趙景輝

（中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京 210000）

中國(guó)深部煤層氣資源豐富，埋深為1 000～2 000 m 的深部煤層氣資源量達(dá)22.5×1012m3［1-2］，占埋深2 000 m 以淺煤層氣資源量的75%以上。目前針對(duì)埋深對(duì)儲(chǔ)層物性及含氣量影響的研究較多，陳剛等針對(duì)鄂爾多斯盆地深部煤層氣的含氣量隨埋深的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為含氣量隨埋深增加而先增大后減小，含氣量在埋深為900～1 600 m 處達(dá)到峰值［3］，申建認(rèn)為該峰值是地層壓力和地層溫度耦合作用共同導(dǎo)致的［4］；李松等認(rèn)為煤儲(chǔ)層滲透率隨埋深增加而降低，主要是由于儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化［5］，鞠瑋等提出了以應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為主要指標(biāo)的深部煤層氣臨界深度預(yù)測(cè)方法［6］；汪崗等研究了深部煤層孔隙壓縮系數(shù)，認(rèn)為孔隙壓縮系數(shù)隨著埋深增加而不斷變化，并非恒定值，為定量評(píng)價(jià)滲透率隨埋深變化提供了方法［7］。整體來看，目前研究埋深對(duì)煤層鏡質(zhì)組反射率、煤層氣組分、解吸效率等參數(shù)的影響較少，需要進(jìn)一步深入。許多學(xué)者對(duì)深部煤層氣的富集高產(chǎn)控制因素進(jìn)行了研究，部分學(xué)者認(rèn)為富集區(qū)就是煤層氣開發(fā)有利區(qū)。顧嬌楊等研究了鄂東緣臨興區(qū)塊深部煤層氣成藏富集規(guī)律，認(rèn)為該區(qū)煤層氣含氣飽和度較高，是開發(fā)的有利區(qū)［8］；然而陸小霞等分析認(rèn)為儲(chǔ)層滲透率低、溝通含水層、壓裂效果差等是沁水盆地南部1 000 m 以深儲(chǔ)層開發(fā)效果較差的主要原因［9］；陳貞龍等對(duì)延川南深部煤層氣藏進(jìn)行了研究認(rèn)為水動(dòng)力控氣、物性控產(chǎn)［10］，明確區(qū)分了富集和高產(chǎn)的不同主控因素；高麗軍等認(rèn)為鄂東緣臨興區(qū)塊深部煤層雖然含氣飽和度高，但儲(chǔ)層物性較差，導(dǎo)致煤層氣井見氣快、排水降壓難、產(chǎn)量上升慢［11］，揭示了富集區(qū)不一定是高產(chǎn)區(qū)，對(duì)于富集高產(chǎn)區(qū)需要同時(shí)對(duì)含氣量和物性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，即煤層氣富集僅僅是高產(chǎn)的必要條件而非充分條件。但針對(duì)深部煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)方法有待進(jìn)一步完善，為此以埋深對(duì)煤層氣儲(chǔ)層物性的影響分析為基礎(chǔ)，分別探討了埋深對(duì)煤層氣富集和高產(chǎn)的影響，為深部煤層氣儲(chǔ)層富集高產(chǎn)區(qū)定量評(píng)價(jià)提供了有效方法。

1 基本地質(zhì)條件

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，構(gòu)造上處于晉西撓褶帶與渭北隆起的交匯處，整體為傾向西北的單斜構(gòu)造［12］。區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向，主要發(fā)育北東向斷層和褶皺。

延川南區(qū)塊主力煤層氣儲(chǔ)層為2#煤層，埋深為800～1 600 m，厚度為3.1～4.8 m，中底部發(fā)育厚度為0.1～1 m 的夾矸。2#煤層含氣量差異較大，為3.5～35.7 m3/t，含氣量低值區(qū)主要受斷層、陷落柱等影響，保存條件較差。煤層氣儲(chǔ)層滲透率一般小于0.5 mD，孔隙度一般小于6%，屬于低孔、低滲透儲(chǔ)層。2#煤層儲(chǔ)層壓力為2.8～13.2 MPa，壓力系數(shù)為0.8～0.97，為欠壓儲(chǔ)層。水型以氯化鈣和碳酸氫鈉型為主，氯化鈣型礦化度為11 400～80 450 mg/L，pH值為4.0～6.9；碳酸氫鈉型礦化度為2 170～7 970 mg/L，pH值為6.9～8.3。

2 實(shí)驗(yàn)樣品制備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品均來自延川南區(qū)塊參數(shù)井鉆井取心，含氣量、工業(yè)組分、最大鏡質(zhì)組反射率（Romax）、吸附時(shí)間等參數(shù)均采用取心樣品進(jìn)行測(cè)試。樣品基本參數(shù)如表1 所示，埋深為832.10～1 497.18 m，平均為1 027.93 m。最大鏡質(zhì)組反射率為1.59%～3.22%，屬于中、高煤階煤。水分含量為0.36%～3.75%，灰分含量為5.75%～35.97%，揮發(fā)分含量為8.39%～20.36%，固定碳含量為52.95%～85.19%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品鏡質(zhì)組反射率測(cè)試嚴(yán)格按照煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測(cè)定方法［13］進(jìn)行。煤層氣組分采用開始產(chǎn)氣后的產(chǎn)出氣進(jìn)行分析化驗(yàn)，其操作過程嚴(yán)格按照煤層氣的取樣和組分分析方法［14］進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)樣品含氣量嚴(yán)格按照煤層氣含量測(cè)定方法［15］要求進(jìn)行測(cè)試；各參數(shù)井儲(chǔ)層滲透率采用注入壓降試井的方法進(jìn)行測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 埋深對(duì)最大鏡質(zhì)組反射率的影響

研究區(qū)最大鏡質(zhì)組反射率隨埋深增加而增加（圖1a），表明埋深較大的區(qū)域古地溫也較高。以50 m 為間隔，求取埋深和對(duì)應(yīng)最大鏡質(zhì)組反射率的平均值［16］（圖1b），得到埋深和對(duì)應(yīng)最大鏡質(zhì)組反射率間的經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖1 埋深對(duì)最大鏡質(zhì)組反射率的影響Fig. 1 Effect of burial depth on maximum vitrinite reflectance

采用BARKER 等［17］提出的地質(zhì)溫度計(jì)算方法計(jì)算煤層溫度為：

將（1）和（2）式聯(lián)立可得：

根據(jù)（3）式計(jì)算得到埋深為800～1 600 m 煤層氣儲(chǔ)層的古地溫約為197.2～233.3 ℃，表明該區(qū)域在成煤區(qū)受到高溫?zé)嵋汉婵荆姑簬r成熟度增加，利于煤層氣大量生成。

3.2 埋深對(duì)煤層氣組分的影響

研究區(qū)煤層氣組分主要為CH4，CO2，N2和相對(duì)較重的烴氣（C2+），其中CH4含量大于94%，C2+含量很低（小于0.1%），為干氣或特干氣，這表明研究區(qū)煤層氣為熱成因氣［18］；非烴氣體以CO2為主，N2極少，這主要是由于CO2吸附能力較強(qiáng)，在煤層中保存較好［19］。由圖2 可知，CH4含量隨埋深增加而降低，在埋深為1 400 m 時(shí)，CH4含量降低至近94%，這主要是由于隨著埋深增加，儲(chǔ)層溫度升高，煤層吸附能力降低；N2含量隨埋深增加而增加，但整體較低，最高值仍然小于0.1%；CO2含量隨埋深增加而增加，但埋深大于1 200 m 后CO2含量增加幅度極小，基本保持不變；C2+含量也隨埋深增加而增加，但整體較低，峰值含量小于0.1%。

圖2 埋深對(duì)煤層氣組分的影響Fig. 2 Effect of burial depth on coalbed methane components

3.3 埋深對(duì)儲(chǔ)層含氣性的影響

煤層氣儲(chǔ)層含氣性采用含氣量和臨儲(chǔ)比來表征，含氣量表征含氣量絕對(duì)值大?。?0］，臨儲(chǔ)比表征含氣飽和度大?。?1］。研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層含氣量隨埋深增加持續(xù)增加，這主要是由于隨埋深增加，煤巖變質(zhì)程度增加（圖3a），生烴量大幅增加，因此含氣量整體上增加。研究區(qū)臨儲(chǔ)比隨埋深增加而降低（圖3b），這表明雖然解吸壓力和儲(chǔ)層壓力均隨埋深增加而增加，但解吸壓力增加速度小于儲(chǔ)層壓力增加速度，這主要是由于隨著埋深增大，煤層氣儲(chǔ)層溫度不斷升高，吸附能力持續(xù)下降，導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力相同增幅條件下吸附的氣量持續(xù)減少，進(jìn)而導(dǎo)致解吸壓力增幅降低。

圖3 埋深對(duì)煤層氣儲(chǔ)層含氣性的影響Fig. 3 Effect of burial depth on gas-bearing capacity of coalbed methane reservoirs

3.4 埋深對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響

通過現(xiàn)場(chǎng)試井獲取研究區(qū)各參數(shù)井2#煤層滲透率，研究區(qū)儲(chǔ)層滲透率隨埋深增加呈負(fù)指數(shù)降低，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

煤層埋深越大，儲(chǔ)層滲透率越低，埋深為800 m時(shí)，儲(chǔ)層滲透率約為0.4～0.5 mD，滲透率相對(duì)較高；而當(dāng)埋深達(dá)1 500 m 左右時(shí)，儲(chǔ)層滲透率降低至0.1 mD 附近（圖4）。這主要是由于埋深增加，儲(chǔ)層上覆應(yīng)力增加，導(dǎo)致煤巖承受的有效應(yīng)力增加，裂縫閉合導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低，因此，埋深大于1 500 m 儲(chǔ)層原始滲透率較低，不利于煤層氣開發(fā)。

圖4 埋深對(duì)煤層氣儲(chǔ)層滲透率的影響Fig. 4 Effect of burial depth on permeability of coalbed methane reservoirs

3.5 埋深對(duì)儲(chǔ)層解吸擴(kuò)散效率的影響

吸附時(shí)間是指通過取心測(cè)試含氣量時(shí)，解吸氣體體積達(dá)到總解吸氣量的63.2%時(shí)所用的時(shí)間，吸附時(shí)間可以表征煤層氣解吸擴(kuò)散效率的快慢，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，解吸效率越低，吸附時(shí)間越短，解吸效率越高。由圖5可知，整體上，吸附時(shí)間隨埋深增加而降低，即埋深越大，解吸效率越高，這是深部煤層氣開發(fā)的有利因素。

圖5 埋深對(duì)吸附時(shí)間的影響Fig. 5 Relationship between burial depth and adsorption time

4 煤層氣儲(chǔ)層富集高產(chǎn)能力及定量評(píng)價(jià)

隨著埋深增加，研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層最大鏡質(zhì)組反射率持續(xù)增加，表明古地溫持續(xù)增加。煤層氣組分分析結(jié)果表明研究區(qū)煤層氣為熱成因氣，因此生氣能力隨著埋深（古地溫）增加持續(xù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致研究區(qū)含氣量隨埋深增加而持續(xù)增加，形成了研究區(qū)以埋深為主要控制因素的煤層氣富集模式。由于含氣量是煤層氣井高產(chǎn)的資源基礎(chǔ)，一般情況下，含氣量越高產(chǎn)量越高，但富集并不一定能夠高產(chǎn)，因?yàn)槊簩託獗仨毻ㄟ^解吸、擴(kuò)散、滲流才能夠產(chǎn)出，研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層滲透率隨埋深增加而降低，表明隨著埋深增加，煤層氣滲流能力持續(xù)下降；吸附時(shí)間隨埋深增加而降低，表明埋深越大，解吸、擴(kuò)散效率有升高趨勢(shì)。因此，采用含氣量、滲透率和吸附時(shí)間3個(gè)參數(shù)對(duì)研究區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)能力進(jìn)行預(yù)測(cè)，定義產(chǎn)氣指數(shù)表達(dá)式為：

根據(jù)（5）式計(jì)算研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層產(chǎn)氣指數(shù)，結(jié)果（圖6）表明單井累積產(chǎn)氣量隨產(chǎn)氣指數(shù)增加而增加，二者具有良好相關(guān)性。（5）式提出的產(chǎn)氣指數(shù)能夠有效地表征煤層氣儲(chǔ)層的富集高產(chǎn)能力，產(chǎn)氣指數(shù)越高，單井產(chǎn)氣量越高。研究區(qū)埋深對(duì)產(chǎn)氣指數(shù)的影響分析結(jié)果（圖7）表明，隨埋深增加產(chǎn)氣指數(shù)先增加后降低，產(chǎn)氣指數(shù)在埋深為1 100 m 附近達(dá)到最高，因此埋深約為1 100 m 處的（圖6）儲(chǔ)層是研究區(qū)富集高產(chǎn)的最有利開發(fā)區(qū)。

圖6 產(chǎn)氣指數(shù)與單井累積產(chǎn)氣量關(guān)系Fig. 6 Relationship between gas production index and cumulative gas production of single well

圖7 產(chǎn)氣指數(shù)與埋深關(guān)系Fig. 7 Relationship between gas production index and burial depth

5 結(jié)論

鄂爾多斯盆地東南緣延川南區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)層的最大鏡質(zhì)組反射率隨著埋深增加而增加，表明古地溫隨埋深增加持續(xù)增加，再加上高溫?zé)嵋汉婵?，利于煤層氣大量生成，進(jìn)而導(dǎo)致研究區(qū)CH4含量隨埋深增加而增加；而N2，CO2和C2+含量也均隨埋深增加而增加。雖然煤層氣儲(chǔ)層含氣量隨著埋深增加持續(xù)增加，但臨儲(chǔ)比隨埋深增加而降低，表明隨著埋深增加，解吸壓力增加速度小于儲(chǔ)層壓力增加速度。煤層氣儲(chǔ)層滲透率隨埋深增加呈負(fù)指數(shù)降低，當(dāng)埋深達(dá)1 500 m 左右時(shí)，儲(chǔ)層滲透率降低至0.1 mD 附近；吸附時(shí)間隨埋深增加而降低，即埋深越大解吸效率越高，這是深部煤層氣開發(fā)的有利因素。基于含氣量、滲透率和吸附時(shí)間3 個(gè)參數(shù)計(jì)算的產(chǎn)氣指數(shù)能夠有效對(duì)研究區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，產(chǎn)氣指數(shù)與單井產(chǎn)氣量具有良好的相關(guān)關(guān)系；隨埋深增加產(chǎn)氣指數(shù)先增加后降低，產(chǎn)氣指數(shù)在埋深為1 100 m 附近達(dá)到最高，是研究區(qū)富集高產(chǎn)的最有利開發(fā)區(qū)。

符號(hào)解釋

G——儲(chǔ)層含氣量，m3/t；

H——埋深，m；

I——產(chǎn)氣指數(shù)，（mD·m3）/（t·d）；

K——儲(chǔ)層滲透率，mD；

t——吸附時(shí)間，d；

Ro——鏡質(zhì)組反射率，%；

T——煤層氣儲(chǔ)層溫度，℃。