黃波,鄭啟明,秦勇,石松林

(1.河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191;2 中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

煤層滲透率是評價煤層氣可采性的關(guān)鍵參數(shù)[1-4]。煤層滲透率受煤層厚度、埋深、地應(yīng)力、溫度等因素控制。傳統(tǒng)上，基于煤層孔隙滲透率控制因素的試驗測試，許多學(xué)者建立了煤巖滲透率與其影響因素的關(guān)系模型[5-7]。這些預(yù)測模型僅預(yù)測一小塊或者一段煤樣，給預(yù)測結(jié)果帶來了一定的不確定性[8-10]。然而，煤層滲透率的大小取決于煤層天然裂縫系統(tǒng)，煤儲層中氣體從煤基質(zhì)微孔隙表面解析、擴(kuò)散出來，從裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中滲流流入鉆井，受裂隙類型和裂隙填充物的影響，煤層滲透率的主要貢獻(xiàn)依賴于宏觀構(gòu)造裂隙[11-12]。構(gòu)造曲率可以用來表征宏觀構(gòu)造裂縫特征[13-14]。

構(gòu)造曲率是表征線或面彎曲程度的量化參數(shù)，構(gòu)造曲率值可以反映巖層由于受力不均導(dǎo)致的變形程度[15]。G.H.Murray[16]在美國特洛普油田的泥盆系 Sanish 油藏開展了儲層產(chǎn)能研究，建立了構(gòu)造裂隙、地層厚度、構(gòu)造曲率與滲透率之間的相關(guān)關(guān)系模型。之后國內(nèi)外學(xué)者通過研究碳酸鹽野外露頭和數(shù)值模擬結(jié)果闡述了脆性和韌性巖石構(gòu)造率曲率和裂縫生成之間的關(guān)系，證實了大量裂縫主要產(chǎn)生于褶皺為中心的裂縫帶，對應(yīng)構(gòu)造曲率最大正值[13-14]。趙爭光等[10]基于地震曲率與裂縫的對應(yīng)關(guān)系，預(yù)測了煤儲層滲透率。因此利用煤層底板等高線構(gòu)造曲率預(yù)測煤層滲透率是可行的。

構(gòu)造曲率過大，往往認(rèn)為煤體變形嚴(yán)重，滲透率極差[8]，但8號煤層底板等高線構(gòu)造曲率較小，煤體變形以碎裂-碎粒煤為主，極少見糜棱煤。因此，采用構(gòu)造曲率預(yù)測本區(qū)煤層裂縫滲透率是可行的。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

古交區(qū)塊位于西山煤田西北部，區(qū)內(nèi)分布有東曲、西曲、屯蘭、馬蘭等井田。區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要構(gòu)造有馬蘭向斜，NE、NEE向的古交斷層、頭南卯?dāng)鄬?、李家社斷層、原相背斷層等。馬蘭向斜貫穿全區(qū)，是區(qū)塊內(nèi)主控構(gòu)造，軸跡方向由北向南逐漸由SN向轉(zhuǎn)為NW向，呈平緩寬幅狀。研究區(qū)內(nèi)均為正斷層，斷層跡線近似平行(圖1)。

圖1 西山古交區(qū)塊構(gòu)造綱要圖及鉆孔分布(據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)

1.2 含煤地層

古交區(qū)塊主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組(圖2)。太原組由黑色泥巖、砂巖、粉砂巖、4～6層石灰?guī)r、6～8層煤組成，其中 8，9號煤為主采煤層，8號煤層為本文研究對象。底部以晉祠砂巖與下伏地層呈整合接觸，厚度介于84～136 m間，平均為101.5 m。下二疊統(tǒng)山西組為一套泥質(zhì)巖、碎屑夾煤層的沉積，其中2號煤是主采煤層。底部以北岔溝砂巖與下伏地層呈整合接觸，厚度介于30～70 m間，平均46.98 m,如圖2所示。

圖2 古交區(qū)塊含煤地層綜合柱狀簡圖

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 煤層底板構(gòu)造曲率

曲率是反映線或面彎曲程度的量化參數(shù)，定量描述地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)。構(gòu)造曲率值是曲率半徑的倒數(shù)[15]。采用差分分析法計算煤層底板等高線曲率k，計算式為

(1)

?f/?x為煤層底板等高線與坐標(biāo)x,y的函數(shù)，對煤層底板等高線進(jìn)行差分，對于BI方向有

(2)

將式(2)和(3)計算結(jié)果代入式(1)，計算BI方向上F點的構(gòu)造曲率值(圖3)。同理，可以求出AJ，EG，CH方向上F點構(gòu)造曲率(圖3)。取F點曲率最大絕對值作為該點的曲率，公式為

(4)

圖3 網(wǎng)格差分計算圖

2.2 滲透率預(yù)測

煤層氣儲層的滲透率主要與裂縫孔隙有關(guān)，基質(zhì)空隙滲透率較小[17-18]。假設(shè)一個地層褶皺變形，地層厚度為H，其曲率半徑為R，構(gòu)造曲率圓心角從θ至θ+Δθ時，產(chǎn)生沿著曲率半徑R方向延伸間距為e的脆性裂縫[16](圖4)。

單個裂縫中的滲透率q是可變張開度b沿OY軸的函數(shù)，

(5)

式中：b為裂縫的張開度，cm；μ為流體的動力黏滯系數(shù)，mPa·s；dp為單位距離流體壓力差。

圖4 簡化的彎曲橫剖面圖(據(jù)文獻(xiàn)[10,16])

地層厚度從0變化到H的總變化量Q為

(6)

如果開度b隨地層厚度H變化，即b=aH(a 為與開度有關(guān)的常數(shù))，則

(7)

通過流動剖面S的滲透速度

(8)

基于H，R和d2z/dx2之間的關(guān)系，裂縫滲透率隨煤儲層厚度和曲率乘積的3次方變化，計算式為

(9)

式(9)可根據(jù)單位換算轉(zhuǎn)換為以下量綱參數(shù)方程

(10)

式中：H為煤儲層厚度，m；e為裂縫間距，cm；d2z，dx2為構(gòu)造曲率，1/m；Kf為裂縫滲透率，10-3μm2。

3 結(jié)果與討論

3.1 預(yù)測參數(shù)

基于最大構(gòu)造曲率的裂縫滲透率預(yù)測模型，要計算煤層裂縫滲透率，需要煤層構(gòu)造曲率、煤層厚度(H)、裂縫間距(e)3個參數(shù)，而煤層厚度(H)統(tǒng)計鉆孔煤厚直接獲取。

將古交區(qū)塊8號煤層底板等高線圖分為676個面積相等的正方格，計算方格節(jié)點構(gòu)造曲率最大正值和最小負(fù)值。繪制古交區(qū)塊8號煤層構(gòu)造曲率等值線圖，采用插值法可以去求任意一點構(gòu)造曲率值(圖5)。古交區(qū)塊8號煤層底板等高線最小構(gòu)造曲率值負(fù)值為-3.77.20×10-6，最大正值為302.15×10-6，平均值為3.31×10-6(圖5)。構(gòu)造曲率最小負(fù)值分布區(qū)域，表明該區(qū)煤層受擠壓作用，而最大曲率正值表明該區(qū)受拉張作用，而古交區(qū)塊8號煤層主要受拉張作用[19]。研究區(qū)最大構(gòu)造曲率分布與該區(qū)裂縫玫瑰花圖確定的方位是一致的(圖6)。因此，采用最大構(gòu)造曲率反應(yīng)煤層裂縫是可行的。

圖5 古交區(qū)塊8號煤層構(gòu)造曲率分布

圖6 裂隙走向玫瑰花圖與傾角分布

古交區(qū)塊煤層變形程度較小，煤體結(jié)構(gòu)主要以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤和碎粒煤為主，因此,煤層裂縫清晰可辨[20]。裂縫間距(e)的獲取主要通過鉆孔巖芯實測和井下煤壁實測，以20 cm為間隔實測8號煤層鉆孔煤樣和煤壁的裂縫密度，求平均值，其倒數(shù)即為裂縫的間距(e)，結(jié)果見表1。

3.2 預(yù)測結(jié)果

對于最大構(gòu)造曲率為正值的區(qū)域，將實測的煤樣或者煤壁裂縫間距(e)，及其對應(yīng)的最大構(gòu)造曲率和煤層厚度代入式(10)，計算8號煤層裂縫滲透率，如表1所示。預(yù)測煤層滲透率值介于0.002～0.650 mD間，平均為0.236 mD。不同最大構(gòu)造曲率區(qū)域滲透率分異明顯，呈現(xiàn)不同數(shù)量級。其中D18和D4鉆孔附近最大構(gòu)造曲率值小，煤層變形輕微，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層裂縫滲透率值較小[20]。特別說明的是，M46鉆孔附近最大構(gòu)造曲率為負(fù)值，煤層受擠壓變形，鉆孔煤樣以碎粒-糜棱煤為主，此煤樣裂隙無法辨認(rèn)、實測。鑒于糜棱煤分布區(qū)域煤層滲透率極低這一特點，構(gòu)造曲率負(fù)值區(qū)域煤樣不參與計算。因此本文采用最大構(gòu)造曲率正值計算的最小裂隙滲透率值，作為研究區(qū)煤層裂縫滲透率的一個邊界值，最大構(gòu)造曲率負(fù)值區(qū)段滲透率值均小于此邊界值(表1)。

表1 裂縫滲透率預(yù)測結(jié)果

古交區(qū)塊8號煤層試井滲透率介于0.098～2.343 1 mD間，平均0.651 mD，通過孔滲試驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測滲透率介于0.026～0.074 mD間，煤樣實測裂縫滲透率介于0.078～0.383 mD間，平均0.217 mD[21-23]。將本文預(yù)測結(jié)果與前人測試、試井滲透率值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)(表1～2，圖7)：

表2 古交區(qū)塊煤儲層滲透率值對比

圖7 三種煤層滲透率結(jié)果對比

(1) 煤層裂縫滲透率遠(yuǎn)大于孔隙滲透率值，表明煤層滲透率的貢獻(xiàn)主要依賴宏觀裂隙系統(tǒng)(表1～2)。

(2) 本文預(yù)測、試井的煤層裂縫滲透率均明顯分異，其值均呈數(shù)量級差異。預(yù)測、實測、試井煤層滲透值較為接近，說明本文預(yù)測額煤層裂縫滲透值較為可靠(表1～2，圖7)。

(3)預(yù)測和實測的古交區(qū)塊煤層滲透率值一般小于1.00 mD，但T-2試井滲透率有一異常值2.343 1 mD，揭示了古交區(qū)塊有可能存在高滲區(qū)域。

3.3 煤儲層裂縫滲透率分區(qū)

煤儲層宏觀裂隙系統(tǒng)由內(nèi)生裂隙(割理)、連通內(nèi)生裂隙的氣脹裂隙、連通氣脹裂隙的外生裂隙組成[24]。內(nèi)生裂隙主要發(fā)育在鏡煤、亮煤條帶中，而氣脹裂隙主要發(fā)育在亮煤、其他煤巖分層中，構(gòu)造成因的外生裂隙發(fā)育于任何煤巖分層，甚至整個煤層。不同煤巖分層裂隙的分異，造就了煤層滲透率層域和區(qū)域上的非均質(zhì)性(圖8)。

圖8 古交區(qū)塊8號煤儲層滲透率分布

區(qū)域上，古交區(qū)塊構(gòu)造曲率與馬蘭向斜及NE向斷層有著良好的一致性，煤層滲透值呈近似條帶狀分布。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，古交區(qū)塊東部，煤層底板等高線最大構(gòu)造曲率值小，煤層變形微弱，裂縫間距小，煤層滲透率一般小于0.011 mD(圖8)。古交區(qū)塊西部，煤層底板構(gòu)造曲率正值和負(fù)值相間分布區(qū)域內(nèi)，煤層滲透率值一般介于0.061～0.401 mD間，高滲區(qū)主要分布于馬蘭煤礦、鎮(zhèn)城底煤礦，局部煤層底板構(gòu)造曲率呈現(xiàn)負(fù)值區(qū)域，裂隙閉合、間距小，煤層滲透率介于0.001～0.011 mD間(圖8)。古交區(qū)塊南部，煤層底板最大構(gòu)造曲率以正值為主，煤層受拉張破壞變形，裂隙間距較大，煤層滲透率呈數(shù)量級差異，一般介于0.001～0.121 mD間，高滲區(qū)分布于Y2-1，Y3-1鉆孔附近(圖3)。古交區(qū)塊北部煤層底板構(gòu)造曲率以正值為主，煤層間距大，預(yù)測滲透率為0.101～0.601 mD，是研究區(qū)的高滲區(qū)(圖8)。

層域上，受煤層煤體結(jié)構(gòu)厚度比例的控制，煤層裂隙滲透率分異明顯?；跍y井曲線識別的研究區(qū)內(nèi)36口鉆井的煤體結(jié)構(gòu)，研究區(qū)東部煤層原生結(jié)構(gòu)煤厚度占比大，西部煤層碎裂煤厚度占比大，南部煤體結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強(qiáng)，煤體結(jié)構(gòu)厚度占比差別較大，北部碎裂煤厚度占比大[25]。統(tǒng)計了不同鉆孔碎粒煤-糜棱煤厚度占比，并對對應(yīng)的鉆孔煤層裂隙滲透率進(jìn)行了擬合分析，結(jié)果表明：8號煤層滲透率隨著碎粒煤-糜棱煤厚度占比增加一般呈指數(shù)衰減(圖9)。但是，碎粒煤-糜棱煤厚度占比較小的鉆井，其滲透率也較低(圖9)。究其原因，可能是這些鉆井中原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育、煤層裂隙不發(fā)育所致。例如研究區(qū)東部原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，煤層滲透率也較低。

圖 9 煤體結(jié)構(gòu)與滲透率關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)基于構(gòu)造曲率、煤層厚度和裂縫間距的數(shù)學(xué)模型，計算了古交區(qū)塊8號煤層滲透率。預(yù)測煤層滲透率值一般介于0.002～0.650 mD間，平均0.236 mD。經(jīng)與試井、實驗測試滲透率對比，揭示了煤層滲透主要依賴于宏觀構(gòu)造裂隙，證實了預(yù)測的煤層滲透率較為準(zhǔn)確。

(2)區(qū)域上，古交區(qū)塊北部8號煤層滲透率最高，滲透率介于0.101～0.601 mD間，西部區(qū)域次之，煤層滲透率值介于0.061～0.401 mD間。東部煤層變形微弱，煤層裂隙不發(fā)育，滲透率值一般小于0.011 mD，是研究區(qū)滲透率值最低區(qū)域。

(3)層域上，煤層滲透率與碎粒煤-糜棱煤厚度占比呈指數(shù)衰減關(guān)系，其中原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育的區(qū)域，煤層裂隙不發(fā)育，煤層滲透率也較低。