貴州比德區(qū)塊煤巖儲層特征及富集主控因素分析

謝廣龍

(中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營 257100)

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣，資源量高達36.81×1012m3，在我國具有巨大的儲量和極小的勘探程度等優(yōu)勢[1]。本文結(jié)合近幾年在貴州比德區(qū)塊所做的地質(zhì)研究及開發(fā)實踐情況，對貴州比德區(qū)塊煤層氣地質(zhì)特征有一些深刻認識，逐漸明確了該區(qū)塊煤層氣富集的主控因素，最后制定了研究區(qū)優(yōu)選原則，并圈定了有利區(qū)。該區(qū)作為貴州煤層氣勘探開發(fā)的先導試驗區(qū)塊，對我國南方地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)有一定的借鑒意義，特別是對貴州西部煤層氣的勘探開發(fā)具有較高的指導作用。

1 煤系地層特征

比德區(qū)塊位于比德向斜西南翼中段[2]。燕山運動是區(qū)內(nèi)最明顯的一次構(gòu)造變動，形成一系列短軸褶皺和逆沖斷層，控制了區(qū)內(nèi)含煤巖系的沉積和構(gòu)造面貌[3]。背斜處煤層多被剝蝕，煤層彼此孤立地僅保存在向斜中，也是煤層氣賦存的最佳處所[4-6](圖1)。晚二疊世龍?zhí)督M為該區(qū)主要含煤地層，巖性由細砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。含煤地層埋深多在1 500 m以上，龍?zhí)督M厚一般為340 m左右，含煤27～54層，含煤總厚平均為39.84 m，含煤系數(shù)為11.7%。

圖1 黔西構(gòu)造略圖Fig.1 Sketch map of Qianxi structure

1.1 煤層垂向上分布特征

由于研究區(qū)沒有進行地震勘探，因此煤層空間分布研究主要依據(jù)煤層氣探孔及地表露頭展開。該區(qū)煤層垂向上，依據(jù)沉積旋回分為上、中、下3個煤組，上煤組含2#、3-1#、3-2#、4#、5#、5-1#、6-1#、6-2#、7#共9層煤層，煤層層數(shù)、間距及厚度較穩(wěn)定；中煤組為薄層煤，煤層層數(shù)、間距及厚度變化較大，煤層不穩(wěn)定；下煤組主要含30#、32#、33#3層，煤層層數(shù)、間距及厚度有一定變化(圖2)。該區(qū)上煤組埋深較淺，單層厚度較大，累計厚度大，煤層垂向間距較小，因此本文研究主要是針對上煤組煤層。

1.2 煤層頂?shù)装逄卣?/h3>

煤層頂?shù)装迨怯绊懨簩託夂康闹匾貙右蛩兀绕涫侵苯禹敯宓暮穸群蛶r性直接決定著煤層氣是否能夠突破頂板毛管壓力向上突破散逸[7-8]。一般來說，泥巖和孔洞—裂縫不發(fā)育的灰?guī)r是較為理想的頂板巖性，泥質(zhì)粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖有時也具有良好的氣體封存能力。比德區(qū)塊主力煤層6#煤層頂?shù)装逯饕l(fā)育泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，頂?shù)装搴穸劝l(fā)育基本穩(wěn)定(圖3)。

2 煤巖儲層特征

2.1 煤巖類型及變質(zhì)程度

宏觀上通過煤巖巖心觀察發(fā)現(xiàn)，比德區(qū)塊各煤層多以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤和絲炭條帶，煤巖類型主要為半亮型煤、半暗型煤，少量半亮—半暗型煤和暗淡型煤。煤巖性較脆，中等解理，參差—階梯狀斷口，以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，局部見透鏡狀結(jié)構(gòu)，粉狀—塊狀構(gòu)造。比德區(qū)塊主力煤層煤體結(jié)構(gòu)較完整，煤巖層間非均質(zhì)性強，同一口井不同煤層的煤體結(jié)構(gòu)、煤巖割理、煤巖光澤、破碎程度都有很大差異(圖4)。

圖2 比德區(qū)塊龍?zhí)督M煤層垂向分布示意Fig.2 Sketch map of vertical distribution of Longtan formation in Bide block

圖3 比德區(qū)塊直接頂?shù)装搴穸戎鶢顖DFig.3 The histogram of the thickness of direct top and bottom slab of Bide block

圖4 比德區(qū)塊煤巖巖心照片F(xiàn)ig.4 Photo of coal rock in Bide block

微觀上根據(jù)煤巖鑒定資料，煤的顯微組分含有機組分和無機組分，有機組分又可分為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組兩大類，本區(qū)微觀煤巖類型為微鏡惰煤[9-11]。煤巖成分有機總量為73.81%～85.14%，其中鏡質(zhì)組約為80%，惰質(zhì)組約為15%；無機總量為14.86%～27.91%。有機質(zhì)豐度高，礦物以黏土礦物為主，含量為6.47%～15.21%，少量石英和方解石。煤巖變質(zhì)程度較高，以貧煤、貧瘦煤為主。鏡質(zhì)體最大反射率最大為2.12%，最小為1.52%，變質(zhì)階段為Ⅳ～Ⅵ階段(表1)。全區(qū)煤層鏡質(zhì)組最大反射率隨埋藏深度的增加而增大，表示煤的變質(zhì)程度隨埋藏深度的增加而增強[12-13]。

2.2 煤巖物性

煤層氣在煤儲層中的運移須經(jīng)過煤基質(zhì)中的孔隙和裂隙系統(tǒng)，孔隙和裂隙構(gòu)造了煤儲層的結(jié)構(gòu)要素之一，由此形成了兩個層次的煤儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14-15]。

表1 煤巖微觀組成鑒定成果Table 1 The micro-composition of coal and rock identification results

2.2.1 煤巖孔隙結(jié)構(gòu)

核磁譜圖呈現(xiàn)“雙峰”特征，表現(xiàn)出煤巖雙孔隙結(jié)構(gòu)的特征[16]，但前峰峰高和面積明顯高于后峰，表明孔隙以微小孔隙為主，大孔隙及割理孔隙欠發(fā)育(圖5)。

圖5 比德區(qū)塊煤層巖心樣品核磁共振譜圖Fig.5 NMR spectra of core samples in Bide block

巖心宏觀、微觀觀察統(tǒng)計，面裂隙密度為5條/cm，局部面裂隙密度可達 10條/cm，面裂隙長度一般大于 5 cm，有方解石脈充填，表面形態(tài)顯平直狀，少量為彎曲狀，主要呈矩形網(wǎng)狀組合類型，少量不規(guī)則狀(圖6)?？傮w表現(xiàn)為隔理較發(fā)育，密度和方向發(fā)育不均勻，有利于煤層滲透性的提高，但部分裂隙中黃鐵礦或方解石脈充填對滲透性具一定負影響。

圖6 比德不同煤層宏觀裂隙發(fā)育特征Fig.6 Macroscopic fracture characteristics of different coal seams in Bide block

從比德區(qū)塊煤巖的掃描電鏡圖片可以看出，區(qū)塊內(nèi)煤儲層微孔隙較發(fā)育，以有機質(zhì)溶蝕孔為主，有機質(zhì)熱解殘孔次之，孔徑主要分布在1～8 μm，孔徑中值為4～5 μm，部分樣品溶蝕孔被絲片狀伊利石及次生石英半充填，溶蝕孔內(nèi)可見球狀黃鐵礦、菱鐵礦等次生礦物，面孔率為0.3%～1.0%(圖7)。

圖7 比德區(qū)塊煤樣掃描電鏡圖片(次生孔隙發(fā)育及充填情況)Fig.7 Picture of coal sample scanning electron microscope (secondary pore development and filling condition) in Bide block

由于有機質(zhì)含量高、熱演化程度高，原生粒間孔不發(fā)育，部分殘余原生孔隙表面附著絲片狀伊利石等黏土礦物；在灰分含量高的煤巖中偶爾見到較大的礦物原生粒間孔亦被絲片狀伊利石所充填。部分煤樣發(fā)育少量外生裂隙，裂縫主要是構(gòu)造張性縫，縫寬2～3 μm，裂縫延伸較曲折，繞開較大的礦物顆粒，成開啟狀；偶爾見到非構(gòu)造縫，主要是同生期形成的一些礦物結(jié)核所伴生的微小裂縫，縫寬1 μm左右，沿結(jié)核邊緣向外發(fā)散分布(圖8)。

圖8 比德區(qū)塊煤樣掃描電鏡圖片(原生孔隙及外生裂隙)Fig.8 Picture of coal sample scanning electron microscope (primary pore and external fissure) in Bide block

綜上所述，比德區(qū)塊及鄰區(qū)牛場區(qū)塊煤巖原生孔隙不發(fā)育，主要的孔隙類型是次生有機質(zhì)溶蝕及熱解殘余孔，外生裂隙則以構(gòu)造張性縫為主，煤層滲流通道發(fā)育，滲流力強，對煤層氣開發(fā)有利。

此外，從比德區(qū)塊煤巖的壓汞試驗來看(圖9)，區(qū)塊內(nèi)煤樣的進退汞曲線分離程度整體較低，說明區(qū)塊內(nèi)煤儲層孔喉均一性比較好，有利于煤層氣的滲流[17-18]。但不同的煤層其壓汞曲線亦有較大差異，3#煤層壓汞曲線顯示其大孔隙較少，微細孔較發(fā)育，表現(xiàn)為進汞壓力較其他煤層大，地層壓力5 MPa條件下進汞量也較低，退汞曲線顯示泄壓后煤巖殘余汞量較高，體現(xiàn)出煤巖較高的束縛水孔隙度；6-1#煤層壓汞曲線顯示其大孔隙較發(fā)育，表現(xiàn)為進汞壓力較其他煤層小，地層壓力5 MPa條件下進汞量高，退汞曲線顯示泄壓后煤巖殘余汞量較低，體現(xiàn)出煤巖較高的可動流體孔隙度，滲流性能亦明顯優(yōu)于3#煤層；5#煤層壓泵試驗顯示其物性界于3#與6-1#煤層之間。

圖9 區(qū)塊上煤組主力煤層煤樣壓汞曲線Fig.9 The mercury-pressure curves of coal sample in main coal seam in Bide block

煤巖巖心核磁共振、掃描電鏡、壓泵試驗等分析技術(shù)一致表明，比德區(qū)塊6-1#煤層具有大孔隙及割理系統(tǒng)發(fā)育、滲透性能好、可動流體孔隙度高等特征，顯示出較好的煤層氣開采潛力。

2.2.2 煤巖物性參數(shù)

比德區(qū)塊目前鉆探煤層氣探井2口，物性數(shù)據(jù)主要來自測井計算。比德區(qū)塊比1井、比2井測井解釋成果表明，2#～33#煤的滲透率為0.06～0.27 mD，孔隙度為0.9%～2.9%(表2)。除此之外，比德區(qū)塊、牛場區(qū)塊煤心核磁共振分析孔隙度為3.58%～7.38%，滲透率為0.01～0.73 mD。對比1井6#煤層進行了滲透率測試，測試滲透率為0.24 mD。該區(qū)整體煤巖物性差，多煤層氣開采有較大的負面影響。

2.3 含氣性評價

黔西北煤層甲烷區(qū)域分布呈現(xiàn)賦煤構(gòu)造單元區(qū)域賦存、向斜控氣的總體特點[9,19]。比德區(qū)塊各煤層的煤層氣含量平均為12.62 m3/t，換算后煤層氣含量平均為12.11 m3/t。

比1井鉆遇煤層時氣測全烴2.40%↗96.93%，C1由1.99%↗93.76%，鉆井液相對密度由1.09單位↘1.05單位，黏度由35 s↗42 s，槽面見無色透明氣泡，占槽面的15%，煤層氣顯示活躍，比1井測井校正含氣量為14～16 m3/t；比2井鉆遇煤層時氣測全烴0.41%↗35.90%，C1由0.18%↗32.17%，鉆井液相對密度由1.06單位↘1.03單位，黏度由35 s↗43 s，槽面見無色透明氣泡，占槽面的25%，上漲2 cm，煤層氣顯示活躍，比2井測井校正含氣量為15～20 m3/t(圖10)。

表2 比1、比2井測井孔隙度、滲透率分析數(shù)據(jù)Table 2 Well B1 and B2 logging porosity and permeability analysis datasheet

圖10 比1、比2井測井解釋含氣量Fig.10 Well B1 and B2 logging interpretation of gas content

比德區(qū)塊煤心解吸資料表明，煤層甲烷濃度為 6.18%～100.00%，平均 為86.13%；氮氣濃度介于 0.01%～61.67%，平均 為10.57%；重烴濃度介于 0.01%～92.84%，一般小于 1%。煤層氣氣體組分中甲烷含量較高，比2井氣組分中甲烷含量為94.9%～99.21%，平均為97.82%，含少量C2～C6約為3.5%，少量CO2；比1井氣組分中甲烷含量平均為92.04%(表3)。

表3 比1井氣體組分檢測結(jié)果Table 3 Well B1 test results for gas component

3 煤層氣富集主控因素

3.1 主控因素分析

3.1.1 應(yīng)力—壓力對煤層氣的控制作用

地應(yīng)力場最小主應(yīng)力的高低，對煤儲層滲透率和地層能量區(qū)域分布差異具有顯著的控制作用[11,20]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，比德向斜最小主應(yīng)力分布為17～21 kPa/m。研究區(qū)內(nèi)超壓煤儲層廣泛發(fā)育，且從東向西超壓頻率增大，揭示出構(gòu)造背景對煤儲層流體壓力系統(tǒng)具有差異控制作用。

3.1.2 煤體結(jié)構(gòu)對含氣量的影響

煤體結(jié)構(gòu)是煤巖重要的地質(zhì)學屬性，煤體結(jié)構(gòu)與含氣量具有較強的相關(guān)性：煤體結(jié)構(gòu)越完整，煤巖解吸含氣量也越高；分析認為，完整的煤體結(jié)構(gòu)具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)和割理系統(tǒng)，有利于煤層氣的解吸和產(chǎn)出?？梢娏己玫拿后w結(jié)構(gòu)是煤層氣高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件(圖11)。

圖11 比德區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)與含氣量相關(guān)圖Fig.11 Correlation diagram of coal structure and gas content in Bide block煤體結(jié)構(gòu)規(guī)定： 1為原生；2為碎裂；3為碎粒；4為糜棱。

3.1.3 煤體結(jié)構(gòu)及滲透率對煤層氣產(chǎn)出的影響

應(yīng)用煤層氣數(shù)值模擬軟件SMI分別在不同滲透率下、不同煤體結(jié)構(gòu)下排水采氣一年，測量井下壓降漏斗的擴散范圍和強度(圖12)。

成果表明，相同的其他條件下，煤層氣井排水采氣一年，煤巖滲透性越強，其相同時間內(nèi)的解吸面積和解吸程度越高；相同條件下原生結(jié)構(gòu)煤層的解吸面積和解吸程度遠高于碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤，并表現(xiàn)出煤體結(jié)構(gòu)越破碎其相同時間內(nèi)的解吸面積和解吸程度越低。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)計算

大量的煤層氣開發(fā)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，煤層含氣量是影響煤層氣產(chǎn)能的最主要因素，其他各因素通過影響煤層含氣量而或多或少影響煤層氣產(chǎn)能。以含氣量為主因素，其他為子因素，通過灰色關(guān)聯(lián)分析，計算出各個子因素對主因素的關(guān)聯(lián)度：

圖12 煤層氣滲透率及煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣產(chǎn)出數(shù)值模擬情況Fig.12 Numerical simulation of coalbed permeability and structure to methane output

歸一化處理后，得出各因素的權(quán)重系數(shù)為：

通過巖心試驗、數(shù)值模擬、數(shù)學統(tǒng)計、關(guān)聯(lián)計算等手段，初步認為：一定地質(zhì)背景下，影響比德區(qū)塊煤層氣產(chǎn)量的主要因素是煤巖含氣量、滲透率和煤層厚度(圖13)。

圖13 煤層氣富集各因子權(quán)重比重Fig.13 The weight proportion of various factors in coalbed methane enrichment

根據(jù)比德區(qū)塊煤層氣地質(zhì)特征和煤層氣富集主控因素，制定了該區(qū)煤層氣開發(fā)有利目標區(qū)優(yōu)選原則：①避開風化帶(甲烷組分>80%)；②避開煤礦采掘區(qū)300 m以上；③構(gòu)造條件好，離斷層150 m以上；④煤體結(jié)構(gòu)好，避開碎粒、糜棱煤；⑤煤層厚度大，上煤組厚度大于5 m；⑥含氣量大于10 m3/t，飽和度大于60%；⑦勘探研究程度較高，實測資料豐富；⑧地形條件好，可集中布置井網(wǎng)。

4 結(jié)論

(1)比德區(qū)塊主要含煤地層是晚二疊世龍?zhí)督M，一般含煤35層，含煤平均總厚39.84 m，含煤系數(shù)為11.7%。依據(jù)沉積旋回分為上中下3個煤組，上煤組含煤層層數(shù)、間距及厚度較穩(wěn)定，是煤層氣開發(fā)的主力層系；中煤組為薄層煤，煤層層數(shù)、間距及厚度變化較大，煤層不穩(wěn)定；下煤組煤層層數(shù)、間距及厚度均較小。橫向上煤層呈北西—南東向展布，層數(shù)變化不大，但煤層厚度變化較大，厚度中心基本一致，均位于比1井西南方向。

(2)比德區(qū)塊煤巖類型以半亮型煤、半暗型煤為主，主要是碎裂結(jié)構(gòu)及原生結(jié)構(gòu)。煤巖成分上鏡質(zhì)組含量高，無機物含量中等，綜合認定為中低灰微鏡惰煤。該區(qū)塊煤巖熱演化程度高，主要處在貧瘦煤高變質(zhì)階段，因此整體來說低孔低滲，孔隙度為1.2%～2.1%，滲透率為0.01～0.30 mD。煤巖雙孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔隙以微小孔隙為主，大孔隙及割理裂隙較發(fā)育，具有較高的煤層氣開發(fā)價值。

(3)依據(jù)錄井含氣性研究、測井含氣性評價、等溫吸附特性研究，該區(qū)煤層含氣量較高，各主力煤層平均含氣量為16.5 m3/t，其中平均甲烷含量高達92%，煤層氣品質(zhì)好，煤層甲烷含量隨埋深增加而增大，但局部存在異常。

(4)依據(jù)開發(fā)數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層氣數(shù)值模擬，明確煤層氣含量、滲透率、厚度等3大煤層氣富集主控因素。根據(jù)地質(zhì)特征和富集主控因素，制定了該區(qū)煤層氣開發(fā)應(yīng)避開風化帶、采掘區(qū)、斷裂發(fā)育去等瓦斯逸散區(qū)，重點考慮煤體結(jié)構(gòu)好、埋深適中、高滲透、高含氣地區(qū)的有利目標優(yōu)選原則。