華北地區(qū)各類煤儲(chǔ)層孔隙、吸附特征及試井成果分析

摘 要

摘要：為系統(tǒng)總結(jié)華北地區(qū)各煤類的主要物性特征，指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)，對(duì)該區(qū)各種煤類共205件煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)，分析了各煤類孔徑結(jié)構(gòu)的比孔容、比表面積特征。基于180件煤樣的
摘要：為系統(tǒng)總結(jié)華北地區(qū)各煤類的主要物性特征，指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)，對(duì)該區(qū)各種煤類共205件煤樣進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)，分析了各煤類孔徑結(jié)構(gòu)的比孔容、比表面積特征?；?80件煤樣的高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)，探討了朗格繆爾體積(VL,daf)、朗格繆爾壓力與煤級(jí)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)朗格繆爾體積與煤級(jí)的關(guān)系呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro,max＜4%之前，VL,daf隨Ro,max的增加而增大，當(dāng)Ro,max＞4%后，VL,daf隨Ro,max的增加而減少，而朗格繆爾壓力與煤級(jí)的關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)十分離散。基于該區(qū)煤層氣試井成果(170層次試井儲(chǔ)層壓力、204層次試井滲透率)，劃分了煤儲(chǔ)層試井儲(chǔ)層壓力、試井滲透率類型：該區(qū)以欠壓儲(chǔ)層為主，占69.4%左右，正常壓力儲(chǔ)層占27.1%，超壓儲(chǔ)層僅占3.5%，儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)；超低滲透儲(chǔ)層占26.0%，低滲透儲(chǔ)層占36.8%，中滲透儲(chǔ)層占18.1%，高滲透儲(chǔ)層占19.1%，試井滲透率總體隨埋深的增加而減少。
關(guān)鍵詞：華北地區(qū)；煤層氣；儲(chǔ)層；孔隙性；吸附性；朗格繆爾體積；儲(chǔ)層壓力；滲透性
    截至2010年，中國施工各類煤層氣井超過5400口[1]，其中參數(shù)井約300口，主要分布在華北地區(qū)的山西、陜西、河南、河北、安徽等省，目的煤層主要為華北地區(qū)石炭二疊系山西組、太原組，涉及的主要煤類從氣煤至無煙煤，鏡質(zhì)組反射率介于0.40%～4.50%。前人對(duì)單一煤類或局部地區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙性、吸附性、試井儲(chǔ)層壓力、試井滲透率等進(jìn)行過研究[2～6]，但對(duì)華北地區(qū)總體煤儲(chǔ)層試井成果尚缺乏系統(tǒng)總結(jié)。
1 孔隙、吸附特征
1.1 孔隙特征
    華北地區(qū)205個(gè)煤樣(煤類從褐煤至無煙煤，鏡質(zhì)組反射率介于0.40%～4.50%，表1)的壓汞實(shí)驗(yàn)表明，褐煤、長焰煤各孔徑結(jié)構(gòu)中比孔容分布較均勻(表1、圖1)；其他煤類中大孔、過渡孔占較高比例，中孔不發(fā)育，除氣煤達(dá)到11.65%外，其他均低于7.18%，尤其是貧煤、無煙煤大孔占比超過50%，中孔低于6.64%(表1、圖1)，成為煤層氣解吸、擴(kuò)散/滲流的“瓶頸”。
    各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)中比表面積微孔、過渡孔占絕對(duì)多數(shù)(圖2、表2)，成為煤層氣吸附的主要場所，大孔均低于0.82%，中孔除褐煤達(dá)到6.49%，長焰煤達(dá)到2.07%外，其他均低于0.82%(圖2、表2)。
1.2 吸附特征
    180件煤樣(Ro,max介于0.67%～8.61%)在30℃、平衡水條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)成果表明，朗格繆爾體積(VL,daf)介于4.69%～51.90%，呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro,max＜4%之前，VL,daf隨Ro,amx的增加而增大，當(dāng)Ro,max＞40后，VL,daf隨Ro,max的增加而減少(圖3)；朗格繆爾壓力(pL,daf)介于0.20～5.58MPa，在Ro,max＜1.3%之前，pL,daf隨Ro,max的增加而減少，當(dāng)Ro,max＞1.3%后，pL,daf耐隨Ro,max的增加而增大(圖3)，但數(shù)據(jù)十分離散。
 

2 試井儲(chǔ)層壓力、滲透率特征
2.1 儲(chǔ)層壓力特征
本次收集華北地區(qū)煤儲(chǔ)層試井儲(chǔ)層壓力170層次，主力煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力梯度變化范圍為(0.15～1.24)MPa/100m，平均為0.71MPa/100m。
其中，嚴(yán)重欠壓儲(chǔ)層(儲(chǔ)層壓力梯度小于0.5MPa/100m)占21.2%，欠壓儲(chǔ)層(儲(chǔ)層壓力梯度介于0.5～0.75MPa/100m)占29.4%，略欠壓儲(chǔ)層(儲(chǔ)層壓力梯度介于0.75～0.90 MPa/100m)占18.8%，正常壓力儲(chǔ)層(儲(chǔ)層壓力梯度介于0.90～1.10MPa/100m)占27.1%，超壓儲(chǔ)層(儲(chǔ)層壓力梯度大于1.10MPa/100m)占3.5%(圖4)。儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)(圖5)。
 

2.2 滲透率特征
    本次收集華北地區(qū)煤儲(chǔ)層試井滲透率204層次，主煤儲(chǔ)層的試井滲透率變化范圍為0.0012～444mD，大多小于2mD。
    超低滲透儲(chǔ)層(滲透率小于0.1mD)占26.0%，低滲透儲(chǔ)層(滲透率介于0.1～1.0mD)占36.8%，中滲透儲(chǔ)層(滲透率介于1.0～5.0mD)占18.1%，高滲透儲(chǔ)層(滲透率大于5.0mD)占19.1%(圖6、表3)。試井滲透率總體隨埋深的增加而減少(圖7)。
 

3 結(jié)論
    1) 華北地區(qū)褐煤、長焰煤各孔徑結(jié)構(gòu)中比孔容分布較均勻，其他煤類中大孔、過渡孔占較高比例，中孔不發(fā)育；各煤類各孔徑結(jié)構(gòu)中比表面積微孔、過渡孔占絕對(duì)多數(shù)。
 2) 華北地區(qū)石炭 二疊系各煤類朗格繆爾體積與煤級(jí)的關(guān)系呈現(xiàn)出兩段式變化模式，即煤化程度在Ro,max＜4%之前，VL,daf隨Ro,max的增加而增大，當(dāng)Ro,max＞4%后，VL,daf隨Ro,max的增加而減少；朗格繆爾壓力與煤級(jí)關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)十分離散。
    3) 華北地區(qū)以欠壓儲(chǔ)層為主，占69.4%左右，正常壓力儲(chǔ)層占27.1%，超壓儲(chǔ)層僅占3.5%，儲(chǔ)層壓力梯度總體隨埋深的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。
    4) 華北地區(qū)超低滲透儲(chǔ)層占26.0%，低滲透儲(chǔ)層占36.8%，中滲透儲(chǔ)層占18.1%，高滲透儲(chǔ)層占19.1%，試井滲透率總體隨埋深的增加而減少。
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(本文作者：傅雪海1，2 邢雪2 劉愛華2 范炳恒2 周榮福2 1.新疆大學(xué)地質(zhì)與勘查工程學(xué)院；2.中國礦業(yè)大學(xué))