延川南区块煤层气储层垂向非均质性特征及意义

郑欢 许晓宏 王则 胡佳杰 雷琳 林燕

摘  要：为搞清延川南区块储层垂向非均质性特征及对煤层气开发的影响，基于延川南区块2#煤层取心资料和生产数据，采用室内实验和数据统计分析方法，研究了煤层组分、含气量及吸附时间、裂缝发育程度及煤体结构等参数的垂向非均质性及其对煤层气开发的影响。结果表明：2#煤层煤岩组分具垂向非均质性，其中挥发分和灰分垂向非均质性最强;煤层含气量、甲烷吸附时间及解吸速率垂向非均质性强，且吸附时间与解吸速率成正比，与含气量成反比，部分小层含气量相对较高、吸附时间短、解吸速率快，为优质储层。煤层裂缝渗透性具有明显垂向非均质性，渗透率指数能够有效表征裂缝渗透性强弱，裂缝渗透指数高于100时为相对高渗层，相对高渗层连续分布能够实现煤层气井高产。煤层煤体结构垂向非均质性较强，不同煤体结构煤厚度占比差异导致煤层整体力学参数差异，碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比越大，煤层压裂缝半长越短。

关键词：延川南区块;煤层气;垂向;非均质性;储层评价

煤层气储层易受多期构造影响，孔裂隙发育，孔隙结构复杂，非均质性对煤层开发具重要影响[1]。目前对煤层气储层平面非均质性研究较多，陈立超等研究了沁水盆地南部郑庄区块煤层气储层平面非均质性，认为3#煤层在平面上具裂隙系统、岩石骨架及内部流体赋存方面均存在显著的空间分布差异性[2]。康向涛等研究了低渗透煤层平行和垂直煤岩层理方向变形特征，探讨了瓦斯渗流平面非均质性特征[3]。针对延川南区块，陈刚等评价了煤体结构平面非均质性对产气量分布的影响，认为碎裂结构煤层厚度大于1 m的区域是有利区域[4];陈贞龙等通过研究认为延川南深部煤层气受沉积、构造和水文条件联合控制，并从上述几方面对延川南平面非均质性进行了评价[5]。目前，对煤层气储层垂向非均质性的研究较少，刘军等研究了重庆市北碚区煤层气K2、K6及K9煤层垂向非均质性[6]，王海平等研究了澳大利亚Rangal煤系地层中不同部位煤层特征，认为垂向上填充矿物类型和含量对储层渗透率具有重要影响，碳酸盐填充储层渗透率远低于粘土矿物填充储层[7]，但刘军和王海平等人的研究并未涉及单个煤层内部垂向非均质性。张有生等认为煤储层割理、裂缝系统和应力敏感性非均质性导致煤储层渗透率垂向和水平非均质性，指出煤岩类型本身差异在垂向上引起渗透率非均质性，提出应用马尔柯夫链对煤层渗透率垂向非均质性进行评价的方法[8]。陈龙伟等研究了郑庄区块3#煤储层含气量的垂向非均质性和裂缝发育的平面非均质性[9]。目前未见延川南区块垂向非均质性的报道，本文以延川南区块煤层为例，重点研究了2#煤层在煤岩组分、含气量、吸附时间、裂缝发育程度及煤体结构等方面的垂向非均质性，阐明各参数的垂向非均质性对煤层气开发效果的影响，以期为储层评价提供有效手段和借鉴。

1  区域地质概况

延川南区块位于鄂尔多斯盆地东南缘，构造上处于渭北隆起与晋西挠褶带交汇处（图1）[10]。研究区整体呈西倾单斜构造，中部为白鹤-中剁断裂带，东部为墰坪构造带，西部为万宝山构造带[11]。延川南区块主力煤层气层为上二叠统山西组2#煤层，2#煤层厚2.8～8.3 m，埋深650～1 510 m[12]，煤层中底部发育0.1～1 m的夹矸。储层含气量差异较大，为3.5～35.7 m3/t，含气量低值区主要受断层、陷落柱等影响，保存条件较差。最大镜质组反射率为1.59%～3.22%，属中、高煤阶煤层气储层。煤层气储层渗透率一般小于0.5×10-3μm2，孔隙度一般小于6%，属低孔、低渗储层。储层压力为2.8～13.2 MPa，压力系数为0.8～0.97，为欠压储层。水型以氯化钙和碳酸氢钠型为主，氯化钙型矿化度为11 400～80 450 mg/L，pH值为4.0～6.9;碳酸氢钠型矿化度为2 170～7 970 mg/L，pH值为6.9～8.3。

2  垂向非均质性

2.1  煤岩组分

图2表明延川南区块Yx井2#煤层垂向上水分含量为0.86%%～1.27%，平均1.1%，水分含量差异较小;挥发分含量6.31%～8.48%，平均7.46%，埋深459.1 m处达8.48%，埋深大于460 m后挥发分含量较稳定;灰分含量垂向上波动最大，在埋深459.1 m处达最大值16%，埋深460.5 m处达最小值，为10.23%。煤岩显微组分垂向上分布较稳定，其中镜质组含量74.3%～81.9%，平均79.9%，惰质组含量12.9%～25.7%，平均20.1%。表明煤岩工业分析组分和显微组分在垂向上存在差异。煤岩组分主要影响为间接的对煤层气开发的影响，煤岩组分煤岩显微组分主要影響煤层物性。图3表明惰镜比（惰质体含量与镜质体含量比值）越高，煤层天然裂缝密度越低。这主要是由于镜质体含量越高，煤岩越脆，煤岩裂缝越发育，惰质体含量越高，煤岩塑性越强，天然裂缝越不发育。煤岩灰分含量越高，煤层含气量越低（图3），这是因为灰分含量增加煤岩吸附能力降低，导致煤层甲烷逸散较多。

2.2  含气量及吸附时间

延川南区块Yx井2#煤层含气量在垂向上差异较大，分布在18.8～23.1 m3/t，平均21.1 m3/t（图2）。由于垂向上灰分含量差异导致吸附能力差异，影响煤层含气量。现场数据分析证实，含气量随灰分增加而降低，二者相关性较好（图3），含气量与吸附时间成正比（图2）。吸附时间是指在煤心原始含气量测定时，解吸气量达到总吸附气量63.2%时所用的时间[13]，吸附时间越长，解吸效率越低，这从侧面表明，解吸效率差异是煤层垂向含气量差异的重要原因。另煤层垂向渗透率较弱，甲烷难以在垂向上运移达到平衡，也是煤层含气量垂向非均质性的重要原因。图2表明，延川南区块Yx井2#煤层吸附时间在垂向上同样存在较大差异，分布在4.6～17.4 d。图4表明，吸附时间越长，煤层气解吸速率越低，如埋深在461.1 m时，吸附时间为17.4 d，解吸速率最低。表明垂向上煤层的解吸速率存在极大差异，因此在开发过程中，同样存在“指进”现象，即吸附时间较短的层位解吸产气速度快，对单井产量贡献较大，导致不同小层间储量动用不均衡。图2，4还表明，垂向上，吸附时间与解吸速率成正比，与含气量成反比，部分小层吸附时间长、解吸速率慢、含气量低，对产量贡献较小，为非优质储层，部分小层吸附时间短、解吸速率快，含气量相对较高，对产量贡献较大，为优质储层。

2.3  裂缝发育程度

延川南区块Yy井2#煤层主裂缝长度均值分布于0.16～0.48 cm（表1），高度均值分布于0.08～1.05 cm，宽度均值分布于6～41 μm，密度均值分布于3.7～15.7条·cm-1;次裂缝长度均值分布于0.12～0.47 cm，高度均值分布在0.16～0.64 cm，宽度均值分布于5～14 μm，密度均值分布在1.6～14.5条·cm-1。说明垂向上煤层裂缝发育程度存在巨大差异。煤岩基质孔隙渗透率极低，其渗透性主要取决于裂缝发育程度，受裂缝长度、高度、宽度和密度的综合影响，其中裂缝宽度是最主要因素[14]，因此，可通过单位距离中煤岩裂缝的总宽度所占比例表征煤岩渗透性，笔者将其定义为裂缝渗透指数：

[Fper=wz×dz+wc×dc]…（1）

式中，[Fper]为裂缝渗透指数，无量纲量;[wz]，[wc]分别为主、次裂缝平均宽度，μm;[dz]，[dc]分别为主、次裂缝密度，条·cm-1。

煤层垂向裂缝指数分布见表1。数据表明煤层渗透性在垂向上差异较大，存在局部低渗特低渗层，导致煤层垂向渗透性较差。

延川南区块Yy井2#煤层裂缝渗透指数整体较低，为56.4～160.5，平均94.5，呈高渗层、低渗层相互间隔发育特征（图5）。该类井产气效果差，平均产量小于500 m3/d，整体低产;Yx井裂缝渗透指数整体较高，为109.1～220.5，平均174.7，呈高渗层整体分布特征，该类井平均产量达2 500 m3/d以上，开发效果好;Yz井裂缝渗透指数为51～143.6，平均104.9，呈整体平均裂缝渗透指数较低，但高渗层连续分布特征，该类井平均产量达到1 500 m3/d以上，实现了效益开发。表明高渗层连续分布对于煤层气井实现高产具重要作用。

2.4  煤体结构

延川南区块2#煤层煤岩煤体结构具较大差异，原生煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤均有分布，煤层煤体结构垂向非均质性较强。Yz井2#煤碎粒煤、糜棱煤抗压强度在10.5～12.1 MPa，弹性模量在0.93～1.01 GPa，泊松比在0.34～0.35（图6）;原生煤、碎裂煤抗压强度为13.5～14.5 MPa，弹性模量为1.05～1.17 GPa，泊松比为0.31～0.34，与碎粒煤和碎裂煤相比，抗压强度、弹性模量相对较高，而泊松比相对较低。

煤体结构不同，煤岩力学参数存在差异，不同煤体结构煤层厚度占比差异导致煤层整体力学参数差异。据微破裂四维向量压裂裂缝监测技术监测研究区压裂裂缝长度，利用取心和测井资料预测研究区碎粒煤和糜棱煤厚度之和占煤层总厚度的比例，结果表明，压裂裂缝半长随碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比增加而降低（图7），当碎粒煤和糜棱煤厚度占比大于50%时，压裂裂缝半长小于80 m。这主要是由于碎裂煤、糜棱煤的抗拉强度和弹性模量相对较低，泊松比相对较高，脆性较弱，压裂时容易形成短宽缝，不能有效改造储层。煤层垂向煤体结构与力学参数差异是造成煤层气井间压裂效果差异的主要原因。

3  结论

（1）研究区2#煤层煤岩组分具垂向非均质性，水分含量垂向波动较小，挥发分、灰分波动较大，镜质组和惰质组含量分布相对稳定。煤岩组分对煤层含气量和物性具重要影响，惰镜比越高，煤层天然裂缝密度越低，煤岩灰分含量越高，煤层含气量越低。

（2）同一煤层含气量、吸附时间垂向非均质性强，解吸速率在垂向上存在巨大差异。垂向上吸附时间与解吸速率成正比，与含气量成反比，部分小层吸附时间短、解吸速率快、含气量相对较高，对产量贡献较大，为优质储层。

（3）煤层裂缝参数及渗透性具明显垂向非均质性，渗透率指数能有效表征裂缝渗透性强弱，裂缝渗透指数高于100时为相对高渗层，相对高渗层连续分布能实现煤层气井高产。

（4）煤层煤体结构垂向非均质性较强，原生煤、碎裂煤具高抗压强度、高弹性模量、低泊松比特征，碎粒煤和碎裂煤具低抗压强度、低弹性模量、高泊松比特征，不同煤体结构煤厚度占比差异导致煤层整体力学参数差异，碎粒煤和糜棱煤厚度之和占比越大，煤层压裂缝半长越短。

参考文献

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The Features and Meanings of Vertical Heterogeneity of CoalbedMethane Reservoir in Yanchuannan Block

Zhenghuan1，Xuxiaohong1，Wang Ze2， Hu Jiajie3， Leilin4， Linyan4

（1.School of Earth Sciences，Yangtze University，Wuhan，Hubei，430100，China;2.China University Of Petroleum（Beijing），Beijing，102249，China;3.Changqing Oilfield Company，PetroChina， Yan’an，Shaanxi，710021，China;4. Laojunmiao Production Plant，Yumen Oilfield Compamy，Gansu Province，jiuquan city，735019）

Abstract：In order to figure out the vertical heterogeneityof coalbed methane （CBM） reservoir andit’s effects on the development of CBM in Yanchuannan Block，the vertical heterogeneity features of coal seam components，air content，adsorption time，fracture development degree and the coal body structure of and its impact on coalbed methane developmentare studied by experiments and data statistics，based on core testing and production dataof 2# coal seam in Yanchuannan Block， the results showed that 2# coal seam in industrial analysis of coal and rock composition and the maceral with vertical heterogeneity， including volatile and strongest ash vertical heterogeneity; Coal seam has strong vertical heterogeneity in gas content，methane adsorption time and desorption rate，and the adsorption time is directly proportional to the desorption rate and inversely proportional to the gas content. Some small layers have relatively high gas content， short adsorption time and fast desorption rate，which are high-quality reservoirs.The fracture permeability of coal seam has obvious vertical heterogeneity， and the permeability index can effectively characterize the strength and weakness of fracture permeability. When the fracture permeability index is higher than 100，it is a relatively high permeability layer， and the continuous distribution of relatively high permeability layer can achieve high production of coalbed gas Wells. The vertical heterogeneity of coal structure of coal seam is strong，and the difference of coal thickness proportion of different coal structure leads to the difference of overall mechanical parameters of coal seam.

Key words：SouthernYanchuan Block;Coalbedmethane;Vertical;Heterogeneity;Formation evaluation