桑浩田，桑樹勛

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長(zhǎng)治046000）

煤儲(chǔ)層滲透率是進(jìn)行煤層氣滲流分析的主要參數(shù)，在煤層氣資源已查明的前提條件下，煤儲(chǔ)層滲透率又是制約我國(guó)煤層氣資源地面開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素之一。因此開展煤儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和煤儲(chǔ)層氣、水兩相介質(zhì)的滲流機(jī)理顯得迫切重要[1]。

1 樊莊區(qū)塊煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)

沁水盆地南部煤層氣田樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū)，主體部分位于山西省沁水縣境內(nèi)，寺頭斷層西側(cè)為鄭莊區(qū)塊，東側(cè)為樊莊區(qū)塊[4]。區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要構(gòu)造類型為一系列北北東向的寬緩褶曲，主要構(gòu)造形態(tài)（斷層走向與褶曲軸向）仍呈NNE向展布，地層基本連續(xù)完整且平緩，除西部邊界的寺頭正斷層有局部影響之外，地層傾角一般為5°～10°，如圖1所示。

研究區(qū)發(fā)育石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤系，煤層氣地質(zhì)條件優(yōu)越，可采性好。含煤地層為太原組和山西組，山西組含煤1～5層，其中，3號(hào)煤層是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)煤層，也是本文研究主要的模擬評(píng)價(jià)對(duì)象，3#煤厚度，全區(qū)內(nèi)比較穩(wěn)定，煤厚主要變化于6.0～7.0m且由WS向NE方向呈緩慢遞增的趨勢(shì)。

3#煤在大部分地區(qū)埋深介于500～700m之間，小于500m的區(qū)域主要位于區(qū)內(nèi)的西北角，大于700m的區(qū)域則呈塊狀零星散布于區(qū)內(nèi)。

2 樊莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層物性特征

研究區(qū)內(nèi)3#煤鏡質(zhì)組最大反射率值介于3.2%～4.0%之間，平均約為3.7%，煤的變質(zhì)程度屬于無(wú)煙煤三號(hào)階段，區(qū)塊內(nèi)3#煤整體屬于無(wú)煙煤階段，無(wú)明顯的區(qū)域變化趨勢(shì)。

區(qū)內(nèi)煤層含氣量一般介于8～25.7cm3/g之間，含氣量大于20cm3/g的區(qū)域位于區(qū)塊的中部及東北部，含氣量小于10cm3/g的區(qū)域僅零星分布；含氣量變化與地質(zhì)構(gòu)造呈現(xiàn)出明顯相關(guān)性，含氣量高值區(qū)主要發(fā)育于區(qū)塊內(nèi)NNE向復(fù)式向斜中的次級(jí)背斜和次級(jí)向斜兩翼，低值區(qū)則發(fā)育于張性斷層附近。同時(shí)，根據(jù)朗格繆爾方程，結(jié)合自然解吸實(shí)測(cè)的含氣量和室內(nèi)等溫吸附實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層的含氣（甲烷）飽和度進(jìn)行了計(jì)算，區(qū)內(nèi)3#煤儲(chǔ)層含氣飽和度介于28%～99%之間，平均值約為67%?？傮w上處于欠飽和狀態(tài)，部分區(qū)域接近飽和狀態(tài)。

滲透率的大小直接影響到煤層氣開發(fā)的難易程度，其值一般主要是通過試井的方法獲得。沁南地區(qū)樊莊區(qū)塊的鉆井測(cè)試結(jié)果表明，除個(gè)別局部情況外，該區(qū)煤層滲透率總體來看都比較高[5-6]。本區(qū)煤儲(chǔ)層試井滲透率介于0.01～5.7mD之間，一般不超過2mD。

從研究區(qū)實(shí)際鉆探獲取的資料來看，該區(qū)煤儲(chǔ)層壓力具有偏低的特點(diǎn)，一般情況下，3號(hào)煤儲(chǔ)層壓力為0.08～3.36MPa，壓力系數(shù)多小于0.8（蘇現(xiàn)波，2002），屬于欠壓儲(chǔ)層，個(gè)別地區(qū)存在正常壓力，異常高壓罕見，儲(chǔ)層壓力具有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢(shì)。壓力梯度為8.35～10.80kPa/m，平均約為9.61kPa/m，其值低于靜水壓力梯度9.78kPa/m（傅雪海，2003），故研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诘蛪好簝?chǔ)層，部分區(qū)域?yàn)槌好簝?chǔ)層，少數(shù)區(qū)域?yàn)槌瑝籂顟B(tài)。

甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在30℃的條件下，本區(qū)煤的吸附性變化較大。3#煤層Langmuir體積VL變化于27.61～44.91m3/t之間，平均為37.03m3/t；Lang?muir壓力PL為3.28～3.93MPa，平均3.40MPa。

煤的力學(xué)性質(zhì)一般包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等，由表1可知：區(qū)內(nèi)3#煤儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度（飽和）介于1.46～14.55MPa之間，平均為6.63MPa，抗壓強(qiáng)度（干燥）介于2.51～28.45MPa之間，平均為12.61MPa；抗拉強(qiáng)度（飽和）介于0.06～1.20MPa之間，平均為0.37MPa，抗拉強(qiáng)度（干燥）介于0.09～1.20MPa之間，平均為0.61MPa；彈性模量介于210～2330MPa之間，平均為1027.77MPa；泊松比介于0.28～0.33之間，平均為0.32。

3 煤儲(chǔ)層滲透率模擬評(píng)價(jià)過程

以研究區(qū)的地質(zhì)背景為基礎(chǔ)，結(jié)合20口具有代表性的煤層氣井的排采歷史資料，運(yùn)用COMET3軟件，采用單井與井組生產(chǎn)歷史與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，進(jìn)行煤層氣井排采數(shù)據(jù)的反演和模型重要參數(shù)的獲取。對(duì)于井組歷史擬合，由于實(shí)際的煤層氣開發(fā)方式多采用井網(wǎng)開采，周圍煤層氣井的排采會(huì)對(duì)中心的單井產(chǎn)生干擾效應(yīng)，進(jìn)而影響對(duì)儲(chǔ)層模型的修正精度，因此選取小井組歷史擬合準(zhǔn)確度要高于單井歷史擬合。

需要模擬的20口煤層氣井排采狀態(tài)不一，根據(jù)歷史擬合方法的適用性條件，采用單井歷史擬合與井組歷史擬合相結(jié)合的手段進(jìn)行儲(chǔ)層模擬評(píng)價(jià)，選擇研究區(qū)的QN03井和QN04井作為小井組模擬的研究實(shí)例，對(duì)QN03井2007年6月17號(hào)至2009年3月2號(hào)和QN04井2007年6月29號(hào)至2009年3月2號(hào)的排采資料進(jìn)行歷史擬合計(jì)算，兩井位置相距約360m，模擬區(qū)域?yàn)橐詢删疄橹行牡?60m×400m的長(zhǎng)方形區(qū)域（圖2），模擬所需儲(chǔ)層參數(shù)見表1，參照實(shí)際排采數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的排采工作制度。

經(jīng)過參數(shù)多方面的合理調(diào)整，QN03井和QN04井的模擬產(chǎn)氣量與實(shí)際產(chǎn)氣量接近，能夠正確描述煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理；井組水產(chǎn)量的模擬結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)水量擬合效果一般，尤其對(duì)排水初期對(duì)水產(chǎn)量的模擬均低于實(shí)際產(chǎn)水量，分析原因可能是由于地層部分壓裂液被排出，影響對(duì)日產(chǎn)水量的擬合效果，累積產(chǎn)水量的擬合結(jié)果正好反映了這種現(xiàn)象。

采用井組進(jìn)行儲(chǔ)層模擬能夠更好地反映實(shí)際情況下的煤層氣井在受到周圍井排采干擾后的儲(chǔ)層壓力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，從圖3～圖6可以看出，井組通過排水降壓促進(jìn)煤層氣的解吸，儲(chǔ)層壓力均衡降低并不斷向井筒周圍傳遞，當(dāng)排采到128d時(shí)，兩井壓降漏斗邊界開始相接，QN04井的壓力傳播速度明顯快于QN03井，其壓力傳播面積與壓降漏斗體積均大于QN03井，這得益于QN04井儲(chǔ)層較高的導(dǎo)流能力，利于氣水的運(yùn)移產(chǎn)出，促進(jìn)儲(chǔ)層壓力的降低。隨著抽水的進(jìn)行，當(dāng)排采到700d時(shí)，壓降漏斗在水平方向不在擴(kuò)展，而在垂直方向上加深，且儲(chǔ)層壓力降低很快，氣體大量解吸，提高了井組整體的采收率。

通過以上分析可以得出：結(jié)合實(shí)際煤層氣開發(fā)情況，采用井組歷史擬合方法進(jìn)行儲(chǔ)層模擬評(píng)價(jià)，提高了獲取儲(chǔ)層參數(shù)值的準(zhǔn)確程度，相較單井的歷史擬合，井組模擬評(píng)價(jià)的過程更符合儲(chǔ)層參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，排采過程中井組內(nèi)部產(chǎn)生的井間干擾效應(yīng)這是單井模擬所不能實(shí)現(xiàn)的。因此，井組模擬評(píng)價(jià)降低了不確定性，并且，所模擬的井?dāng)?shù)越多，則更能接近實(shí)際井網(wǎng)開采煤層氣的排水產(chǎn)氣過程，模擬結(jié)果具有一定的可靠性，經(jīng)過修正后的儲(chǔ)層參數(shù)能夠正確評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的物性條件（表1），對(duì)于儲(chǔ)層的滲透性，QN03井儲(chǔ)層初始滲透率為，滲透性一般；QN04井的滲透率為，滲透性較好。

表1 井組模擬所需儲(chǔ)層參數(shù)與歷史擬合參數(shù)

對(duì)樊莊區(qū)塊的20口煤層氣井進(jìn)行模擬研究，結(jié)合地質(zhì)背景與開發(fā)條件，采用合適的擬合方法對(duì)儲(chǔ)層滲透率進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，也就是利用單井歷史擬合與井組歷史擬合的相結(jié)合的方法進(jìn)行滲透率評(píng)價(jià)，區(qū)塊20口煤層氣井模擬評(píng)價(jià)所得到的儲(chǔ)層滲透率見表2。

4 煤儲(chǔ)層滲透率地質(zhì)控制分析

煤儲(chǔ)層滲透率受控于多種復(fù)雜地質(zhì)條件，如地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤體結(jié)構(gòu)、煤層埋深、煤變質(zhì)程度和天然裂隙系統(tǒng)等都不同程度地影響著煤儲(chǔ)層滲透率。有時(shí)是某一因素起主要作用，有時(shí)是多因素綜合作用的結(jié)果。筆者主要依據(jù)樊莊區(qū)塊20口煤層氣井的煤儲(chǔ)層滲透率模擬評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)資料，探討區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)和煤變質(zhì)程度等對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的控制機(jī)理，定量評(píng)價(jià)各地質(zhì)因素對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率的控制程度。

4.1 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

古構(gòu)造應(yīng)力控制了割理樣式，是控制割理發(fā)育程度的主控因素。成煤期后構(gòu)造活動(dòng)是產(chǎn)生煤層構(gòu)造裂縫的主要因素，對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透性既有建設(shè)性作用，也有破壞性作用。研究區(qū)目前承受NW—SE向拉張應(yīng)力場(chǎng)，也就是在NE—SW向的擠壓。在該期應(yīng)力場(chǎng)作用下，原先的NE向節(jié)理處于拉張狀態(tài)而表現(xiàn)為滲透性較好，NW向節(jié)理則在新的應(yīng)力場(chǎng)下而處于擠壓環(huán)境，節(jié)理相對(duì)閉合而不利于煤層氣的滲透。

樊莊區(qū)塊試井主應(yīng)力與煤層滲透率的關(guān)系研究表明，煤層面割理滲透率隨最小主應(yīng)力的增大而減小，與最小主應(yīng)力成指數(shù)關(guān)系：y=103.42exp（-0.5981x），存在一定的負(fù)相關(guān)性，也就是說最小主應(yīng)力值越大，煤層面割理滲透率越小、其煤層氣滲透性越差。當(dāng)最小主應(yīng)力小于9.5MPa時(shí)，面割理滲透率分布范圍為0.2～1.8mD，主要集中0.5mD，當(dāng)最小主應(yīng)力大于9.5MPa時(shí)，面割理滲透率分布范圍為0.06～0.5mD，主要集中在0.1mD以下，滲透性較差。

對(duì)比地應(yīng)力差與煤層滲透率各向異性程度發(fā)現(xiàn)：地應(yīng)力差增大，煤層各向異性程度增加，兩者之間的關(guān)系式為：y=0.1847exp（0.5043x），地應(yīng)力差主要影響煤層割理裂隙壁距的大小，說明了研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向與面割理方向一致，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差越大，對(duì)煤層面割理裂隙的拉張力就越強(qiáng)，越有利于面割理的滲透率增大；而對(duì)端割理裂隙的擠壓力就越大，端割理滲透率越小，從而煤層各向異性程度越大。因此，現(xiàn)今地壓力狀態(tài)直接影響了節(jié)理或煤層割理的開合度，從而控制了煤層的滲透率和儲(chǔ)層的各向異性程度。

4.2 煤層埋深

對(duì)煤層埋深與試井地應(yīng)力資料的研究關(guān)系表明：煤層埋藏深度與相應(yīng)地層的的最小主應(yīng)力存在較高的線性正相關(guān)性，關(guān)系式為：y=0.0179x-1.4661，擬合系數(shù)R2=0.952，擬合度較高，隨著煤層埋藏深度的增加，最小主應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。研究煤層埋深與面割理滲透率和平均滲透率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，面割理滲透率和平均滲透率隨埋深的增加成指數(shù)降低的趨勢(shì)，且埋深對(duì)平均滲透率的控制程度好于面割理滲透率，但最小主應(yīng)力對(duì)面割理滲透率的控制程度又高于埋深對(duì)平均滲透率的控制程度。

綜合以上分析，不同深度條件下煤儲(chǔ)層的地應(yīng)力不同，地應(yīng)力隨深度的增加而明顯增大，煤層滲透率隨地應(yīng)力的增大而降低，這反映了煤層滲透率與埋深的關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力對(duì)滲透率的控制。

4.3 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)是指煤層經(jīng)過構(gòu)造變動(dòng)所形成的結(jié)構(gòu)特征。適度的構(gòu)造作用能增加煤中的裂縫，有益于煤層滲透性的改善，但構(gòu)造應(yīng)力過強(qiáng)把煤層破碎為非常細(xì)小的顆粒時(shí)，煤中的裂縫系統(tǒng)遭到破壞和充填，煤層滲透性會(huì)顯著變差。

在應(yīng)力（或其它力）作用下，煤體會(huì)發(fā)生不同程度的變形，煤體變形導(dǎo)致煤的正常結(jié)構(gòu)被破壞，使煤體結(jié)構(gòu)由原生結(jié)構(gòu)變?yōu)樗榱呀Y(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)或糜棱結(jié)構(gòu)等。煤體變形使得煤作為煤層氣儲(chǔ)層的非均質(zhì)性更為強(qiáng)烈，從原生結(jié)構(gòu)到糜棱結(jié)構(gòu)，煤層的破裂程度增強(qiáng)，對(duì)煤層氣開發(fā)來說，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為最好。

樊莊區(qū)塊3#煤層主要為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，原生結(jié)構(gòu)煤占50%，原生—碎裂結(jié)構(gòu)煤占46%，局部地區(qū)為碎粒煤或糜棱煤，占4%，這些煤體結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)煤的孔滲性產(chǎn)生重要的影響。研究區(qū)塊FZ04、FZ02和FZ09井經(jīng)過擬合后的煤層平均滲透率均低于0.05mD，滲透率較低，通過對(duì)這3口井煤樣品的破碎程度解剖研究，發(fā)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)多為碎粒—糜棱結(jié)構(gòu)煤，煤層滲透性較差；FZ06井煤層平均滲透率為0.76mD，煤層滲透率較高，對(duì)煤樣品的破碎程度解剖發(fā)現(xiàn)，煤體結(jié)構(gòu)多為原生—碎裂結(jié)構(gòu)煤，裂隙系統(tǒng)完整，滲透性較好。

4.4 構(gòu)造形式

煤層構(gòu)造的基本類型包括褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造2大類。褶皺構(gòu)造是指煤層及其巖層在應(yīng)力作用下形成的波狀彎曲，但仍然保持著它們的連續(xù)性和完整性，包括背斜和向斜兩種構(gòu)造形式。斷裂構(gòu)造是在巖層受力后，作用力超過巖層強(qiáng)度時(shí)所產(chǎn)生的破壞。當(dāng)斷裂后，兩側(cè)巖層沿?cái)嗔衙鏇]有發(fā)生顯著位移，或僅有微量位移的斷裂稱為裂隙；巖層沿?cái)嗔衙姘l(fā)生顯著位移則稱為斷層。不同構(gòu)造樣式所處的邊界條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、受力方式不同，因而必然對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率呈現(xiàn)出不同的控制作用。

（1）向斜軸部：研究區(qū)向斜軸部煤層氣井?dāng)M合數(shù)據(jù)不多，向向斜軸部延伸，煤儲(chǔ)層埋深增大，煤層埋深普遍大于700m，根據(jù)埋深與最小主應(yīng)力和煤儲(chǔ)層面割理滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式，可以推斷出：在向斜軸部煤層深處，最小主應(yīng)力大于11MPa，較為顯著，煤層滲透率普遍低于0.07mD，如FZ01井，平均滲透率為0.038mD，煤層滲透性較差。

（2）背斜軸部：地層在形成背斜過程中，背斜軸部受到拉張應(yīng)力會(huì)形成各種類型的裂隙，有利于裂隙壁距的增大和煤層滲透率的提高，煤中的裂隙的發(fā)育特征關(guān)系到煤儲(chǔ)層滲透率的大小和最大滲透率的方向。如FZ06和FZ12井處在區(qū)塊背斜軸部，F(xiàn)Z06井煤層擬合面割理滲透率為1.8mD，平均滲透率為0.761mD，煤層滲透性較好，最大方向滲透率較高；FZ12煤層擬合面割理滲透率為0.72mD，平均滲透率為0.379mD，相較FZ06井，由于煤層埋藏深度增加，煤層滲透性和最大方向滲透率略差。

（3）斷層帶：斷裂構(gòu)造在研究區(qū)并不十分發(fā)育，在野外實(shí)際觀測(cè)中也見有幾條斷層，多為正斷層，斷層的規(guī)模相對(duì)較小。在正斷層影響帶范圍內(nèi)，地層應(yīng)力釋放，煤層及其頂板巖層產(chǎn)狀變化明顯，裂隙增多，煤儲(chǔ)層滲透率在斷層帶相對(duì)較大，如FZ20井，煤層面割理滲透率為0.65mD，平均滲透率為0.46mD，最大方向滲透率較高，煤層滲透性較好；遠(yuǎn)離斷層，應(yīng)力作用降低，相應(yīng)煤層孔裂隙變形也較弱，儲(chǔ)層滲透率降低，如FZ17井，煤層面割理方向滲透率為0.15mD，平均滲透率只有0.058mD，煤層滲透性較差。

5 結(jié)論

通過對(duì)樊莊區(qū)塊煤層氣井模擬研究發(fā)現(xiàn)：相較單井的歷史擬合，采用井組歷史擬合方法進(jìn)行儲(chǔ)層模擬評(píng)價(jià)，獲取儲(chǔ)層滲透率的準(zhǔn)確程度更高，模擬過程更符合儲(chǔ)層參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，經(jīng)過修正后的儲(chǔ)層參數(shù)能夠正確評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層的物性條件。

依據(jù)研究區(qū)煤層滲透率模擬預(yù)測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為：構(gòu)造應(yīng)力直接影響了節(jié)理或煤層割理的開合度，從而控制了煤層的滲透率和儲(chǔ)層的各向異性程度；埋深對(duì)滲透率的控制，其實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力對(duì)滲透率的控制；煤體的正常結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致煤層滲透性的改變，對(duì)煤層氣開發(fā)來說，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為最好；不同構(gòu)造樣式必然對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率呈現(xiàn)出不同的控制作用，其中以背斜軸部和正斷層附近部位的煤層滲透性較好，向斜軸部位的煤層滲透性較差。