二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征.pdf

天然气技术与经济2023年第17卷第4期天 然 气 技 术 与 经 济Natural Gas Technology and EconomyVol.17，No.4Aug.2023修订回稿日期：20230721基金项目：中国石油天然气股份有限公司“十四五”前瞻性基础性重大科技项目“煤层气勘探开发技术研究”下属课题3“煤层气新区新层系新领域战略与评价技术研究”（编号：2021DJ2303）；中央引导地方科技发展资金项目（编号：2022ZY0018）。作者简介：斯琴毕力格（1994），硕士，从事非常规天然气勘探开发研究工作。E-mail：。二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征Characteristics of low-rank CBM reservoirs,Huolinhe sag,Erlian BasinCharacteristics of low-rank CBM reservoirs,Huolinhe sag,Erlian Basin斯琴毕力格1，2，3宋换新1，2林海涛3李 玲3田文广4（1.长江大学资源与环境学院，湖北武汉430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心（长江大学），湖北武汉430100；3.内蒙古煤勘非常规能源有限责任公司，内蒙古呼和浩特010000；4.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065000）SIQIN Bilige1,2,3,SONG Huanxin1,2,LIN Haitao3,LI Ling3,and TIAN Wenguang4(1.College of Resources and Environment,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China;2.Hubei Cooperative Innovation Centerof Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China;3.Inner Mongolia Coal Exploration Unconventional Energy Co.,Ltd.,Hohhot,Inner Mongolia 010000,China;4.Langfang Branch,PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Langfang Branch,Langfang,Hebei 065000,China)Abstract:Based on some investigations on geological setting of Huolinhe sag,Erlian Basin,influential factors on pore andfracture structure,permeability,as well as porosity and permeability were analyzed for the low-rank coal of the Low Cretaceous Damoguaihe Formation in this sag through low-temperature nitrogen adsorption experiments,optical microscopicmethod,and porosity and permeability test in order to reveal characteristics of coalbed methane(CBM)reservoirs with lowrank in this area.In addition,both reservoir properties and influential factors were pointed out.Results show that(i)theredeveloped micropores(pore diameter100 nm)predominantly in these CBM reservoirs,accounting for over 90%.Most ofthem are gas impermeable with one end closed.And their porosity is between 11.33%and 26.32%,18.62%on average,belonging to medium porosity;(ii)there largely extended II-type fractures with the width more than 5 m and the lengthless than 10 mm;(iii)the permeability varies from 0.067 mD to 38.550 mD,5.440 mD on average,often in the range of0.067-1.830 mD,staying at low level;and(iv)not only porosity but permeability are principally affected by maceral,ashcontent and fracture development.In conclusion,these findings may provide reference for the exploration and developmentof the low-rank CBM in Huolinhe sag and other areas of Erlian Basin.Keywords:Erlian Basin;Huolinhe sag;Low-rank CBM;Reservoir characteristics;Main influential factor;Exploration andDevelopment摘要为了揭示二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征，在对地质背景进行研究的基础上，以霍林河凹陷下白垩统大磨拐河组低阶煤为研究对象，利用低温液氮吸附实验、光学显微以及孔渗测试等方法，分析了低阶煤的孔隙结构、裂隙结构、渗透率和孔渗主控因素，明确了大磨拐河组低煤阶煤层气储层性质和主控因素。研究结果表明：大磨拐河组低煤阶煤层气储层主要以微小孔（孔径小于100 nm）为主，占比在90%以上，孔隙形态以一端封闭的不透气孔为主，孔隙度介于11.33%26.32%、平均值为18.62%，属于中等孔隙度；裂隙类型以类为主，裂隙宽度大于5 m，长度小于10 mm；储层渗透率介于0.06738.550 mD、平均值为5.440 mD，一般介于0.0671.830 mD，渗透率整体较低；孔隙度、渗透率主要受显微组分、灰分产率和裂隙发育程度的影响。结论认为，该研究成果可以给二连盆地霍林河凹陷及其他地区的低煤阶煤层气勘探开发工作提供借鉴。关键词二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征主控因素勘探开发DOI：10.3969/j.issn.2095-1132.2023.04.0027Natural Gas Technology and Economy第17卷第4期0引言我国在中、高煤阶煤层气勘探开发方面取得了显著进展，并且已经在沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘等实现了商业性开发1，然而，要实现持续增储上产，勘探开发重心必须转向中低煤阶煤区2。在勘探开发过程中，煤层气作为一种生储一体的非常规天然气，在储层属性方面同常规天然气差异较大，常规油气藏的研究方法难以直接应用3。煤层气储层作为烃源岩和存储载体，由于存在多尺度孔 裂隙、较大比表面积及流体传导介质等特殊性质，从而影响煤层气的有效产出4-5。二连盆地是我国重要的低煤阶聚煤区，煤层气资源丰富，煤层气总资源量达9 000 108m3，其中霍林河凹陷作为其重点凹陷，资源量大于900 108m3，目前正开展前期的煤层气勘探6-8。油气和煤炭企业在二连盆地开展了10余年的煤层气勘探工作，2016年9月，中国石油华北油田公司实现了低煤阶煤层气的工业突破，表明其具有一定的煤层气勘探开发潜力，然而缺乏孔 裂隙系统空间特征、结构分类及其配置关系的细化研究总结9-11。因此，笔者以二连盆地重点凹陷霍林河凹陷为研究对象，分析总结了煤层气储层孔隙特征、显微裂隙特征、渗透率特征及孔渗主控因素，以期为二连盆地霍林河凹陷及其他凹陷的低煤阶煤层气勘探开发工作提供借鉴。1地质概况二连盆地位于内蒙古自治区中部，为早白垩世断陷盆地。目前，盆地中发现了53个凹陷，其中约90%的凹陷为半地堑断陷12，总体走向为NE方向，向西和西南过渡逐渐变为 NEE 和 EW 向，长约 326km，宽 916 km，面积介于 5 0006 000 km2 986。霍林河凹陷位于乌尼特断陷带东北部，北邻迪彦庙凹陷，西邻巴彦花凹陷，南部为大兴安岭隆起；总体呈 NE 向延伸，西北侧有 F1 盆缘断裂，北端为NWW 近EW的断裂所限，东侧和南端为侵蚀边界，总体上为一个半地堑构造13。霍林河凹陷沉积了上侏罗 下白垩统地层，含煤地层为下白垩统大磨拐河组（K1d），岩性由灰白色、灰绿色砂砾岩、灰色泥岩和粉砂岩及黑色煤层组成。在曲流河、三角洲、滨浅湖等沉积环境中都出现了具有经济价值的中厚煤层14，主要形成于滨岸、河流 三角洲、冲积扇、辫状河、湖泊等沉积环境，在同一层序不同体系域煤层分布中，煤层主要发育于湖侵体系域和高位体系域，在低位体系域发育较差。依据岩性、岩相特征分为砂砾岩段、下泥岩段、下含煤岩段、上泥岩段、上含煤岩段以及顶部砂泥岩段（图1）。与上覆第四系砾岩角度不整合接触，与下伏侏罗系中基性火山碎屑岩角度不整合接触15。其中，上含煤岩段含煤性较差，含煤 8层，可采煤层3层；下含煤岩段是主力开发的目的层，含煤性较好，有4个煤组（），其中煤组厚度介于018.76 m，平均值为4.34 m；煤组厚度介于025.44 m，平均值为7.70 m；煤组厚度介于042.08 m、平均值为15.47 m；煤组厚度介于073.57 m，平均值为 15.17 m。且主要煤储层结构简单 复杂，夹矸岩性多为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，为较稳定的煤储层，含煤面积达583 km2，埋深总体小于1 000 m。整体而言，霍林河凹陷煤层厚度大，煤储层发育稳定，埋深适中，为煤层气成藏提供了较好的物质基础。图1霍林河凹陷下白垩统大磨拐河组（K1d）综合柱状图斯琴毕力格，等：二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征8天然气技术与经济总第100期2023年2煤岩煤质特征研究区煤层的镜质体反射率值（Ro）介于0.38%0.48%，平均值为0.43%，褐煤演化程度较低。煤岩类型为半暗 半亮型，煤岩有机显微组分以腐殖组为主，含量介于95.9%99.8%，平均值为98.6%；惰质组含量介于0.2%4.1%，平均值为1.4%。根据煤岩工业分析结果显示，研究区水分含量较低，介于3.83%4.90%，平均值为 4.30%；灰分产率介于1.95%37.04%，平均值为11.25%，主要属于低灰分煤，其次为中灰分煤（表1）。研究区煤岩热演化程度低，还没有达到大量生烃阶段，煤层气组分以生物气为主，含少量煤热解气，而生物气的补充与良好的保存条件保证了该区仍有较高的含气量与含气饱和度，对煤层气成藏有利16。从煤岩煤质上看，研究区煤岩腐殖组含量高、灰分产率低，表明研究区煤岩吸附能力强，生气潜力较高，有利于煤层气成藏。样品号HZ1-1HZ2-1HZ3-1HZ4-1HB3-1HB4-1HC2-1HC3-1平均值Ro0.38%0.41%0.47%0.48%0.43%0.44%0.44%0.42%0.43%显微组分（去矿物）腐殖组含量99.8%98.9%99.6%97.7%99.5%99.0%95.9%98.3%98.6%惰质组含量0.2%1.1%0.4%2.3%0.5%1.0%4.1%1.7%1.4%工业分析水分含量4.54%4.73%4.90%4.07%3.83%4.27%3.87%4.16%4.30%灰分含量4.52%37.04%12.52%3.07%7.99%1.95%11.63%11.25%11.25%挥发分含量44.53%23.80%34.06%43.04%36.90%39.03%33.42%33.51%36.04%固定碳含量46.41%34.43%48.52%49.82%51.28%54.75%51.08%51.08%48.42%孔隙度26.32%13.18%17.39%15.58%20.88%30.40%11.33%13.91%18.62%渗透率mD0.1501.83038.5500.0962.5800.1300.1100.0675.440表1研究区煤岩显微组分及工业分析表3储层特征本次储层特征研究基于低煤阶煤层气储层特征，利用低温液氮实验、光学显微和孔渗测试实验，通过孔隙、显微裂隙、渗透率及主控因素开展研究，分析其影响因素，为后续有利开发地质单元的评价奠定基础。3.1孔隙特征煤中孔隙是指煤体未被有机质和矿物质充填的空间，是煤的空间结构要素之一，也是煤层气储集的重要空间17，其评价要素主要包括孔径结构、比表面积及孔体积特征、孔隙形态、孔隙度。3.1.1孔径结构按霍多特的分类方案，煤的孔隙系统可分成大孔（孔径大于l 000 nm）、中孔（孔径介于1001 000nm）、小孔（孔径介于10100 nm）、微孔（孔径小于10 nm）4个等级。基于低煤阶煤层气主要以吸附状态赋存在煤储层中的条件，本次孔隙研究以孔径小于1 000 nm吸附孔为主18-19。研究区低煤阶煤储层微孔段体积占总孔体积的14.47%31.04%，平均值为23.13%；小孔段体积占总孔体积的67.15%79.19%，平均值为72.58%；中孔段体积占总孔体积的 1.81%6.34%，平均值为4.29%。研究区孔隙类型以微小孔为主，平均占95.71%，远高于其他孔含量，说明其连通性较好，在后期煤层气的开采过程中，有利于煤层气的产出（表2）。3.1.2比表面积及孔体积特征研究区煤岩比表面积介于1.749 06.816 7 m2g，平均值为3.277 8 m2g；总孔隙体积介于0.008 50.028 5 mLg，平均值为0.014 4 mLg；平均孔径介于 16.7519.49 nm，平均值为 18.05 nm，整体变化范围较小（表2）。总体来看，该区煤储层的比表面积和总孔隙体积相对较高，对煤层气的吸附聚集都较为有利。3.1.3孔隙形态特征由吸附和凝聚理论可知，在开展多孔介质的吸天然气技术与经济地质勘探9Natural Gas Technology and Economy第17卷第4期附 解吸实验时，吸附分支和解吸分支会出现分离和重叠两种现象，吸附分支和解吸分支分开便会形成吸附回线，该现象反映了孔隙的形态形貌15-17。吸附 解吸实验中，低压段吸附等温线上凸，随着相对压力的增加，吸附量快速增加，但整体增速变缓，吸附逐渐由微孔充填过渡到相对较大的孔隙；高压段吸附等温线下凹，最后阶段吸附等温线急剧上升，直至相对压力等于1.0时也未出现吸附饱和的现象，表明未充填全部孔隙。研究区吸附分支和解吸分支分离间距较小，在相对压力处于中值0.5时，出现了特征不显著的微弱滞后环。当相对压力值接近0时，吸附气量增长缓慢，吸附分支曲线呈缓倾斜状；相对压力值小于0.9时，吸附气量增长缓慢，吸附分支曲线呈近水平状或缓倾斜状；当相对压力值接近0.9时，吸附气量快速增加，吸附分支曲线表现为近急倾斜或陡立状。解吸分支曲线在较高相对压力值介于0.91.0时，样品中吸附的气体快速解吸，解吸分支曲线呈急倾斜状；相对压力值小于0.8时，样品中吸附的气体缓慢解吸，解吸分支曲线表现为缓倾斜状；相对压力值接近0时，样品中吸附的气体从煤样中开始解吸，解吸分支曲线表现为缓倾斜状（图2）。研究区煤岩孔隙形态特征主要表现为无回线或回线极微，表明煤中孔隙形态比较复杂，煤孔隙形态以具有“双峰”结构一端封闭的不透气孔为主，煤储层孔隙有利于煤层气的解吸、扩散和渗流。样品编号HZ1-1HZ2-1HZ3-1HZ4-1HB3-1平均值总孔隙体积（mL g-1）0.008 50.010 50.014 60.028 50.009 80.014 4各孔径段体积比中孔5.96%3.41%3.95%1.81%6.34%4.29%小孔76.60%68.30%71.64%67.15%79.19%72.58%微孔17.44%28.29%24.41%31.04%14.47%23.13%BET比表面积（m2 g-1）1.749 02.414 03.400 96.816 72.008 53.277 8各孔径段比表面积比中孔0.74%0.32%0.24%0.17%0.83%0.46%小孔49.50%36.97%38.95%35.54%51.43%42.48%微孔49.76%62.71%60.81%64.29%47.74%57.06%平均孔径nm19.4917.4117.1216.7519.4818.05表2研究区煤岩低温液氮测试结果表a.HZ1-1样品吸附 解吸曲线b.HZ2-1样品吸附 解吸曲线c.HZ4-1样品吸附 解吸曲线d.HB3-1样品吸附 解吸曲线图2研究区煤岩低温液氮吸附等温线图斯琴毕力格，等：二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征10天然气技术与经济总第100期2023年3.1.4孔隙度特征研究区煤岩孔隙度介于11.3330.40，平均值为18.62（表1），孔隙度整体变化不大，且孔隙度较高，属于中等孔隙度，有利于煤层气的富集。3.2显微裂隙特征煤层中发育的裂隙为煤层气在储层中的运移提供了通道，裂隙发育的形态和产状可以直接影响到煤层气在储层中的运移特征以及储层的渗透性。目前，煤层气储层显微裂隙按照长度、宽度主要分为4种类型：类裂隙宽度不小于5 m，长度不小于10mm，为较大裂隙，连续性好，延伸远；类裂隙宽度不小于5 m，长度小于10 mm，为树枝状裂隙的树干部分；类裂隙宽度小于 5 m，长度不小于300 m，为树枝状裂隙的树林或树杈部分；类裂隙宽度小于5 m，长度小于300 m，呈树枝状，方向性和连通性较差20。研究区显微裂隙划分为主裂隙和次裂隙2种类型：主裂隙为较大裂隙，平均宽度为30 m，平均长度为 3.7 mm，平均密度为 5.5 条cm2，密度较密，裂隙发育，连续性好，延伸较远；次裂隙为小裂隙，平均宽度为15.6 m，平均长度为1.7 mm，平均密度为5.1 条cm2，密度较密，裂隙发育，连续性差，延伸较短（表3）。综合分析可知，研究区裂隙宽度不小于5 m，长度小于10 mm，属于类裂隙，密度较密，裂隙发育，连续性好，延伸较短，连通性中等，对煤储层的渗透性较好。3.3渗透率特征相对于中高煤阶而言，一般低煤阶煤储层渗透性较好，是煤层气开发的有利因素21。二连盆地渗透率数据较少，其吉尔嘎朗图凹陷煤层气井注入压降测试渗透率介于 0.14.0 mD，总体渗透率较低22。研究区内未进行煤层气注入压降测试，通过孔渗测试仪获得渗透率范围为0.06738.550 mD，平均为5.440 mD，一般介于0.0671.830 mD（表1），渗透率较低，总体属于低渗透率。3.4孔隙度 渗透率主控因素分析煤储层孔隙度 渗透率发育好坏直接影响煤层气的开采效果，是煤层气勘探和开发评价的重要参数23 1 198。影响煤储层孔隙度 渗透率的主控因素主要为煤的变质程度、灰分产率、显微组分和裂隙的发育程度等。基于本次测试数据，探究低煤阶煤的显微组分、灰分产率和显微裂隙发育程度对储层孔隙度 渗透率的影响。3.4.1显微组分不同显微组分的孔隙发育程度差异显著，本次主要探讨显微组分中的腐殖组、惰质组与孔隙度的关系，如图3所示。从图3可知，随着腐殖组含量增加，孔隙度呈增大趋势；随着惰质组含量增加，孔隙度呈下降趋势。显微组分以腐殖组为主，平均为98.6%，有利于孔隙发育，因此研究区煤岩储层孔隙度较高。样品号HZ1-1HZ2-1HZ3-1HZ4-1HB3-1HB4-1HC2-1HC3-1平均值煤岩类型碎屑煤碎屑煤碎屑煤碎屑煤碎屑煤碎屑煤碎屑煤碎屑煤主裂隙平均长度mm4.72.12.42.76.37.91.82.03.7平均高度mm2.80.51.41.94.11.81.81.62.0平均宽度m26202420824017930密度（条cm-2）4.84.68.67.26.12.75.54.65.5次裂隙平均长度mm1.41.22.10.92.12.42.31.21.7平均高度mm2.00.61.91.01.51.40.60.81.2平均宽度m11.010.07.85.728.010.014.038.015.6密度（条cm-2）7.85.57.35.83.72.74.33.85.1连通性中等中等中等中等中等中等中等中等中等裂隙发育程度发育发育发育发育发育较发育发育发育发育表3研究区煤岩显微裂隙发育特征表天然气技术与经济地质勘探11Natural Gas Technology and Economy第17卷第4期a.腐殖组和孔隙度关系b.惰质组和孔隙度关系图3不同显微组分与孔隙度关系图3.4.2灰分产率煤的孔隙度与灰分产率之间有较强的相关关系，随着灰分产率增加，孔隙度呈下降趋势（图4）。因为灰分是来自于煤层中的矿物质，随着灰分产率的增加，矿物质填充了煤层的孔隙，尤其是大孔和中孔中明显。而霍林河凹陷孔隙类型以微小孔为主，平均占95.71，因此孔隙度较高。图4孔隙度和灰分产率关系图3.4.3裂隙发育程度煤的裂隙部分所占的孔隙空间有限，而它却是煤层气渗流的主要通道，具有孔隙无法比拟的连通性和方向性23 1 202。而显微裂隙对储层渗透性的影响具有双重性，如果定向性好，则对煤储层的渗透性有利，然而如果裂隙定向性和连通性较差，则对渗透性不利24。研究区显微裂隙类型中主要发育类裂隙，为树枝状裂隙的树干部分，符合连通性中等，而此类裂隙定向性弱，导致煤储层渗透率较差。且主裂隙发育密度介于2.78.6 条cm2，平均密度为 5.5 条cm2；次裂隙发育密度介于 2.77.8条cm2，平均密度为5.1 条cm2（表3），该区的裂隙密度总体较低，不利于煤储层的渗透性，导致渗透率较低，非均质性较强。4结论1）霍林河凹陷低煤阶煤层气储层孔隙类型以微小孔为主，平均占比大于90%，煤岩比表面积和总孔隙体积相对较高，孔隙形态以具有“双峰”结构一端封闭的不透气孔为主，储层孔隙度介于11.33%30.40%，平均值为18.62%，孔隙度较高，属于中等孔隙度，有利于煤层气的解吸、扩散和渗流。2）霍林河凹陷低煤阶煤层气储层显微裂隙属于型裂隙，裂隙宽度不小于5 m且长度小于10 mm，裂隙发育，连续性好，延伸较短，有利于储层流通。3）霍林河凹陷低煤阶煤层气储层渗透率介于0.06738.550 mD，平均值为 5.440 mD，一般介于0.0671.830 mD，渗透率较低，总体属于低渗透率。4）霍林河凹陷低煤阶煤层气储层孔隙度、渗透率主要受显微组分、灰分产率和裂隙发育程度控制。显微组分中腐殖组与孔隙发育呈正相关，有利于孔隙发育，而惰质组和灰分产率与孔隙发育呈负相关；显微裂隙的定向性弱和密度总体较低，导致渗透率较低和非均质性强。斯琴毕力格，等：二连盆地霍林河凹陷低煤阶煤层气储层特征12天然气技术与经济总第100期2023年参考文献1刘大锰，贾奇锋，蔡益栋.中国煤层气储层地质与表征技术研究进展 J.煤炭科学技术，2022，50（1）：196-203.LIU Dameng，JIA Qifeng，CAI Yidong.Research progress oncoalbed methane reservoir geology and characterization technology in China J.Coal Science and Technology，2022，50（1）：196-203.2李晨晨.二连盆地低阶煤储层孔隙特征研究以吉尔嘎朗图凹陷和霍林河凹陷为例 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