（矿产普查与勘探专业论文）煤层气储层渗透率演化过程模拟研究.pdf

煤层气储层渗透率演化过程模拟研究 孙立东( 矿产普产与勘探) 指导教师：赵永军教授 摘要 渗透率是影响煤层气勘探选区的重要参数，但关于渗透率演化机理 的认识不清楚，尚未形成科学、系统的煤储层渗透率评价方法。 本文以鄂尔多斯盆地石炭- 二叠系煤储层为目标层，以煤层气储层的 渗流机理为切入点，以煤岩力学性质的变化为主线，利用石油天然气地 质学、煤岩学、数学地质、有机地球化学以及岩石力学的理论和研究方 法，剖析了煤层埋藏深度、地应力、煤岩热演化程度、地层压力等地质 参数，恢复重建了研究区埋藏史、热演化史、应力发育史，在综合分析 上述地质参数及其相互作用关系的基础上，探讨了煤层气储层渗透率演 化的地质模型和数学模型，并对目标层的渗透率演化进行了成因分析， 恢复了各个地质时期渗透率的发育规律，为低渗透率储层的我国煤层气 的勘探开发提供了研究思路和方法。 研究表明渗透率的演化受到煤岩热演化程度、地应力、储层压力的 综合控制作用。在综合分析煤层埋藏史、煤岩热史、煤层地应力发育史 基础上，利用地质过程数值模拟的数学方法原理，建立了鄂尔多斯盆地 东部煤层渗透率演化的数学模型，对鄂尔多斯盆地东部地区目标层渗透 率演化过程进行了分析研究，认为渗透率随肘阅呈现“余弦式”发育， 其中三叠世早白垩世为煤储层渗透率迅速下降阶段，早白垩世第四纪为 煤储层渗透率缓慢回升阶段。 关键词：鄂尔多斯盆地，煤层气储层，渗透率，演化过程。数值模拟 t h er e s e a r c ho np r o c e s ss i m u l a t i o no fp e r m e a b i l i t y e v o l u t i o ni nt h ec o a lr e s e r v o i r s s u nl i d o n g ( i n v e s t i g a t i o na n de x p l o r a t i o no f m i n e r a lr e s o u r c e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a ov o n g j u n a b s t r a c t p e r m e a b i l i t yi so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e r st oe v a l u a t ec o a lr e s e r v o i r s , b u tt h e r es t i l lb e1 1 0s c i e n t i f i ca n ds y s t e m a t i c a lm e a n st om a k ek n o w nt h e e v o l u t i o nm e c h a n i s mo ft h ep e r m e a b i l i t yi nc o a lr e s e r v o i r s n 啪u 曲 p e t r o l e p ma n dn a t o r a lg a sg e o l o g y , c o a lp e t r o g r a p h y , m a t h e m a t i c a lg e o l o g y , o r g a n i cg e o c h e m i c s t r ya n dl i t h o m e c h a n i c s ，t h eb u r i a lh i s t o r y , t h e r m a l e v o l u t i o n ，s t e s se v o l u t i o no fc o a l b e di nt h ec a r b o n i f e r o u sa n dp e r m i a n , t h e e a s ta r e ao fo r d o sb a s i nw e r er e c o v e r e dw i t ht h ep a r a m e t e r so fb u r i a ld e p t h , t h e r m a le v o l u t i o nd e g r e e , f o r m a t i o np r e s s u r ei nt h ec o a l b e d ，t h eg e o l o g i c a l m o d e la n dn l a m e r i c a lm o d e lo fp e r m e a b i l i t ye v o l u t i o ni nt h ec o a lr e s e r v o i r w e r ee s t a b l i s h e d ，t h ep e r m e a b i l i t ye v o l u t i o no fc o a l b e di ne v e r yg e o l o g i c t i m ew e r eb u i l tu pw h i c hp r o v i d e dt h i n k i n ga n dm e a n sf o re x p l o r a t o r y d e v e l o p m e n ta n da l l o c a t i o no f c o a lm e t h a n ei nc h i n a 硒er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t ye v o l u t i o no fc o a lr e s e r v o i r w a ss u b j e c t e dt ot h e r m a le v o l u t i o no fc o a l b e d ，c r u s t a ls t r e s s ，r e s e r v o i r p r e s s u r e ，t h ep e r m e a b i l i t ye v o l u t i o no fc o a l b e di nt h ec a r b o n i f e r o u sa n d p e r m i a n ，t h ee a s ta r e ao fo r d o sb a s i nc h a n g ei nw a v e ，w i t hf a s td e c l i n e p e r i o df r o mt r i a s s i ct oe a r l yc r a t a c e o u s ，a n ds l o w l yr a i s ep e r i o df r o me a r l y c r a t a e e o u st oq u a t e r n a r y k e yw o r d s ：o r d o sb a s i n , c o a lr e s e r v o i r , p e r m e a b i l i t y , e v o l u t i o n , s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：主吐五生一z 司年5 2 o f j日 签名：1 ) ! 玉玉捌年 5 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：；i l ! 童盘2 鼬7 1 年 ，月2 - 0 日 导师签名：垒鱼：聋7 卯1 年f 月矽日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 项目来源、研究意义 论文选题来源于国家重点基础发展规划项目“中国煤层气威藏机制 及经济开采基础研究”子项目“煤储层物性非均质性及控制机理”，项目编 号2 0 0 2 c b 2 1 1 7 0 2 。 煤层气是指在成煤过程中生成，并以物理吸附的形式储集在煤层中 的以甲烷为主要成分的自生自储的天然气，矿井地质亦称煤层甲烷或煤 层瓦斯。它作为一种非常宝贵的非常规天然气资源，已被视为2 l 世纪洁 净燃料和化工原料的重要来源。随着我国国民经济的迅速增长，对天然 气的需求量逐年增加，目前我国对于天然气的需求量为6 8 0 x 1 0 9 m 3 a ，而 我国天然气的探明储量为4 3 1 0 “m 3 ，年产天然气4 9 3 x 1 0 9 m 3 ，预计2 0 1 0 年，我国天然气供需缺口将达至l j 2 0 0 x 1 0 9 m 3 【”，显然紧靠常规天然气的勘 探和开发已跟不上国家国民经济的发展需求。必须寻找非常规天然气来 补充和接替常规天然气资源。据专家预测，煤层气将是2 l 世纪的接替能 源，煤层气的勘探开发可视为2 1 世纪接替常规天然气资源最有前景和最 为现实的途径之一 2 - 3 1 。所以，开发利用这一资源对于保护人类生存环境， 解决煤矿开采中的安全问题，满足实施可持续发展战略过程中能源不足 的需要都具有重要意义。 衡量煤层气可开采性最重要的指标有两个：一是煤层的含气量，一 是煤层的渗透率。含气量关系到有无富集的煤层气可供开采，雨渗透率 决定着能否将富集的煤层气以工业气流采出。虽然我国1 9 9 0 以来在3 0 余 个地区开展了煤层钻探试验，但是未取得重大突破，其中一个重要原因 就煤储层渗透率的非均质性，可见煤储层渗透率对于煤层气的勘探选区 具有重要意义。然而，由于煤层气储层成煤期以后构造运动强烈，煤层 气储层受到的地应力较大，煤层埋藏深度普遍较深，煤层烃源岩演化程 度较高1 4 ，阻碍了裂隙的发育以及割理和裂隙之间的连通，致使煤层气 储层的渗透率具有较强的非均质性，渗透率发育规律的研究成了制约煤 层气开发决策的“瓶颈”，因此在进行煤层气勘探开发工作之前，必须 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 做好煤储层评价工作，特别是煤储层渗透率的分析评价工作。特别进入 2 1 世纪以来，随着我国能源战略的多元化，使我们深信“煤储层渗透率 演化过程模拟研究”工作的开展，将有利于科学、有效的进行渗透率的 预测分析，进而带动我国煤层气工业的发展，符合我国当前能源战略的 需求。 针对目前渗透率模拟评价中存在的主要问题，论文中探讨了渗透率 主控因素的控制机理，利用多元回归分析、回剥反演的分析原理，对煤 储层渗透率在地质历史演化过程中的发育规律进行了模拟分析，深化了 渗透率这一影响煤储层物性的重要参数地质认识。与此同时，总结完善 了一套适用于中国复杂地质条件下，煤储层渗透率演化规律探讨的方法， 为科学、有效地进行下一步煤层气勘探开发决策提供了技术基础和研究 思路。 1 2 研究现状及发展趋势 一 我国从2 0 世纪8 0 年代开始研究美国现代煤层气勘探技术，起步较 晚，并且勘探程度相对滞后，但多年的开发实践也为本次研究提供了较 多的理论依据。 ， ( 1 ) 煤层气的开发取得了较大进展，但仍处于研究探索和试验阶段； 从1 9 8 1 年开始的国家“六五”科技攻关项目“煤成气的开发研究” 中，已列出专题我国主要煤田煤层气赋存规律及资源评价，开始对 煤层气形成、聚集的地质条件和资源分布进行研究。之后，石油、煤炭 和地矿三大系统基本上一直无间断地开展了煤层气研究和实验性地面钻 探工作1 2 。1 9 9 2 年以后，煤炭、地矿系统先后利用联合国开发计划署全 球环境基金，更有石油、煤炭、地矿三大系统乃至一些地方政府与国外 公司合作，把国内煤层气的研究与勘探活动推向了高潮在华北、东北 和华南地区的约3 0 个煤矿区，完钻煤层气的探井2 1 4 余口( 截止2 0 0 2 年1 1 月) ，其中生产井1 5 3 口，参数井5 9 口，采动区井5 口，井组1 1 个，并已见到了良好的苗头，例如晋西河东煤田柳林地区和晋南晋城地 区煤层气钻并单并日产量曾达4 0 0 0 m 3 7 0 0 0 m 3 以上，但取得一定工业气 2 中国石油大学( 华东) 硬士论文第1 章前言 流的煤层气井仅占7 i 习，总的来看，国内煤层气的勘探开发至今还未取 得实质性突破，仍处于研究探索和试验阶段。 ( 2 ) 煤储层渗透率演化的影响因素复杂，但其演化机理有待进一步探讨： 1 9 8 9 年以来我国学者根据中国煤储层的地质特点，对中国煤层气储 层渗透率影响因素开展了广泛的探索。由于煤储层系一套由天然裂隙和 基质孔隙组成的双重结构模型1 6 】，裂隙系统为煤层气渗流运移的通道i t - s l ， 储层渗透率除受自身裂隙发育特征控制外，她质构造、应力状态、煤基 质的收缩作用、煤层埋深、煤的演化程度、煤岩煤质特征、煤体结构及 电场等都不同程度地影响煤层渗透率 9 - 1 7 1 ，渗透率的演化上述诸多地质因 素综合作用的结果。但由于煤层气储层是赋存在地下复杂地质条件下的 三维地质体，其渗透率演化的影响因素十分复杂，诸多因素相互作用、 相互关联，混淆了对于渗透率演化的主控因素的把握，虽然现今对于各 项渗透率演化的影响的作用机理基本都达成了共识，但大多数学者都从 单因素或多因素分析来定性的对煤层渗透率迸行分析，而往往忽略了各 地质因素之间的内在联系，使得煤储层渗透率的分析存在较大的片面性， 因此，以各项地质因素相关关系的分析为切入点，对渗透率的演化机理 进一步探讨。 ( 3 ) 煤储层渗透率数值模拟方法众多，但地质模型的理论基础薄弱； 渗透率是衡量煤层气可开采性重要指标【1 8 】，其数值模拟一直受到地 质学者的关注 1 9 - 2 3 】，随着渗透率演化影响因素分析的不断加深，其数学 模型也越来越复杂。8 0 年代以来。国外学者在渗透率和岩石结构之间的 关系分析基础上先后提出了传统指数模型2 2 - 2 3 1 、核磁共振渗透率模型洲、 阶梯渗透率模型【2 5 1 、b r y a n t f i r m e y 模垂d t 2 6 1 等煤储层渗透率预测模型，随 着煤层煤层渗透率演化杌理的不断研究，9 0 年代以来相继提出了割理预 测模型唧l 、有效应力与渗透率的耦合数学模型 2 1 , 2 9 - 3 3 1 、古构造应力场与 低渗煤储层的相对高渗区预测p 4 啦】、煤基质收缩与渗透率耦合数学模型 3 9 - 4 0 1 、克林伯格效应预测模型 1 2 4 1j 、气相相对渗透率与饱和度的比率预 测方法【4 2 1 、煤储层厚度与渗透率预测法【4 3 】等预测模型和方法，9 0 年代后 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 期以来由于加权残值、有限元、边界元以及差分等数学方法的引入，相 继提出了多元回归分析、统计预测方法【4 5 1 、非均质模型嗍、复合因素 数学模型【47 】等渗透率预测的方法模型，其预测精度也越来越接近真实煤 储层渗透率。虽然前人通过数值模拟以及实验测试分析对各种地质因素 对于煤层渗透率的影响规律有了一定的认识，但由于这些研究都是建立 在相关静态因素分析和大量实验测试数据的基础上，缺乏相关的地质机 理。 1 3 问题及展望 前人研究成果为本研究奠定了基础，但也存在着一些研究中尚待解 决的问题： ( i ) 以往学者在进行煤储层的渗透率影响因素的探讨时，过分的追求渗 透率描述的定量化，而忽略了其地质机理阐述； ( 2 ) 前人研究中未能综合考虑各种影响渗透率的地质参数间的联系，使 渗透率的研究陷入孤立的一、二个地质参数的描述上，具有较强的片面 性； ( 3 ) 现行的煤层气储层理论主要在对简单的地质历史盆地研究的基础上 建立起来，而地质历史的复杂性则导致其具有高度的局限性； ( 4 ) 前人对于鄂尔多斯东部地区煤层气储层渗透率的研究较少，特别是 从煤层演化史的角度对于渗透率进行探讨。 煤储层渗透率的研究涉及三相、非连续、非均质、各项异性，无论 是实验研究还是数值模拟，目前均是对现今地质条件下进行的假定，得 到的渗透率，由于渗透率的发育是一个漫长的历史过程，对于它的研究 也应该放在地质历史不断演化过程中，但前人进行渗透率预测分析时过 分的强调诸多静态因素的控制作用，而忽略了煤层气储层构造史、埋藏 史、烃源岩热演化史以及地应力等动态地质因素对于煤层渗透率的控制， 特别这些动态地质条件相互作用分析，所提出的预测模型理论基础薄弱。 因此，将来对于渗透率演化的研究，特别在综合研究煤储层构造史、埋 藏史、烃源岩热演化史以及古应力等动态地质因素及其相互作用关系基 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 础上，建立渗透率的演化模型，有助于认识现今渗透率的分布规律，渗 透率的数值模拟也将更加准确。 1 4 研究思路 煤储层渗透率演化模拟的参数很难从实实在在的地质资料及类比得 到的数据中提取，其模拟研究是个多学科的交叉领域，涉及到构造地 质、数学地质、矿物岩石、岩体力学、多孔介质流体力学和采矿工程等 多个学科，必须以煤岩物性实验为手段，取得实验模拟数据，作为渗透 率数值模拟的基础。采用地质背景、实验模拟、测试分析与盆地模拟相 结合，地质理论与岩石力学和渗流力学理论相结合，物理模拟与数值模 拟相结合。具体的技术路线和流程如图1 1 。 图1 - 1 技术路线图 作为一种初步的探讨，本文只能在现有理论研究水平的基础上，采 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 用实验模拟、测试分析数据，对煤储层渗透率发育机理的探讨，再利用 盆地模拟的方法和手段建立渗透率发育的地质模型和数学模型，并在此 基础上恢复和重建煤储层渗透率的演化过程。 1 5 研究内容 1 5 1 煤储层渗透率演化的地质机理探讨 重点研究对应力较为敏感的煤储层渗透率演化地质机理，在分析煤 岩力学性质随煤岩热演化不断变化的规律基础上，探讨煤级、地应力、 埋深等为主的物性参数与渗透率之间的关系，构建以解决渗透率预测为 主要目的的描述理论与模型。重点突破埋深、煤级、成熟度和流体压力 等参数在各地质时期对于煤储层渗透率的控制关系，并阐明其控制机理。 对于煤储层渗透率演化地质机理的探讨是进行本课题研究的基础， 也是本文的主要创新点，对于某一研究区进行储层渗透率评价，必须将 影响因素的机理进行探讨，以便选取最优参数，使渗透率分析具有时效 性，特别像鄂尔多斯盆地构造条件复杂、煤层埋藏久、所经历的构造运 动多，使得参数的选取成为了本次研究成败的关键。在确定评价参数的 基础上，利用野外观测数据、实测数据、实验分析数据等资料，构建以 解决渗透率预测为主要目的地质模型和数学模型。 1 5 2 煤储层渗透率演化的地质基础 重点研究工区沉积史、热史、应力场等渗透率影响因素的发育规律， 探讨不同地史时期各物性参数的发育规律；重现盆地演化历史和构造变 形条件下煤储层的发育特征，研究在不同地质背景条件下对煤储层渗透 率演化方式的控制关系，阐明其形成与分布规律。 本部分是本文的重点，同时也是本文的突破点，主要是在沉积史、 热史、古应力场等参数的演化历史恢复基础上，根据所建立的地质模型 和提出的数学模型，恢复和重建各地质时期煤储层渗透率的发育情况。 1 5 3 煤储层渗透率的烟花过程及其成因分析 这是本次研究的成果部分，从盆地演化历史角度，综合研究埋深、 地应力、煤级等地质因素与煤储层渗透率演化历史的耦合机制，阐明高 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 渗煤储层形成的地质机理，建立的煤储层渗透率演化模型，通过多元综 合分析的方法等方法对鄂尔多斯盆地东部石炭二叠系煤储层渗透率进 行数值模拟，实现高渗煤储层分布的有效预测，并综合分析煤储层渗透 率演化的各项地质影响因素，对不同地质时期渗透率的发育规律及其成 因进行分析。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 第2 章工区地质概况 煤层气是一种高潜力洁净能源，我国煤层气资源量巨大，煤层气是 补充和接替常规天然气资源最有前景和最现实的后备资源。鄂尔多斯盆 地是世界上十大含煤盆地，具有构造相对稳定、简单的属性，蕴含着丰 富的各类资源，是我国主要的能源基地之一，其东部石炭二叠系含煤面 积为3 5 7 6 0 k n a 2 ，煤炭资源总量约为5 0 0 0 x l o g t ，煤层含气量2 2 0 m a t 4 s l ， 推测其东部煤层气远景资源量可以达到1 9 6 x 1 0 1 2 m 3 4 9 1 ，随着“西气东输， 天然气输气管线的动工，也为鄂尔多斯盆地东部煤层气勘探开发提供了 契机。 2 1 工区地理位置及勘探现状 鄂尔多斯盆地东部包括山西省西部和陕西省东部，北起内蒙古准格 尔旗、清水河，南至陕西韩城、山西河津，面积约为1 6 1 0 4 k m 2 ，晚古 生代煤系沿吕梁山西侧展布，地层整体呈东升西降、走向南北的西倾单 斜构造形态，南北长约4 0 0 k i n ，从露头区向深部宽约4 0 k m ，大地构造上 位于鄂尔多斯盆地东部晋西挠褶带内，东为吕梁隆起，向北至内蒙古阴 山板缘带，向南至豫西秦岭板缘带，整体上呈由东向西倾伏的一个巨大 的单斜构造，构造环境相对比较稳定，除了东部、东北部及东南部边界 断层外，向盆地内部方向大断层较少，但较小的正断层比较发育，主要 为e w 的正断层，也存在一些逆断层，同时在单斜构造上发育一系列开 阔的s - n 及e w 次级褶皱( 图2 1 ) 。 鄂尔多斯盆地东部是我国重要的炼焦用煤和动力用煤生产基地，区 内不但煤炭资源丰富，而且煤层气资源也相当丰富，是中国煤层气资源 条件和开发条件最好的区块之一，也是勘探活动最活跃的地区，曾被国 内外地质专家誉为“中国的圣胡安”。该区以其丰富的资源条件和良好的 开发条件吸引了众多中外投资者前来进行煤层气的勘探开发，先后有原 地矿部华北石油局，原中国石油天然气总公司、长庆石油管理局等国内 企业和美国c b m 、安然( e n r o b ) 、菲利普斯( p h i l l i s ) 、阿科( 触犯o ) 、 德士古( a c o ) 及澳大利亚路威尔( i ，o 、】l ，】b l l ) 等外国公司进行了勘 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 探开发【5 0 1 。 1 9 9 1 年原地矿部华北石油地质局承担了由联合国开发计划署援助的 “深煤层甲烷勘探”项目( u n d p ) ，该项目在柳林县杨家坪试验区建成 了7 口井( 并深4 5 0 5 0 0 m ) 的小型煤层气勘探开发试验井网，7 口井均 获得了工业煤层气流，有3 口井达到1 0 0 0 - 1 3 0 0m 3 d ，1 口井超过7 0 0 0 矗f a 。 1 9 9 2 年美国e n r o n 公司等在三交地区施工了4 口煤层气井，其中 s g 3 井进行了洞穴完井，之后又在三交和石楼地区施工了数口煤层气评 价井及生产井，迄今，三交和石楼地区共施工2 6 口煤层气井，其中三交 井组进行了2 8 个月的排采，累计产气6 0 0 1 0 4m j 。 1 9 9 2 年美国c b m 公司与山西能源产业集团公司等五家公司成立了 河东煤层气股份有限公司，至1 9 9 9 年底，在i 临兴区块共施工地震测线 1 4 2 k m 及2 口煤层气井，对煤层气资源进行了初步评价之后，该区的权 益转让给了p h l l i p s 公司，迄今为止，共旋工煤层气并l i 口，临兴并 组近两年的产气量降低，现已封井。 从1 9 9 3 年开始，长庆石油管理局在鄂尔多斯东部吉县区块内进行煤 层气勘探开发和研究工作，迄今已施工6 口煤层气井，单井日产气量 2 8 0 0 6 0 0 0 m 3 ，显示了非常好的开发潜力。 1 9 9 5 年，原地矿部华北石油地质局与l o w e l l 公司联合勘探开发柳 林区块，共施工7 口煤层气井，单井日产气量1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 左右。 2 0 0 1 年原中国石油与天然气总公司在大宁，吉县地区钻了6 口井，其 中吉试l 井日产气量达到2 8 0 0m 3 d 以上。 现在鄂尔多斯盆地东部煤层气的开发还处于试验开采阶段，但已经 取得了相当可喜的产气量，并经过1 0 余年的勘探和开采试验，截至2 0 0 3 年底共施工6 7 口煤层气井，工程量占全国的1 3 ，形成了吴堡、三交、 柳林、石楼、大宁、吉县和韩城等7 个煤层气试验区，取得了一批重要 的勘探资料，所有这些生产试验结果，虽然代表性有限，但在某种程度 上说明了鄂尔多斯盆地东部地区具有良好的煤层气开发潜力，同时也体 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章工区地质概况 现了煤层气分布的非均质性。 图2 - 1 鄂尔多斯东部地质概况图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 2 2 煤储层的发育情况 鄂尔多斯盆地东部上古生界石炭二叠系是主要含煤岩系，主要为上 古生界石炭系上统本溪组、太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组。 为海相、海陆交替相、陆相沉积，厚度5 0 0 7 0 0 m ，厚度变化较大。本溪 组及下石盒子组仅有煤线，主力煤层位于太原组和山西组中，从岩性或 沉积环境上看，太原组和山西组具有明显的二分性，据此将其自上而下 分别划分为两段，太i 段、太2 段和山1 段、山2 段( 图2 2 ) 。 地鏖分基开豫t m l 地层代 者j 眭 岩性擒述 气墨 界系统 绑 叉试1占谴3占试4胡觚 新第撒 i四 十r & h 雄璐 捍系 o + n 2 5 2 5 0 二 l j | 车 刈 女n 匕f i 砂嚣 ， ， 霉 礴 统 弊 由 氟 t 。l 垂孽 5 5 853 0 0蔓丑 石 r 三至互鼍目也n 目滟转 。 。 畦 霉= ； 一瑶 p h 7 9 153 6 5 4 2 8 上舞 钿三拦 嚣羹色诧岩 兜 盘 f p 一 9 6 358 4 08 2 4j 意车 占蒋 轿 j 差鼍凳誊秽嚣 盎 j p ，x 1 1 3 309 8 0口1 8 再 王盍 系 山 墨瘩囊誊 5 僻“自 堆 缱 茧量 龋。岢 毒藿：。 两 ：璋 组 p $ 1 2 9 8 0 1 51 0 0 n互由 羿 土 太蓦 d 馏2 * 气 4o艟 霉 “i i 也砖齿 膳辘，j 矬 炭 缝 盯l c , t1 3 7 8 01 1 9 51 0 5 5耳年耳 秉 t 1尢 霸 ” 统涣c ：b 1 4 1 651 2 0 51 0 6 6 兜 i ， 1 5 耋 粥 客 磊 统内 o ，m 1 4 3 0 ，01 2 2 0 1 1 0 0 图2 - 2 鄂尔多斯盆地东部石炭一二叠系地层柱状图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 ( 1 ) 太原组：连续沉积于本溪组之上，全盆地均有分布。其底部为 晋祠砂岩或吴家峪灰岩，顶部发育6 0 煤层，厚约6 0 1 2 0 m 。总体变化趋 势为北薄南厚、西薄东厚。根据岩性、岩相及沉积旋回特征，结合古生 物面貌，将太原组划分为两段： 太2 段厚度一般为2 0 4 0 m 。岩性以灰白色中粗粒石英砂岩、深灰色 租粒岩屑石英砂岩为主，中间夹有泥岩及薄煤层，下部为生物碎屑灰岩 透镜体，向南逐渐变薄。 太l 段厚度4 0 6 0 m ，为深灰色、灰黑色生物碎屑灰岩、泥晶灰岩， 夹泥岩及2 4 层煤，灰岩自下而上分别为庙沟灰岩、毛儿沟灰岩、斜道 灰岩和东大窑灰岩，其中斜道灰岩和庙沟灰岩在一些地区相变为砂岩( 七 里沟砂岩和桥头砂岩) ，东大窑灰岩项部有一套含海相化石的黑色泥岩。 ( 2 ) 山西组：为一套海陆过渡相的三角洲沉积，顶界为下石盒子组 底砂岩( 骆驼脖子砂岩) ，底部为“北岔沟砂岩”。上部砂岩较发育，下部一 以煤层发育为特征。砂岩结构成熟度及成分成熟度均较低，岩屑及白云。 母含量较高，形成俗称的“牛毛毡砂岩”。地层总厚8 0 1 2 0 m ，向西渐薄， 结合沉积旋回特征、电性标志，以3 4 煤层为界，划分为两段。 山2 段厚4 0 - 6 0 m ，为一套河道三角洲含煤沉积，由深灰色、灰色中 细砂岩夹深黑色泥岩、砂质泥岩和煤层组成，泥岩中多含有黄铁矿及菱 铁矿鲕粒。本段以发育3 4 、矿、5 0 可采煤层为特征，同时夹有三角洲分 流河道砂体。 山i 段厚4 0 - 6 0 m ，为分流河道砂泥岩沉积，夹数层薄煤。砂岩主要 为细中粒、租粒岩屑砂岩及岩屑质石英砂岩，泥岩中常含有不规则砂质 条带及保存较为完整的植物化石。 鄂尔多斯东部不同地区石炭二叠系地层中所含煤层层数不同。太原 组含煤可达1 0 余层，山西组9 层。根据标志层、沉积旋回、煤层厚度和 煤层阃距等特征，将鄂尔多斯东部地区煤层自上而下划分为1 0 套煤层， 其中山西组的5 号煤层和太原组的8 号煤层在全区中分布稳定，为本次 研究的重点。各主要煤层的平面分布规律如下( 表2 1 ) ： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 表2 - 1 煤层分布情况 地层系统 煤 南部地区中部地区北部地区 系统组段 层 韩城乡宁蒲县吴堡 柳林临县兴县保德府谷 二 山 山1 段 l 1l21l 叠 下 2 统 西3 333333 系组 山2 段4 443444444 55555 5 5 5 6 6 2 石 上 太 太i 段 6 6666 7 7 6778 1 61 0 7 炭 统 原8 1 8 t 88 7l l 8 8 上 系组 888 991 388 9 太2 段 91 199 1 0 1 0 1 49 l o 鄂尔多斯盆地上古生界石炭二叠系是主要含煤层系，为海相、海陆 交互相、陆相沉积，厚度在5 0 0 8 0 0 m 之间( 图2 - 3 ) ，其中煤层总厚度 在5 2 0 m 之间，但其分布并不均匀。北部地区煤层厚度较大且变化也较 大，普遍在1 5 m 以上：南部煤层厚度次之且变化均匀，厚度在1 0 一2 0 之 间：中部煤层厚度变化较小，在1 0 1 5 m 之间( 图2 4 ) 。 太原组是石炭系重要的含煤层系，厚度在5 - 2 0 m 左右，在石炭一二叠 煤层厚度的2 3 以上，北部地区由南至北厚度逐渐增加的趋势最后可达 2 0 m 以上；中部地区最薄但厚度变化起伏，在临县和吴堡地区出现两个 厚度中心；南部地区其厚度变化较小，厚度在5 m 左右( 图2 - 5 ) 。 山西组是二叠系重要的含煤层系，厚度在1 - 8 m 之间，但较山西组煤 层厚度较薄，从南至北共有3 个煤层厚度中心，其中北部地区以河曲为 中心，厚度逐渐增加达8 m 以上；中部地区以临县为中心向四周逐渐减 薄，最厚处可达6 m 以上；南部地区以吉县为中心并向四周减薄，厚度 可达7 m 左右( 图2 6 ) 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 i i j l 7 i i i j l l i l i - 二 ： - - 二 二 _ - 二 - 一 - - _ 。 誉一， 二 一 二 - 二 一 二 i _ 一- - ： _ _ - - ： - _ - s 譬一 二 - 一 - - 二 - _ 一 二 _ - _ _ - 二 - - - - 嘲例 - _ 器 囡断层 _ - 刁煤璎薅头 _ 囹煤层气井 - 团地层厚鹱 - 二 一0嗍。) l 。河 - 苦卜 _ ： _ i _ _ i r 。”r j i r r r r 。1 l i - - i l - 1 1 1 图2 - 3 鄂尔多斯盆地东部石炭二叠系残留厚度等值线图 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 图2 - 5 鄂尔多斯盆地石炭系太原组煤层厚度图 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 图2 - 6 鄂尔多斯盆地二叠系山西组煤层厚度图 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 2 3 煤层形成与演化特征 鄂尔多斯盆地是燕山运动形成的中生代前陆坳陷盆地与被后期构造 运动改造变形的华北古生代克拉通盆地相叠置形成的沉积构造盆地，其 东部与鄂尔多斯盆地共同经历了陆核形成、大陆增生、坳拉谷、浅海台 地、滨海平原、内陆盆地和周边断陷几个阶段【5 1 l ( 图2 7 ) 。 地质时代 铷瑚沉欷棚 均造拇( 湖)优积盆地 弋 纪 1 吐 剖曲进旭照州阶段 第吨纪 o 黄t墒 新 辑 边 生 譬 盘雌河流丰h6 司断 代 第兰纪 l i i陷 m 新g n 喾扎上 一 山 歪 懿 【i f 盆 再 地 l 珏 江 滨 h i 海 亚 f 艇 浅 海 錾 地 拗 拉 k 。 钷 糍 乡 l l 备 巾 i 辆 山 尘 株罗纪 村流 一 j 湖泊棚 印 二筏纪 # 湖劬帽 一 点 蠡纪 p ， - 一 p 滇i 缸湃撺 海 f i 炭纪誓 雄湾 涔 占 西 髭盐皇己# 间断 加 生 誊 7 浊癣糟 卷留纪 ：= 广i 占t 埋廿 代奥胸纪 i ：堡盥壁 求 罐武纪鲁篓 浅海榭 麓l 1 _ 纪 z 诛碛榭 必凯 闻断 桷 清白1 1p t ， 千 一十 蓟县纪 p t z 3举罩士 蓟 j i ： 商l3 纪p t 2 2 老蔓兰 浅海桕 县 牛 至羞奎 滨海相 武陵 玎 k 城纪p t ： 代 荔 粱 奄肇 罅沱纪 p t 2 珏台纪 p t 1 太 q = 集中纪 a r 摩 陆 代 。f 按 曰囝园日目圈目 获常臼丘辖泥跃者砂岩砂砾岩冰碛岩砂质泥智 圜国日圈囫曰目 碎膊获嚣琵贝岩煤岩石英砂崭变质岩夺整台假照台 图2 7 鄂尔多斯盆地构造沉积旋回示意图 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 ( 1 ) 中晚元古代坳拉谷盆地发育期 中晚元古代的原型盆地，控制其发展的构造体制应是固结稳定的古 陆块及边缘受上地慢浅层热对流系控制的大规模张裂体系。在这一时期， 古中国陆块处于拼接稳化的初期，由地壳热点所控制的秦祁大陆裂谷随 之产生。在一系列三联点的作用下产生了一系列向华北古陆块楔入的陆 内裂谷并在发展中夭折，自西向东发育有贺兰坳拉谷、晋陕坳拉谷、豫 陕坳拉谷。这些坳拉谷铃山东北向西南张开，即向秦祁裂谷层位变全， 厚度增大，粒度变细。鄂尔多斯盆地正是在贺兰、晋陕两坳拉谷夹持的 背景上发展起来的。 ( 2 ) 古生代稳定克拉通盆地发育期 整个古生代，鄂尔多斯盆地以整体升降为主。构造发育稳定，进入 大型的稳定克拉通盆地发育期。在这一时期古构造面貌总体上表现为北 部高、南部低中部高、东西两侧低。鄂尔多斯盆地缺失了志留系、泥盆 系及下石炭统沉积中断1 3 亿年以上。晚古生代中石炭世，鄂尔多斯盆 地结束了长达1 3 亿年的抬升剥蚀，重新开始接受沉积。晚古生代的鄂 尔多斯地区，沉积环境由海相变为陆相，气候由潮湿变为干旱，沉积充 填由坳陷型变为广覆型，中央古隆起由发展到消亡，都是形成古亚洲大 陆过程中海西运动的重要标志，为主要的成煤期。 ( 3 ) 中生代类前陆盆地发育期 由于古特提斯扩张的影响，扬子陆块与华北陆块对接，封闭了残余 的右江和秦岭印支地槽，使中国东南部向北产生基底滑移，从而也在对 接带两侧产生近东西向的差异沉降盆地。其华北一侧的二叠纪沉降区， 北达燕山南麓，南抵大别山北麓，沉降中心在郑州、济南和鄂尔多斯盆 地东南部。印支运动末期，鄂尔多斯盆地西部的阿拉善地块受到特提斯 板块向北东方向的推挤而发生向东逆冲，形成了前缘坳陷，沉积了厚度 达2 3 0 0 m 以上的粗碎屑。在侏罗纪和白垩纪，伴随着西部逆冲作用的持 续发展，与之伴生的前缘坳陷也依次向东迁移。因此，逆冲带、前缘坳 陷、前隆和隆后坳陷组成了典型的前陆盆地构造序列。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章工区地质概况 ( 4 ) 新生代周边断陷盆地发育期 新生代以来，由于太平洋板块向亚洲大陆东部之下俯冲产生了弧后 扩张作用。同时印度板块与亚洲大陆南部碰撞并向北强烈推挤、使中国 东西部之间产生了近南北向的右行剪切应力场，并在鄂尔多斯盆地及其 以东地区产生n e s w 向的张应力。这样，盆地东部相对隆升，而周边地 区却相继断陷形成一系列地堑。 鄂尔多斯盆地东部先后受到印支、燕山、喜山三次大的构造运动的 后期改造，印支运动促使华北陆块逐渐解体，虽然鄂尔多斯盆地整体上 有短期的抬升剥蚀，但基本上保持连续沉降状态，使煤化作用持续进行， 直至晚白垩世发生的燕山运动才是盆地结束沉降开始抬升回返，引起煤 层气的逐渐散失。喜山运动使这一状况进一步加剧，并使原先形成的构 造加强和复杂化。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章煤储层渗透率发育机理 第3 章煤储层渗透率发育机理 3 1 煤层气存储条件及产出机理 煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存于煤层及其围岩中的非 常规天然气，其主要成分是甲烷，含量一般大于8 5 ，是在煤化作用过 程中形成的。因此，煤层气的赋存状态及生、储、盖组合以及开采方式 上与常规天然气都存在着明显的异同点【5 2 】( 表3 1 ) 。 表3 1 煤层气储层与常规砂岩储层的对比( 据刘克云，2 0 0 0 ) 对比项目常规砂岩储层煤层气储层 岩石成分矿物质有机质 生气能力无有 气源外源 本层 储气方式圈闭吸附 好一很好1 5 2 5 ；中等 孔隙度除最低煤级以外，一般小于1 0 1 0 1 5 ：差5 - 1 0 多为中孔( 2 2 0 n t o ) 和微孔( 2 0 n m ) ，中孔( 2 2 0 h m ) 和微孔 ( 心姗) 三类，根据成因可分为原生孔和次生孔，原生孔是指煤沉积过 程中形成的结构孔隙，次生孔隙是煤化作用过程中煤结构去挥发分作用 而形成的。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章煤储层渗透率发育机理 暗捩型煤 兜亮掣煤 晴渍掣燃 ：j 荣茅i 囊器嚣蓑篙磊嚣也裂缘；釜簧翁鑫“毕质扎稼丧咖懈啦 蝠荆斗 c , s c 体舒f 山雀艟孔陈寝i 斫解吸 图3 一l 煤层气储层几何模型( 冯艳丽，2 0 0 0 ) 煤层裂隙网络是煤层渗流能力的重要衡量指标，而在煤储层研究中， 主要将煤层裂隙网络分为三种裂隙 5 5 - 5 7 】，即为裂隙、内生裂隙( 割理) 和外生裂隙。 微裂隙是肉眼难以辨认、必须借助显微镜才能观测的微小裂隙。微 裂隙的镜下观测须将煤样磨制成二维或三维光洁面，在其层理面上观测 裂隙的方向、主次关系、长度、宽度、密度、问距等，剖面上观测裂隙 高度、垂向分布等。微裂隙是构成孔隙与内生裂隙连通的桥梁，促使大 量吸附气体产出。 内生裂隙( 割理) 与微裂隙的形成主要是煤中内张力与环境压力相 互作用的结果。这种内张力的载体为煤中流体，煤中不断产出流体，随 着温度的升高，流体压力加大，内部流体压力一旦大于环境压力，这些 流体必然通过孔隙向外运动，从而形成微裂隙和内生裂隙。也就是说， 微裂隙与内生裂隙是在流体压力与有效应力作用下，高压流体阉歇性集 中释放形成的，其方向以及张开度与后期地应力作用有一定关系。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章煤储层渗透率发育机理 外生裂隙( 节理) 受控于成煤后的构造，地运动对煤储层外生裂隙 的影响大体上与构造作用对其他机械强度低的脆性岩类相似。裂隙的主 要类型有张性、张剪、剪性、压剪性等。外生裂隙的性质、大小与方向 与其所处的构造部位及应力状态有关，同时外生裂隙往往有追踪内生裂 隙发育的特点。 上述三种裂隙类型中，在煤储层中发育较好、对渗透率贡献较大的 是内生裂隙( 割理) 系统，因此，在煤层气勘探开发工作中，人们更关 注煤层气储层中割理的发育特征，因为对于高产煤层气预测及最佳开发 策略的制定，其割理渗透率是影响煤层气产能的关键因素之一。 3 1 3 煤层气产出机理 为了明确煤储层渗透率的研究方法，进一步了解渗透率的演化规律， 有必要对煤层气的产出状态以及机理进行分析。 煤储层为非连续、非均质、各向异性孔、裂隙双重介质，在地层条 件下，煤储层是由煤基质、水、气组成的三相介质组成。而且煤层中只 存在很少量的游离气，大部分孔隙空间被水所饱和，绝大多数气体均吸 附在煤的表面，为了开采这些气体，就必须降低孔隙( 割理、劈理系统) 中的压力，当压力降至气体解吸压力时，气体开始解吸并脱离煤的表面 迸到孔隙当中，通过煤基质扩散进入井简而被采出。h a r p a l a n i ( 1 9 9 0 ) 提出了一个理想状态下的煤层气产出模式，认为压力差能够有效地通过 张开的裂隙网络传递到小孔直至微孔，使孔隙系统内压力下降，并产生 脱气，扩散和气体的流动【5 8 】( 图3 - 2 ) 。煤层气井揭露煤层后，在排水降 压作用下，煤储层原有的压力平衡被破坏，形成煤层气的流动，流动的 煤层气来源于煤储层本身的吸附，储层中任何一点的压力将随时问不断 变化。气井附近割理( 裂隙) 内的游离甲烷酋先被涌出，随后煤基质块 显微孔隙的气相甲烷通过显微裂隙向割理内扩散，其压力逐渐降低，化 学势减小，变得低于吸附相的化学势，破坏了原有的吸附平衡状态，煤 基质块内显微孔隙、显微裂隙中的吸附相甲烷将解吸成气相甲烷，并发 生吸热效应，使气相甲烷和周围环境温度降低。理论上煤基质块显微孔 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章煤储层渗透率发育机理 隙及显微裂隙内的吸附相甲烷化学势始终高于其气相甲烷，而显微裂隙 内的气相甲烷又始终高于裂隙内的气相甲烷【1 9 1 ，即始终处于不平衡状态， 以保持不断解吸出的甲烷并经裂隙流向煤层气井，当然整个过程是连续 进行的。 一圆 7 ( 伟脱附l 伟_ 孜 图3 。2 煤层气产出机理模式图( h a r p a l a n i ，1 9 9 0 ) 3 。2 煤储层渗透率发育机理 煤层气储层是复杂地质条件下的三维地质体，其渗透率发育的影响 因素十分复杂，除受自身裂隙发育特征这一内部因素控制外，地质构造、 应力状态、煤层埋深、煤体结构、煤岩煤质特征、煤级及割理等都不同 程度地影响煤层渗透率，其是地应力、埋深、裂隙、储层压力和水文地 质条件等综合作用的结果。然而目前国内在煤层气储层渗透率的评价