煤层气储层特征分析与孔渗参数测井评价——以沁水盆地南部3#煤层为例

赵锐，王刚，孙贵

（1.安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088；2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂，陕西西安 710000）

0 引言

煤层气作为一种开发潜力巨大的清洁能源，具有广阔的市场前景。它自生自储、主要以吸附状态赋存于煤层中[1]。与常规天然气储集层相区别，煤层中广泛发育微孔-裂隙系统，孔隙度度量煤层气储集空间之大小，而煤层气井产量动态变化则主要受渗透率控制，孔、渗两参数共同影响着煤层气产出量的高低[2]，如何准确表征煤储层的孔隙度与渗透率值得进行有意义的探讨。沁水盆地煤层含气量较高，煤层气资源量大，开发条件好，为我国重要的煤层气勘探地区，也是实现局部大规模商业开发的唯一地区[3]。本文以沁水盆地南部樊庄区块下二叠统山西组的3#煤层为研究对象，尝试建立适合于本区实际情况的孔隙度、渗透率模型，为后续的储层深入评价提供支撑。

1 区域地质背景

沁水盆地位于吕梁和太行隆起带之间，为一复式向斜构造[3]，含煤面积约4.2×104km2，煤炭储量约2.7×1011t，主要为中—高变质烟煤和无烟煤[4]。下二叠统山西组是沁水盆地主要含煤地层之一，属近海三角洲及河湖相沉积[5]，基本岩性为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤等，煤层一般3～7 层，3#煤层为其中主采煤层。在本文研究的南部地区，3#煤层埋深介于500～800m 之间，赋存基础稳定，煤层发育较厚（一般5～7m），结构相对简单（夹矸1～3 层），夹矸一般为泥岩或者碳质泥岩，以距煤层底部约1m处的夹矸较稳定。

2 煤层气储层特征

2.1 岩石学特征

对样品的统计分析发现，研究区3#煤层的工业分析指标变化较大，其中固定碳（70%～80%），灰分（10%～20%），挥发分（＜8%），水分（＜3%），岩样密度测定值变化在1.35～1.65g/cm3之间。其显微组分中，镜质组占绝大部分（＞70%），另有少量惰质组、矿物质及其他组分。镜质组主要为均质镜质体和基质镜质体，惰质组主要为丝质体。矿物质主要包括黏土矿、碳酸盐矿及黄铁矿等，其中黏土矿最多，星点状、断续的条带状为其主要分布形态，胞腔内亦发现有少量充填；碳酸盐矿次之，多数充填在微裂隙中；零星见黄铁矿。由于有机质成熟度高，偶见石墨化组分。

沁水盆地南部地区3#煤层宏观煤岩类型，以光亮型为主，其次为半光亮型。光亮型煤质纯、较轻、性脆和易碎，色泽乌黑，断口光滑，棱角状，割理中充填物少见，面割理与端割理多呈网状组合，如图1a。与光亮型煤相比，半光亮型煤相对致密，条带状结构明显，面割理与端割理开始不连接，如图1b。

图1 研究区3#煤层煤心照片实例Figure 1. Sample photo of the core of coal seam No.3 in the study area

2.2 物性特征

煤层的孔-裂隙系统是地下水和煤层气的储集场所和运移通道。对本区部分具有代表性的煤样以普通显微镜与扫描电镜相结合进行孔裂隙结构观察，结果显示：依成因粗略来看，煤岩中显微孔隙主要有属于次生孔隙的气孔，及属于原生孔隙的植物组织孔、粒间孔、晶间孔等，此外还有裂隙等。气孔在观察中出现较多（图2a），原因主要在于本区显微煤岩类型以镜质组为主的区域特征，而镜质组一般被认为具有较强生气能力，观察中气孔大小各异，轮廓圆滑，近圆形，单个出现多，偶尔也见密集分布，排列不规整。对于原生孔隙，以胞腔中空的丝质体或半丝质体最为常见（图2b），粒间孔次之（图2c），晶间孔零星可见，见于簇状分布的黄铁矿晶体之间（图2d）。同时也常见开放的微裂隙（图2e），微裂隙中偶见方解石充填（图2f）。

图2 研究区3# 煤层显微孔-裂隙结构Figure 2. Micropore-fracture texture of coal seam No.3 in the study area

分析研究区3#煤层的22个样品氦气孔隙度测定值发现，整体上该煤层的孔隙度值变化范围较大，样品测定孔隙度的平均值为3.99%，最大值为9.46%，最小值为0.68%，其中孔隙度值大于5%的样品仅占31.82%，这表明该区3#煤层孔隙度值整体偏低。本区3#煤层渗透率变化范围较大，有时可相差1～3 个数量级，但通常渗透率值小于5mD。

3 孔渗参数模型

针对煤层独特的双重孔隙结构，本文主要以总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝渗透率等3 个参数来进行表征。煤层气的吸附储集空间主要是基质孔隙，而渗流则主要靠裂缝孔隙。煤层裂缝孔隙多由割理组成，决定着渗透率大小。

3.1 总孔隙度

在常规煤层气测井中，孔隙度系列主要包括声波时差、补偿中子、补偿密度等。由于煤岩孔裂隙发育，性脆易碎，钻孔中煤岩段常存在扩径现象，声波时差计算煤岩总孔隙度不可靠，同时，煤岩本身的水分及有机质干扰含氢指数，采用补偿中子也不准确。因此，本文以密度测井根据体积物理模型来计算煤岩总孔隙度：

式中，ρma、ρb、ρf分别表示煤岩骨架密度、测井密度、孔隙流体密度，单位为g/cm3。φD表示煤岩总孔隙度，小数。

在利用（1）式进行计算时，通常是根据区域实际情况，选取一个具有代表性的固定值作为煤岩骨架密度。由于本区煤岩组分含量变化范围较大，煤岩样品测试得到的真实密度值变化范围也很大，因而，将煤岩骨架密度作为一个固定值用以求算总孔隙度是不准确的。本文引入一种浮动方法进行处理。即将（1）式中的煤岩总孔隙度φD替换成测试孔隙度φS，经过一轮公式变形，得到公式（2），即一种可根据已知量反算的煤岩骨架密度值求法：

现利用部分关键井的孔隙度测试数据及合理的流体密度计算出煤岩骨架密度值。基于煤岩骨架密度与密度测井值之间存在线性关系的基本认知，将两者线性拟合，得估算公式，相关系数R为0.9984：

结合公式（3）和（1），即可完成煤岩总孔隙度的求算，此即变骨架密度值法。为检验该方法的准确性，本文选取沁水盆地南部地区樊庄区块8口取心井3#煤层的22块岩样，计算其测井总孔隙度，计算结果与实测结果之对比见图3。结果表明，除少数样品由于其实测值过小导致相对误差偏大外，大部分实测值与测井计算值吻合较好。这表明了该方法在本区是适用的。由于各地区的骨架密度拟合公式系数不同，本方法在应用中需获得关键井的煤岩孔隙度测试数据。

图3 3#煤层煤岩总孔隙度模型计算值与实验测定值对比Figure 3. Comparison of model-based calculated andmeasured values of total porosity of the coal rock of coal seam No.3

3.2 裂缝孔隙度

本文基于研究区域3#煤层光亮型煤为主、网状裂隙发育的煤层气储层特点，选取Aguilera.R.的裂缝立方体模型[6～8]，以阿尔奇公式为基础，进行裂隙孔隙度求算。

图4 Aguilera.R.裂缝立方体模型[6]Figure 4. Aguilera.R.fracture cube model[6]

裂隙立方体模型（图4）是一种理想化模型，假定面割理和端割理将煤岩切割成大小均一的立方块，若以其体积为单位1，将煤岩基质块边长换算为小数x，则每个单位立方块中的裂缝空间（也即裂缝孔隙度）为：

经严格推导，地层因子F为[7]：

据Archie原始文献[9]：

式中，Rw、Ro、Rt、φ、Sw、m、n、I依次代表地层水电阻率、饱含水地层电阻率、地层真电阻率、孔隙度、含水饱和度、孔隙度指数（胶结指数）、饱和度指数及电阻率增大系数。

根据公式（6a）推导得裂缝孔隙度指数与地层因子和裂缝孔隙度的关系式如下：

煤层气测井系列中深、浅侧向电阻率（RLLD和RLLS）分别反映原状地层和冲洗帯地层，原状地层的裂缝孔隙中自由流体为地层水，未被泥浆侵入；冲洗带地层则相反，裂缝孔隙中的地层水已为泥浆滤液所替换。由于煤岩层的双孔隙结构，我们一般认为其流体由基质孔隙束缚水和裂缝孔隙自由流体两部分组成，基于公式（8），深、浅侧向电阻率可被分别表述为公式（9）和公式（10）：

我们认为冲洗带完全为泥浆滤液所侵入（即Sxo=1），基于此，对（11）式作如下两种情形下的变形：①原状煤层饱含水（Swf=1），此为大多数情况；②原状煤层不含水（Swf=0），分别对应得到（12a）式和（12b）式。

上述各式中，RLLD、RLLS、Rmf分别表示深侧向、浅侧向、泥浆滤液电阻率，单位为ohm.m；φb、φ2分别表示基质、裂缝孔隙度，小数；Swb、Swf、Sxo分别表示基质、裂缝原始及冲洗带含水饱和度，小数；mb、mf分别表示基质、裂缝孔隙度指数，小数；nb、nf分别表示基质、裂缝饱和度指数，小数。

本文求算裂缝孔隙度采用一种循环迭代的方法，具体公式参照（4）式至（12）式，以比较两次计算得到的φ2误差是否在精度范围内来控制迭代进程，求算流程详见图5。

图5 求算裂缝孔隙度的迭代法流程图Figure 5. Flow chart of the iterative method for calculating fracture porosity

3.3 裂缝渗透率

一般而言，煤岩的裂缝渗透率和裂缝孔隙度之间存在一定的正相关关系。本文综合前人的数值模拟成果[10～11]进行裂缝渗透率求算。如若今后测试资料丰富，可以尝试用测试值对计算的渗透率进行标定，得出相应的地区系数，增加该方法的适用性。

Faivre等人分垂直、水平裂缝，分别得到了（13）式和（14）式两种数值模拟结果[10]。简而言之，对于垂直裂缝，深、浅双侧向电导率之差与裂缝宽度、侵入泥浆成正比关系，而对于水平裂缝，则是深侧向电导率与基质块电导率之差。

上两式中，w垂直与w水平分别表示垂直与水平裂缝宽度，单位为μm；CLLS、CLLD、Cb分别表示深、浅侧向及基质块电导率，单位为mS/m，Cm表示泥浆电导率，单位为S/m。

需要特别指出的是，在本文中，把双侧向测井响应的正负差作为判断垂直裂缝和水平裂缝的依据，正差异（RLLS＜RLLD）为垂直缝，负差异为水平缝（RLLS＞RLLD）。计算出裂缝宽度和裂缝孔隙度后，根据侯俊胜等[11]立方体模型下的裂缝渗透率计算公式，可以得到裂缝渗透率：

4 模型应用效果分析

本文以沁水盆地南部地区的樊庄区块华固4-14井为例，利用本文得到的孔隙度、渗透率测井模型，对下二叠统山西组3#煤层（即782.10～788.50m）进行了处理与解释，图6 为处理成果图。华固4-14 井782.10～788.50m段在测井曲线上，煤层特征明显（深侧向电阻率：745～11000ohm.m；补偿中子：41%～47%；补偿密度：1.30～1.52g/cm3；补偿声波：400～450μs/m；自然伽马：29～106API），厚度大，煤质好，灰分含量低，吨煤含气量高，是综合解释上的较好煤层气储集层。微电阻率扫描成像结果证实，该段煤层裂缝较为发育。

从图6中可以看到，测井计算的煤岩总孔隙度结果与煤岩岩心测试结果两者吻合得较好。而在782～783m之间，裂隙孔隙度与裂隙渗透率的计算结果明显失真，有时裂隙孔隙度甚至超过了总孔隙度，井径曲线证实，可能由于煤层煤质较软，该井段井眼扩径明显，而裂隙孔隙度与裂隙渗透率的计算结果均深受深浅电阻率的差值影响，扩径导致深浅侧向电阻率差值变大，从而致使计算结果失真。由此可见，深浅电阻率的测井质量对于裂隙孔渗参数的准确求算至关重要。

除上述扩径井段外，本文模型处理得到的裂缝孔隙度总体小于2%，裂缝渗透率主要分布在0.001×10-3～5×10-3mD之间。本研究区3#煤层8口取心井测试结果表明（表1），本文模型的计算结果具备较高的可靠性。同时，裂隙孔、渗参数计算结果与微电阻率扫描成像成果亦颇为吻合，其中在该煤层下部787.0～787.5m发育一层夹矸，夹矸下部发育有低角度裂缝，这些都在裂缝孔渗参数的计算结果上有良好显示。

表1 樊庄区块3号煤层裂隙孔隙度及渗透率检测结果Table 1.Test results of fracture porosity and permeability of coal seam No.3 in the Fanzhuang block

综上所述，本文基于区域煤层气储层特征实际情况建立的总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝渗透率等参数的测井解释模型具有较高的精度，可为后续的煤层气生产开发工作提供有力的支撑。

图6 华固4-14井3# 煤层（782.10～788.50m）孔渗参数处理成果图Figure 6. Results of treatment of porosity and permeability parameters of coal seam No.3（782.10～788.50m）in Huagu Well 4-14

5 结论

（1）沁水盆地南部地区樊庄区块3#煤层是一套全区稳定分布、厚度大、煤质好的良好煤层气储层。3#煤层以无烟煤为主，宏观煤岩类型以光亮型为主。煤岩密度变化范围大，网状裂隙发育。

（2）3#煤层煤样普通显微镜与扫描电镜成果研究表明，其显微孔隙按成因可粗略分为属于次生孔隙的气孔，及属于原生孔隙的植物组织孔、粒间孔、晶间孔等。此外还有裂隙、气孔、原生孔隙均较常见，同时常见开放的微裂隙，微裂隙中偶见方解石充填。

（3）3#煤层的孔隙度值、渗透率值变化范围均较大，且整体偏低。本文根据研究对象实际情况，采用变煤岩骨架密度值法计算煤岩总孔隙度，以裂缝立方体模型迭代法计算煤岩裂缝孔隙度，进而求算裂缝渗透率。解释模型经研究区华固4-14井3#煤层实际处理之验证，达到了较高的精度。