基于地質主控因素的阜康示范區煤層氣富集高產特征研究

馬 婷

(新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830009)

1 研究區基本概況

研究區總體構造為地層南傾的單斜構造，走向為近東西向，傾角范圍為30°～58°，平均為46°，示范區為簡單構造類型。主要含煤地層為八道灣組下段，它們是煤層氣勘探主要目標層，煤層深在500～1200m。

八道灣組是示范區內目標含煤層，通過鉆井資料的取心結果和測井解釋結果分析可知，39號、41號、42號煤層厚度較大，分布穩定，為示范區的目標煤層。三層主力煤層鏡煤最大反射率為0.6%～1.01%，均屬于氣煤。

研究區目標煤層39號、41號、42號埋深在500～1200m之間，埋深總體為南深北淺，東南埋藏最深，西北埋藏最淺。

研究區內目標煤層39號煤頂板大部分為砂質泥巖，局部為砂巖，41、42號煤的頂底板均為含水性和滲透性弱的泥巖或者砂質泥巖，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

2 煤儲層含氣性及物性特征

2.1 含氣量

研究區煤層氣排采為三層合采，取芯解吸實測含氣量是分層測試的，39號煤層實測含氣量區間值為8.71～15.24m3/t，41號煤層含氣量區間含氣量值為13.81～19.74m3/t，42號煤層實測含量區間值為11.2～18.58m3/t，實測含氣量總體較高。

以往對煤層含氣量的評價和預測方法主要有鉆孔巖心實測含氣量法、煤層含氣梯度法、基于朗格繆爾方程的煤層含氣量預測方法和地質統計分析法等，近年來國內外研究學者通過地球物理測井的方法實現對含氣量的預測。研究區取芯井較少，為預測示范區煤層氣甜點區，需得到單井含氣量的分布，本文利用測井參數多元擬合實現研究區含氣量的全區預測，估算含氣量值分布在7.67～14.04 m3/t，含氣量相對較高。

2.2 煤體結構

通過巖心觀測，研究區取心井39號煤層煤體結構分布有碎裂-碎粒煤、碎粒煤及碎粒-碎粒煤，整體煤層較破碎，41號煤層分布有原生-碎裂煤、碎裂-碎粒煤及碎粒-糜棱煤，煤體結構相對較碎裂，42號煤層有碎裂煤、碎裂-碎粒煤、碎粒-糜棱煤及糜棱煤，各種程度的破碎煤均有分布。鉆孔煤心描述是最直接獲取煤體結構的方法，但對未取芯井的資料無法獲取，煤體結構是決定煤儲層滲透率關鍵的因素，故煤體結構的分布預測至關重要，本論將煤體結構量化為表征值，采用測井參數建立煤體結構解釋模型，以獲得煤體結構在研究區的分布預測。

研究區較完整煤，即原生結構煤、原生-碎裂煤、碎裂煤的厚度在4.95～49m，分布于研究區的西部及東部，中部破碎煤厚度較大，煤體結構較完整的煤層滲透率高且改造性強，有利于煤層氣的保存和運移，而破碎煤滲透率極差且不利于煤層氣的保存。

2.3 儲層滲透性

根據注入/壓降測試的結果，39號煤層的滲透率在0.03～4.23mD之間，平均滲透率為1.54mD；41號煤層的滲透率在0.0045～0.25mD之間，平均滲透率為0.12mD；42號煤層滲透率在0.01～0.18mD之間，平均滲透率為0.073mD。

研究區的目標煤層不同程度地有較完整煤和破碎煤，破碎煤厚度比例介于23%～86%，且在研究區均有較大的差異，詳見表1，滲透率介于 0.06～0.14mD，屬于低滲到中滲儲層。

表1 破碎煤厚度比與滲透率分布表

2.4 煤層孔隙度

采用煤巖壓汞、氦密度法、密度法和測井等手段來獲取煤層孔隙度。前者所測試的煤巖孔隙多為裂隙孔隙度，在壓力較小時，汞不能進入煤巖基質孔隙，從而使孔隙度測定值普遍較低；氦密度測定法數據雖然精確，但受試驗環境、手段和經濟條件等因素的制約；而密度法和測井孔隙度數據目標來自生產，所獲得的孔隙度具有數據相對準確、易獲取的特點。

研究區實測煤層的孔隙度不高，39號煤層孔隙度區間為2.8%～8.5%，41號煤層孔隙度在 3.6%～9.4%之間，42號煤層孔隙度在3.2%～7.7%之間，均小于10%，煤層取芯井實測孔隙度表明，區塊內目標煤層的孔隙度不高，屬于低孔隙度儲層。另外利用煤樣化驗測試，獲取煤的真密度和視密度，其差值可以估計煤儲層的孔隙度。本區共利用了4口井的煤樣分析資料，通過統計，目標煤層39號煤的孔隙度在2.5%～13.3%，平均約7.6%；目標煤層41號煤的孔隙度在2.8%～14.5%，平均約8.3%；目標煤層42號煤的孔隙度在3.2%～10.8%，平均約6.9%。

由于兩種方法的原理不同，且在測試過程中，受設備等條件的影響，因此，兩種方法測試的結果有一定的差距。但無論哪種方法，主力煤層的孔隙度最大為14.5%，屬于低孔隙儲層。

由于實測孔隙度的值不能整個覆蓋研究區，因此為獲取研究區孔隙度的分布，依據煤儲層孔隙度的測井響應機理分析，選取在理論上具有一定相關性的測井曲線，根據所選取的測井曲線在研究區空間以及單井上的展布特征，進行測井參數表征形式的變化使得到的測井參數所組成的參數矩陣具有較穩定、較小波動的分布特征。從而建立適合于研究區的孔隙度測井回歸計算模型，而后進行多元擬合分析，獲取系數的參數，表征解釋模型，而后進行解釋成果的驗證，最終得出適合于研究區的孔隙度解釋模型。

3 煤層氣富集高產地質評價體系的建立及富集高產特征研究

3.1 煤層氣富集高產的地質影響因素

煤層氣井的開發是將賦存在煤層中的甲烷氣體通過一系列的工程技術手段將其產出，能否形成較高的商業價值目標取決于達到規模性產量的開采有效性。不論何種開采工藝，較好的產氣效果均需要煤儲層具有一定的資源量，而能否將這些豐富煤層氣資源產出則需要煤層氣具有較好的解吸能力，煤層也需要具有較好的滲透、流動通道，即較高的煤層氣運移能力。同時，煤儲層賦存的構造環境的強弱、煤體結構的好壞等也影響著開發工程的有效、順利實施。

(1)資源量

在一定的煤儲層賦存環境下，煤層氣的資源量即富集是煤層氣井獲得高產的必要條件。通過研究區沉積相與煤相的研究發現，在煤層縱向展布中，煤層的形成環境存在一定差異，使得煤質演化程度不同，從而在縱向展布上并非是均質唯一的，煤層氣井的開發涉及到了各工程地質條件在煤層縱向各段中的有效匹配性，而含氣量這種縱向非均質性必然會到各種因素匹配的有效性降低，所以煤儲層的資源量同樣也需要考慮煤層氣縱向展布的均一性。

(2)滲透性

煤層滲透率反映著氣、水在煤層中運移能力，是煤體固相基質、孔隙以及流體三者共同作用的直接反應，較低的煤層滲透率難以形成有效連續的氣水流動，同時還容易受到開采動態過程的影響而產生較大的敏感性，直接制約著煤層氣的開采效果，較高的煤層滲透率是形成煤層氣富集高產的保障。同時，如煤層含氣性在縱向空間中的展布差異一樣，由于煤層煤相的差異使得煤體自身發育的原始孔滲結構不同，使滲透率的展布出現差異，同時煤相的差異還影響煤層煤質、結構，使其在受到后期地質演化活動作用時的響應不同，作用煤體后期的滲透率變化不同，綜合原始孔滲結構的差異，煤體滲透率在煤層段縱向空間中也表現出了一定的非均質性，也會使得各工程地質參數間匹配的有效性降低而制約煤層氣的富集高產。

(3)解吸能力

煤層中的甲烷目標以吸附狀態賦存在煤層之中，甲烷的產出需首先排采煤層中水以降低煤層孔隙中的流體壓力，當壓力降低至甲烷氣體的臨界解吸壓力以下時即發生解吸轉化為游離態，才可在壓差的驅動下運移產出煤層，從而煤層氣解吸的難易程度就制約著煤層氣開采效果的好壞。臨儲比是煤層甲烷氣體臨界解吸壓力與儲層壓力間的比值，可直接反映煤層氣排水降壓的難易程度，臨儲比越低，排水降壓的幅度越大，難度增加，工程量變大，敏感度煤層氣儲層受到的影響越大，越不利于煤層氣的高效產出。

(4)煤體結構

可依據破壞程度主要劃分為原生結構、原生-碎裂、碎裂結構、碎裂-碎粒、碎粒結構、碎粒-糜棱以及糜棱結構。煤體結構的差異一方面影響著煤層滲透率的大小，另一方面在區域上產生了較大非均質性，影響著煤層氣的壓裂、排采工程實施從而制約著煤層氣井的產能。

(5)圍巖條件

研究區中南部目標煤層頂底板目標分布著泥巖、砂巖以及部分灰巖，基于研究區目標含煤段沉積相的研究可知，泥巖間的煤層大都穩定，煤質較純，灰分含量較低，保存較好的結構，從而泥巖對煤層的封蓋效果較好。而砂巖由于孔隙空間相對較大而不利于煤層氣的聚集。灰巖則由于常含有較大的溶蝕空間，也會造成甲烷氣體的逸散，同時灰巖含水量較大，易與煤層發生水動力聯系而影響開采效率降低產氣效果。

(6)水文地質條件

煤層氣吸附在煤層孔隙中，受到了來自周圍巖層以及水流的封堵作用，地下水的滯區對煤層有較好的封閉作用，有利于煤層氣的富集，而徑流區由于地下水流動性強，會增強煤層氣的逸散，不利于煤層氣的富集。區域構造環境的復雜與否目標反映了應力作用對煤層氣富集的影響，其在一定程度上反映著地質演化作用的強烈程度，影響區域上煤體結構破壞程度、煤層頂底板對煤層氣的封存好壞，從而對煤層滲透率與含氣量有著一定影響，同時還決定著開發工程實施等方便性從而影響煤層井的富集開發。

3.2 煤層氣富集高產目標評價

通過對煤層氣富集高產影響因素的分析，可得出含氣量、煤層厚度、滲透率、臨儲比、煤體結構、火燒距離、頂底板巖性以及構造復雜程度幾項關鍵因素，在此基礎上本文根據模糊評價的方法，通過矩陣運算，專家打分量化各因素對研究區富集開發的貢獻分值和權重，劃分等級建立區域地質指標評價體系進行富集高產評價，詳見表2。

表2 研究區富集高產評價體系

研究區煤層氣富集高產評價總分分布在42～77之間，較高富集區與較差富集區均有分布，研究區總體從西部至東部呈現出高產-低產-高產-低產的富集規律，這是由于研究區位于北天山褶皺帶，褶皺的作用使得研究區煤層氣富集呈現此規律，研究區煤層氣富集高產特征的研究對新疆煤層氣的開發具有重要意義。