煤相分析在煤儲層評價(jià)中的應用

第9卷第3期高校地質(zhì)學(xué)報Vol.9 No.32003年9月Geological Journal of China UniversitiesSept. 2003煤相分析在煤儲層評價(jià)中的應用王生維,陳鐘惠,張明,段連秀,羅善國(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院武漢430074 )摘要:煤儲層研究的重要內容是孔裂隙系統發(fā)育特征、滲透性及其空間不均-性特征。煤儲層的孔裂隙特征決定煤儲層的滲透性而煤儲層的孔裂隙特征主要取決于煤巖成分和煤級。對一個(gè)特定的煤層氣田而言煤級變化不大或者規律明顯。煤巖成分往往成為控制煤儲層滲透率分布不均性的主導因素。煤巖成分包括有機顯微組分和礦物質(zhì)均受控于煤相?？梢酝ㄟ^(guò)系統的煤相分析認識煤儲層中煤巖成分、結構、層序等的空間展布特征，為科學(xué)預測煤儲層的滲透率奠定基礎。煤相分析在注重橫向變化的同時(shí)更強調垂向層序分析。關(guān)鍵詞:煤相分析;孔裂隙系統;滲透率;煤層氣藏不均一性;評價(jià)預測中圖分類(lèi)號:P618.11文獻標識碼:A文章編號: 1006-7493( 2003 )03-396-061基本原理煤相是煤的原始成因類(lèi)型,它取決于泥炭形成的環(huán)境( Stach ,1982 )煤相主要反映在煤巖組成方面的差別上包括顯微組分、礦物質(zhì)含量、煤中的肉眼和顯微鏡下可見(jiàn)結構等。煤相或泥炭的形成主要取決于泥炭沼澤形成時(shí)的沉積環(huán)境、營(yíng)養供給和成炭植物群落等條件。不同的泥炭沼澤沉積背景決定著(zhù)植物群落持續生長(cháng)的物質(zhì)總量及其泥炭堆積的厚度、結.構、煤巖組成等。例如,由于華北二疊系山西組煤與石炭系太原組煤形成于不同的沉積背景,導致兩者煤巖成分、煤層厚度與結構產(chǎn)生明顯的差別;使得二疊系下石盒子組煤與山西組煤和太原組煤的差別更大集中表現在下石盒子組煤富含礦物質(zhì)、鏡煤與亮煤含量偏低且缺乏大的條帶狀結構、煤巖組分中碎屑組分偏多等方面。即使是同一地區的同一層煤其內部的差別特別是煤巖組成和結構方面的差別也十分明顯。煤巖成分的不均一性極大地影響到煤儲層中孔、裂隙系統的特征及滲透率,而后者正是煤儲層地質(zhì)評價(jià)和研究所關(guān)心的核心內容。應用煤相分析技術(shù)的主要目的是識別同一煤層或不同煤層之間在煤層成分和結構方面的差別按一定的煤儲層劃分要求從空間上將相近的煤巖成分與結構的煤體區別開(kāi)來(lái)利用煤相分析原理進(jìn)行合理的相帶識別與劃分。進(jìn)而可將不同煤巖成分和特定的煤體特別是煤中鏡煤與亮煤的含量與結構進(jìn)行合理的劃分進(jìn)中國煤化工價(jià)與預測。泥炭的發(fā)育與堆積有其自身的規律其生YHCNMH快在煤層記錄中為典型的三段式結構。底部為富含礦物質(zhì)層鏡煤和亮煤一般不大發(fā)育 ;中部至中.上部為中-低礦物質(zhì)層鏡煤與亮煤的比例較高;頂部一般為富含礦物質(zhì)層或以多個(gè)互層的方式與其它沉積環(huán)境基金項目:國家煤層氣973項目課題( 2002CB211702 )資助第一作者簡(jiǎn)介:王生維男,1956年生,內蒙呼和浩特市人博士教授煤層氣地質(zhì)煤田地質(zhì)。3期王生維等:煤相分析在煤儲層評價(jià)中的應用397過(guò)渡。簡(jiǎn)單煤層的厚度取決于營(yíng)養供給狀態(tài)。- 般來(lái)說(shuō)如果沼澤的面積較大煤層厚度通常較薄，常為1~2m,因為主要為垂向供給的營(yíng)養來(lái)源限制了泥炭植物群落的生長(cháng)與演化。如果為陸相盆地,營(yíng)養除垂向供給外還有側向補充,可形成厚度幾米到十幾米甚至更厚的煤層。這類(lèi)復雜結構煤層事實(shí)上是泥炭沼澤多次營(yíng)養補給、導致植物群落多次更替與演化的結果其厚度受營(yíng)養供給的嚴格控制。在營(yíng)養供給充足的條件下近海相煤的最大厚度可以厚達5 m以上陸相煤最大厚度可達百米以上。2煤巖-煤相分析與煤儲層評價(jià)2.1煤巖 組成和層序結構對煤儲層裂隙發(fā)育特征的影響不同的煤巖組分及結構特點(diǎn)，對煤儲層孔裂隙系統的發(fā)育特征起著(zhù)決定性影響(王生維等,1997錢(qián)凱等,1997趙慶波等,1999)。發(fā)育內生裂隙的載體一鏡煤和亮煤 其比例和結構形態(tài)特征決定著(zhù)煤中內生裂隙網(wǎng)絡(luò )系統的發(fā)育特征鏡煤與亮煤的比例高,內生裂隙孔隙度就高。鏡煤與亮煤條帶的高度決定著(zhù)內生裂隙的高度其空間分布形態(tài)決定著(zhù)內生裂隙網(wǎng)絡(luò )系統的空間分布特征。煤巖成分在-定程度上還決定著(zhù)內生裂隙的密度通常鏡煤的內生裂隙線(xiàn)密度高于亮煤。鏡煤和亮煤的比例在某種程度.上決定著(zhù)氣脹節理的發(fā)育程度。一般條件下氣脹節理在鏡煤和光亮煤含量高的煤巖分層中異常發(fā)育。研究表明鏡煤條帶單純是由木本植物殘體碎片所形成亮煤條帶則主要由若干植物殘片與高度分解的植物碎屑混合組成。從這一點(diǎn)上看只有規模較大的森林沼澤才有利于鏡煤和亮煤條帶的形成。從時(shí)代.上看新生代特別是第三紀煤中鏡煤和亮煤比例較高,而 古生代煤中鏡煤和亮煤的比例相對較低。山西組煤、太原組煤和石盒子組煤相比較山西組煤層中鏡煤和亮煤比例往往較高而石盒子組煤層中的鏡煤與亮煤比例往往偏低。亮煤的發(fā)育不僅與內生裂隙有關(guān)還與煤中微裂隙發(fā)育密切相關(guān),即亮煤發(fā)育微裂隙載體比例就高微裂隙系統就比較發(fā)育。夾矸對煤儲層中大裂隙的發(fā)育有重要影響。若煤層中若干煤巖分層厚度遠遠大于夾矸的厚度(夾矸厚度為幾厘米至10 cm)夾矸中往往也發(fā)育產(chǎn)狀類(lèi)似于煤儲層中氣脹節理的裂隙,但其線(xiàn)密度明顯低于煤中氣脹節理特別是3~5cm的泥巖夾矸更是如此。夾矸中節理密度-般與巖性和厚度有關(guān)在薄層泥巖中較為發(fā)育在砂巖和粉砂-般不甚發(fā)育。若煤層中的夾矸比例大于10%或單層厚度大于15 cm其內部氣脹節理通常發(fā)育不佳或不發(fā)育氣脹節理。煤層中的夾矸對上下煤層分層間的裂隙系統造成十分明顯的分隔,對煤儲層的滲透率產(chǎn)生重要不利影響。煤儲層的層序結構對煤儲層大裂隙系統的整體特征和滲透性有重要影響。影響煤儲層層序結構的關(guān)鍵參數是夾矸的厚度分布和含矸率。通?？砂磰A矸發(fā)育特點(diǎn)分為簡(jiǎn)單結構煤層，復雜結構煤層和特別復雜結構煤層。簡(jiǎn)單結構煤層指不含夾矸的煤層其孔裂中國煤化工分的影響這類(lèi)煤儲層的厚度通常不大,--般為1~2m只有個(gè)別情況MHCNMHG二疊系山西組煤儲層更是如此。復雜結構煤儲層是指含有夾矸的煤儲層,其含矸率通常為5%以下,-般厚度為5~10cm通常為1~5層其夾矸多位于煤層的底部或靠近頂部尤其是接近煤層頂板的部分夾矸最發(fā)育。這類(lèi)儲層的厚度通常比上述簡(jiǎn)單結構煤儲層厚度大,-般為2~8m其中3~5m最398高校地質(zhì)學(xué)報9卷為常見(jiàn)其夾矸對煤儲層孔裂隙系統發(fā)育特征有-定的影響但總體.上并不十分突出。特別復雜結構煤儲層的含矸率為10%~ 30%通常為15%~20%夾矸厚度大，夾矸多為泥質(zhì)或泥質(zhì)粉砂巖煤巖分層通常較薄其中外生節理和氣脹節理不發(fā)育，夾矸對煤儲層的大裂隙系統有明顯的分隔作用。這類(lèi)層序的煤儲層滲透率往往變化很大尤其是基質(zhì)滲透率往往很低不利于煤層氣的產(chǎn)出。2.2煤相與煤巖組分、煤層的層序結構前已述及晚古生代煤中的鏡煤和亮煤含量與新生代煤相比通常偏少。新生代煤、特別是第三紀煤以寬條帶結構為主鏡煤的高度可達20 cm以上,而古生代煤中厚度為5 cm以上的鏡煤就很少見(jiàn)。新生代煤中鏡煤與亮煤的比例往往高于古生代煤。這可能主要是造泥炭植物群落組成的差異導致的不同種屬和群落組合是最主要的原因其次是沉積環(huán)境不同所致，新生代煤多為內生沉積而古生代煤則多為近海相沉積。不同沉積背景條件下的煤巖組分差別明顯,例如河流和湖泊相煤與近海相煤就有明顯的差別近海相煤中的鏡煤或亮煤載體往往偏少分解較為充分而內陸相則正好相反。同一煤層中不同相帶差異也十分明顯特別是內陸相煤更是如此例如撫順第三紀煤就是十分典型的例孔(王生維等,1995) 事實(shí)上近海相煤在-定的空間范圍內其相帶變化也比較明顯。這正是將煤相分析技術(shù)應用在煤儲層巖石物理分析的關(guān)鍵依據。2.3煤層氣藏評價(jià)中的煤相分析技術(shù)劃分與識別煤相的標志較多,有 古生物標志、有機地球化學(xué)標志和沉積環(huán)境標志等,但作為煤儲層評價(jià)最密切相關(guān)的是煤巖成分、煤巖結構和煤層層序結構及夾矸這四個(gè)宏觀(guān)標志大致可以反映造泥炭植物群落的發(fā)生、發(fā)育和消亡的全過(guò)程，也可以反映出不同煤相部位的煤質(zhì)特點(diǎn)。煤巖成分、煤巖結構和煤層層序結構及夾矸與煤儲層孔裂隙系統密切相關(guān)。煤相在垂向上的演替往往比橫向相變要復雜得多其相帶的橫向變化取決于泥炭堆積場(chǎng)所的大小。通常近海相煤在橫向上的穩定性好而陸相煤則變化較為明顯。所以煤相分析中更應重視垂向分析。煤相分析技術(shù)在煤儲層評價(jià)中的主要應wE|栗子溝井剛|老虎臺井年用是識別煤儲層孔裂隙系統發(fā)育的空間不均-性,并對其進(jìn)行預測;對煤層中氣脹節理的發(fā)育特征進(jìn)行評價(jià)與預測對構造節理以外的滲透率性進(jìn)行評價(jià)。3實(shí)例研究依據煤中的孢粉組合、生物標記化合物、煤巖組分的細胞結構識別、煤巖類(lèi)型與宏觀(guān)結中國煤化工本產(chǎn)狀、煤中的礦物成1.泥炭及微異地堆積;2. 樺亞科-衫科沼澤煤相;3.愷MHC N M H G在撫順古城子組巨厚木-槐葉萍沼澤煤相;4.愷木-衫科煤相( I )型;5.愷木-衫科沼澤煤相( II 型;6.實(shí)測剖面線(xiàn)煤體中識別出樺亞科-衫科植物群落、榿木-圖1撫順古 城子組煤層煤相分布略圖衫科植物群落、榿木-槐葉萍植物群落和微異Fig.1 Cross section of coal facies of地堆積四種煤相類(lèi)型其空間分布具有規律性Guchengzi formation in Fushun(圖1 )其中榿木-衫科植物群落煤相在古城3期王生維等:煤相分析在煤儲層評價(jià)中的應用399子組中占主導地位其次是樺亞科-衫科植物群落煤相。微異地堆積煤相一般不具有工業(yè)價(jià)值榿木-槐葉萍植物群落煤相的代表性煤巖類(lèi)型是混合煤。不同的煤相類(lèi)型在垂向層序、煤巖類(lèi)型、顯微組分、灰分產(chǎn)率、生物標記化合物、夾矸等方面存在明顯的差異(表1》例如樺亞科-衫科植物群落煤相的顯微組分中惰性組含量異常豐富,且存在明顯的垂向變化(圖2圖3)在榿木-衫科植物群落煤相內部在煤層分岔的方向結構鏡質(zhì)體含量明顯增加(圖4)表1撫順煤田泥炭沼澤 煤相煤質(zhì)參數表Table 1 Parameters of coal facies in Fushun coalfield位置類(lèi)別西露天礦老虎臺礦龍鳳礦35.2~1.313.9-1.0燒絲質(zhì)體與半絲質(zhì)體16.454 )5.5( 3)巖碎屑鏡質(zhì)體42.5~15.231.4~15.216.454)20. 80(3)平科灰分(干燥基)%13.8~9.18.5~2.78.8~5.012. 4(4)6.43(2)6.5(3)衫煤51.3~44.146.1~41.7.45.7~42.1揮發(fā)份(可燃基)%47.34)44.33)44.06 3)化0.926~0.8660.897~0.8360.887~ 0.769H/C原子比0.896(4)0.863( 3)0.8293)結構鏡質(zhì)體與85.3~66.157.6~41膠質(zhì)鏡質(zhì)體77. 1(9)49.44(7 )榿巖13.7~7.129.8~7.3木10.129)17. 60(7)衫15.1~4.87.8~2.018~3.410.09)4.37)10.59)科煤46.7~ 3946.5~42.6.47.8~42.242.4(9)44.67)44.239)0.917~ 0.7630.887~0.8250.924~0.8300.833(9 )0.855( 7)0.8599 )撫順古城子組煤層內的煤相與煤儲層巖石物理性質(zhì)之間存在明顯的內在聯(lián)系(王生維等，1995。老虎臺井田內以榿木-衫科植物群落煤相占絕對優(yōu)勢煤儲層內的裂隙與微裂隙系統發(fā)育孔隙結構優(yōu)良滲透率高達3x 10-3um2。栗子溝井田內的煤相復雜榿木-衫科植物群落煤相、樺亞科-衫科植物群落煤相、榿木-槐葉萍植物群落煤相和微異地堆積煤相都有發(fā)育。其中榿木-槐葉萍植物群落煤相中的基質(zhì)孔隙占絕對優(yōu)勢地位裂隙系統不發(fā)育其滲透率低于榿木-衫科植物群落煤相形成煤儲層的中國煤化工物群落煤相中的植物殘留細胞孔隙發(fā)育,但相互連接性很差微裂隙MHCN M H G透率大體為榿木-衫.科植物群落煤相形成煤儲層的一半。值得指出的是盡管煤相分析具有一定難度 而工作量較大,但其評價(jià)預測能力強,而且用途廣泛建議在我國煤層氣集中開(kāi)發(fā)區應盡早實(shí)施以煤相分析為理論指導的煤儲層巖石物理及其煤層氣藏評價(jià)預測研究。400高校地質(zhì)學(xué)報9卷W西露天井田東露天井田Ew_E威因單位21威因單位1(m)00泥巖十←3m)圖3撫順古城子組煤層第-、二成因單位惰性組含量剖面等值線(xiàn)圖.2(m)Fig.3 The inertinite percentage cross section of252010 0(km) 4unit 1 and unit 2 of the GuchengziFormation in Fushun coalfield .圖2撫順古 城子組煤層第六成因單位結構鏡質(zhì)體含量剖面等值線(xiàn)圖4結語(yǔ)Fig.2 The telinite percentage cross sectionof unit 6 of the Guchengzi Formation( 1 )煤相取決于造泥炭時(shí)的沉積環(huán)境主要表in Fushun colfield現在宏觀(guān)煤巖類(lèi)型肉眼可見(jiàn)結構、夾矸、及微觀(guān)顯微組分和礦物質(zhì)等方面造泥炭沼澤主要取決于沼澤形成背景,營(yíng)養供給和造泥炭植物群落特征等典型的泥炭發(fā)育和堆積方式具有三段結構。由于泥炭沼澤(m)-宏觀(guān)沉積環(huán)境的復雜性，也可以改變?yōu)槎喽问綇碗s結0t構模式。絲質(zhì)體( 2 )煤巖組分對煤儲層孔裂隙系統的發(fā)育有決定半絲質(zhì)體囚碎嗣惰性體性的影響。鏡煤和亮煤中發(fā)育內生裂隙。不同組分與孔裂隙類(lèi)型相對應,煤層夾矸中節理-般不發(fā)育。煤巖分層中發(fā)育氣脹節理的條件下,在薄層泥巖夾矸中氣脹節理發(fā)育。夾矸的發(fā)育不利于煤儲層中煤層氣的4-產(chǎn)出。(3)煤層的層序結構按夾矸層數、厚度的夾矸率的高低可分為簡(jiǎn)單結構煤層、含夾矸和復雜結構煤層。-般而言簡(jiǎn)單結構煤層的滲透率通常較高煤層20 400+ 8情性組分%中的大裂隙系統比較發(fā)育。復雜結構煤層中大裂隙系圖4 撫順古城子組煤層A-B層序統發(fā)育不均勻整個(gè)煤儲層的滲透率通常較低。含夾第一、二成因單位惰性組垂向分布圖矸煤層的孔裂隙系統發(fā)育特征和滲透率介于上述簡(jiǎn)單Fig.4 The inertinite percentage sequence of結構煤中國煤化工unit 1 and unit 2 of A- B sequence of the(4MHCNMHG竟條件下的煤相不同,Guchengzi Formation in Fushun coalfield即使同一煤層的不同部位也有明顯區別。煤相的垂向變化遠遠大于橫向變化。煤相分析的重點(diǎn)是煤巖成分、煤巖結構和煤層層序結構和夾矸發(fā)育特點(diǎn)。煤相分析可用于識別煤儲層孔裂隙系統發(fā)育的空間不均一性對煤儲層的滲透性做出科學(xué)評價(jià)與預測。3期王生維等:煤相分析在煤儲層評價(jià)中的應用401參考文獻:錢(qián)凱趙慶波汪澤成.1997.煤層甲烷氣勘探開(kāi)發(fā)理論與實(shí)驗測試技術(shù).北京石油工業(yè)出版社,1-51.王生維陳鐘惠張明籌.1997.煤儲層巖石物理研究與煤層氣勘探選區.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社69-71.王生維李思田莊新國.1995.撫順煤田古城子組煤相與煤質(zhì)特征.見(jiàn)第四界全國煤巖學(xué)學(xué)術(shù)討論文選集.西安陜西科學(xué)技術(shù)出版社.29-33.趙慶波李五忠孫斌等. 1999.煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù).北京:石油工業(yè)出版社, 1-44.References :Qian kai , Zhao Qingbo and Wang Zhecheng. 1997. 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Bejing : PetroleumIndustry Press. 1- 44( in Chinese).Application of the Technique of Coal Facies Analysisto Evaluation of Coal ReservoirWANG Sheng-wei , CHEN Zhong-hui , ZHANG Ming , DUAN Lian-xiu ,LUO Shan-guo( Faculty of Resources , China University of Geosciences , Wuhan 430074 , China )Abstract :' The pore-fracture system，permeability of the coal reservoir and the heterogeneity ofthe pore-fracture system and permeability are very important aspects of the coal reservoir evalua-tion . The permeability of the coal reservoir depends on the pore- fracture system of the coal reser-voir , and the pore- fracture system of the coal reservoir depends on coal rank , coal lithotypes andmaceral. In a small districts , the coal rank is usually stable or changes regularly , the permeabilityof the coal reservoir is mainly related to the coal lithotypes and maceral. The coal lithotypes ,or-ganic maceral , minerals depend on environment during the peat formation. The evaluation andforecasting of the pore-fracture system and permeability of the coal reservoir may be carried out bycoal facies analysis , in which the important contents are coal maceral , structure of maceral ，se-quence of coal lithotypes and parting.Key words : coal facies analysis , the pore- fractur用化+eterogeneity of the coal中國煤化工reservoir , evaluation and forecastingTYHCNMH G收終修稿日期2003-06-16)