煤储层厚度与其渗透性及含气性关系初步探讨

摘　要：煤储层厚度对其渗透率和含气性具有显著影响。研究表明：华北石炭二叠系煤储层厚度与渗透率的关系明显分布在两个区域，构造煤发育的煤储层其厚度与试井渗透率之间具有负相关趋势，原生结构保存完好的煤储层其厚度与试井渗透率之间关系以渗透率0.5 mD为界，表现出截然相反的两种相关趋势；我国部分地区煤储层含气量具有随厚度增大而增高的规律；我国具有商业性开发价值的煤储层的临界渗透率似乎应在0.5 mD左右。煤储层厚度与渗透率之间关系分别受控于沉积作用、地应力、煤级煤岩特征或构造变形特征，但不同地质背景条件下的主要控制因素可能有所侧重。煤储层厚度越大，煤层气向顶底板扩散的阻力就越大，这也许就是某些地区煤储层厚度与含气量之间具有正相关越势的根本原因。
关键词：煤储层　厚度　渗透率　含气性　相关关系
分类号：P618.11

Qin Yong　Jiao Sihong　Li Guizhong
(China University of Mining and Technology
Ye JianpingLin Dayang
(No.1 Exploration Bureau of Coal Geology)

Abstract：The permeability and gas-bearing property of coal reservoir are remarkably affected by its thickness.The thickness of the coal reservoirs in the Morth China plots their pemeability in different two patterns,that of the structurally-destroyed coal reservoirs is negatively related to the well-tesing permeability in tendency,but there exist two relationships with reverse trends in the coal reservoirs with completely-original structure taking 0.5 mD permeability as a threshold value.The coallbed methane content in some area of China shows the increasing pattern with increasing thickness.The threshold permeability of the commercially valuable coal reservoirs in China should be seemingly defined as 0.5 mD or so.
Keywords：coal reservoir;thickness;permeability;coalbed methane content;relationship▲

1　引　言

　　厚度是煤储层的重要几何特征之一，它与煤层稳定性、煤层结构等共同显现出煤储层在三维空间上的展布形式，构成煤层气控气系统中的重要地质因素。就煤储层厚度与其特性之间关系而言，国内外均开展过一定的研究^［1～5］，但总体上仍未得到应有的重视。为此本文基于我国部分实际资料，就煤储层厚度、煤体结构等对其含气性、渗透率等的控制特征进行了初步探讨。

2 　煤层厚度与试井渗透率

　　根据华北地区沁水、鄂尔多斯、铁法等盆地以及两淮、豫西、冀东等含煤区石炭二叠系47层煤的试井资料，煤层厚度与渗透率的关系明显分布在两个地域，并呈现为两种截然相反的分布趋势。(图1)对于构造煤发育的煤储层来说，煤厚与试井渗透率之间表现出负相关的趋势。然而就构造煤不发育的煤储层来看，以渗透率0.5 mD为界，煤厚与试井渗透率之间表现出两种截然相反的相关趋势。当渗透率小于0.5 mD时 ，煤层厚度增大，渗透率总体上增高。当渗透率大于0.5 mD时，渗透率随煤厚的增大却反而降低。进一步分析，这种耦合关系隐含着两个重要问题：第一，煤层厚度对煤储层渗透率的控制机理可能随煤体结构和煤厚的变化而有所不同；第二，我国(至少华北地区石炭二叠系)煤储层渗透率的初步评价标准可能有别于国外某些国家或地区，似应深入研究探讨。

图1　华北石炭二叠系煤储层厚度与试井渗透率之间的关系圆点和直线代表构造煤不发育的煤层，乘号和阴影代表构造煤发育的煤层

　　煤储层渗透率主要来自煤中天然裂隙的贡献^［6］。某些实例表明，无论是煤层还是非煤岩层，天然裂隙的间距均要小于煤(岩)层或煤(岩)石类型分层的厚度。换言之，煤储层中天然裂隙发育密度常随煤岩类型条带或分层厚度的变薄而增大。例如，美国圣胡安盆地北部果园组煤层露头上“割理”间距与煤层厚度之间具有一定的关系^［2，3］；在美国皮森斯盆地南部，“割理”间距随煤层厚度的增大而变小，并且在巨厚煤层中与煤级煤有密切的相关关系^［4］。再如，华北地区中煤级煤储层中的天然裂隙存在穿透整个煤层的巨“割理”、穿透一个或几个煤岩分层的大“割理”、主要发育在光亮或半亮煤岩分层中的中“割理”、主要分布在镜煤条带中的小“割理”、在显微镜下清晰可见的微“割理”等5个天然裂隙级别，裂隙间距从1～几条／m减小至15～159 μm^［5］。因此就渗透率大于0.5 mD且原生结构保存较为完好的煤储层来说，渗透率随煤层变厚而减小的趋势显然与煤厚和天然裂隙(主要是“巨割理”和“大割理”)发育密度之间负相关的特征密切相关，显示出沉积作用对煤储层渗透率的控制作用。然而当渗透率小于0.5 mD时，尽管原生结构煤储层的厚度与渗透率之间正相关的趋势较为明确，但用煤厚与天然裂隙发育程度之间的关系显然无法解释其原因，表明地应力控制之下的裂隙闭合度、煤级和煤岩组成控制之下的裂隙发育密度等其他因素可能起着更为重要的控制作用。
　　从另外一个视角来看，在天然裂隙极度发育的构造煤储层中，构造煤发育程度与煤层厚度之间呈正相关趋势，我国大量矿井瓦斯地质研究资料充分地揭示出这一事实^［9］。无论是厚度受煤物质流变影响而变化较大的煤层，还是主要受沉积作用控制而厚度较为稳定的煤层，均有如此分布规律。例如在淮南矿区，13-1煤在全区的厚度最大，构造煤也最为发育，而处于同一构造环境下且厚度相对较小的11-2、8等煤层中构造煤却不甚发育。显然，对于原生结构受到严重破坏的煤储层而言，煤层厚度越大，构造煤发育程度可能就越高，煤层气发生达西流动所需要的裂隙网络的连通性就越差，即渗透率受沉积作用与沉积期后构造变形综合控制之下的煤层厚度的影响，这可能是造成构造煤发育的煤储层中具有渗透率随煤层厚度增大而变小的趋势的一个重要原因。
　　美国、澳大利亚等的煤层气勘探开发实践显示，具有商业性开发价值的煤储层的渗透率一般在1 mD以上^［1，7］。然而我国近年来在渗透率0.5～1.0 mD的煤储层中成功地打出了工业性煤层气流，如 JS1、TL03、DC1、DT3等煤层气井，后者最高气产量达13 000 m³／d以上，是国内目前日产气量最高的煤层气井。结合上述华北石炭二叠系煤储层渗透率与厚度关系在渗透率0.5mD左右发生转折的特征可知，我国在渗透率0.5～1.0mD之间的煤储层中打出工业性煤层气流的事实决非偶然，而是存在有待于深入探讨的内在原因。进一步来看，我国具有商业性开发价值的煤储层渗透率临界标准似乎应在 0.5 mD左右。

3　煤储层厚度与其含气性

　　控气地质因素的复杂性，使得很多地区煤储层厚度与其含气性之间关系并无因果联系，但也不乏两者之间具有明显正相关趋势的实例，如淮南、邢台、临城、石嘴山、宝积山、萍乡、丰城、合山、罗城、袁家、洪山殿、老厂、圭山、铁法等矿区或井田。
　　据中国煤田地质局有关省局资料：辽东铁法目标区上侏罗统7号煤层(主要煤层)的厚煤带位于区内西南部的大兴井田和大隆井田，此带煤层含气量普遍大于6 m³／t，向北部和东部方向煤层厚度逐渐变薄，含气量随之降低；(图2)滇东圭山矿区上二叠统5＋2、6、7、9、11和15煤的平均厚度分别为1.32 m、0.90 m、1.23 m、1.68 m、1.97 m和1.87 m，平均含气量分别为7.99 m³／t、5.31 m³／t、6.97 m³／t、7.48 m³／t、11.30 m³／t和9.57 m³／t，煤层厚度增大，含气量增高，这种正相关趋势与煤层埋深并无直接联系；湘中洪山殿井田上二叠统1、3、4煤的平均厚度分别为0.92 m、1.11 m和1.95 m，平均含气量为18.24 m³／t、19.50 m³／t和21.70m³／t；皖南宣泾煤田龙潭组C煤层平均厚度在榨门、朱大村、金宝、新田、港口分别为1.16 m、1.10 m、1.27 m、1.43 m，相应的煤层平均含气量依次为0.73 m³／t、4.15 m³／t、5.70 m³／t、4.51 m³／t和6.11 m³／t；桂北茂兰矿区合山组煤层东厚西薄，煤层含气量同样也表现出东高西低的展布趋势；在南桐目标区及其邻区有关井田，煤厚与含气量之间的正相关趋势更为典型。(表1)

图2　铁法目标区上侏罗统7号煤层厚度及含气量等值线图^［10］
a——煤层厚度；b——含气量

表1　南桐目标区及其外围龙潭组煤层厚度与含气量关系统计^［11］