沁水盆地煤层含气量和物性随埋深变化及其应力敏感性

张守仁

(中联煤层气有限责任公司，北京 100011)

沁水盆地煤层含气量和物性随埋深变化及其应力敏感性

张守仁

(中联煤层气有限责任公司，北京 100011)

就沁水盆地已有煤层气井储层物性资料统计研究发现，由浅至深，煤储层含气性、孔隙度、渗透率等均具有明显阶跃性变化特征，特别是在埋深600m、900m等2个深度点具有明显的跃变；而同样，煤储层所承受的最大水平主应力也在埋深600m、900m具有明显的跃变，两者具有很好的一致性；两者间的相关关系说明了随着深度增加，最大水平主应力成为了影响煤储层物性的主要影响因素。因此，对于深煤层煤层气地质选区和井位优选，最大水平主应力应该作为一主要影响因素来考虑。

深煤层 煤层气 阶跃式变化 最大水平主应力

沁水盆地埋深大于1000m的煤层气地质资源量占全盆地总资源量的47%。该盆地是我国目前的两大煤层气地面开发基地之一，煤层气勘探开发逐渐向深部发展。与浅部相比，深部煤层气开采地质条件发生改变，煤层具有地应力高、孔隙压力高、温度高以及被压缩程度强、渗透性差等基本特征，使得煤层气开发难度加大。研究分析煤储层物性随深度变化的特征及其地质控制因素，对于探索深部煤层气成藏条件和开发途径具有重要意义。

1 地质背景

沁水盆地为华北地台内的一个三级构造单元，是古生界基底基础上形成的沉积盆地，构造相对简单，其现今构造面貌为一个近南北向的大型复式向斜，主要受燕山期构造运动的影响所致。自燕山期以来，盆地主要以拉张应力为主，使煤层保持了较好的原生结构，割理裂隙得以保留并在局部地区得到强化，使得沁水盆地煤层气开发具有一定的优势条件。

沁水盆地自下布上发育有奥陶系、石炭系、二叠系、第三系、第四系等地层，含煤地层为二叠山西组和石炭系的太原组，主要可采煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤层，同时也是煤层气主力开发层位。沁水盆地太原组、山西组煤层埋深由边缘露头向盆地中部逐渐增大。沁县一带是向斜轴部，煤层埋藏最深(2000～3000m)。埋深小于1000m的区域主要分布在盆地周边，分布面积14750km2，占总含煤面积的52%；埋深1000～2000m含煤带呈环带状分布于前两者之间，面积9950km2，占总含煤面积的35%。

目前，我国已申报探明储量主要集中在沁水盆地，已在北部的寿阳地区、中南部的柿庄地区、南部的晋城地区进入煤层气商业开发阶段。其中，沁水盆地沁水盆地南部目前是我国煤层气开发利用最为成功的地区，目前已有煤层气井4000余口，占我国煤层气生产井总数的 60%以上。

2 煤层含气量及孔渗性随深度的变化

2.1 煤层含气量随深度的变化

前人研究成果显示，煤层含气量与煤层埋藏深度具有一定的相关关系(张新民，1991；秦勇，2005，2012)。统计沁水盆地煤层气井实测资料，发现煤层含气量除随煤层埋藏深度的增大而增高外，还有一个重要特征：即在煤层埋藏深度小于600 m时，煤层含气量最小值4.8 m3/t，最大值22.0 m3/t，普遍分布在17 m3/t以下(图1)；煤层埋藏深度大于600 m后，含气量变化范围为10～30 m3/t，均大于10 m3/t。

图1 煤层含气量随埋藏深度的变化

因此，煤层埋藏深度600m是一个重要的深度点，在埋藏深度大于这个深度点后，煤层埋深对含气量的影响显著明显。

2.2 煤岩孔隙度随深度的变化

统计分析显示，沁水盆地煤岩孔隙度与煤层埋深之间的关系点分布较零散，但整体呈现随埋深增加而降低的负相关关系。而且具有如下特征：当煤层埋深小于800m时，孔隙度的大小分布范围较宽，可以从小于1%变化到大于13%；而当煤层埋藏深度超过800m时，孔隙度的大小的分布范围则较为集中，其值均分成在小于6.5%的范围之内。

因此，煤层埋深800m是一个重要的深度点，大于这个深度点，煤层埋藏深度对煤岩孔隙度的影响程度显著增强。

2.3 煤层渗透率随深度的变化

统计沁水盆地63口煤层气井试井资料，发现煤层渗透率虽埋藏深度的增加而呈指数减小，这与前人认识一致(Enever et al，1997；叶建平，1999；孙可明等，2007)。在煤层埋藏深度小于600m范围内，渗透率变化范围较大，多分布在<5mD范围内，个别可达到10mD左右；而当煤层埋藏深度大于600m后，随着埋藏深度的增加，煤层渗透率减小趋势明显加剧，渗透率均小于0.45mD；当煤层埋藏深度大于900m后，渗透率均小于0.15mD(图2)。

图2 煤层渗透率与埋藏深度的关系

可见，对于煤层渗透率来说，埋深600m、900m是两个重要深度点，大于600m之后，埋藏深度对渗透率的影响显著加强，渗透率出现跃变式减小；大于900m之后，煤层渗透率又一次出现跃变式减小。

3 深部煤层物性的应力敏感性分析

通过对沁水盆地南部1400m以浅的56个主采煤层水力压裂测定的原岩地应力资料统计，沁南地区最大水平主应力为6.42～33.25MPa，平均为18.02MPa，最大水平主应力梯度为1.17～5.83MPa/100m，平均为2.74MPa/100m；最小水平主应力为3.12～26.58MPa，平均为12.28MPa；最小水平主应力梯度为0.91～3.10MPa/100m，平均为1.80MPa/100m。尽管随着地质环境的变化，不同地区地应力稍有差异，但整体来说，煤层内地应力随深度的增加呈线性关系增大；而且随深度增大，最大水平主应力比最小水平主应力增加幅度更大，也就是说，随着深度增加，最大水平主应力增加得更快，是影响深煤层储层物性的主要应力。

鉴于此，本次研究又分析了沁水盆地南部各个埋深范围内最大水平主应力值的频率分布及正态分布特点，发现随煤层埋藏深度增加，最大不平主应力呈阶跃式增大(图3)。在埋藏深度300m以浅，最大水平主应力多在10MPa左右；埋深在300～600m范围内，最大水平主应力多在15MPa左右；埋深在600～900m范围内，最大水平主应力多在20～25MPa；埋深大于900m以后，最大水平主应力多大于25MPa。在1100m以浅，整体上最大水平主应力的变化可分为4个台阶，也就是说出现过3次跃变，跃变深度点分别为300m、600m、和900m。

图3 最大水平主应力与煤层埋藏深度频率分布图

通过以上分析可知，煤储层物性均有跃变性变化特征。除煤层孔隙度在800m的埋深点有一次标志性变化外，煤层含气量在埋深600m、煤层渗透率在埋深600m、900m均有跃变式变化，而煤储层最大水平主应力在埋深600m、900m均有阶跃式变化，与煤储层含气量和渗透率变化具有很好的一致性。

4 结论

(1)煤层埋藏深度大于600m后，煤层埋深对含气量的影响显著明显，含气量出现阶跃式增大；

(2)煤层埋藏深度大于800m后，煤层埋深对煤岩孔隙度的影响程度显著增强，孔隙度出现阶跃式减小。

(3)煤层埋藏深度大于600m后，煤层埋深对渗透率的影响显著加强，渗透率出现跃变式减小；大于900m之后，煤层渗透率又一次出现跃变式减小。

(4)随着埋藏深度增加，最大水平主应力梯度增加最大，而且在埋深300m、600m、和900m等三个深度点，最大水平主应力分别出现阶跃式增大。

(5)在相同深度点，最大水平主应力与储层物性和含气性均出现阶跃式变化，说明了最大水平主应力是影响储层物性的主要地质因素。

虽然由于资料有限，研究分析程度还不够，不足以定量化储层物性与最大水平主应力间的定变化关系，但这个认识至少可以给予我们很好的启示，即对于深煤层煤层气地质选区和井位优选，地应力应该作为一个影响煤层气开发的主要指标因素来考虑。

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(责任编辑 黄 岚)

Change and Stress Sensitivity of Physical Properties and Gas Content of Coal Reservoir with Depth in Qinshui Basin

ZHANG Shouren

(China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 100011)

According to the statistical researches of the coalbed methane data in Qinshui Basin, the gas content, the porosity, and the permeability of the coal change in jump at the depth of 600m and 900m. And likewise, the maximum horizontal principal stress has the same variation. The relation between them shows that the maximum horizontal principal stress becomes one of the important geological factors of the coal reservoir in the deep. So for the exploration of the deep coalbed methane, the maximum horizontal principal stress should be looked as one of the most important geological factors.

Deep coal reservoir; coalbed methane; variation in jump; maximum horizontal principal stress

科技项目 国家科技重大专项项目(2011ZX05042)资助。

张守仁，男，博士，煤层气地质研究方向。