胡秋嘉，劉世奇，閆 玲，王 鶴，方輝煌，張 慶，毛崇昊，賈慧敏

（1.中國石油天然氣股份有限公司 山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 長治046000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院，江蘇 徐州221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤儲層流體主要指充填于裂隙與大孔內(nèi)的煤層水以及吸附于基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的煤層氣[1-2]。隨著煤層氣商業(yè)性開發(fā)的不斷發(fā)展及基礎(chǔ)理論研究的逐漸深入[3-4]，煤儲層流體的賦存與運移規(guī)律的研究逐漸被學(xué)者們所重視[5-6]。煤儲層孔裂隙系統(tǒng)不僅是煤層氣的主要賦存空間，更是煤層氣、水的運移、產(chǎn)出通道[7-8]。良好的含氣儲層需具備2 個條件：發(fā)育能使氣體吸附的孔隙系統(tǒng)和發(fā)育能使氣水運移、產(chǎn)出的裂隙系統(tǒng)[9-10]。一般認(rèn)為，基質(zhì)孔隙主要為煤層氣的賦存空間，宏觀裂隙主要為煤層氣、水的運移通道和煤層水的儲集空間，孔徑介于兩者間的顯微裂隙則起著溝通基質(zhì)孔隙與宏觀裂隙的橋梁作用[11-13]。煤儲層氣水賦存-運移-產(chǎn)出路徑的研究，應(yīng)將基質(zhì)孔隙、微觀裂隙及宏觀裂隙作為整體進(jìn)行研究。煤層氣主要呈吸附態(tài)（70%～95%）、游離態(tài)（10%～20%）與溶解態(tài)，且三者處在1 個動態(tài)的平衡中[14]。煤層氣主要以物理吸附的方式吸附于煤基質(zhì)的內(nèi)表面[15]。煤層氣井投產(chǎn)后，隨儲層壓力的降低，吸附態(tài)的煤層氣開始解吸，該過程可用朗格繆爾吸附模型進(jìn)行描述[16]；解吸后的煤層氣在濃度梯度驅(qū)使下向裂隙系統(tǒng)擴散，該過程遵循菲克定律[17]。擴散后的煤層氣在壓力差的驅(qū)使下進(jìn)一步在天然裂隙中流動，該過程遵循達(dá)西定律[18]。而煤層水則以達(dá)西流動在宏觀裂隙中運移[19-20]?；诖耍郧咚璧啬喜糠f-鄭莊區(qū)塊內(nèi)無煙煤儲層為研究對象，基于水測滲透率、克氏滲透率及核磁共振成像等實驗，對無煙煤儲層氣水賦存-運移-產(chǎn)出路徑及其模式進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究對加深煤儲層氣水產(chǎn)出機理的認(rèn)識和指導(dǎo)煤層氣井排采控制具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

樊莊-鄭莊區(qū)塊位于山西省沁水盆地南部，行政區(qū)隸屬于沁水縣、安澤縣和陽城縣等，樊莊-鄭莊區(qū)塊是目前實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)程度較高和開發(fā)效益較好的區(qū)塊。樊莊-鄭莊區(qū)塊含煤地層為石炭二疊系，自下向上依次為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，其中山西組的3#煤層全區(qū)穩(wěn)定分布，因此是煤層氣開發(fā)最重要的目的地層。

鄭莊區(qū)塊地層寬緩，地層傾角平均約4°，低緩、平行褶皺普遍發(fā)育，呈近SN 和NNE 向，褶皺的幅度相對較小，背斜幅度一般小于50 m，延伸長度在5～10 km，呈典型的長軸線性褶皺。斷層相對不發(fā)育，斷距大于20 m 的斷層僅在西南部分布，主要有寺頭斷層、后城腰斷層以及與之伴生的斷層，呈1組NE-EW 向斷層組成的弧形斷裂帶[21]。樊莊區(qū)塊與鄭莊區(qū)塊以寺頭斷層相隔，主要由沁河復(fù)式向斜、晉東南山字型構(gòu)造和寺頭-后城腰斷裂帶組成，主要構(gòu)造形態(tài)仍呈NNE 向展布；次一級褶曲發(fā)育，且方向多變，表現(xiàn)了多期構(gòu)造作用的影響[22]。

2 實驗樣品及方法

選取沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊周邊胡底礦（樊莊區(qū)塊）和沁城礦（鄭莊區(qū)塊）煤巖樣品開展研究。所采煤樣均為無煙煤，樣品的采集、保存、運輸均按GB/T 19222—2003 國家標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 16773—2008 國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。為了避免煤樣氧化，所采集的大塊煤樣用吸水紙包裹并用膠帶纏繞，放入密封袋內(nèi)保存。樣品保存在5 °C 左右的恒溫環(huán)境內(nèi)。

1）原始煤柱水測滲透率實驗。原始煤柱中主要為割理和和顯微裂隙，因此原始煤柱水測滲透率實驗主要研究的是割理和和顯微裂隙的水測滲透率。樣品采用直徑50 mm、長度50～100 mm 的煤柱，由機械鉆樣機鉆取，并由磨面機將兩端面打磨平整。實驗溫度為室溫；注水壓力設(shè)定為2 MPa，出口壓力為大氣壓，即煤柱兩端的壓差約為2 MPa；圍壓分別設(shè)定為4、5 MPa；水注入速率恒定為20 mL/min。

2）宏觀裂隙水測滲透率實驗。利用人造裂縫模擬煤巖宏觀裂隙，并測試其滲透率。采用樣品同樣是直徑50 mm、長度50～100 mm 的煤柱。為了模擬宏觀裂隙，采用切割線直徑為200 μm 的線切割機，將煤柱沿軸剖開，然后再合在一起，用膠帶將側(cè)面包裹，形成1 個軸截面有裂隙的煤柱。切割完成后的煤柱人造裂隙裂口寬度約500 μm，可有效模擬煤中外生裂隙。實驗溫度為室溫；注水壓力、圍壓，以及水的注入速率與原始煤柱水測滲透率實驗一致。

3）克氏滲透率實驗。研究通過克氏滲透率實驗獲得測試樣品的氣測滲透率?？耸蠞B透率測試所采用是美國CoreLab 公司生產(chǎn)的PDP-200（Pulse-Decay Permeameter）超低滲透率巖石滲透率儀，所使用的樣品為直徑25 mm、長度40～70 mm 的煤柱，同樣由機械鉆樣機鉆取。實驗溫度為室溫；注氣壓力為1.03 MPa，圍 壓 分 別 為2.07、2.76、3.45、4.14、4.83 MPa。測試所采用的氣相介質(zhì)是氮氣。

4）核磁共振成像實驗。研究基于氣驅(qū)水條件下煤樣的低場核磁共振成像實驗獲得了測試煤樣內(nèi)部氣、水分布與賦存狀態(tài)的直觀認(rèn)識。核磁共振成像實驗采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的紐曼MesoMR23-060H-I 核磁共振儀，所使用的樣品同樣為直徑25 mm、長度40～70 mm 的煤柱。實驗參數(shù)分別為：圍壓4 MPa，注氣壓力1.5 MPa，出口壓力為大氣壓，氣體類型為CH4。設(shè)定8 個成像時間點，分別為初始見水或見氣時，見水或見氣后5、15、30、60、120、180 min，和無水流出或氣體流量穩(wěn)定時。

核磁共振成像實驗的基本流程如下：①干燥煤樣T2譜測試：60 ℃條件下，將測試樣品置于真空干燥箱真空干燥24 h，然后測試干燥煤樣的T2譜；②飽和水煤樣T2譜測試：干燥煤樣T2譜測試完成后，將測試樣品在6 MPa 條件下抽真空飽水12 h，飽水完成后測試飽和水煤樣T2譜；③氣驅(qū)水核磁共振實驗：飽和水煤樣T2譜測試完成后，按照實驗設(shè)計的圍壓、注氣壓力開展氣驅(qū)水實驗，同時監(jiān)測出口氣體流量，按照設(shè)計的成像時間點完成全部設(shè)計的核磁共振成像實驗。

3 煤層氣水賦存與運移路徑

3.1 煤層氣水賦存空間

1）煤層水的賦存空間。胡底礦樣品T2譜成像結(jié)果及特征如圖1 和圖2。圖1 中高亮區(qū)域為水中氫原子信號，代表了水的分布狀態(tài)。綜合圖1 和圖2可知，樣品中水呈2 種分布狀態(tài)：①條帶狀分布，這部分水主要賦存在10～100 μm 尺度的微裂隙中，對應(yīng)于T2譜線中100～1000 ms 的譜峰；②零散分布，這部分水主要賦存在50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中，對應(yīng)于T2譜線中0.03～3 ms 的譜峰。由此可見，6 MPa 條件下煤層水既可賦存于顯微裂隙中，也可賦存于大孔中。根據(jù)研究區(qū)煤層氣井試井解釋結(jié)果，煤儲層壓力介于1.77～11.32 MPa，并以4～8 MPa 為主。樊莊-鄭莊區(qū)塊儲層壓力條件下，大孔、顯微裂隙和宏觀裂隙均為煤層氣水的賦存空間。

圖1 胡底礦樣品T2 譜成像結(jié)果Fig.1 T2 imaging results of Hudi sample

2）煤層氣的賦存空間。前人研究表明，孔隙是煤中CH4的主要賦存空間[14-16]。雖然核磁共振實驗對孔徑＜50 nm 的孔隙分辨率較低，但由核磁共振結(jié)果仍可看出，測試樣品孔徑＜50 nm 的孔隙含量占優(yōu)，且隨孔徑增大，含量呈減小趨勢，飽和水樣品核磁共振實驗孔徑分布特征如圖3。因此，測試樣品中含有大量孔徑＜50 nm 的微孔和中孔，為煤層氣儲集提供了充足的空間，CH4也主要賦存在這部分孔隙中。

圖2 胡底礦樣品T2 譜特征Fig.2 T2 spectra of Hudi sample

圖3 飽和水樣品核磁共振實驗孔徑分布特征Fig.3 Poresize distribution of water saturated samples

3.2 煤層氣水運移路徑

3.2.1 煤層水的運移通道

1）微觀運移通道。對比圖1 和圖2 可以看出，氣驅(qū)水核磁共振實驗開始后，10～100 μm 尺度的微裂隙中賦存的水被大量驅(qū)替出，T2譜中100～1 000 ms的譜峰在初見氣5 min 后即消失；而50 nm～1 μm尺度的大孔和顯微裂隙中賦存的水至實驗結(jié)束（見氣后180 min）未見明顯變化，其T2譜（0.03～3 ms）也未見明顯變化。說明煤中水以微米尺度（10～100 μm）顯微裂隙作為優(yōu)勢運移路徑，50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中賦存的水流動性差，存在大量難以運移產(chǎn)出的殘余水。同時進(jìn)一步證實了，煤中殘余水主要賦存于50 nm～1 μm 尺度的大孔和顯微裂隙中。

2）宏觀運移通道。圍壓4、5 MPa 時，原始煤柱的水測滲透率介于0.001 56～0.011 52 mD（1 mD=1×10-3μm2），外生裂隙的水測滲透率介于0.165 27～0.251 85 mD。同一樣品的原始煤柱水測滲透率遠(yuǎn)小于外生裂隙的水測滲透率，二者相差1～2 個數(shù)量級。圍壓超過5 MPa 時，原始煤柱持續(xù)實驗14 h，巖心夾持器出口端無水產(chǎn)出，水測滲透率為0。說明原始煤柱水測滲透率僅能維持在低圍壓狀態(tài)下，隨圍壓的升高，割理和顯微裂隙大量閉合，水在其中的流動能力大幅降低。

3.2.2 煤層氣運移通道

1）微觀運移通道。由于CH4分子直徑小，分子間作用力弱，可以通過表面擴散、擴散、滑移、達(dá)西流動等多種方式運移。因此，理論上煤儲層中所有孔隙和裂隙均可成為CH4的運移產(chǎn)出通道。這也決定了煤儲層連通性對煤層中CH4產(chǎn)出起主要限制作用。由T2譜（圖2）和孔徑分布特征（圖3）可以看出，測試樣品孔徑＞0.5 μm 的孔隙和顯微裂隙發(fā)育程度相對較弱，造成大孔和顯微裂隙連通性相對較差，制約了氣體產(chǎn)出效果。

2）宏觀運移通道。圍壓為2.07～4.83 MPa 條件下，原始煤柱的克氏滲透率較低，一般小于0.01 mD。測試樣品克氏滲透率實驗結(jié)果見表1。說明不同于煤層水，割理和顯微裂隙是煤層氣運移和產(chǎn)出的重要通道。但受限于樊莊-鄭莊區(qū)塊煤巖樣品的割理和顯微裂隙發(fā)育程度，特別是裂口寬度和滲透率，煤層氣的流動能力較弱。

表1 測試樣品克氏滲透率實驗結(jié)果Table 1 Klinkenberg permeability ofexperimental samples

4 煤儲層氣水賦存-運移-產(chǎn)出路徑模式

1）煤層氣賦存-運移-產(chǎn)出路徑。綜合上述對煤層氣賦存空間和運移路徑的認(rèn)識，提出樊莊-鄭莊區(qū)塊煤層氣賦存-運移-產(chǎn)出路徑。樊莊-鄭莊區(qū)塊3#煤層氣水賦存-運移-產(chǎn)出路徑模式示意圖如圖4。微孔和中孔是煤層氣的主要賦存空間，微孔和中孔中解吸出的煤層氣或直接運移至大孔和顯微裂隙，或運移至中孔（含超微裂隙），再通過中孔運移至大孔和顯微裂隙。大孔中游離態(tài)的煤層氣或直接運移至宏觀裂隙，或通過顯微裂隙運移至宏觀裂隙。顯微裂隙中游離態(tài)的煤層氣或直接運移至與之連通的外生裂隙，或先運移至內(nèi)生裂隙，再由內(nèi)生裂隙運移至外生裂隙。內(nèi)生裂隙中游離態(tài)的煤層氣或直接運移至壓裂裂縫，或先運移至外生裂隙，再由外生裂隙運移至壓裂裂縫。其中孔徑＞0.5 μm 的孔隙和顯微裂隙發(fā)育程度相對較弱，制約了氣體產(chǎn)出效果。

圖4 樊莊-鄭莊區(qū)塊3#煤層氣水賦存-運移-產(chǎn)出路徑模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of occurrence-migration-output path model of gas and water in 3# coal seam in Fanzhuang-Zhengzhuang block

2）煤層水賦存-運移-產(chǎn)出路徑。同樣綜合上述對煤層水賦存空間和運移路徑的認(rèn)識，提出樊莊-鄭莊區(qū)塊煤層水賦存-運移-產(chǎn)出路徑（圖4）。煤儲層中大孔、顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙均是煤層水的重要儲集場所。其中，孔徑＜1 μm 的大孔和顯微裂隙中賦存大量不可流動水。大孔和顯微裂隙中賦存的煤層水或直接運移至與之連通的外生裂隙，或先運移至內(nèi)生裂隙，再由內(nèi)生裂隙運移至外生裂隙。內(nèi)生裂隙中的煤層水或直接運移至壓裂裂縫，或由外生裂隙運移至壓裂裂縫。而外生裂隙中的煤層水或直接流向井筒，或經(jīng)壓裂裂縫流向井筒。煤層地應(yīng)力狀態(tài)下，外生裂隙與割理和顯微裂隙共同組成了煤層水的運移和產(chǎn)出通道，其中裂口寬度＜10 μm 的割理和顯微裂隙對煤層水運移和產(chǎn)出貢獻(xiàn)較弱，對煤層水運移和產(chǎn)出起主要作用的是裂口寬度＞10 μm 的顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙。

5 結(jié) 論

1）煤儲層大孔、顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙均是煤層水的重要儲集場所。孔徑＜1 μm 的大孔和顯微裂隙中賦存的煤層水主要為不可流動水。外生裂隙、內(nèi)生裂隙與顯微裂隙共同組成了煤層水的運移和產(chǎn)出通道，其中對煤層水運移和產(chǎn)出起主要作用的是裂口寬度＞10 μm 的顯微裂隙、內(nèi)生裂隙和外生裂隙。

2）煤儲層微孔和中孔是煤層氣的主要賦存空間，不同尺度的孔隙和裂隙共同組成了煤層氣運移產(chǎn)出的通道。中孔、顯微裂隙和內(nèi)生裂隙，不僅是煤層氣體運移的重要介質(zhì)形態(tài)，而且是溝通孔隙與裂隙的重要橋梁，對煤層氣運移和產(chǎn)出至關(guān)重要。