樊庄-郑庄区块无烟煤储层气水赋存-运移-产出路径的研究

胡秋嘉，刘世奇，闫 玲，王 鹤，方辉煌，张 庆，毛崇昊，贾慧敏

（1.中国石油天然气股份有限公司 山西煤层气勘探开发分公司，山西 长治046000；2.中国矿业大学 低碳能源研究院，江苏 徐州221008；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州221116）

煤储层流体主要指充填于裂隙与大孔内的煤层水以及吸附于基质孔隙内表面的煤层气[1-2]。随着煤层气商业性开发的不断发展及基础理论研究的逐渐深入[3-4]，煤储层流体的赋存与运移规律的研究逐渐被学者们所重视[5-6]。煤储层孔裂隙系统不仅是煤层气的主要赋存空间，更是煤层气、水的运移、产出通道[7-8]。良好的含气储层需具备2 个条件：发育能使气体吸附的孔隙系统和发育能使气水运移、产出的裂隙系统[9-10]。一般认为，基质孔隙主要为煤层气的赋存空间，宏观裂隙主要为煤层气、水的运移通道和煤层水的储集空间，孔径介于两者间的显微裂隙则起着沟通基质孔隙与宏观裂隙的桥梁作用[11-13]。煤储层气水赋存-运移-产出路径的研究，应将基质孔隙、微观裂隙及宏观裂隙作为整体进行研究。煤层气主要呈吸附态（70%～95%）、游离态（10%～20%）与溶解态，且三者处在1 个动态的平衡中[14]。煤层气主要以物理吸附的方式吸附于煤基质的内表面[15]。煤层气井投产后，随储层压力的降低，吸附态的煤层气开始解吸，该过程可用朗格缪尔吸附模型进行描述[16]；解吸后的煤层气在浓度梯度驱使下向裂隙系统扩散，该过程遵循菲克定律[17]。扩散后的煤层气在压力差的驱使下进一步在天然裂隙中流动，该过程遵循达西定律[18]。而煤层水则以达西流动在宏观裂隙中运移[19-20]。基于此，以沁水盆地南部樊庄-郑庄区块内无烟煤储层为研究对象，基于水测渗透率、克氏渗透率及核磁共振成像等实验，对无烟煤储层气水赋存-运移-产出路径及其模式进行了系统分析。研究对加深煤储层气水产出机理的认识和指导煤层气井排采控制具有重要意义。

1 地质背景

樊庄-郑庄区块位于山西省沁水盆地南部，行政区隶属于沁水县、安泽县和阳城县等，樊庄-郑庄区块是目前实现商业化开发程度较高和开发效益较好的区块。樊庄-郑庄区块含煤地层为石炭二叠系，自下向上依次为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，其中山西组的3#煤层全区稳定分布，因此是煤层气开发最重要的目的地层。

郑庄区块地层宽缓，地层倾角平均约4°，低缓、平行褶皱普遍发育，呈近SN 和NNE 向，褶皱的幅度相对较小，背斜幅度一般小于50 m，延伸长度在5～10 km，呈典型的长轴线性褶皱。断层相对不发育，断距大于20 m 的断层仅在西南部分布，主要有寺头断层、后城腰断层以及与之伴生的断层，呈1组NE-EW 向断层组成的弧形断裂带[21]。樊庄区块与郑庄区块以寺头断层相隔，主要由沁河复式向斜、晋东南山字型构造和寺头-后城腰断裂带组成，主要构造形态仍呈NNE 向展布；次一级褶曲发育，且方向多变，表现了多期构造作用的影响[22]。

2 实验样品及方法

选取沁水盆地南部樊庄-郑庄区块周边胡底矿（樊庄区块）和沁城矿（郑庄区块）煤岩样品开展研究。所采煤样均为无烟煤，样品的采集、保存、运输均按GB/T 19222—2003 国家标准和GB/T 16773—2008 国家标准执行。为了避免煤样氧化，所采集的大块煤样用吸水纸包裹并用胶带缠绕，放入密封袋内保存。样品保存在5 °C 左右的恒温环境内。

1）原始煤柱水测渗透率实验。原始煤柱中主要为割理和和显微裂隙，因此原始煤柱水测渗透率实验主要研究的是割理和和显微裂隙的水测渗透率。样品采用直径50 mm、长度50～100 mm 的煤柱，由机械钻样机钻取，并由磨面机将两端面打磨平整。实验温度为室温；注水压力设定为2 MPa，出口压力为大气压，即煤柱两端的压差约为2 MPa；围压分别设定为4、5 MPa；水注入速率恒定为20 mL/min。

2）宏观裂隙水测渗透率实验。利用人造裂缝模拟煤岩宏观裂隙，并测试其渗透率。采用样品同样是直径50 mm、长度50～100 mm 的煤柱。为了模拟宏观裂隙，采用切割线直径为200 μm 的线切割机，将煤柱沿轴剖开，然后再合在一起，用胶带将侧面包裹，形成1 个轴截面有裂隙的煤柱。切割完成后的煤柱人造裂隙裂口宽度约500 μm，可有效模拟煤中外生裂隙。实验温度为室温；注水压力、围压，以及水的注入速率与原始煤柱水测渗透率实验一致。

3）克氏渗透率实验。研究通过克氏渗透率实验获得测试样品的气测渗透率。克氏渗透率测试所采用是美国CoreLab 公司生产的PDP-200（Pulse-Decay Permeameter）超低渗透率岩石渗透率仪，所使用的样品为直径25 mm、长度40～70 mm 的煤柱，同样由机械钻样机钻取。实验温度为室温；注气压力为1.03 MPa，围 压 分 别 为2.07、2.76、3.45、4.14、4.83 MPa。测试所采用的气相介质是氮气。

4）核磁共振成像实验。研究基于气驱水条件下煤样的低场核磁共振成像实验获得了测试煤样内部气、水分布与赋存状态的直观认识。核磁共振成像实验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的纽曼MesoMR23-060H-I 核磁共振仪，所使用的样品同样为直径25 mm、长度40～70 mm 的煤柱。实验参数分别为：围压4 MPa，注气压力1.5 MPa，出口压力为大气压，气体类型为CH4。设定8 个成像时间点，分别为初始见水或见气时，见水或见气后5、15、30、60、120、180 min，和无水流出或气体流量稳定时。

核磁共振成像实验的基本流程如下：①干燥煤样T2谱测试：60 ℃条件下，将测试样品置于真空干燥箱真空干燥24 h，然后测试干燥煤样的T2谱；②饱和水煤样T2谱测试：干燥煤样T2谱测试完成后，将测试样品在6 MPa 条件下抽真空饱水12 h，饱水完成后测试饱和水煤样T2谱；③气驱水核磁共振实验：饱和水煤样T2谱测试完成后，按照实验设计的围压、注气压力开展气驱水实验，同时监测出口气体流量，按照设计的成像时间点完成全部设计的核磁共振成像实验。

3 煤层气水赋存与运移路径

3.1 煤层气水赋存空间

1）煤层水的赋存空间。胡底矿样品T2谱成像结果及特征如图1 和图2。图1 中高亮区域为水中氢原子信号，代表了水的分布状态。综合图1 和图2可知，样品中水呈2 种分布状态：①条带状分布，这部分水主要赋存在10～100 μm 尺度的微裂隙中，对应于T2谱线中100～1000 ms 的谱峰；②零散分布，这部分水主要赋存在50 nm～1 μm 尺度的大孔和显微裂隙中，对应于T2谱线中0.03～3 ms 的谱峰。由此可见，6 MPa 条件下煤层水既可赋存于显微裂隙中，也可赋存于大孔中。根据研究区煤层气井试井解释结果，煤储层压力介于1.77～11.32 MPa，并以4～8 MPa 为主。樊庄-郑庄区块储层压力条件下，大孔、显微裂隙和宏观裂隙均为煤层气水的赋存空间。

图1 胡底矿样品T2 谱成像结果Fig.1 T2 imaging results of Hudi sample

2）煤层气的赋存空间。前人研究表明，孔隙是煤中CH4的主要赋存空间[14-16]。虽然核磁共振实验对孔径＜50 nm 的孔隙分辨率较低，但由核磁共振结果仍可看出，测试样品孔径＜50 nm 的孔隙含量占优，且随孔径增大，含量呈减小趋势，饱和水样品核磁共振实验孔径分布特征如图3。因此，测试样品中含有大量孔径＜50 nm 的微孔和中孔，为煤层气储集提供了充足的空间，CH4也主要赋存在这部分孔隙中。

图2 胡底矿样品T2 谱特征Fig.2 T2 spectra of Hudi sample

图3 饱和水样品核磁共振实验孔径分布特征Fig.3 Poresize distribution of water saturated samples

3.2 煤层气水运移路径

3.2.1 煤层水的运移通道

1）微观运移通道。对比图1 和图2 可以看出，气驱水核磁共振实验开始后，10～100 μm 尺度的微裂隙中赋存的水被大量驱替出，T2谱中100～1 000 ms的谱峰在初见气5 min 后即消失；而50 nm～1 μm尺度的大孔和显微裂隙中赋存的水至实验结束（见气后180 min）未见明显变化，其T2谱（0.03～3 ms）也未见明显变化。说明煤中水以微米尺度（10～100 μm）显微裂隙作为优势运移路径，50 nm～1 μm 尺度的大孔和显微裂隙中赋存的水流动性差，存在大量难以运移产出的残余水。同时进一步证实了，煤中残余水主要赋存于50 nm～1 μm 尺度的大孔和显微裂隙中。

2）宏观运移通道。围压4、5 MPa 时，原始煤柱的水测渗透率介于0.001 56～0.011 52 mD（1 mD=1×10-3μm2），外生裂隙的水测渗透率介于0.165 27～0.251 85 mD。同一样品的原始煤柱水测渗透率远小于外生裂隙的水测渗透率，二者相差1～2 个数量级。围压超过5 MPa 时，原始煤柱持续实验14 h，岩心夹持器出口端无水产出，水测渗透率为0。说明原始煤柱水测渗透率仅能维持在低围压状态下，随围压的升高，割理和显微裂隙大量闭合，水在其中的流动能力大幅降低。

3.2.2 煤层气运移通道

1）微观运移通道。由于CH4分子直径小，分子间作用力弱，可以通过表面扩散、扩散、滑移、达西流动等多种方式运移。因此，理论上煤储层中所有孔隙和裂隙均可成为CH4的运移产出通道。这也决定了煤储层连通性对煤层中CH4产出起主要限制作用。由T2谱（图2）和孔径分布特征（图3）可以看出，测试样品孔径＞0.5 μm 的孔隙和显微裂隙发育程度相对较弱，造成大孔和显微裂隙连通性相对较差，制约了气体产出效果。

2）宏观运移通道。围压为2.07～4.83 MPa 条件下，原始煤柱的克氏渗透率较低，一般小于0.01 mD。测试样品克氏渗透率实验结果见表1。说明不同于煤层水，割理和显微裂隙是煤层气运移和产出的重要通道。但受限于樊庄-郑庄区块煤岩样品的割理和显微裂隙发育程度，特别是裂口宽度和渗透率，煤层气的流动能力较弱。

表1 测试样品克氏渗透率实验结果Table 1 Klinkenberg permeability ofexperimental samples

4 煤储层气水赋存-运移-产出路径模式

1）煤层气赋存-运移-产出路径。综合上述对煤层气赋存空间和运移路径的认识，提出樊庄-郑庄区块煤层气赋存-运移-产出路径。樊庄-郑庄区块3#煤层气水赋存-运移-产出路径模式示意图如图4。微孔和中孔是煤层气的主要赋存空间，微孔和中孔中解吸出的煤层气或直接运移至大孔和显微裂隙，或运移至中孔（含超微裂隙），再通过中孔运移至大孔和显微裂隙。大孔中游离态的煤层气或直接运移至宏观裂隙，或通过显微裂隙运移至宏观裂隙。显微裂隙中游离态的煤层气或直接运移至与之连通的外生裂隙，或先运移至内生裂隙，再由内生裂隙运移至外生裂隙。内生裂隙中游离态的煤层气或直接运移至压裂裂缝，或先运移至外生裂隙，再由外生裂隙运移至压裂裂缝。其中孔径＞0.5 μm 的孔隙和显微裂隙发育程度相对较弱，制约了气体产出效果。

图4 樊庄-郑庄区块3#煤层气水赋存-运移-产出路径模式示意图Fig.4 Schematic diagram of occurrence-migration-output path model of gas and water in 3# coal seam in Fanzhuang-Zhengzhuang block

2）煤层水赋存-运移-产出路径。同样综合上述对煤层水赋存空间和运移路径的认识，提出樊庄-郑庄区块煤层水赋存-运移-产出路径（图4）。煤储层中大孔、显微裂隙、内生裂隙和外生裂隙均是煤层水的重要储集场所。其中，孔径＜1 μm 的大孔和显微裂隙中赋存大量不可流动水。大孔和显微裂隙中赋存的煤层水或直接运移至与之连通的外生裂隙，或先运移至内生裂隙，再由内生裂隙运移至外生裂隙。内生裂隙中的煤层水或直接运移至压裂裂缝，或由外生裂隙运移至压裂裂缝。而外生裂隙中的煤层水或直接流向井筒，或经压裂裂缝流向井筒。煤层地应力状态下，外生裂隙与割理和显微裂隙共同组成了煤层水的运移和产出通道，其中裂口宽度＜10 μm 的割理和显微裂隙对煤层水运移和产出贡献较弱，对煤层水运移和产出起主要作用的是裂口宽度＞10 μm 的显微裂隙、内生裂隙和外生裂隙。

5 结 论

1）煤储层大孔、显微裂隙、内生裂隙和外生裂隙均是煤层水的重要储集场所。孔径＜1 μm 的大孔和显微裂隙中赋存的煤层水主要为不可流动水。外生裂隙、内生裂隙与显微裂隙共同组成了煤层水的运移和产出通道，其中对煤层水运移和产出起主要作用的是裂口宽度＞10 μm 的显微裂隙、内生裂隙和外生裂隙。

2）煤储层微孔和中孔是煤层气的主要赋存空间，不同尺度的孔隙和裂隙共同组成了煤层气运移产出的通道。中孔、显微裂隙和内生裂隙，不仅是煤层气体运移的重要介质形态，而且是沟通孔隙与裂隙的重要桥梁，对煤层气运移和产出至关重要。