沁水盆地中沁水盆地中南部煤儲(chǔ)層滲透率主控因素分析

沁水盆地中沁水盆地中南部煤儲(chǔ)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(guó)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(wàn)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(jí)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(chǔ)層滲透率相差達(dá)2～3個(gè)數(shù)量級(jí),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(chǔ)層壓力及水文地質(zhì)條件等諸方面分別探討其對(duì)滲透率的影響,并從中確定主控因素。2煤儲(chǔ)層滲透率特征就目前資料來看,區(qū)內(nèi)主煤儲(chǔ)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(guó)現(xiàn)有試井?dāng)?shù)據(jù)的平均水平。盡管主煤儲(chǔ)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(shì),格局相對(duì)簡(jiǎn)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(cè),在研究區(qū)西側(cè)的沁源—安澤—沁水一帶,煤儲(chǔ)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(chǔ)層中大、中裂隙特別發(fā)育,推測(cè)其滲透率可能達(dá)1.0mD。3應(yīng)力場(chǎng)與煤層儲(chǔ)量的空隙發(fā)育特征3.1擠壓應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造雖較簡(jiǎn)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(dòng)。綜合劉煥杰、秦勇(1997),王喻、李濤(1999)等對(duì)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(duì)節(jié)理的分期配套研究,恢復(fù)各期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)則控制著先期裂隙的張開和閉合。3.2顯微裂隙是煤儲(chǔ)層滲透率的主要來源煤儲(chǔ)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?chǔ)集場(chǎng)所,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(duì)煤儲(chǔ)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(chǔ)層滲透率的大小和方向,因其成因復(fù)雜,對(duì)其定義和理解因人而異。本次根據(jù)井下的實(shí)際觀測(cè)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(jí)。(表2)煤中大、中裂隙分布局限,內(nèi)生裂隙方向雜亂。井下對(duì)小裂隙的觀測(cè)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(shì);在層域上,拉張作用形成的裂隙相對(duì)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(jí)向斜下主煤層裂隙的平均密度大于上主煤層,次級(jí)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(chǔ)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(cè)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(chǔ)層滲流方程及裂隙的本構(gòu)模型本區(qū)煤儲(chǔ)層地應(yīng)力由水壓致裂法和地球物理測(cè)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(zhǎng)度等有關(guān)。煤儲(chǔ)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(chǔ)層試井滲透率具有隨埋深加大呈指數(shù)減小的趨勢(shì),(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(jí)。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(duì)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(chǔ)層壓裂完井測(cè)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(zhǎng)關(guān)系的趨勢(shì)十分明顯,最小水平應(yīng)力大于10MPa,煤儲(chǔ)層滲透率一般小于0.1mD。5煤儲(chǔ)層壓力儲(chǔ)層壓力直接決定著煤層對(duì)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(chǔ)層壓力的增大而增大,煤儲(chǔ)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(chǔ)層滲透率隨儲(chǔ)層壓力增大而減少的趨勢(shì)卻十分明顯,當(dāng)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)層壓力對(duì)滲透率的影響遠(yuǎn)遜于埋深對(duì)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(chǎng)和水流動(dòng)場(chǎng)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(shì)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(shì)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(chǔ)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(duì)滲透率的影響較明顯,但不是主控因素。7煤儲(chǔ)層顯微裂隙的成因通過對(duì)沁水盆地中—南部井下煤層宏