔隙度主要受煤化程度、显微组分、矿物含量和煤体结构的影响;煤层渗透率变化较大,渗透率相对较低,具有较强的非均质性;总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势,太原组较山西组煤层渗透率偏低。

关键词:柳林区块 煤层气 孔隙变 渗透率

The Porosity and perm eability Characteristics of the Liulin Coalbed Methane Block, Shanxi Province

LIN Liang YAO Yong HUANG Xiaoming

(China United Coalbed Methane Co., Ltd, Beijing 100011, China)

Abstract: The Liulin demonstration projects of "ordos Basin Carboniferous and Permian's coalbed methane Exploration and Development Demonstration Project" is one of the Major National Science and Technology special projects on "Large Oil and Gas Fields and Coalbed Methane Development Program. " In order to study the porosi- ty and permeability Characteristics of coalbed reservoir characteristics of this area, we collected a large number of coal fields data and many Parameters and production wells have been implemented. The results show that the coal porosity is mainly affected by the degree of coalification, maceral, mineral content and coal shape. The coal per- meability was relatively low and varied significantly, and it shows a decreasing trend from northeast to southwest area. The coal permeability of Taiyuan formation is lower than that of Shanxi formation.

Keywords: Liulin block; coalbed methane; porosity; permeability

柳林位于山西省西部,河东煤田中部,南邻石楼北区块,东邻杨家坪区块。行政区划隶属于山西省吕梁市柳林县的穆村镇、薛村镇、庄上镇、高家沟乡、贾家垣乡。地理坐标:东经110°44′00″~110°53′00″,北纬37°21′00″~37°31′00″,区块东西宽约10.1km,南北长约18.1km,面积183.824km²。

1 区域地质背景

河东煤田主要处在黄河东岸——吕梁山西坡的南北向构造带上,属于李四光指出的“黄河两岸南北向构造带”的东岸部分。煤田总体上是一个基本向西倾斜的单斜构造,属于吕梁复背斜西翼的一部分,在单斜上又发育了次一级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造[1]。

柳林地区位于河东煤田中段离柳矿区西部,南邻石楼北区块,北邻三交区块,构造上位于鄂尔多斯盆地东缘石鼻状构造南翼。在研究区北部,地层向西倾斜,向南逐渐转为向西南倾斜,总体为一向西或西南倾斜的单斜构造。地层产状平缓,倾角约3°~8°。在鼻状构造的背景上,发育有起伏微弱的次级小褶曲,起伏高度一般小于50m。区内断层不发育,仅在区块北部发育有由聚财塔南北正断层组成的地堑及其派生的小型断层。地表未见陷落柱,也未见岩浆活动^[2]。

本区块内及周边赋存的地层有奥陶系中统峰峰组(O₂f);石炭系中统本溪组(C₂b)、上统太原组(C₃t);二叠系下统山西组(P₁s)、下石盒子组(P₁x);二叠系上统上石盒子组(P₂s)、石千峰组(P₂sh);三叠系下统刘家沟组(T₁l)、和尚沟组(T₁h);新生界上第三系上新统(N₂);第四系中更新统(Q₂)、上更新统(Q₃)、全新统(Q₄)。本区内发育煤层14层,其中山西组5层,自上而下编号为1、2、3、4(3+4)、5号煤层;太原组9层,自上而下编号为6_上、6、7、7_下、8+9、9_下、10、10_下、11号^[2]。其中山西组的2、3、4(3+4)、5号煤层,太原组的8+9、10号煤为主要可采煤层^[3]。

2 煤储层孔隙特征

煤岩孔隙是指未被固体物质充填满的空间,为煤结构的重要组成部分,与煤储层的储集性能、渗透性等密切相关。一般来说,随着煤阶的升高,煤中的总孔容呈指数下降,总的规律为微孔和小孔增加、大孔和小孔减少^[4]。

空隙的划分方案较多,一般采用B.B.霍多特方案,即大孔大于1000nm,中孔为1000~100nm,小孔为100~10nm,微孔小于10nm的标准。

从鄂尔多斯盆地东缘煤储层孔隙体积百分含量上来看,孔隙体积百分含量在26.06%~66.78%之间,均值为48.75%,微孔变化在14.89%~39.39%,平均为27.47%;大孔次之,介于5.56%~44.24%,均值为16.43%;中孔最弱,变化于2.35%~32.98%,平均7.33%。不同地区不同层位,煤储层孔隙分布变化较大^[5]。

杨家坪井组数据(表1)表明柳林地区煤层孔隙以小孔为主体,一般占煤层孔隙的40%~55%,此外,微孔和大孔发育较多,中孔发育最少。平均总孔隙含量在0.0258~0.0413cm³/g之间,孔隙发育情况一般。在4MPa有效上覆压力条件下,柳林地区8号煤层总孔隙度平均为7.18%,5号煤层总孔隙度平均3.45%,4号煤层总孔隙度平均为3.90%,以8号煤层孔隙度最优。

表1 柳林地区不同煤层孔隙发育情况(注:杨家坪井组数据)

总体上看,柳林地区总孔容一般变化于(148~547)×10^-4cm³/g之间,平均323×10^-4cm³/g左右。如图1,孔容分布上主要以小孔、微孔为主,尤以小孔含量为优,中孔发育最少。

图1 柳林地区各类孔隙孔容比对比图

柳林地区煤层压汞总孔比表面积在0.103cm³/g~0.413cm³/g之间,且小孔和微孔总孔比表面积比占绝对优势,大孔和中孔所占比率甚微,过渡孔所占比例又略高于微孔所占比例。

3 煤储层渗透率特征

研究区内3+4号煤层渗透率为0.01~2.8mD,平均0.6mD;FL-EP1井渗透率相对较高;5号煤层渗透率变化范围为0.06~1.59mD,平均0.7mD;8+9号煤层渗透率变化范围0.005~24.8mD,平均4.8mD;整体上8+9煤层渗透率要明显高于3+4号与5号,各个层位渗透率都呈现出北高南低的特点^[6](图2)。

煤岩渗透率平面变化较大,西部由于煤层埋深较大,渗透率相对较低,测试反映了煤层具有较强的非均质性;总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势,太原组较山西组煤层渗透率高。

煤储层的渗透性是控制煤层甲烷气生产能力的主导因素。渗透率一般指试井渗透率,通过试井资料获得,由于研究区内煤层气探井有限,所以煤层气试井渗透率资料非常有限。据已有资料,柳林地区的渗透率在0.01~10mD之间,南部渗透性要好于北部。煤层气储层的渗透率受煤体结构、裂隙系统的发育程度、地应力等影响;此外,煤层气开采过程中外界条件的改变特别是储层压力变化引起的有效应力效应与基质收缩效应,也对煤岩渗透率产生强烈影响:

1.柳林示范区及周边地区以中煤级为主,裂隙非常发育是渗透率的主控因素。裂隙多近东西向展布,端裂隙与之斜交。两组裂隙在平面上以规则的菱形网格状为主,次为不规则网状,孤立状很少见到。

大孔尤其是裂隙的发育情况决定了储层在原始地层条件下的渗透能力。裂隙的发育程度主要是指裂隙的密度(或间距)、长度、宽度、裂口宽度等,它们的值越大,煤层的渗透性越好。裂隙系统的发育程度与煤岩成分、煤变质程度、构造应力等因素密不可分。光亮型煤、中等变质程度的烟煤(如肥煤、焦煤、瘦煤)、低灰分煤等条件最有利于裂隙的大量形成。柳林地区煤以半亮煤为主体,煤级以焦煤为主,有利于形成裂隙。统计面裂隙密度表明,裂隙密度较大,且裂隙大部分未被充填,大幅度扩大了煤体的渗透率[6]。

2.煤层是对地应力十分敏感的天然气储层。通常,地应力场被分解为垂直应力和水平应力。垂直应力是由上覆岩层的重量引起的。煤层裂隙系统的渗透率是有效应力的函数,有效应力是垂直力与地层压力的函数差。垂直应力和地层压力均随埋藏深度的增加而成线数增加关系,由于岩层的密度远大于孔隙中流体的密度,可知,有效应力随深度的增加而增大,裂隙系统的渗透率随着深度的增加而变小。柳林地区煤层由东往西,往南埋深加大,例如4号煤层埋深由东部的200m加大到西南的1250m,渗透率在地应力的作用下呈现变小的趋势。

3.示范区内构造应力场及其伴生的节理发育特征是控制煤储层渗透率的主要因素之一,南部节理变化较小,而中部较大,这预示在中部地区不同走向节理交切部位可能呈网状分布,形成高渗透性地层分布区。同时,统计数据表明,示范区内中部较东西两侧渗透性好。受燕山运动影响,柳林地区地层裂隙呈北东向展布;FL-EP1井山西组3+4号煤层压裂结果显示,造缝裂隙方向仍为北东南西向,与煤层主裂隙方向一致。

图2 柳林地区4、5、8+9煤层渗透率

4 结论

柳林矿区内所含的煤系地层由老到新分别为上石炭统本溪组(C₂b)、上石炭统太原组(C³t)以及下二叠统山西组(P₁s)。其中矿区内有煤层气勘探潜力的煤层为上石炭统太原组底部8+9+10号煤,下二叠统山西组3+4+5号煤。

两套煤层宏观煤岩类型以半亮煤和半暗煤为主,光亮煤和暗淡煤为辅,镜质组含量高,主要为焦煤。煤层孔隙以小孔为主体,一般占煤层孔隙的40%~55%,此外,微孔和大孔发育较多,中孔发育最少。总孔容一般变化于(148~547)×10^-4cm³/g之间,平均323×10^-4cm³/g左右。汞总孔比表面积在0.103~0.413cm³/g之间,且小孔和微孔总孔比表面积比占绝对优势。

煤岩渗透率平面变化较大,西部由于煤层埋深较大,渗透率相对较低,测试反映了煤层具有较强的非均质性;总体上由北东向南西方向渗透率有减小趋势,太原组较山西组煤层渗透率高。

从煤层厚度、煤岩煤质、孔渗条件等方面考虑,柳林地区具备煤层气富集成藏的条件,有大规模开发的潜力。

参考文献

[1]刘新社,席胜利,周焕顺.2007.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征[J].煤田地质与勘探,35(1)

[2]张新民,庄军,张遂安.2002.中国煤层气地质与资源评价[M].北京:科学出版社

[3]黄晓明,林亮,王赞维等.2010.山西柳林地区煤系地层对比特征[J].煤层气勘探开发理论与技术——2010年全国煤层气学术研讨会论文集

[4]张松航,汤达祯,唐书恒.2009.鄂尔多斯盆地东缘煤层气储集与产出条件[J].煤炭学报,10

[5]杨光,刘俊来.2008.鄂尔多斯盆地煤岩变形与煤储层特性关系的实验研究[J].地质学报,10

[6]要惠芳,阴翠珍.2006.山西河东煤田柳林杨家坪煤层气储层地质特征[J].中国石油勘探,11(3):68~72