山西柳林地区煤层气储层孔渗发育特征研究
基金项目:国家科技重大专项示范项目62(20092×05062)
作者简介:梁麟，出生于1983，男，工程师，硕士，2009年毕业于中国矿业大学(北京)，现就职于中联煤层气有限责任公司国际合作勘探部，从事含油气盆地分析和煤层气勘探利用研究。010-64298881,atlan-tics@foxmail.com
(中国联合煤层气有限责任公司北京100011)
通过国家重大科技专项“大油气田及煤层气开发”和“鄂尔多斯盆地石炭系、二叠系煤层气勘探开发示范工程”柳林示范工程的实施，收集了大量的煤田资料，建设了煤层气先导生产井，研究了柳林地区煤层气储层的孔渗发育特征。结果表明，该区煤岩孔隙度主要受煤化程度、显微组分、矿物含量和煤结构的影响。煤层渗透率变化较大，渗透率相对较低，具有较强的非均质性；总的来说，渗透率从东北向西南有降低的趋势，太原组煤层渗透率低于山西组。
关键词:孔隙度可变渗透率柳林区块煤层气
山西柳林煤层气区块孔隙度和渗透率特征
林良·姚勇·黄晓明
(中国联合煤层气有限责任公司，北京100011，中国)
摘要:“鄂尔多斯盆地石炭系和二叠系煤层气勘探开发示范工程”柳林示范工程是“大油气田及煤层气开发规划”国家重大科技专项之一为了研究该区煤层储层的孔隙度和渗透率特征，我们收集了大量的煤田资料和许多参数，并实施了生产井。结果表明，煤的孔隙度主要受煤化程度、显微组分、矿物含量和煤的形状的影响。煤渗透率相对较低，变化较大，从东北向西南呈递减趋势。太原组煤的渗透率低于山西组。
关键词:柳林街区；煤层气；孔隙度；弥漫
柳林位于山西省西部，河东煤田中部，南邻石楼北块，东邻杨家坪块。行政区划隶属吕梁市柳林县穆村镇、雪村镇、庄上镇、高家沟乡、贾家垣乡。地理坐标:东经110 44 ' 00 "~ 10 53 ' 00 ",北纬37 21 ' 00 "~ 37 31 ' 00 "
1区域地质背景
河东煤田主要位于黄河东岸南北向构造带——吕梁西坡，属于李四光指出的“黄河两岸南北向构造带”的东部。煤田总体为向西倾斜的单斜构造，属吕梁复背斜西翼。在单斜上，有次级褶皱和经向或新华夏向断裂构造[1]。
柳林地区位于河东煤田中部刘璃矿区西部，南邻石楼北块，北邻三交块，构造上位于鄂尔多斯盆地东缘石鼻构造的南翼。研究区北部地层向西倾斜，从南部逐渐转向西南，一般为向西或西南倾斜的单斜构造。地层产状平缓，倾角约3° ~ 8°。在鼻状构造背景上，存在次级小褶皱，波动微弱，波动高度一般小于50 m，区内断层不发育，仅在区块北部发育由巨才塔南北向正断层及其派生的小断层组成的地堑。地表无陷落柱或岩浆活动[2]。
本区块内及周边地层为中奥陶统峰峰组(O2f)；中石炭统本溪组(C2b)和上石炭统太原组(C3t)；下二叠统山西组(P1s)和下石盒子组(p 1x)；上二叠统上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh)；下三叠统刘家沟组(T1l)和和尚沟组(t 1h)；新生代新近纪上新世(N2)；第四纪中更新统(Q2)、上更新统(Q3)和全新统(Q4)。本区共有煤层14层，其中山西组5层，自上而下编号为1、2、3、4(3+4)和5 #煤层；太原组共9层，自上而下编号为6号、6号、7号、7号、8+9号、9号、10号、10号和11号[2]。其中山西组2、3、4 (3+4)、5号煤层和太原组8+9、10号煤层为主要可采煤层[3]。
2煤储层孔隙特征
煤孔隙度是指未被固体物质填充的空间，是煤结构的重要组成部分，与煤储层的储集性能和渗透率密切相关。一般来说，随着煤阶的增加，煤中的总孔隙体积呈指数下降，总的规律是微孔和孔隙增加，大孔和微孔减少[4]。
划分孔隙有多种方案，一般采用B.B. Khodot的方案，即大孔大于1000nm，中孔1000~100nm，微孔100~10nm，微孔小于10nm。
从鄂尔多斯盆地东缘煤储层孔隙体积百分比来看，孔隙体积百分比在26.06%-66.78%之间，平均为48.75%，微孔在14.89%-39.39%之间，平均为27.47%。大孔隙次之，从5.56%到44.24%不等，平均值为16.43%；中孔最弱，为2.35%-32.98%，平均为7.33%。不同地区、不同层位的煤储层孔隙分布差异很大[5]。
杨家坪井组资料(表1)显示，柳林地区煤层孔隙以小孔隙为主，一般占煤层孔隙的40%~55%。此外，还有许多微观孔隙和宏观孔隙，中孔最不发达。平均总孔隙含量在0.0258 ~ 0.041.3 cm3/g之间，孔隙发育一般。在4MPa有效上覆压力条件下，柳林地区8号煤层平均总孔隙度为7.18%，5号煤层平均总孔隙度为3.45%，4号煤层平均总孔隙度为3.90%，其中8号煤层最佳。
表1柳林地区不同煤层孔隙发育情况(注:杨家坪井组数据)
总的来说，柳林地区总孔隙体积一般在(148~547)×10-4cm3/g之间，平均值约为323 × 10-4cm3/g..如图1，孔隙体积分布以小孔和微孔为主，特别是小孔含量较好，中孔发育最少。
图1柳林地区各类孔隙的孔隙体积比对比
柳林地区煤层压汞总孔比表面积在0.103 cm3/g ~ 0.413 cm3/g之间，小孔和微孔占总孔比表面积的绝对优势，而大孔和中孔的比例很小，过渡孔的比例略高于微孔。
3煤储层渗透率特征
研究区3+4号煤层渗透率为0.01~2.8mD，平均为0.6mDFL-EP1井渗透率较高；5号煤层渗透率范围为0.06-1.59 MD，平均值为0.7mD8+9号煤层渗透率范围为0.005-24.8 MD，平均为4.8 MD整体来看，8+9煤层渗透率明显高于3+4和5煤层，各层位渗透率呈现北高南低的特点[6](图2)。
煤岩渗透率在平面上变化很大，西部由于煤层埋藏较深，渗透率相对较低，说明煤层具有很强的非均质性。总的来说，渗透率从东北向西南有降低的趋势，太原组渗透率高于山西组。
煤储层渗透率是控制煤层甲烷产能的主导因素。渗透率一般指试井渗透率，通过试井资料得到。由于研究区探井有限，煤层气试井渗透率数据非常有限。根据现有资料，柳林地区渗透率在0.01 ~ 100 MD之间，南部渗透率好于北部。煤层气储层的渗透率受煤的结构、裂缝系统的发育程度和地应力的影响。此外，外界条件的变化，特别是储层压力变化引起的有效应力效应和基质收缩效应，对煤岩渗透率也有很大影响:
1.柳林示范区及周边地区以中煤为主，非常发育的裂缝是渗透率的主要控制因素。裂缝近东西向分布，端部裂缝与之斜交。平面上，两组裂纹以规则菱形网格为主，不规则网格次之，孤立状少见。
大孔隙特别是裂缝的发育决定了原始地层条件下储层的渗透率。裂缝的发育程度主要指裂缝的密度(或间距)、长度、宽度、裂缝宽度。它们的值越大，煤层的渗透性越好。断裂系统的发育程度与煤的成分、煤的变质程度和构造应力密切相关。光亮型煤、中变质烟煤(如肥煤、焦煤、瘦煤)、低灰煤是形成大量裂纹的最有利条件。柳林地区的煤以半光亮煤为主，煤阶以焦煤为主，有利于裂隙的形成。统计表面裂缝密度表明，裂缝密度相对较高，大部分裂缝未被填充，大大扩大了煤的渗透率[6]。
2.煤层是一种对地应力非常敏感的天然气藏。通常，地应力场被分解为垂直应力和水平应力。垂直应力是由上覆岩层的重量引起的。煤层裂隙系统的渗透率是有效应力的函数，有效应力是垂直力与地层压力之差的函数。垂直应力和地层压力都随埋深的增加而线性增加。由于岩层的密度远大于孔隙中流体的密度，可见有效应力随深度的增加而增加，裂缝系统的渗透率随深度的增加而降低。柳林地区煤层埋深从东向西向南逐渐增大，如4号煤层埋深从东部的200m增大到西南部的1250m，在地应力的作用下，渗透性有减小的趋势。
3.示范区构造应力场及其伴生的节理发育特征是控制煤储层渗透性的主要因素之一。南部节理变化较小，中部较大，表明中部地区不同方向节理相交部位可能呈网状分布，形成高渗透地层分布区。同时，统计数据表明，示范区中部的渗透性优于东、西两侧。受燕山运动影响，柳林地区地层断裂向东北方向扩展；FL-EP1井山西组3+4号煤层压裂结果表明，裂缝方向仍为北北西向，与煤层主裂缝方向一致。
图2柳林地区4、5和8+9煤层渗透率
4结论
柳林矿区所含煤系地层为上石炭统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)和下二叠统山西组(P1s)。其中，矿区具有煤层气勘探潜力的煤层为上石炭统太原组底部8+9+10煤和下二叠统山西组3+4+5煤。
两组煤层宏观煤岩类型以半亮煤和半暗煤为主，亮煤和暗煤为辅，镜质组含量高，以炼焦煤为主。小孔隙是煤层孔隙的主要部分，一般占煤层孔隙的40%~55%。此外，微孔和大孔较发育，而中孔最不发育。总孔隙体积一般在(148~547)×10-4cm3/g之间，平均值约为323 × 10-4cm3/g..汞的总孔比表面积在0.103~0.413cm3/g之间，微孔的总孔比表面积与微孔的比值绝对占优势。
煤岩渗透率在平面上变化很大，西部由于煤层埋藏较深，渗透率相对较低，说明煤层具有很强的非均质性。总的来说，渗透率从东北向西南有降低的趋势，太原组渗透率高于山西组。
综合考虑煤层厚度、煤质、孔隙度和渗透率条件，柳林地区具备煤层气成藏条件，具有大规模开发的潜力。
参考
刘新社，Xi胜利，周焕顺。2007.鄂尔多斯盆地东部上古生界煤层气储层特征[J].煤田地质与勘探，35(1)
、庄军、安。2002.中国煤层气地质与资源评价[M].北京:科学出版社。
黄晓明、梁麟、王赞伟等。山西柳林地区煤系地层对比特征[J].煤层气勘探开发理论与技术——全国煤层气学术研讨会论文集2010。
张松航，唐大真，唐叔衡。2009.鄂尔多斯盆地东缘煤层气储采条件研究[J].煤炭科学学报，10
杨光，刘俊来。2008.鄂尔多斯盆地煤岩变形与煤储层特征关系的实验研究[J].地质学报，10
姚，尹。2006.河东煤田柳林杨家坪煤层气储层地质特征[J].中国石油勘探，11(3):68~72。