貴州比德區塊煤巖儲層特征及富集主控因素分析

謝廣龍

(中石化勝利石油工程有限公司地質錄井公司，山東東營 257100)

煤層氣作為一種非常規天然氣，資源量高達36.81×1012m3，在我國具有巨大的儲量和極小的勘探程度等優勢[1]。本文結合近幾年在貴州比德區塊所做的地質研究及開發實踐情況，對貴州比德區塊煤層氣地質特征有一些深刻認識，逐漸明確了該區塊煤層氣富集的主控因素，最后制定了研究區優選原則，并圈定了有利區。該區作為貴州煤層氣勘探開發的先導試驗區塊，對我國南方地區煤層氣勘探開發有一定的借鑒意義，特別是對貴州西部煤層氣的勘探開發具有較高的指導作用。

1 煤系地層特征

比德區塊位于比德向斜西南翼中段[2]。燕山運動是區內最明顯的一次構造變動，形成一系列短軸褶皺和逆沖斷層，控制了區內含煤巖系的沉積和構造面貌[3]。背斜處煤層多被剝蝕，煤層彼此孤立地僅保存在向斜中，也是煤層氣賦存的最佳處所[4-6](圖1)。晚二疊世龍潭組為該區主要含煤地層，巖性由細砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。含煤地層埋深多在1 500 m以上，龍潭組厚一般為340 m左右，含煤27～54層，含煤總厚平均為39.84 m，含煤系數為11.7%。

圖1 黔西構造略圖Fig.1 Sketch map of Qianxi structure

1.1 煤層垂向上分布特征

由于研究區沒有進行地震勘探，因此煤層空間分布研究主要依據煤層氣探孔及地表露頭展開。該區煤層垂向上，依據沉積旋回分為上、中、下3個煤組，上煤組含2#、3-1#、3-2#、4#、5#、5-1#、6-1#、6-2#、7#共9層煤層，煤層層數、間距及厚度較穩定；中煤組為薄層煤，煤層層數、間距及厚度變化較大，煤層不穩定；下煤組主要含30#、32#、33#3層，煤層層數、間距及厚度有一定變化(圖2)。該區上煤組埋深較淺，單層厚度較大，累計厚度大，煤層垂向間距較小，因此本文研究主要是針對上煤組煤層。

1.2 煤層頂底板特征

煤層頂底板是影響煤層氣含量的重要地層因素，尤其是直接頂板的厚度和巖性直接決定著煤層氣是否能夠突破頂板毛管壓力向上突破散逸[7-8]。一般來說，泥巖和孔洞—裂縫不發育的灰巖是較為理想的頂板巖性，泥質粉砂巖、灰質粉砂巖有時也具有良好的氣體封存能力。比德區塊主力煤層6#煤層頂底板主要發育泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖，頂底板厚度發育基本穩定(圖3)。

2 煤巖儲層特征

2.1 煤巖類型及變質程度

宏觀上通過煤巖巖心觀察發現，比德區塊各煤層多以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤和絲炭條帶，煤巖類型主要為半亮型煤、半暗型煤，少量半亮—半暗型煤和暗淡型煤。煤巖性較脆，中等解理，參差—階梯狀斷口，以條帶狀結構為主，局部見透鏡狀結構，粉狀—塊狀構造。比德區塊主力煤層煤體結構較完整，煤巖層間非均質性強，同一口井不同煤層的煤體結構、煤巖割理、煤巖光澤、破碎程度都有很大差異(圖4)。

圖2 比德區塊龍潭組煤層垂向分布示意Fig.2 Sketch map of vertical distribution of Longtan formation in Bide block

圖3 比德區塊直接頂底板厚度柱狀圖Fig.3 The histogram of the thickness of direct top and bottom slab of Bide block

圖4 比德區塊煤巖巖心照片Fig.4 Photo of coal rock in Bide block

微觀上根據煤巖鑒定資料，煤的顯微組分含有機組分和無機組分，有機組分又可分為鏡質組和惰質組兩大類，本區微觀煤巖類型為微鏡惰煤[9-11]。煤巖成分有機總量為73.81%～85.14%，其中鏡質組約為80%，惰質組約為15%；無機總量為14.86%～27.91%。有機質豐度高，礦物以黏土礦物為主，含量為6.47%～15.21%，少量石英和方解石。煤巖變質程度較高，以貧煤、貧瘦煤為主。鏡質體最大反射率最大為2.12%，最小為1.52%，變質階段為Ⅳ～Ⅵ階段(表1)。全區煤層鏡質組最大反射率隨埋藏深度的增加而增大，表示煤的變質程度隨埋藏深度的增加而增強[12-13]。

2.2 煤巖物性

煤層氣在煤儲層中的運移須經過煤基質中的孔隙和裂隙系統，孔隙和裂隙構造了煤儲層的結構要素之一，由此形成了兩個層次的煤儲層內部結構[14-15]。

表1 煤巖微觀組成鑒定成果Table 1 The micro-composition of coal and rock identification results

2.2.1 煤巖孔隙結構

核磁譜圖呈現“雙峰”特征，表現出煤巖雙孔隙結構的特征[16]，但前峰峰高和面積明顯高于后峰，表明孔隙以微小孔隙為主，大孔隙及割理孔隙欠發育(圖5)。

圖5 比德區塊煤層巖心樣品核磁共振譜圖Fig.5 NMR spectra of core samples in Bide block

巖心宏觀、微觀觀察統計，面裂隙密度為5條/cm，局部面裂隙密度可達 10條/cm，面裂隙長度一般大于 5 cm，有方解石脈充填，表面形態顯平直狀，少量為彎曲狀，主要呈矩形網狀組合類型，少量不規則狀(圖6)。總體表現為隔理較發育，密度和方向發育不均勻，有利于煤層滲透性的提高，但部分裂隙中黃鐵礦或方解石脈充填對滲透性具一定負影響。

圖6 比德不同煤層宏觀裂隙發育特征Fig.6 Macroscopic fracture characteristics of different coal seams in Bide block

從比德區塊煤巖的掃描電鏡圖片可以看出，區塊內煤儲層微孔隙較發育，以有機質溶蝕孔為主，有機質熱解殘孔次之，孔徑主要分布在1～8 μm，孔徑中值為4～5 μm，部分樣品溶蝕孔被絲片狀伊利石及次生石英半充填，溶蝕孔內可見球狀黃鐵礦、菱鐵礦等次生礦物，面孔率為0.3%～1.0%(圖7)。

圖7 比德區塊煤樣掃描電鏡圖片(次生孔隙發育及充填情況)Fig.7 Picture of coal sample scanning electron microscope (secondary pore development and filling condition) in Bide block

由于有機質含量高、熱演化程度高，原生粒間孔不發育，部分殘余原生孔隙表面附著絲片狀伊利石等黏土礦物；在灰分含量高的煤巖中偶爾見到較大的礦物原生粒間孔亦被絲片狀伊利石所充填。部分煤樣發育少量外生裂隙，裂縫主要是構造張性縫，縫寬2～3 μm，裂縫延伸較曲折，繞開較大的礦物顆粒，成開啟狀；偶爾見到非構造縫，主要是同生期形成的一些礦物結核所伴生的微小裂縫，縫寬1 μm左右，沿結核邊緣向外發散分布(圖8)。

圖8 比德區塊煤樣掃描電鏡圖片(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

綜上所述，比德區塊及鄰區牛場區塊煤巖原生孔隙不發育，主要的孔隙類型是次生有機質溶蝕及熱解殘余孔，外生裂隙則以構造張性縫為主，煤層滲流通道發育，滲流力強，對煤層氣開發有利。

此外，從比德區塊煤巖的壓汞試驗來看(圖9)，區塊內煤樣的進退汞曲線分離程度整體較低，說明區塊內煤儲層孔喉均一性比較好，有利于煤層氣的滲流[17-18]。但不同的煤層其壓汞曲線亦有較大差異，3#煤層壓汞曲線顯示其大孔隙較少，微細孔較發育，表現為進汞壓力較其他煤層大，地層壓力5 MPa條件下進汞量也較低，退汞曲線顯示泄壓后煤巖殘余汞量較高，體現出煤巖較高的束縛水孔隙度；6-1#煤層壓汞曲線顯示其大孔隙較發育，表現為進汞壓力較其他煤層小，地層壓力5 MPa條件下進汞量高，退汞曲線顯示泄壓后煤巖殘余汞量較低，體現出煤巖較高的可動流體孔隙度，滲流性能亦明顯優于3#煤層；5#煤層壓泵試驗顯示其物性界于3#與6-1#煤層之間。

圖9 區塊上煤組主力煤層煤樣壓汞曲線Fig.9 The mercury-pressure curves of coal sample in main coal seam in Bide block

煤巖巖心核磁共振、掃描電鏡、壓泵試驗等分析技術一致表明，比德區塊6-1#煤層具有大孔隙及割理系統發育、滲透性能好、可動流體孔隙度高等特征，顯示出較好的煤層氣開采潛力。

2.2.2 煤巖物性參數

比德區塊目前鉆探煤層氣探井2口，物性數據主要來自測井計算。比德區塊比1井、比2井測井解釋成果表明，2#～33#煤的滲透率為0.06～0.27 mD，孔隙度為0.9%～2.9%(表2)。除此之外，比德區塊、牛場區塊煤心核磁共振分析孔隙度為3.58%～7.38%，滲透率為0.01～0.73 mD。對比1井6#煤層進行了滲透率測試，測試滲透率為0.24 mD。該區整體煤巖物性差，多煤層氣開采有較大的負面影響。

2.3 含氣性評價

黔西北煤層甲烷區域分布呈現賦煤構造單元區域賦存、向斜控氣的總體特點[9,19]。比德區塊各煤層的煤層氣含量平均為12.62 m3/t，換算后煤層氣含量平均為12.11 m3/t。

比1井鉆遇煤層時氣測全烴2.40%↗96.93%，C1由1.99%↗93.76%，鉆井液相對密度由1.09單位↘1.05單位，黏度由35 s↗42 s，槽面見無色透明氣泡，占槽面的15%，煤層氣顯示活躍，比1井測井校正含氣量為14～16 m3/t；比2井鉆遇煤層時氣測全烴0.41%↗35.90%，C1由0.18%↗32.17%，鉆井液相對密度由1.06單位↘1.03單位，黏度由35 s↗43 s，槽面見無色透明氣泡，占槽面的25%，上漲2 cm，煤層氣顯示活躍，比2井測井校正含氣量為15～20 m3/t(圖10)。

表2 比1、比2井測井孔隙度、滲透率分析數據Table 2 Well B1 and B2 logging porosity and permeability analysis datasheet

圖10 比1、比2井測井解釋含氣量Fig.10 Well B1 and B2 logging interpretation of gas content

比德區塊煤心解吸資料表明，煤層甲烷濃度為 6.18%～100.00%，平均 為86.13%；氮氣濃度介于 0.01%～61.67%，平均 為10.57%；重烴濃度介于 0.01%～92.84%，一般小于 1%。煤層氣氣體組分中甲烷含量較高，比2井氣組分中甲烷含量為94.9%～99.21%，平均為97.82%，含少量C2～C6約為3.5%，少量CO2；比1井氣組分中甲烷含量平均為92.04%(表3)。

表3 比1井氣體組分檢測結果Table 3 Well B1 test results for gas component

3 煤層氣富集主控因素

3.1 主控因素分析

3.1.1 應力—壓力對煤層氣的控制作用

地應力場最小主應力的高低，對煤儲層滲透率和地層能量區域分布差異具有顯著的控制作用[11,20]。經研究發現，比德向斜最小主應力分布為17～21 kPa/m。研究區內超壓煤儲層廣泛發育，且從東向西超壓頻率增大，揭示出構造背景對煤儲層流體壓力系統具有差異控制作用。

3.1.2 煤體結構對含氣量的影響

煤體結構是煤巖重要的地質學屬性，煤體結構與含氣量具有較強的相關性：煤體結構越完整，煤巖解吸含氣量也越高；分析認為，完整的煤體結構具有較好的孔隙結構和割理系統，有利于煤層氣的解吸和產出。可見良好的煤體結構是煤層氣高產的基礎條件(圖11)。

圖11 比德區塊煤體結構與含氣量相關圖Fig.11 Correlation diagram of coal structure and gas content in Bide block煤體結構規定： 1為原生；2為碎裂；3為碎粒；4為糜棱。

3.1.3 煤體結構及滲透率對煤層氣產出的影響

應用煤層氣數值模擬軟件SMI分別在不同滲透率下、不同煤體結構下排水采氣一年，測量井下壓降漏斗的擴散范圍和強度(圖12)。

成果表明，相同的其他條件下，煤層氣井排水采氣一年，煤巖滲透性越強，其相同時間內的解吸面積和解吸程度越高；相同條件下原生結構煤層的解吸面積和解吸程度遠高于碎粒結構煤和糜棱結構煤，并表現出煤體結構越破碎其相同時間內的解吸面積和解吸程度越低。

3.2 灰色關聯計算

大量的煤層氣開發數據已經證明，煤層含氣量是影響煤層氣產能的最主要因素，其他各因素通過影響煤層含氣量而或多或少影響煤層氣產能。以含氣量為主因素，其他為子因素，通過灰色關聯分析，計算出各個子因素對主因素的關聯度：

圖12 煤層氣滲透率及煤體結構對煤層氣產出數值模擬情況Fig.12 Numerical simulation of coalbed permeability and structure to methane output

歸一化處理后，得出各因素的權重系數為：

通過巖心試驗、數值模擬、數學統計、關聯計算等手段，初步認為：一定地質背景下，影響比德區塊煤層氣產量的主要因素是煤巖含氣量、滲透率和煤層厚度(圖13)。

圖13 煤層氣富集各因子權重比重Fig.13 The weight proportion of various factors in coalbed methane enrichment

根據比德區塊煤層氣地質特征和煤層氣富集主控因素，制定了該區煤層氣開發有利目標區優選原則：①避開風化帶(甲烷組分>80%)；②避開煤礦采掘區300 m以上；③構造條件好，離斷層150 m以上；④煤體結構好，避開碎粒、糜棱煤；⑤煤層厚度大，上煤組厚度大于5 m；⑥含氣量大于10 m3/t，飽和度大于60%；⑦勘探研究程度較高，實測資料豐富；⑧地形條件好，可集中布置井網。

4 結論

(1)比德區塊主要含煤地層是晚二疊世龍潭組，一般含煤35層，含煤平均總厚39.84 m，含煤系數為11.7%。依據沉積旋回分為上中下3個煤組，上煤組含煤層層數、間距及厚度較穩定，是煤層氣開發的主力層系；中煤組為薄層煤，煤層層數、間距及厚度變化較大，煤層不穩定；下煤組煤層層數、間距及厚度均較小。橫向上煤層呈北西—南東向展布，層數變化不大，但煤層厚度變化較大，厚度中心基本一致，均位于比1井西南方向。

(2)比德區塊煤巖類型以半亮型煤、半暗型煤為主，主要是碎裂結構及原生結構。煤巖成分上鏡質組含量高，無機物含量中等，綜合認定為中低灰微鏡惰煤。該區塊煤巖熱演化程度高，主要處在貧瘦煤高變質階段，因此整體來說低孔低滲，孔隙度為1.2%～2.1%，滲透率為0.01～0.30 mD。煤巖雙孔隙結構發育，孔隙以微小孔隙為主，大孔隙及割理裂隙較發育，具有較高的煤層氣開發價值。

(3)依據錄井含氣性研究、測井含氣性評價、等溫吸附特性研究，該區煤層含氣量較高，各主力煤層平均含氣量為16.5 m3/t，其中平均甲烷含量高達92%，煤層氣品質好，煤層甲烷含量隨埋深增加而增大，但局部存在異常。

(4)依據開發數據，結合煤層氣數值模擬，明確煤層氣含量、滲透率、厚度等3大煤層氣富集主控因素。根據地質特征和富集主控因素，制定了該區煤層氣開發應避開風化帶、采掘區、斷裂發育去等瓦斯逸散區，重點考慮煤體結構好、埋深適中、高滲透、高含氣地區的有利目標優選原則。