林亮 姚勇 黃曉明
基金項目:國家科技重大專項示範工程62(20092×05062)
作者簡介:林亮,1983年生,男,工程師,碩士,2009年畢業於中國礦業大學(北京),現工作於中聯煤層氣有限責任公司國際合作與勘探部,從事含油氣盆地分析及煤層氣勘探開發利用研究工作。010-64298881,atlan-tics@foxmail.com
(中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)
摘要:通過實施國家科技重大專項《大型油氣田及煤層氣開發》項目“鄂爾多斯盆地石炭二疊系煤層氣勘探開發示範工程”柳林示範項目,收集大量煤田資料並施工煤層氣試驗生產井,研究了柳林地區煤層氣儲層孔滲發育特征。研究結果表明:該區煤巖孔隙度主要受煤化程度、顯微組分、礦物含量和煤體結構的影響;煤層滲透率變化較大,滲透率相對較低,具有較強的非均質性;總體上由北東向南西方向滲透率有減小趨勢,太原組較山西組煤層滲透率偏低。
關鍵詞:柳林區塊 煤層氣 孔隙變 滲透率
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
柳林位於山西省西部,河東煤田中部,南鄰石樓北區塊,東鄰楊家坪區塊。行政區劃隸屬於山西省呂梁市柳林縣的穆村鎮、薛村鎮、莊上鎮、高家溝鄉、賈家垣鄉。地理坐標:東經110°44′00″~110°53′00″,北緯37°21′00″~37°31′00″,區塊東西寬約10.1km,南北長約18.1km,面積183.824km2。
1 區域地質背景
河東煤田主要處在黃河東岸——呂梁山西坡的南北向構造帶上,屬於李四光指出的“黃河兩岸南北向構造帶”的東岸部分。煤田總體上是壹個基本向西傾斜的單斜構造,屬於呂梁復背斜西翼的壹部分,在單斜上又發育了次壹級的褶曲和經向或新華夏系的斷裂構造[1]。
柳林地區位於河東煤田中段離柳礦區西部,南鄰石樓北區塊,北鄰三交區塊,構造上位於鄂爾多斯盆地東緣石鼻狀構造南翼。在研究區北部,地層向西傾斜,向南逐漸轉為向西南傾斜,總體為壹向西或西南傾斜的單斜構造。地層產狀平緩,傾角約3°~8°。在鼻狀構造的背景上,發育有起伏微弱的次級小褶曲,起伏高度壹般小於50m。區內斷層不發育,僅在區塊北部發育有由聚財塔南北正斷層組成的地塹及其派生的小型斷層。地表未見陷落柱,也未見巖漿活動[2]。
本區塊內及周邊賦存的地層有奧陶系中統峰峰組(O2f);石炭系中統本溪組(C2b)、上統太原組(C3t);二疊系下統山西組(P1s)、下石盒子組(P1x);二疊系上統上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh);三疊系下統劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h);新生界上第三系上新統(N2);第四系中更新統(Q2)、上更新統(Q3)、全新統(Q4)。本區內發育煤層14層,其中山西組5層,自上而下編號為1、2、3、4(3+4)、5號煤層;太原組9層,自上而下編號為6上、6、7、7下、8+9、9下、10、10下、11號[2]。其中山西組的2、3、4(3+4)、5號煤層,太原組的8+9、10號煤為主要可采煤層[3]。
2 煤儲層孔隙特征
煤巖孔隙是指未被固體物質充填滿的空間,為煤結構的重要組成部分,與煤儲層的儲集性能、滲透性等密切相關。壹般來說,隨著煤階的升高,煤中的總孔容呈指數下降,總的規律為微孔和小孔增加、大孔和小孔減少[4]。
空隙的劃分方案較多,壹般采用B.B.霍多特方案,即大孔大於1000nm,中孔為1000~100nm,小孔為100~10nm,微孔小於10nm的標準。
從鄂爾多斯盆地東緣煤儲層孔隙體積百分含量上來看,孔隙體積百分含量在26.06%~66.78%之間,均值為48.75%,微孔變化在14.89%~39.39%,平均為27.47%;大孔次之,介於5.56%~44.24%,均值為16.43%;中孔最弱,變化於2.35%~32.98%,平均7.33%。不同地區不同層位,煤儲層孔隙分布變化較大[5]。
楊家坪井組數據(表1)表明柳林地區煤層孔隙以小孔為主體,壹般占煤層孔隙的40%~55%,此外,微孔和大孔發育較多,中孔發育最少。平均總孔隙含量在0.0258~0.0413cm3/g之間,孔隙發育情況壹般。在4MPa有效上覆壓力條件下,柳林地區8號煤層總孔隙度平均為7.18%,5號煤層總孔隙度平均3.45%,4號煤層總孔隙度平均為3.90%,以8號煤層孔隙度最優。
表1 柳林地區不同煤層孔隙發育情況(註:楊家坪井組數據)
總體上看,柳林地區總孔容壹般變化於(148~547)×10-4cm3/g之間,平均323×10-4cm3/g左右。如圖1,孔容分布上主要以小孔、微孔為主,尤以小孔含量為優,中孔發育最少。
圖1 柳林地區各類孔隙孔容比對比圖
柳林地區煤層壓汞總孔比表面積在0.103cm3/g~0.413cm3/g之間,且小孔和微孔總孔比表面積比占絕對優勢,大孔和中孔所占比率甚微,過渡孔所占比例又略高於微孔所占比例。
3 煤儲層滲透率特征
研究區內3+4號煤層滲透率為0.01~2.8mD,平均0.6mD;FL-EP1井滲透率相對較高;5號煤層滲透率變化範圍為0.06~1.59mD,平均0.7mD;8+9號煤層滲透率變化範圍0.005~24.8mD,平均4.8mD;整體上8+9煤層滲透率要明顯高於3+4號與5號,各個層位滲透率都呈現出北高南低的特點[6](圖2)。
煤巖滲透率平面變化較大,西部由於煤層埋深較大,滲透率相對較低,測試反映了煤層具有較強的非均質性;總體上由北東向南西方向滲透率有減小趨勢,太原組較山西組煤層滲透率高。
煤儲層的滲透性是控制煤層甲烷氣生產能力的主導因素。滲透率壹般指試井滲透率,通過試井資料獲得,由於研究區內煤層氣探井有限,所以煤層氣試井滲透率資料非常有限。據已有資料,柳林地區的滲透率在0.01~10mD之間,南部滲透性要好於北部。煤層氣儲層的滲透率受煤體結構、裂隙系統的發育程度、地應力等影響;此外,煤層氣開采過程中外界條件的改變特別是儲層壓力變化引起的有效應力效應與基質收縮效應,也對煤巖滲透率產生強烈影響:
1.柳林示範區及周邊地區以中煤級為主,裂隙非常發育是滲透率的主控因素。裂隙多近東西向展布,端裂隙與之斜交。兩組裂隙在平面上以規則的菱形網格狀為主,次為不規則網狀,孤立狀很少見到。
大孔尤其是裂隙的發育情況決定了儲層在原始地層條件下的滲透能力。裂隙的發育程度主要是指裂隙的密度(或間距)、長度、寬度、裂口寬度等,它們的值越大,煤層的滲透性越好。裂隙系統的發育程度與煤巖成分、煤變質程度、構造應力等因素密不可分。光亮型煤、中等變質程度的煙煤(如肥煤、焦煤、瘦煤)、低灰分煤等條件最有利於裂隙的大量形成。柳林地區煤以半亮煤為主體,煤級以焦煤為主,有利於形成裂隙。統計面裂隙密度表明,裂隙密度較大,且裂隙大部分未被充填,大幅度擴大了煤體的滲透率[6]。
2.煤層是對地應力十分敏感的天然氣儲層。通常,地應力場被分解為垂直應力和水平應力。垂直應力是由上覆巖層的重量引起的。煤層裂隙系統的滲透率是有效應力的函數,有效應力是垂直力與地層壓力的函數差。垂直應力和地層壓力均隨埋藏深度的增加而成線數增加關系,由於巖層的密度遠大於孔隙中流體的密度,可知,有效應力隨深度的增加而增大,裂隙系統的滲透率隨著深度的增加而變小。柳林地區煤層由東往西,往南埋深加大,例如4號煤層埋深由東部的200m加大到西南的1250m,滲透率在地應力的作用下呈現變小的趨勢。
3.示範區內構造應力場及其伴生的節理發育特征是控制煤儲層滲透率的主要因素之壹,南部節理變化較小,而中部較大,這預示在中部地區不同走向節理交切部位可能呈網狀分布,形成高滲透性地層分布區。同時,統計數據表明,示範區內中部較東西兩側滲透性好。受燕山運動影響,柳林地區地層裂隙呈北東向展布;FL-EP1井山西組3+4號煤層壓裂結果顯示,造縫裂隙方向仍為北東南西向,與煤層主裂隙方向壹致。
圖2 柳林地區4、5、8+9煤層滲透率
4 結論
柳林礦區內所含的煤系地層由老到新分別為上石炭統本溪組(C2b)、上石炭統太原組(C3t)以及下二疊統山西組(P1s)。其中礦區內有煤層氣勘探潛力的煤層為上石炭統太原組底部8+9+10號煤,下二疊統山西組3+4+5號煤。
兩套煤層宏觀煤巖類型以半亮煤和半暗煤為主,光亮煤和暗淡煤為輔,鏡質組含量高,主要為焦煤。煤層孔隙以小孔為主體,壹般占煤層孔隙的40%~55%,此外,微孔和大孔發育較多,中孔發育最少。總孔容壹般變化於(148~547)×10-4cm3/g之間,平均323×10-4cm3/g左右。汞總孔比表面積在0.103~0.413cm3/g之間,且小孔和微孔總孔比表面積比占絕對優勢。
煤巖滲透率平面變化較大,西部由於煤層埋深較大,滲透率相對較低,測試反映了煤層具有較強的非均質性;總體上由北東向南西方向滲透率有減小趨勢,太原組較山西組煤層滲透率高。
從煤層厚度、煤巖煤質、孔滲條件等方面考慮,柳林地區具備煤層氣富集成藏的條件,有大規模開發的潛力。
參考文獻
[1]劉新社,席勝利,周煥順.2007.鄂爾多斯盆地東部上古生界煤層氣儲層特征[J].煤田地質與勘探,35(1)
[2]張新民,莊軍,張遂安.2002.中國煤層氣地質與資源評價[M].北京:科學出版社
[3]黃曉明,林亮,王贊維等.2010.山西柳林地區煤系地層對比特征[J].煤層氣勘探開發理論與技術——2010年全國煤層氣學術研討會論文集
[4]張松航,湯達禎,唐書恒.2009.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣儲集與產出條件[J].煤炭學報,10
[5]楊光,劉俊來.2008.鄂爾多斯盆地煤巖變形與煤儲層特性關系的實驗研究[J].地質學報,10
[6]要惠芳,陰翠珍.2006.山西河東煤田柳林楊家坪煤層氣儲層地質特征[J].中國石油勘探,11(3):68~72