沁水盆地中沁水盆地中南部煤儲層滲透率主控因素分析

沁水盆地中沁水盆地中南部煤儲層滲透率主控因素分析

1氣水資源量大,滲透率低沁水盆地中-南是中國最具潛力的煤礦勘探和開發(fā)地區(qū)之一。北與沁縣接壤，東、南、西與盆地邊緣接壤，面積約1.1萬公里。(圖1)研究區(qū)煤層平均總厚10.43m,山西組3#為上主煤層,太原組15#為下主煤層,埋深在200～1500m之間,煤層氣資源量約19×1011m3,大部分為高煤級煤(Ro,max為1.3%～4.0%),滲透率高低成為制約煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵因素。從本區(qū)施工的二十余口煤層氣試井資料來看,煤儲層滲透率相差達(dá)2～3個(gè)數(shù)量級,處于同一復(fù)式向斜內(nèi),滲透率何以存在如此大的差異,下面從裂隙、地應(yīng)力(埋深)、儲層壓力及水文地質(zhì)條件等諸方面分別探討其對滲透率的影響,并從中確定主控因素。2煤儲層滲透率特征就目前資料來看,區(qū)內(nèi)主煤儲層的試井滲透率變化范圍為0.01～5.71mD,除個(gè)別異常數(shù)據(jù)外,在其余單井中均小于2mD。(表1)其中:滲透率低于0.1mD的占50%左右,0.1～1.0mD的在25%左右,1.0～2.0mD的有20%左右;除去異常數(shù)據(jù),上、下主煤層的平均滲透率基本相當(dāng),均在0.5mD左右,前者僅略高于后者,但都明顯高于全國現(xiàn)有試井?dāng)?shù)據(jù)的平均水平。盡管主煤儲層試井滲透率變化極大,但區(qū)域分布規(guī)律較為明顯,顯現(xiàn)出“南高北低”以及“翼部高、軸部低”的總體展布態(tài)勢,格局相對簡單。(圖1)滲透率最高的地段出現(xiàn)在研究區(qū)南緣的潘莊—樊莊南部地區(qū),普遍高達(dá)1mD以上,據(jù)潘莊資料和西北部沁源數(shù)據(jù)推測,在研究區(qū)西側(cè)的沁源—安澤—沁水一帶,煤儲層滲透率可能達(dá)到0.1～1.0mD;在東北部潞安地區(qū),滲透率多數(shù)低于0.1mD,但在襄垣、南寨煤儲層中大、中裂隙特別發(fā)育,推測其滲透率可能達(dá)1.0mD。3應(yīng)力場與煤層儲量的空隙發(fā)育特征3.1擠壓應(yīng)力場表現(xiàn)本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造雖較簡單,但斷層、褶皺展布形態(tài)仍然反映了本區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動。綜合劉煥杰、秦勇(1997),王喻、李濤(1999)等對本區(qū)褶皺和斷層特征、構(gòu)造樣式和組合規(guī)律的分析以及對節(jié)理的分期配套研究,恢復(fù)各期的構(gòu)造應(yīng)力場方向如下:a.印支期:近南北向擠壓;b.燕山—喜馬拉雅早期:NW—SE向擠壓;c.喜馬拉雅晚期:NWW—SEE向伸展;d.新構(gòu)造期:NEE—SWW向擠壓。以上表明,本區(qū)自中生代以來以擠壓應(yīng)力場為主,但構(gòu)造形態(tài)卻以寬緩褶皺和正斷層最為醒目,且各期次均有展布,說明本區(qū)在每期擠壓作用的后期,由于應(yīng)力松馳,回撤,發(fā)生過伸展作用。印支期近南北方向的擠壓作用主要表現(xiàn)為地層的整體抬升和近東西向褶皺,而伸展作用表現(xiàn)為雙頭—襄垣近東西向正斷層;燕山—喜馬拉雅早期NW—SE向擠壓使本區(qū)整體成為NE向復(fù)式向斜,在西緣出現(xiàn)NE向逆斷層,并使本區(qū)產(chǎn)生大量NE向裂隙,而伸展作用表現(xiàn)為東、西邊緣及中部寺河、后則腰等NE向正斷層;喜馬拉雅晚期NWW—SEE向伸展作用則局限于本區(qū)西南隅,現(xiàn)代NEE向構(gòu)造應(yīng)力場則控制著先期裂隙的張開和閉合。3.2顯微裂隙是煤儲層滲透率的主要來源煤儲層系由宏觀裂隙、顯微裂隙和孔隙組成的三元結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?？紫妒敲簩託獾闹饕獌瘓鏊?宏觀裂隙是煤層氣運(yùn)移的通道,而顯微裂隙則是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁或中間通道,其中以宏觀裂隙和顯微裂隙對煤儲層滲透率貢獻(xiàn)最大。3.2.1裂隙發(fā)育方向煤中宏觀裂隙的發(fā)育特征直接影響到煤儲層滲透率的大小和方向,因其成因復(fù)雜,對其定義和理解因人而異。本次根據(jù)井下的實(shí)際觀測結(jié)果,將裂隙按大小和形態(tài)特征分為大裂隙、中裂隙、小裂隙、微裂隙(內(nèi)生裂隙)四級。(表2)煤中大、中裂隙分布局限,內(nèi)生裂隙方向雜亂。井下對小裂隙的觀測統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,本區(qū)小裂隙普遍發(fā)育兩組。上主煤層面裂隙走向N40°E和N45°W,端裂隙走向N50°W和N80°W,以N40°E和N50°W最為發(fā)育;下主煤層面裂隙走向?yàn)镹25°E,端裂隙走向?yàn)镹20°W。裂隙傾角普遍大于70°,密度為20～160條/m,大多處于緊閉狀態(tài)。在區(qū)域上,主煤層裂隙方位在不同地區(qū)略有變化,裂隙密度由北往南有逐漸增大的總體趨勢;在層域上,拉張作用形成的裂隙相對較淺,而擠壓作用形成的裂隙則多發(fā)育在較深層次上。褶皺中和面上下煤層裂隙差異大,本區(qū)以8#、9#為中間過渡層位,次級向斜下主煤層裂隙的平均密度大于上主煤層,次級背斜上主煤層裂隙的平均密度大于下主煤層?？傮w上裂隙發(fā)育密度與煤儲層滲透率南部大于北部,上、下主煤層差異不大的規(guī)律相符。3.2.2張裂隙縫壁據(jù)掃描電鏡觀察,本區(qū)顯微裂隙除個(gè)別樣品外,總體不太發(fā)育,主要有張裂隙、剪裂隙和收縮裂紋。張裂隙縫壁呈鋸齒狀,收縮裂紋呈月牙形,二者均呈張開狀;剪裂隙平直,縫壁閉合;還有疊加作用形成的“S”形裂隙。顯微裂隙發(fā)育程度差與晉1井測試的煤基質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)低具有很好的一致性,因此顯微裂隙發(fā)育程度差可能成為制約本區(qū)煤層氣滲流的主要因素之一。4煤儲層滲流方程及裂隙的本構(gòu)模型本區(qū)煤儲層地應(yīng)力由水壓致裂法和地球物理測井資料解釋得到。最大水平應(yīng)力梯度為1.8MPa/100m,最小水平應(yīng)力梯度為1.5MPa/100m,據(jù)HeimA.(1912)公式可知垂向應(yīng)力梯度為2.7MPa/100m。本區(qū)臨界深度約為510m,即-510m以淺,σ1為最大水平應(yīng)力,σ2為垂直應(yīng)力(上覆巖層壓力),σ3為最小水平應(yīng)力;-510m以深,σ1為垂直應(yīng)力,σ2為最大水平應(yīng)力,σ3為最小水平應(yīng)力。裂隙張開度與所受正應(yīng)力、剪應(yīng)力、流體壓力、煤巖體彈性模量、泊松比及裂隙長度等有關(guān)。煤儲層滲透率與裂縫寬度三次方成正比,與裂隙間距成反比。主應(yīng)力差越大,滲透率也越大。4.1地層滲透率高總體上來看,主煤儲層試井滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)減小的趨勢,(圖2)埋深大于800m,滲透率普遍小于0.1mD,說明盆地周緣滲透率高于盆地中心。然而,數(shù)據(jù)是相當(dāng)離散的,滲透率在相似埋深條件下的變化可高達(dá)一個(gè)數(shù)量級。例如,南部的潘莊—樊莊地區(qū)與東部的屯留地區(qū),已施工煤層氣井主煤層的埋深都在300～800m之間,但前者的滲透率多大于1.0mD,而后者4口井幾乎全在0.01mD以下。這一差異揭示,在埋深導(dǎo)致的總體控制背景之下,存在著其他因素的疊加,在埋深相似的條件下,這種疊加因素往往對滲透率起著更為重要的控制作用。4.2煤的滲透率與滲透率的關(guān)系本文的最小水平應(yīng)力即為煤儲層壓裂完井測得的閉合壓力,3#煤最小水平應(yīng)力變化于0.3～11.9MPa,平均為8.45MPa,15#煤變化于8～13.3MPa,平均為10.59MPa,其與滲透率的關(guān)系擬合如圖3?？傮w上看,數(shù)據(jù)比較離散,但滲透率與最小水平應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)增長關(guān)系的趨勢十分明顯,最小水平應(yīng)力大于10MPa,煤儲層滲透率一般小于0.1mD。5煤儲層壓力儲層壓力直接決定著煤層對甲烷等氣體的吸附與解吸能力。在排水降壓進(jìn)行煤層氣開發(fā)時(shí),氣含量、臨界解吸壓力均隨儲層壓力的增大而增大,煤儲層壓力越高,越容易排采,越有利于煤層氣的開發(fā)。然而,本區(qū)煤儲層滲透率隨儲層壓力增大而減少的趨勢卻十分明顯,當(dāng)儲層壓力大于5MPa,滲透率普遍小于0.1mD。(圖4)這一關(guān)系是煤儲層壓力隨埋深加大而增高以及滲透率隨埋深加大而減小的必然結(jié)果,同時(shí)也說明儲層壓力對滲透率的影響遠(yuǎn)遜于埋深對滲透率的控制。6上石炭系與奧陶系的關(guān)系本區(qū)二疊系碎屑巖為孔隙含水層,石炭系碎屑巖與碳酸鹽巖交互層為孔、裂隙含水層,主要含水層段為砂巖和石灰?guī)r,煤層為弱含水層。水化學(xué)場和水流動場分析表明,垂向上石炭系與奧陶系水力聯(lián)系較弱。平面上西北、東南部水位最高,東北和南部水位較低,在南部大寧—潘莊—樊莊一帶,水位等勢面呈明顯的“洼地”形態(tài),煤層被水飽和,試井滲透率最高。(圖1)西北、東北部水位等勢面呈箕狀,即有一面敞口,煤層大部分被水飽和,試井滲透率雖都比南部低,但他們之間差異也較大;西側(cè)的沁源—安澤—沁水一帶,煤儲層滲透率大約在0.1～1.0mD范圍內(nèi);東北部潞安地區(qū),滲透率多數(shù)低于0.1mD?？梢娝牡刭|(zhì)條件對滲透率的影響較明顯,但不是主控因素。7煤儲層顯微裂隙的成因通過對沁水盆地中—南部井下煤層宏