贵州比德区块煤岩储层特征及富集主控因素分析

谢广龙

(中石化胜利石油工程有限公司地质录井公司，山东东营 257100)

煤层气作为一种非常规天然气，资源量高达36.81×1012m3，在我国具有巨大的储量和极小的勘探程度等优势[1]。本文结合近几年在贵州比德区块所做的地质研究及开发实践情况，对贵州比德区块煤层气地质特征有一些深刻认识，逐渐明确了该区块煤层气富集的主控因素，最后制定了研究区优选原则，并圈定了有利区。该区作为贵州煤层气勘探开发的先导试验区块，对我国南方地区煤层气勘探开发有一定的借鉴意义，特别是对贵州西部煤层气的勘探开发具有较高的指导作用。

1 煤系地层特征

比德区块位于比德向斜西南翼中段[2]。燕山运动是区内最明显的一次构造变动，形成一系列短轴褶皱和逆冲断层，控制了区内含煤岩系的沉积和构造面貌[3]。背斜处煤层多被剥蚀，煤层彼此孤立地仅保存在向斜中，也是煤层气赋存的最佳处所[4-6](图1)。晚二叠世龙潭组为该区主要含煤地层，岩性由细砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成。含煤地层埋深多在1 500 m以上，龙潭组厚一般为340 m左右，含煤27～54层，含煤总厚平均为39.84 m，含煤系数为11.7%。

图1 黔西构造略图Fig.1 Sketch map of Qianxi structure

1.1 煤层垂向上分布特征

由于研究区没有进行地震勘探，因此煤层空间分布研究主要依据煤层气探孔及地表露头展开。该区煤层垂向上，依据沉积旋回分为上、中、下3个煤组，上煤组含2#、3-1#、3-2#、4#、5#、5-1#、6-1#、6-2#、7#共9层煤层，煤层层数、间距及厚度较稳定；中煤组为薄层煤，煤层层数、间距及厚度变化较大，煤层不稳定；下煤组主要含30#、32#、33#3层，煤层层数、间距及厚度有一定变化(图2)。该区上煤组埋深较浅，单层厚度较大，累计厚度大，煤层垂向间距较小，因此本文研究主要是针对上煤组煤层。

1.2 煤层顶底板特征

煤层顶底板是影响煤层气含量的重要地层因素，尤其是直接顶板的厚度和岩性直接决定着煤层气是否能够突破顶板毛管压力向上突破散逸[7-8]。一般来说，泥岩和孔洞—裂缝不发育的灰岩是较为理想的顶板岩性，泥质粉砂岩、灰质粉砂岩有时也具有良好的气体封存能力。比德区块主力煤层6#煤层顶底板主要发育泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，顶底板厚度发育基本稳定(图3)。

2 煤岩储层特征

2.1 煤岩类型及变质程度

宏观上通过煤岩岩心观察发现，比德区块各煤层多以亮煤、暗煤为主，夹少量镜煤和丝炭条带，煤岩类型主要为半亮型煤、半暗型煤，少量半亮—半暗型煤和暗淡型煤。煤岩性较脆，中等解理，参差—阶梯状断口，以条带状结构为主，局部见透镜状结构，粉状—块状构造。比德区块主力煤层煤体结构较完整，煤岩层间非均质性强，同一口井不同煤层的煤体结构、煤岩割理、煤岩光泽、破碎程度都有很大差异(图4)。

图2 比德区块龙潭组煤层垂向分布示意Fig.2 Sketch map of vertical distribution of Longtan formation in Bide block

图3 比德区块直接顶底板厚度柱状图Fig.3 The histogram of the thickness of direct top and bottom slab of Bide block

图4 比德区块煤岩岩心照片Fig.4 Photo of coal rock in Bide block

微观上根据煤岩鉴定资料，煤的显微组分含有机组分和无机组分，有机组分又可分为镜质组和惰质组两大类，本区微观煤岩类型为微镜惰煤[9-11]。煤岩成分有机总量为73.81%～85.14%，其中镜质组约为80%，惰质组约为15%；无机总量为14.86%～27.91%。有机质丰度高，矿物以黏土矿物为主，含量为6.47%～15.21%，少量石英和方解石。煤岩变质程度较高，以贫煤、贫瘦煤为主。镜质体最大反射率最大为2.12%，最小为1.52%，变质阶段为Ⅳ～Ⅵ阶段(表1)。全区煤层镜质组最大反射率随埋藏深度的增加而增大，表示煤的变质程度随埋藏深度的增加而增强[12-13]。

2.2 煤岩物性

煤层气在煤储层中的运移须经过煤基质中的孔隙和裂隙系统，孔隙和裂隙构造了煤储层的结构要素之一，由此形成了两个层次的煤储层内部结构[14-15]。

表1 煤岩微观组成鉴定成果Table 1 The micro-composition of coal and rock identification results

2.2.1 煤岩孔隙结构

核磁谱图呈现“双峰”特征，表现出煤岩双孔隙结构的特征[16]，但前峰峰高和面积明显高于后峰，表明孔隙以微小孔隙为主，大孔隙及割理孔隙欠发育(图5)。

图5 比德区块煤层岩心样品核磁共振谱图Fig.5 NMR spectra of core samples in Bide block

岩心宏观、微观观察统计，面裂隙密度为5条/cm，局部面裂隙密度可达 10条/cm，面裂隙长度一般大于 5 cm，有方解石脉充填，表面形态显平直状，少量为弯曲状，主要呈矩形网状组合类型，少量不规则状(图6)。总体表现为隔理较发育，密度和方向发育不均匀，有利于煤层渗透性的提高，但部分裂隙中黄铁矿或方解石脉充填对渗透性具一定负影响。

图6 比德不同煤层宏观裂隙发育特征Fig.6 Macroscopic fracture characteristics of different coal seams in Bide block

从比德区块煤岩的扫描电镜图片可以看出，区块内煤储层微孔隙较发育，以有机质溶蚀孔为主，有机质热解残孔次之，孔径主要分布在1～8 μm，孔径中值为4～5 μm，部分样品溶蚀孔被丝片状伊利石及次生石英半充填，溶蚀孔内可见球状黄铁矿、菱铁矿等次生矿物，面孔率为0.3%～1.0%(图7)。

图7 比德区块煤样扫描电镜图片(次生孔隙发育及充填情况)Fig.7 Picture of coal sample scanning electron microscope (secondary pore development and filling condition) in Bide block

由于有机质含量高、热演化程度高，原生粒间孔不发育，部分残余原生孔隙表面附着丝片状伊利石等黏土矿物；在灰分含量高的煤岩中偶尔见到较大的矿物原生粒间孔亦被丝片状伊利石所充填。部分煤样发育少量外生裂隙，裂缝主要是构造张性缝，缝宽2～3 μm，裂缝延伸较曲折，绕开较大的矿物颗粒，成开启状；偶尔见到非构造缝，主要是同生期形成的一些矿物结核所伴生的微小裂缝，缝宽1 μm左右，沿结核边缘向外发散分布(图8)。

图8 比德区块煤样扫描电镜图片(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

综上所述，比德区块及邻区牛场区块煤岩原生孔隙不发育，主要的孔隙类型是次生有机质溶蚀及热解残余孔，外生裂隙则以构造张性缝为主，煤层渗流通道发育，渗流力强，对煤层气开发有利。

此外，从比德区块煤岩的压汞试验来看(图9)，区块内煤样的进退汞曲线分离程度整体较低，说明区块内煤储层孔喉均一性比较好，有利于煤层气的渗流[17-18]。但不同的煤层其压汞曲线亦有较大差异，3#煤层压汞曲线显示其大孔隙较少，微细孔较发育，表现为进汞压力较其他煤层大，地层压力5 MPa条件下进汞量也较低，退汞曲线显示泄压后煤岩残余汞量较高，体现出煤岩较高的束缚水孔隙度；6-1#煤层压汞曲线显示其大孔隙较发育，表现为进汞压力较其他煤层小，地层压力5 MPa条件下进汞量高，退汞曲线显示泄压后煤岩残余汞量较低，体现出煤岩较高的可动流体孔隙度，渗流性能亦明显优于3#煤层；5#煤层压泵试验显示其物性界于3#与6-1#煤层之间。

图9 区块上煤组主力煤层煤样压汞曲线Fig.9 The mercury-pressure curves of coal sample in main coal seam in Bide block

煤岩岩心核磁共振、扫描电镜、压泵试验等分析技术一致表明，比德区块6-1#煤层具有大孔隙及割理系统发育、渗透性能好、可动流体孔隙度高等特征，显示出较好的煤层气开采潜力。

2.2.2 煤岩物性参数

比德区块目前钻探煤层气探井2口，物性数据主要来自测井计算。比德区块比1井、比2井测井解释成果表明，2#～33#煤的渗透率为0.06～0.27 mD，孔隙度为0.9%～2.9%(表2)。除此之外，比德区块、牛场区块煤心核磁共振分析孔隙度为3.58%～7.38%，渗透率为0.01～0.73 mD。对比1井6#煤层进行了渗透率测试，测试渗透率为0.24 mD。该区整体煤岩物性差，多煤层气开采有较大的负面影响。

2.3 含气性评价

黔西北煤层甲烷区域分布呈现赋煤构造单元区域赋存、向斜控气的总体特点[9,19]。比德区块各煤层的煤层气含量平均为12.62 m3/t，换算后煤层气含量平均为12.11 m3/t。

比1井钻遇煤层时气测全烃2.40%↗96.93%，C1由1.99%↗93.76%，钻井液相对密度由1.09单位↘1.05单位，黏度由35 s↗42 s，槽面见无色透明气泡，占槽面的15%，煤层气显示活跃，比1井测井校正含气量为14～16 m3/t；比2井钻遇煤层时气测全烃0.41%↗35.90%，C1由0.18%↗32.17%，钻井液相对密度由1.06单位↘1.03单位，黏度由35 s↗43 s，槽面见无色透明气泡，占槽面的25%，上涨2 cm，煤层气显示活跃，比2井测井校正含气量为15～20 m3/t(图10)。

表2 比1、比2井测井孔隙度、渗透率分析数据Table 2 Well B1 and B2 logging porosity and permeability analysis datasheet

图10 比1、比2井测井解释含气量Fig.10 Well B1 and B2 logging interpretation of gas content

比德区块煤心解吸资料表明，煤层甲烷浓度为 6.18%～100.00%，平均 为86.13%；氮气浓度介于 0.01%～61.67%，平均 为10.57%；重烃浓度介于 0.01%～92.84%，一般小于 1%。煤层气气体组分中甲烷含量较高，比2井气组分中甲烷含量为94.9%～99.21%，平均为97.82%，含少量C2～C6约为3.5%，少量CO2；比1井气组分中甲烷含量平均为92.04%(表3)。

表3 比1井气体组分检测结果Table 3 Well B1 test results for gas component

3 煤层气富集主控因素

3.1 主控因素分析

3.1.1 应力—压力对煤层气的控制作用

地应力场最小主应力的高低，对煤储层渗透率和地层能量区域分布差异具有显著的控制作用[11,20]。经研究发现，比德向斜最小主应力分布为17～21 kPa/m。研究区内超压煤储层广泛发育，且从东向西超压频率增大，揭示出构造背景对煤储层流体压力系统具有差异控制作用。

3.1.2 煤体结构对含气量的影响

煤体结构是煤岩重要的地质学属性，煤体结构与含气量具有较强的相关性：煤体结构越完整，煤岩解吸含气量也越高；分析认为，完整的煤体结构具有较好的孔隙结构和割理系统，有利于煤层气的解吸和产出。可见良好的煤体结构是煤层气高产的基础条件(图11)。

图11 比德区块煤体结构与含气量相关图Fig.11 Correlation diagram of coal structure and gas content in Bide block煤体结构规定： 1为原生；2为碎裂；3为碎粒；4为糜棱。

3.1.3 煤体结构及渗透率对煤层气产出的影响

应用煤层气数值模拟软件SMI分别在不同渗透率下、不同煤体结构下排水采气一年，测量井下压降漏斗的扩散范围和强度(图12)。

成果表明，相同的其他条件下，煤层气井排水采气一年，煤岩渗透性越强，其相同时间内的解吸面积和解吸程度越高；相同条件下原生结构煤层的解吸面积和解吸程度远高于碎粒结构煤和糜棱结构煤，并表现出煤体结构越破碎其相同时间内的解吸面积和解吸程度越低。

3.2 灰色关联计算

大量的煤层气开发数据已经证明，煤层含气量是影响煤层气产能的最主要因素，其他各因素通过影响煤层含气量而或多或少影响煤层气产能。以含气量为主因素，其他为子因素，通过灰色关联分析，计算出各个子因素对主因素的关联度：

图12 煤层气渗透率及煤体结构对煤层气产出数值模拟情况Fig.12 Numerical simulation of coalbed permeability and structure to methane output

归一化处理后，得出各因素的权重系数为：

通过岩心试验、数值模拟、数学统计、关联计算等手段，初步认为：一定地质背景下，影响比德区块煤层气产量的主要因素是煤岩含气量、渗透率和煤层厚度(图13)。

图13 煤层气富集各因子权重比重Fig.13 The weight proportion of various factors in coalbed methane enrichment

根据比德区块煤层气地质特征和煤层气富集主控因素，制定了该区煤层气开发有利目标区优选原则：①避开风化带(甲烷组分>80%)；②避开煤矿采掘区300 m以上；③构造条件好，离断层150 m以上；④煤体结构好，避开碎粒、糜棱煤；⑤煤层厚度大，上煤组厚度大于5 m；⑥含气量大于10 m3/t，饱和度大于60%；⑦勘探研究程度较高，实测资料丰富；⑧地形条件好，可集中布置井网。

4 结论

(1)比德区块主要含煤地层是晚二叠世龙潭组，一般含煤35层，含煤平均总厚39.84 m，含煤系数为11.7%。依据沉积旋回分为上中下3个煤组，上煤组含煤层层数、间距及厚度较稳定，是煤层气开发的主力层系；中煤组为薄层煤，煤层层数、间距及厚度变化较大，煤层不稳定；下煤组煤层层数、间距及厚度均较小。横向上煤层呈北西—南东向展布，层数变化不大，但煤层厚度变化较大，厚度中心基本一致，均位于比1井西南方向。

(2)比德区块煤岩类型以半亮型煤、半暗型煤为主，主要是碎裂结构及原生结构。煤岩成分上镜质组含量高，无机物含量中等，综合认定为中低灰微镜惰煤。该区块煤岩热演化程度高，主要处在贫瘦煤高变质阶段，因此整体来说低孔低渗，孔隙度为1.2%～2.1%，渗透率为0.01～0.30 mD。煤岩双孔隙结构发育，孔隙以微小孔隙为主，大孔隙及割理裂隙较发育，具有较高的煤层气开发价值。

(3)依据录井含气性研究、测井含气性评价、等温吸附特性研究，该区煤层含气量较高，各主力煤层平均含气量为16.5 m3/t，其中平均甲烷含量高达92%，煤层气品质好，煤层甲烷含量随埋深增加而增大，但局部存在异常。

(4)依据开发数据，结合煤层气数值模拟，明确煤层气含量、渗透率、厚度等3大煤层气富集主控因素。根据地质特征和富集主控因素，制定了该区煤层气开发应避开风化带、采掘区、断裂发育去等瓦斯逸散区，重点考虑煤体结构好、埋深适中、高渗透、高含气地区的有利目标优选原则。