华北地区各类煤储层孔隙、吸附特征及试井成果分析

傅雪海 邢 雪 刘爱华 范炳恒 周荣福

1.新疆大学地质与勘查工程学院 2.中国矿业大学

华北地区各类煤储层孔隙、吸附特征及试井成果分析

傅雪海1，2邢 雪2刘爱华2范炳恒2周荣福2

1.新疆大学地质与勘查工程学院 2.中国矿业大学

为系统总结华北地区各煤类的主要物性特征，指导煤层气的勘探开发，对该区各种煤类共205件煤样进行了压汞实验，分析了各煤类孔径结构的比孔容、比表面积特征。基于180件煤样的高压等温吸附实验，探讨了朗格缪尔体积（VL，daf）、朗格缪尔压力与煤级的关系，发现朗格缪尔体积与煤级的关系呈现出两段式变化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf随Ro，max的增加而增大，当Ro，max＞4%后，VL，daf随Ro，max的增加而减少，而朗格缪尔压力与煤级的关系复杂，数据十分离散。基于该区煤层气试井成果（170层次试井储层压力、204层次试井渗透率），划分了煤储层试井储层压力、试井渗透率类型：该区以欠压储层为主，占69.4%左右，正常压力储层占27.1%，超压储层仅占3.5%，储层压力梯度总体随埋深的增加呈现出增大的趋势；超低渗透储层占26.0%，低渗透储层占36.8%，中渗透储层占18.1%，高渗透储层占19.1%，试井渗透率总体随埋深的增加而减少。

华北地区 煤层气 储层 孔隙性 吸附性 朗格缪尔体积 储层压力 渗透性

截至2010年，中国施工各类煤层气井超过5 400口［1］，其中参数井约300口，主要分布在华北地区的山西、陕西、河南、河北、安徽等省，目的煤层主要为华北地区石炭—二叠系山西组、太原组，涉及的主要煤类从气煤至无烟煤，镜质组反射率介于0.40%～4.50%。前人对单一煤类或局部地区煤储层孔隙性、吸附性、试井储层压力、试井渗透率等进行过研究［2－6］，但对华北地区总体煤储层试井成果尚缺乏系统总结。

1 孔隙、吸附特征

1.1 孔隙特征

华北地区205个煤样（煤类从褐煤至无烟煤，镜质组反射率介于0.40%～4.50%，表1）的压汞实验表明，褐煤、长焰煤各孔径结构中比孔容分布较均匀（表1、图1）；其他煤类中大孔、过渡孔占较高比例，中孔不发育，除气煤达到11.65%外，其他均低于7.18%，尤其是贫煤、无烟煤大孔占比超过50%，中孔低于6.64%（表1、图1），成为煤层气解吸、扩散／渗流的“瓶颈”。

各煤类各孔径结构中比表面积微孔、过渡孔占绝对多数（图2、表2），成为煤层气吸附的主要场所，大孔均低于0.82%，中孔除褐煤达到6.49%，长焰煤达到2.07%外，其他均低于0.82%（图2、表2）。

1.2 吸附特征

180件煤样（Ro，max介于0.67%～8.61%）在30℃、平衡水条件下的等温吸附实验成果表明，朗格缪尔体积（VL，daf）介于4.69%～51.90%，呈现出两段式变化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf随Ro，max的增加而增大，当Ro，max＞4%后，VL，daf随Ro，max的增加而减少（图3）；朗格缪尔压力（pL，daf）介于0.20～5.58MPa，在Ro，max＜1.3%之前，pL，daf随Ro，max的增加而减少，当Ro，max＞1.3%后，pL，daf随Ro，max的增加而增大（图3），但数据十分离散。

表1 各煤类平均比孔容特征表

图1 各煤类各孔径结构比孔容百分比图

图2 各煤类各孔径结构比表面积百分比图

表2 表1中各煤类平均比表面积特征表

2 试井储层压力、渗透率特征

2.1 储层压力特征

本次收集华北地区煤储层试井储层压力170层次，主力煤储层的储层压力梯度变化范围为（0.15～1.24）MPa／100m，平均为0.71MPa／100m。

图3 朗格缪尔体积、压力与煤级的关系图

其中，严重欠压储层（储层压力梯度小于0.5 MPa／100m）占21.2%，欠压储层（储层压力梯度介于0.5～0.75MPa／100m）占29.4%，略欠压储层（储层压力梯度介于0.75～0.90MPa／100m）占18.8%，正常压力储层（储层压力梯度介于0.90～1.10MPa／100 m）占27.1%，超压储层（储层压力梯度大于1.10 MPa／100m）占3.5%（图4）。储层压力梯度总体随埋深的增加呈现出增大的趋势（图5）。

图4 试井储层压力梯度分布柱状图

图5 试井储层压力梯度与埋深关系图

2.2 渗透率特征

本次收集华北地区煤储层试井渗透率204层次，主煤储层的试井渗透率变化范围为0.001 2～444 mD，大多小于2mD。

超低渗透储层（渗透率小于0.1mD）占26.0%，低渗透储层（渗透率介于0.1～1.0mD）占36.8%，中渗透储层（渗透率介于1.0～5.0mD）占18.1%，高渗透储层（渗透率大于5.0mD）占19.1%（图6、表3）。试井渗透率总体随埋深的增加而减少（图7）。

图6 试井渗透率分布频率图

3 结论

1）华北地区褐煤、长焰煤各孔径结构中比孔容分布较均匀，其他煤类中大孔、过渡孔占较高比例，中孔不发育；各煤类各孔径结构中比表面积微孔、过渡孔占绝对多数。

表3 华北地区试井渗透率成果表

图7 试井渗透率与埋深关系图

2）华北地区石炭—二叠系各煤类朗格缪尔体积与煤级的关系呈现出两段式变化模式，即煤化程度在Ro，max＜4%之前，VL，daf随Ro，max的增加而增大，当Ro，max＞4%后，VL，daf随Ro，max的增加而减少；朗格缪尔压力与煤级关系复杂，数据十分离散。

3）华北地区以欠压储层为主，占69.4%左右，正常压力储层占27.1%，超压储层仅占3.5%，储层压力梯度总体随埋深的增加呈现出增大的趋势。

4）华北地区超低渗透储层占26.0%，低渗透储层占36.8%，中渗透储层占18.1%，高渗透储层占19.1%，试井渗透率总体随埋深的增加而减少。

［1］赵庆波，孙粉锦，李五忠，等.煤层气勘探开发理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［2］姚艳斌，刘大锰，汤达祯，等.沁水盆地煤储层微裂隙发育的煤岩学控制机理［J］.中国矿业大学学报：自然科学版，2010，39（1）：6－12.

［3］唐书恒.煤层气试井设计方法［J］.煤田地质与勘探，1999（2）：29－31.

［4］叶建平，史保生，张春才.中国煤储层渗透性及其主要影响因素［J］.煤炭学报，1999，24（2）：118－122.

［5］张群，崔永君，钟玲文，等.煤吸附甲烷的温度—压力综合吸附模型［J］.煤炭学报，2008，33（11）：1272－1277.

［6］陈刚，李五忠.鄂尔多斯盆地深部煤层气吸附能力的影响因素及规律［J］.天然气工业，2011，31（10）：47－49.

国家重点基础研究发展计划（973计划）“高丰度煤层气富集机制及提高开采效率基础研究”（编号：2009CB219600），江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人项目及新疆维吾尔自治区“天山学者”计划。

傅雪海，1965年生，教授，博士生导师；1987年毕业于原中国矿业学院煤田地质与勘探专业；现从事能源地质教学与科研工作。地址：（221116）江苏省徐州市三环南路中国矿业大学资源与地球科学学院。电话：（0516）83591000。E－mail：fuxuehai＠163.com

傅雪海等.华北地区各类煤储层孔隙、吸附特征及试井成果分析.天然气工业，2011，31（12）：72－75.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.12.012

2011－10－10 编辑 罗冬梅）