樊庄-郑庄区块无烟煤储层气水赋存-运移-产出路径的研究_胡秋嘉.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 煤储层流体主要指充填于裂隙与大孔内的煤层 水以及吸附于基质孔隙内表面的煤层气[1-2]。随着煤 层气商业性开发的不断发展及基础理论研究的逐渐 深入[3-4]， 煤储层流体的赋存与运移规律的研究逐渐 被学者们所重视[5-6]。煤储层孔裂隙系统不仅是煤层 气的主要赋存空间， 更是煤层气、 水的运移、 产出通 樊庄-郑庄区块无烟煤储层 气水赋存-运移-产出路径的研究 胡秋嘉 1， 刘世奇2， 闫 玲 1， 王 鹤 3， 方辉煌3， 张 庆 1， 毛崇昊1， 贾慧敏1 （1.中国石油天然气股份有限公司 山西煤层气勘探开发分公司， 山西 长治 046000； 2.中国矿业大学 低碳能源研究院， 江苏 徐州 221008； 3.中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116） 摘要 以樊庄-郑庄区块无烟煤储层为研究对象， 基于气水渗透率测试及核磁共振成像试验， 对煤储层气水赋存-运移-产出路径及其模式开展了研究。结果表明 孔径10 μm 的裂隙为主； 微孔和中孔是煤层气的主要赋存空间， 中 孔、 显微裂隙和内生裂隙是煤层气运移产出的主要通道， 对煤层气运移和产出至关重要； 其中樊 庄-郑庄区块煤储层孔径0.5 μm 的孔隙和显微裂隙发育程度相对较弱， 制约了气体产出效果。 关键词 裂隙； 孔隙； 渗透率； 核磁共振成像； 沁水盆地南部 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0218-05 Occurrence, Migration and Output Path of Gas and Water in Anthracite Coal in Fanzhuang and Zhengzhuang Blocks HU Qiujia1, LIU Shiqi2, YAN Ling1, WANG He3, FANG Huihuang3, ZHANG Qing1, MAO Chonghao1, JIA Huiming1 （1.PetroChina Shanxi CBM Branch, Changzhi 046000, China;2.Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China;3.School of Mineral Resource and Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China） Abstract Taking the anthracite coal in Fanzhuang and Zhengzhuang blocks as the research object, the occurrence, migration and output path of gas and water in coal reservoir and its model were analyzed based on the permeability and nuclear magnetic resonance imaging experiments. The results show that the coal seam water in macropore and microscopic fracture with the pore diameter 10 μm; micropore and mesopore are the main occurrence spaces of CBM, and mesopore, microfracture and endogenous fracture are the main channels for migration and output of CBM, which are very important for migration and production of CBM. Among them, the development of pore and microfracture with the pore diameter 0.5 μm in coal reservoir of Fanzhuang and Zhengzhuang blocks is relatively weak, which restricts the gas production effect. Key words fracture; pore; permeability; nuclear magnetic resonance imaging; southern Qinshui Basin DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.035 胡秋嘉， 刘世奇， 闫玲， 等.樊庄-郑庄区块无烟煤储层气水赋存-运移-产出路径的研究 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 218-222. HU Qiujia, LIU Shiqi, YAN Ling, et al. Occurrence, Migration, and Output Path of Gas and Water in An－ thracite Coal in Fanzhuang and Zhengzhuang Blocks ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10 ） 218-222.移动扫码阅读 基金项目中国石油天然气股份有限公司重大科技专项资助项目 （2017E- 1405） ； 国家自然科学基金资助项目 （41972168） 218 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 道[7-8]。良好的含气储层需具备 2 个条件 发育能使 气体吸附的孔隙系统和发育能使气水运移、产出的 裂隙系统[9-10]。一般认为， 基质孔隙主要为煤层气的 赋存空间，宏观裂隙主要为煤层气、水的运移通道 和煤层水的储集空间，孔径介于两者间的显微裂隙 则起着沟通基质孔隙与宏观裂隙的桥梁作用[11-13]。 煤储层气水赋存-运移-产出路径的研究， 应将基质 孔隙、微观裂隙及宏观裂隙作为整体进行研究。煤 层气主要呈吸附态 （7095） 、 游离态 （1020） 与溶解态， 且三者处在 1 个动态的平衡中[14]。 煤层气 主要以物理吸附的方式吸附于煤基质的内表面[15]。 煤层气井投产后，随储层压力的降低，吸附态的煤 层气开始解吸，该过程可用朗格缪尔吸附模型进行 描述[16]； 解吸后的煤层气在浓度梯度驱使下向裂隙 系统扩散， 该过程遵循菲克定律[17]。 扩散后的煤层气 在压力差的驱使下进一步在天然裂隙中流动，该过 程遵循达西定律[18]。而煤层水则以达西流动在宏观 裂隙中运移[19-20]。基于此， 以沁水盆地南部樊庄-郑 庄区块内无烟煤储层为研究对象，基于水测渗透 率、克氏渗透率及核磁共振成像等实验，对无烟煤 储层气水赋存-运移-产出路径及其模式进行了系 统分析。研究对加深煤储层气水产出机理的认识和 指导煤层气井排采控制具有重要意义。 1地质背景 樊庄-郑庄区块位于山西省沁水盆地南部， 行 政区隶属于沁水县、 安泽县和阳城县等， 樊庄-郑庄 区块是目前实现商业化开发程度较高和开发效益 较好的区块。樊庄-郑庄区块含煤地层为石炭二叠 系， 自下向上依次为本溪组、 太原组、 山西组、 下石 盒子组、上石盒子组和石千峰组，其中山西组的 3 煤层全区稳定分布，因此是煤层气开发最重要的目 的地层。 郑庄区块地层宽缓， 地层倾角平均约 4， 低缓、 平行褶皱普遍发育， 呈近 SN 和 NNE 向， 褶皱的幅 度相对较小， 背斜幅度一般小于 50 m， 延伸长度在 510 km，呈典型的长轴线性褶皱。断层相对不发 育， 断距大于 20 m 的断层仅在西南部分布， 主要有 寺头断层、后城腰断层以及与之伴生的断层，呈 1 组 NE-EW 向断层组成的弧形断裂带[21]。樊庄区块 与郑庄区块以寺头断层相隔，主要由沁河复式向 斜、 晋东南山字型构造和寺头-后城腰断裂带组成， 主要构造形态仍呈 NNE 向展布；次一级褶曲发育， 且方向多变， 表现了多期构造作用的影响[22]。 2实验样品及方法 选取沁水盆地南部樊庄-郑庄区块周边胡底矿 （樊庄区块） 和沁城矿 （郑庄区块） 煤岩样品开展研 究。所采煤样均为无烟煤， 样品的采集、 保存、 运输 均按 GB/T 192222003 国家标准和 GB/T 16773 2008 国家标准执行。为了避免煤样氧化， 所采集的 大块煤样用吸水纸包裹并用胶带缠绕，放入密封袋 内保存。样品保存在 5 C 左右的恒温环境内。 1） 原始煤柱水测渗透率实验。原始煤柱中主要 为割理和和显微裂隙，因此原始煤柱水测渗透率实 验主要研究的是割理和和显微裂隙的水测渗透率。 样品采用直径 50 mm、长度 50100 mm 的煤柱， 由 机械钻样机钻取，并由磨面机将两端面打磨平整。 实验温度为室温； 注水压力设定为 2 MPa， 出口压力 为大气压， 即煤柱两端的压差约为 2 MPa； 围压分别 设定为 4、 5 MPa； 水注入速率恒定为 20 mL/min。 2） 宏观裂隙水测渗透率实验。利用人造裂缝模 拟煤岩宏观裂隙，并测试其渗透率。采用样品同样 是直径 50 mm、 长度 50100 mm 的煤柱。为了模拟 宏观裂隙， 采用切割线直径为 200 μm 的线切割机， 将煤柱沿轴剖开，然后再合在一起，用胶带将侧面 包裹，形成 1 个轴截面有裂隙的煤柱。切割完成后 的煤柱人造裂隙裂口宽度约 500 μm， 可有效模拟煤 中外生裂隙。实验温度为室温； 注水压力、 围压， 以 及水的注入速率与原始煤柱水测渗透率实验一致。 3） 克氏渗透率实验。研究通过克氏渗透率实验 获得测试样品的气测渗透率。克氏渗透率测试所采 用是美国 CoreLab 公司生产的 PDP-200 （Pulse-De－ cay Permeameter） 超低渗透率岩石渗透率仪， 所使用 的样品为直径 25 mm、 长度 4070 mm 的煤柱， 同样 由机械钻样机钻取。实验温度为室温；注气压力为 1.03 MPa，围压分别为 2.07、 2.76、 3.45、 4.14、 4.83 MPa。测试所采用的气相介质是氮气。 4） 核磁共振成像实验。研究基于气驱水条件下 煤样的低场核磁共振成像实验获得了测试煤样内部 气、水分布与赋存状态的直观认识。核磁共振成像 实验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的纽 曼 MesoMR23-060H-I 核磁共振仪， 所使用的样品同 样为直径 25 mm、 长度 4070 mm 的煤柱。 实验参数 分别为 围压 4 MPa， 注气压力 1.5 MPa， 出口压力为 大气压， 气体类型为 CH4。设定 8 个成像时间点， 分 别为初始见水或见气时，见水或见气后 5、 15、 30、 60、 120、 180 min， 和无水流出或气体流量稳定时。 219 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3饱和水样品核磁共振实验孔径分布特征 Fig.3Poresize distribution of water saturated samples 图 2胡底矿样品 T2谱特征 Fig.2T2spectra of Hudi sample 图 1胡底矿样品 T2谱成像结果 Fig.1T2imaging results of Hudi sample 核磁共振成像实验的基本流程如下①干燥煤 样 T2谱测试 60 ℃条件下，将测试样品置于真空干 燥箱真空干燥 24 h，然后测试干燥煤样的 T2谱； ② 饱和水煤样 T2谱测试 干燥煤样 T2谱测试完成后， 将测试样品在 6 MPa 条件下抽真空饱水 12 h， 饱水 完成后测试饱和水煤样 T2谱； ③气驱水核磁共振实 验 饱和水煤样 T2谱测试完成后， 按照实验设计的 围压、注气压力开展气驱水实验，同时监测出口气 体流量，按照设计的成像时间点完成全部设计的核 磁共振成像实验。 3煤层气水赋存与运移路径 3.1煤层气水赋存空间 1） 煤层水的赋存空间。 胡底矿样品 T2谱成像结 果及特征如图 1 和图 2。图 1 中高亮区域为水中氢 原子信号，代表了水的分布状态。综合图 1 和图 2 可知， 样品中水呈 2 种分布状态 ①条带状分布， 这 部分水主要赋存在 10100 μm 尺度的微裂隙中， 对 应于 T2谱线中 1001000 ms 的谱峰；②零散分布， 这部分水主要赋存在 50 nm1 μm 尺度的大孔和显 微裂隙中， 对应于 T2谱线中 0.033 ms 的谱峰。由 此可见， 6 MPa 条件下煤层水既可赋存于显微裂隙 中， 也可赋存于大孔中。根据研究区煤层气井试井解 释结果， 煤储层压力介于 1.7711.32 MPa， 并以 48 MPa 为主。樊庄-郑庄区块储层压力条件下， 大孔、 显微裂隙和宏观裂隙均为煤层气水的赋存空间。 2 ） 煤层气的赋存空间。前人研究表明， 孔隙是 煤中 CH4的主要赋存空间[14-16]。虽然核磁共振实验 对孔径50 nm 的孔隙分辨率较低， 但由核磁共振结 果仍可看出，测试样品孔径0.5 μm 的孔隙和显微裂 隙发育程度相对较弱， 制约了气体产出效果。 2） 煤层水赋存-运移-产出路径。同样综合上述 对煤层水赋存空间和运移路径的认识，提出樊庄- 郑庄区块煤层水赋存-运移-产出路径 （图 4） 。煤储 层中大孔、 显微裂隙、 内生裂隙和外生裂隙均是煤层 水的重要储集场所。其中，孔径1 μm 的大孔和显 微裂隙中赋存大量不可流动水。大孔和显微裂隙中 赋存的煤层水或直接运移至与之连通的外生裂隙， 或先运移至内生裂隙，再由内生裂隙运移至外生裂 隙。内生裂隙中的煤层水或直接运移至压裂裂缝， 或由外生裂隙运移至压裂裂缝。而外生裂隙中的煤 层水或直接流向井筒，或经压裂裂缝流向井筒。煤 层地应力状态下，外生裂隙与割理和显微裂隙共同 组成了煤层水的运移和产出通道，其中裂口宽度10 μm 的显微裂隙、 内生裂隙和外生裂隙。 5结论 1） 煤储层大孔、 显微裂隙、 内生裂隙和外生裂隙 样品围压/MPa注气压力/MPa渗透率/mD 胡底 2.07 1.03 0.039 6 2.760.023 9 3.450.011 8 4.144.014 0 沁城 2.07 1.03 0.014 1 2.760.009 8 3.450.004 1 4.140.000 6 4.830.001 3 注 4.14 MPa 围压下， 胡底矿煤样产生破裂， 新的裂缝产出， 造成渗透率增大。 221 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 均是煤层水的重要储集场所。孔径10 μm 的显微裂隙、内生裂隙和 外生裂隙。 2） 煤储层微孔和中孔是煤层气的主要赋存空间， 不同尺度的孔隙和裂隙共同组成了煤层气运移产出 的通道。中孔、 显微裂隙和内生裂隙， 不仅是煤层气 体运移的重要介质形态，而且是沟通孔隙与裂隙的 重要桥梁， 对煤层气运移和产出至关重要。 参考文献 ［1］ 邵先杰， 董新秀， 汤达祯， 等.煤层气开发过程中渗透 率动态变化规律及对产能的影响 ［J］ .煤炭学报， 2014， 39 （S1） 146-151. ［2］ 孙政， 李相方， 徐兵祥， 等.一种表征煤储层压力与流 体饱和度关系的数学模型 ［J］ .中国科学 技术科学， 2018， 48 （5） 457-464. ［3］ 刘小磊， 吴财芳， 秦勇， 等．我国煤层气开发技术适应 性及趋势分析 ［J］ .煤炭科学技术， 2016， 44 （10） 58. ［4］ 徐凤银， 肖芝华， 陈东， 等.我国煤层气开发技术现状 与发展方向 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （10） 205. ［5］ 唐巨鹏， 潘一山， 张佐刚.煤层气赋存和运移规律的 NMRI 研究 ［J］ .辽宁工程技术大学学报， 2005， 24 （5） 674-676. ［6］ 陈文文， 杨延辉， 王生维， 等.高煤阶煤层气藏内水赋 存特征与运移规律研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2016， 44 （S） 154-159. ［7］ LIU Shiqi, SANG Shuxun, PAN Zhejun, et al. 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