许 浩 汤达祯 唐书恒 陶 树 吕玉民 赵兴龙
( 中国地质大学 ( 北京) 能源学院 北京 100083)
摘 要: 以沁南地区郑庄和樊庄区块为主要研究对象，在实验测试的基础上，利用试井及测井资料，探讨了地应力、埋深、储层压力、煤岩、岩石力学性质、煤体结构、含气量等因素与煤层渗透率的关系。结果表明: 研究区煤储层渗透率纵向上受埋深和地应力影响显著，随埋深增加渗透率逐渐减小，产能逐渐降低; 当煤层埋深相差不大时，煤储层渗透率平面上受煤层镜质组含量、岩石力学性质及煤体结构的控制，镜质组含量越高、煤体弹性模量越大、煤层裂隙越发育渗透率越大，产能越高。同时指出，研究区内高渗区与富集区 ( 即渗透率高值区与含气量高值区) 存在着不一致性，在煤层气勘探和开发过程中应综合考虑，二者兼顾。
关键词: 渗透率 控制因素 产能 煤层气 沁南地区
基金项目: 国家 “973”计划项目 ( 2009CB219604) ; 国家科技重大专项课题 34 ( 2008ZX05034 －003) ;国家科技重大专项示范工程 62 ( 2008ZX05062)
作者简介: 许 浩，1979 年生，男，河北黄骅人，博士，讲师，主要从事石油、天然气、煤层气教学及科研工作. 通的地址: 中国地质大学 ( 北京) 煤层学院 ( 100083) 电话: 010 －82322011. 邮政: xuhao600@163. com
Controlling Factors and Productivity Response of CoalRese- rvoir Permeability in the Key Block of Southern Qinshui Basin
XU Hao TANG Dazhen TANG Shuheng TAO Shu LV Yumin ZHAO Xinglong
( School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083 China)
Abstract: On the basis of experiment and test，utilizing well testing and logging data，this article discusses the relationship between in － situ stress，buried depth，reservoir pressure，coal petrology rock mechanical proper- ty，coal structure，gas content and permeability of Zhengzhuang and Fanzhuang Block in southern Qinshui Ba- sin. The result shows that permeability is influenced by buried depth and in － situ stress significantly in the longitu- dinal direction，permeability decreasing along with depth increasing，productivity decreasing gradually; on the plane，permeability was controlled by vitrinite content，rock mechanical property and coal structure when the bur- ied depth of coal seam differs little，the higher content of vitrinite，the higher elastic modulus and the more devel- oped fractures，the higher the permeability and the higher the productivity. Meanwhile，there is inconsistency be- tween high permeability zone and enrichment area，both should be considered during the process of coalbed meth- ane exploration and development.
Keywords: permeability; controlling factors; productivity; coalbed methane; southern Qinshui Basin
沁水盆地是我国煤层气勘探开发最活跃的地区，前人对该地区高煤级煤储层的渗透性影响因素进行了广泛和深入的探讨(秦勇等，1999;连承波等，2008)。由于煤层具有较强的应力敏感性，地应力一直被认为是煤层渗透率的主要影响因素。很多人认为地应力和埋深是该地区煤层渗透率的主要控制因素(傅雪海等，2001;董敏涛等，2005;金大伟等，2006)。但从生产实际分析来看，地应力与现场实测渗透率及煤层气井产能虽然具有一定的相关性，但离散性较强(刘洪林等，2007);另外，仅以上两种主控因素很难解释某一构造稳定区块煤层埋深相差不大的条件下，渗透率的平面变化。说明该地区煤层渗透率应该是多种因素综合作用的结果，一些学者也认识到了这一问题，并进行了煤储层内在因素以及外在因素对渗透率影响的探讨，但研究成果大多属于区域性描述和分析，专门针对煤层气开发重点区块煤层渗透率控制因素与产能响应的系统研究却少见报导。本次研究以沁南地区郑庄和樊庄区块为主要研究对象，在实验测试的基础上，利用试井及测井资料，探讨了地应力、埋深、储层压力、煤岩煤质、岩石力学性质、煤体结构、含气量等因素与煤层渗透率的关系，为未勘探地区煤层渗透率及产能的综合预测提供了科学依据。
1 埋深与地应力对煤层渗透率的影响
研究区地应力随深度增加而增大(图1)，煤储层渗透率总体上具有随埋深增大呈指数减小的趋势(图2)，这种规律已得到很多专家学者证实(何伟钢等，2000;傅雪海等，2001)，说明研究区煤储层渗透性受地应力影响较大。
图1 地应力与埋藏深度关系
图2 渗透率与煤层埋深关系
由于煤储层原始渗透率对产气量的贡献较改造渗透率更大(倪小明，2009)，本次研究统计了沁南地区38口煤层气井的产气情况，由于研究区煤层气井类型多样且排采时间不同，为了使产能数据具有可比性，本次研究对产能数据的取值做了如下限定:①只统计直井产气数据;②以排采时间一年为界限，取其中最大日产气量及平均日产气量;③剔除在这一时间段内由于工程或人为因素导致的停井等不正常因素的干扰。结果表明，该区煤层气井平均日产气量及最大日产气量与煤层的埋深相关性明显，即随煤层埋深增大，研究区煤层气井平均日产气量及最大日产气量均呈现出降低的趋势(图3，图4)，这可能与随埋深增大煤储层渗透性降低有关。
图3 煤层气井平均日产气量与煤层埋深关系图
图 4 煤层气井最大日产气量与煤层埋深关系图
但需要指出的是，以上统计数据的离散性较强，研究区煤层渗透率及地应力在埋深变化不大的情况下，存在较大差异(图1、图2)。表明在埋深对渗透率的总体控制之下，存在着其他因素的叠加，在埋深相似的条件下，这种叠加因素往往对渗透率起着更为重要的控制作用。
2 煤层渗透率与镜质组含量的关系
煤岩组分中镜质组含量影响着煤层的含气量大小和煤层的渗透性。镜质组含量大，生气能力强，煤层裂隙发育，煤层渗透率相对较高。研究区试井渗透率与煤层镜质组含量有很好的相关关系，煤层渗透率均随镜质组含量的增加而增大(图5)。同时，根据研究区9口井3#煤层产能数据分析表明，最大日产气量与镜质组含量呈正相关关系，即煤层镜质组含量越高单井日最大产气量越大(图6)。
图 5 煤储层镜质组含量与渗透率关系
图 6 煤层镜质组含量与最大日产气量关系
3 煤储层渗透率与储层压力系数的关系
研究区煤储层压力与埋深呈正相关关系，即随埋深的增大储层压力逐渐增大(图7)。煤储层压力与煤储层渗透率的相关性不明显，但随着煤储层渗透率的增大压力系数逐渐减小(图8)。渗透率是表征储层内流体渗透性的参数，它的大小反映了煤储层内流体与外部流体的沟通能力，这一关系说明，储层内流体越不容易与外部沟通越容易导致储层内高压的形成，相反，越容易与外部流体发生沟通，其压力系数就越低。主要是因为渗透率较大的煤储层中流体压力相对更容易释放。
图7 煤储层压力与深度关系
图8 煤储层压力系数与渗透率关系
4 渗透率与煤体结构及含气量的关系
煤体结构是决定煤储层渗透率的重要因素，利用测井曲线评价煤体结构，是基于各煤体结构间存在着物性差异，能够间接反映煤储层的渗透率(Chatterjee R.etal.，2010;FU Xuehai et al.，2009)。通常煤体孔、裂隙越发育，物性越好，声波时差增大，这不仅反映了煤体结构与煤层渗透率的关系，而且为研究区渗透率的预测提供了依据。但值得注意的是，研究区煤层含气量与声波时差呈负相关关系，即随含气量的增加声波时差值逐渐减小(图9)，指示了煤层渗透率越低含气饱和度越高，说明对于物性较差的煤层，虽然煤层气相对富集，但煤层气解吸产出困难，不一定是高产区，因此，在研究区内的高渗区与富集区可能不是重合的。
5 煤层渗透率与岩石力学性质的关系
弹性模量是表征煤体发生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使煤体发生一定弹性变形的应力也越大，即煤体刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。杨满平(2003)研究认为，随着弹性模量的增大，岩石的可压缩性降低，渗透率受到的影响也越小。通过对研究区试井渗透率与实验室测试煤体弹性模量的分析表明，在埋深相差不大的条件下，煤层所受地应力相似，煤体弹性模量越大，煤体越不容易发生形变，则渗透率越大(图10)，但需要说明的是，弹性模量对煤体渗透率产生的这种规律性影响所必须具备的前提是煤体结构相似，煤岩组成相差不大的煤储层。
图9 煤层声波时差与含气量关系
图10 煤层弹性模量与渗透率关系
6 结论
综合分析认为，对于研究区煤储层来说，纵向上，渗透率受埋深和地应力影响显著，随埋深增加渗透率逐渐降低，产能也有一致性的反映;平面上，当煤层埋深相差不大时，渗透率受煤层镜质组含量、岩石力学性质及煤体结构的控制，进而影响了煤层气的产量，可根据测井资料进行预测。由于研究区内高渗区与富集区存在着不一致性，在煤层气勘探和开发过程中应综合考虑，二者兼顾。
参考文献
董敏涛，张新民，郑玉柱等.2005.煤层渗透率统计预测方法［J］.煤田地质勘探，33(6):28～30
傅雪海，秦勇，姜波等.2001.煤割理压缩实验及渗透率数值模拟［J］.煤炭学报，26(6):573～577
傅雪海，秦勇，李贵中.2001.沁水盆地中南部煤储层渗透率主控因素分析［J］.煤田地质与勘探，16～19
何伟钢，唐书恒，谢晓东.2000.地应力对煤层渗透性的影响［J］.辽宁工程技术大学学报，19(4):353～355
金大伟，赵永军.2006.煤储层渗透率复合因素数值模型研究［J］.西安科技大学学报，(4):460～464
连承波，钟建华，赵永军等.2008.基于试井资料分析的煤储层渗透率定量预测模型［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，27(4):481～484
刘洪林，王勃，王烽等.2007.沁水盆地南部地应力特征及高产区带预测［J］.天然气地球科学，18(6):885～890
倪小明，苏现波，魏庆喜等.2009.煤储层渗透率与煤层气垂直井排采曲线关系［J］.煤炭学报，34(9):1194～1198
秦勇，张德民，傅雪海等.1999.山西沁水盆地中、南部现代构造应力场与煤储层物性关系之探讨［J］.地质论评，45(6):576～582
杨满平，王正茂，李冶平.2003.影响变形介质气藏储层渗透率变化的主要因素［J］.天然气地球科学，14(5):386～388
Chatterjee R. ，Pal P. K. . Estimation of stress magnitude and physical properties for coal seam of Rangamati area，Raniganj coalfield，India ［J］ . International Journal of Geology Coal，2010，81: 25 ～ 36
Fu Xuehai，Qin Yong，Wang Geoff G. X. ，Rudolph V. . Evaluation of coal structure and permeability with the aid of geo- physical logging technology ［J］ . Fuel，2009，88: 2278 ～ 2285