煤相分析在煤储层评价中的应用

第9卷第3期高校地质学报Vol.9 No.32003年9月Geological Journal of China UniversitiesSept. 2003煤相分析在煤储层评价中的应用王生维,陈钟惠,张明,段连秀,罗善国(中国地质大学(武汉)资源学院武汉430074 )摘要:煤储层研究的重要内容是孔裂隙系统发育特征、渗透性及其空间不均-性特征。煤储层的孔裂隙特征决定煤储层的渗透性而煤储层的孔裂隙特征主要取决于煤岩成分和煤级。对一个特定的煤层气田而言煤级变化不大或者规律明显。煤岩成分往往成为控制煤储层渗透率分布不均性的主导因素。煤岩成分包括有机显微组分和矿物质均受控于煤相。可以通过系统的煤相分析认识煤储层中煤岩成分、结构、层序等的空间展布特征，为科学预测煤储层的渗透率奠定基础。煤相分析在注重横向变化的同时更强调垂向层序分析。关键词:煤相分析;孔裂隙系统;渗透率;煤层气藏不均一性;评价预测中图分类号:P618.11文献标识码:A文章编号: 1006-7493( 2003 )03-396-061基本原理煤相是煤的原始成因类型,它取决于泥炭形成的环境( Stach ,1982 )煤相主要反映在煤岩组成方面的差别上包括显微组分、矿物质含量、煤中的肉眼和显微镜下可见结构等。煤相或泥炭的形成主要取决于泥炭沼泽形成时的沉积环境、营养供给和成炭植物群落等条件。不同的泥炭沼泽沉积背景决定着植物群落持续生长的物质总量及其泥炭堆积的厚度、结.构、煤岩组成等。例如,由于华北二叠系山西组煤与石炭系太原组煤形成于不同的沉积背景,导致两者煤岩成分、煤层厚度与结构产生明显的差别;使得二叠系下石盒子组煤与山西组煤和太原组煤的差别更大集中表现在下石盒子组煤富含矿物质、镜煤与亮煤含量偏低且缺乏大的条带状结构、煤岩组分中碎屑组分偏多等方面。即使是同一地区的同一层煤其内部的差别特别是煤岩组成和结构方面的差别也十分明显。煤岩成分的不均一性极大地影响到煤储层中孔、裂隙系统的特征及渗透率,而后者正是煤储层地质评价和研究所关心的核心内容。应用煤相分析技术的主要目的是识别同一煤层或不同煤层之间在煤层成分和结构方面的差别按一定的煤储层划分要求从空间上将相近的煤岩成分与结构的煤体区别开来利用煤相分析原理进行合理的相带识别与划分。进而可将不同煤岩成分和特定的煤体特别是煤中镜煤与亮煤的含量与结构进行合理的划分进中国煤化工价与预测。泥炭的发育与堆积有其自身的规律其生YHCNMH快在煤层记录中为典型的三段式结构。底部为富含矿物质层镜煤和亮煤一般不大发育 ;中部至中.上部为中-低矿物质层镜煤与亮煤的比例较高;顶部一般为富含矿物质层或以多个互层的方式与其它沉积环境基金项目:国家煤层气973项目课题( 2002CB211702 )资助第一作者简介:王生维男,1956年生,内蒙呼和浩特市人博士教授煤层气地质煤田地质。3期王生维等:煤相分析在煤储层评价中的应用397过渡。简单煤层的厚度取决于营养供给状态。- 般来说如果沼泽的面积较大煤层厚度通常较薄，常为1~2m,因为主要为垂向供给的营养来源限制了泥炭植物群落的生长与演化。如果为陆相盆地,营养除垂向供给外还有侧向补充,可形成厚度几米到十几米甚至更厚的煤层。这类复杂结构煤层事实上是泥炭沼泽多次营养补给、导致植物群落多次更替与演化的结果其厚度受营养供给的严格控制。在营养供给充足的条件下近海相煤的最大厚度可以厚达5 m以上陆相煤最大厚度可达百米以上。2煤岩-煤相分析与煤储层评价2.1煤岩 组成和层序结构对煤储层裂隙发育特征的影响不同的煤岩组分及结构特点，对煤储层孔裂隙系统的发育特征起着决定性影响(王生维等,1997钱凯等,1997赵庆波等,1999)。发育内生裂隙的载体一镜煤和亮煤 其比例和结构形态特征决定着煤中内生裂隙网络系统的发育特征镜煤与亮煤的比例高,内生裂隙孔隙度就高。镜煤与亮煤条带的高度决定着内生裂隙的高度其空间分布形态决定着内生裂隙网络系统的空间分布特征。煤岩成分在-定程度上还决定着内生裂隙的密度通常镜煤的内生裂隙线密度高于亮煤。镜煤和亮煤的比例在某种程度.上决定着气胀节理的发育程度。一般条件下气胀节理在镜煤和光亮煤含量高的煤岩分层中异常发育。研究表明镜煤条带单纯是由木本植物残体碎片所形成亮煤条带则主要由若干植物残片与高度分解的植物碎屑混合组成。从这一点上看只有规模较大的森林沼泽才有利于镜煤和亮煤条带的形成。从时代.上看新生代特别是第三纪煤中镜煤和亮煤比例较高,而 古生代煤中镜煤和亮煤的比例相对较低。山西组煤、太原组煤和石盒子组煤相比较山西组煤层中镜煤和亮煤比例往往较高而石盒子组煤层中的镜煤与亮煤比例往往偏低。亮煤的发育不仅与内生裂隙有关还与煤中微裂隙发育密切相关,即亮煤发育微裂隙载体比例就高微裂隙系统就比较发育。夹矸对煤储层中大裂隙的发育有重要影响。若煤层中若干煤岩分层厚度远远大于夹矸的厚度(夹矸厚度为几厘米至10 cm)夹矸中往往也发育产状类似于煤储层中气胀节理的裂隙,但其线密度明显低于煤中气胀节理特别是3~5cm的泥岩夹矸更是如此。夹矸中节理密度-般与岩性和厚度有关在薄层泥岩中较为发育在砂岩和粉砂-般不甚发育。若煤层中的夹矸比例大于10%或单层厚度大于15 cm其内部气胀节理通常发育不佳或不发育气胀节理。煤层中的夹矸对上下煤层分层间的裂隙系统造成十分明显的分隔,对煤储层的渗透率产生重要不利影响。煤储层的层序结构对煤储层大裂隙系统的整体特征和渗透性有重要影响。影响煤储层层序结构的关键参数是夹矸的厚度分布和含矸率。通常可按夹矸发育特点分为简单结构煤层，复杂结构煤层和特别复杂结构煤层。简单结构煤层指不含夹矸的煤层其孔裂中国煤化工分的影响这类煤储层的厚度通常不大,--般为1~2m只有个别情况MHCNMHG二叠系山西组煤储层更是如此。复杂结构煤储层是指含有夹矸的煤储层,其含矸率通常为5%以下,-般厚度为5~10cm通常为1~5层其夹矸多位于煤层的底部或靠近顶部尤其是接近煤层顶板的部分夹矸最发育。这类储层的厚度通常比上述简单结构煤储层厚度大,-般为2~8m其中3~5m最398高校地质学报9卷为常见其夹矸对煤储层孔裂隙系统发育特征有-定的影响但总体.上并不十分突出。特别复杂结构煤储层的含矸率为10%~ 30%通常为15%~20%夹矸厚度大，夹矸多为泥质或泥质粉砂岩煤岩分层通常较薄其中外生节理和气胀节理不发育，夹矸对煤储层的大裂隙系统有明显的分隔作用。这类层序的煤储层渗透率往往变化很大尤其是基质渗透率往往很低不利于煤层气的产出。2.2煤相与煤岩组分、煤层的层序结构前已述及晚古生代煤中的镜煤和亮煤含量与新生代煤相比通常偏少。新生代煤、特别是第三纪煤以宽条带结构为主镜煤的高度可达20 cm以上,而古生代煤中厚度为5 cm以上的镜煤就很少见。新生代煤中镜煤与亮煤的比例往往高于古生代煤。这可能主要是造泥炭植物群落组成的差异导致的不同种属和群落组合是最主要的原因其次是沉积环境不同所致，新生代煤多为内生沉积而古生代煤则多为近海相沉积。不同沉积背景条件下的煤岩组分差别明显,例如河流和湖泊相煤与近海相煤就有明显的差别近海相煤中的镜煤或亮煤载体往往偏少分解较为充分而内陆相则正好相反。同一煤层中不同相带差异也十分明显特别是内陆相煤更是如此例如抚顺第三纪煤就是十分典型的例孔(王生维等,1995) 事实上近海相煤在-定的空间范围内其相带变化也比较明显。这正是将煤相分析技术应用在煤储层岩石物理分析的关键依据。2.3煤层气藏评价中的煤相分析技术划分与识别煤相的标志较多,有 古生物标志、有机地球化学标志和沉积环境标志等,但作为煤储层评价最密切相关的是煤岩成分、煤岩结构和煤层层序结构及夹矸这四个宏观标志大致可以反映造泥炭植物群落的发生、发育和消亡的全过程，也可以反映出不同煤相部位的煤质特点。煤岩成分、煤岩结构和煤层层序结构及夹矸与煤储层孔裂隙系统密切相关。煤相在垂向上的演替往往比横向相变要复杂得多其相带的横向变化取决于泥炭堆积场所的大小。通常近海相煤在横向上的稳定性好而陆相煤则变化较为明显。所以煤相分析中更应重视垂向分析。煤相分析技术在煤储层评价中的主要应wE|栗子沟井剛|老虎台井年用是识别煤储层孔裂隙系统发育的空间不均-性,并对其进行预测;对煤层中气胀节理的发育特征进行评价与预测对构造节理以外的渗透率性进行评价。3实例研究依据煤中的孢粉组合、生物标记化合物、煤岩组分的细胞结构识别、煤岩类型与宏观结中国煤化工本产状、煤中的矿物成1.泥炭及微异地堆积;2. 桦亚科-衫科沼泽煤相;3.恺MHC N M H G在抚顺古城子组巨厚木-槐叶萍沼泽煤相;4.恺木-衫科煤相( I )型;5.恺木-衫科沼泽煤相( II 型;6.实测剖面线煤体中识别出桦亚科-衫科植物群落、桤木-图1抚顺古 城子组煤层煤相分布略图衫科植物群落、桤木-槐叶萍植物群落和微异Fig.1 Cross section of coal facies of地堆积四种煤相类型其空间分布具有规律性Guchengzi formation in Fushun(图1 )其中桤木-衫科植物群落煤相在古城3期王生维等:煤相分析在煤储层评价中的应用399子组中占主导地位其次是桦亚科-衫科植物群落煤相。微异地堆积煤相一般不具有工业价值桤木-槐叶萍植物群落煤相的代表性煤岩类型是混合煤。不同的煤相类型在垂向层序、煤岩类型、显微组分、灰分产率、生物标记化合物、夹矸等方面存在明显的差异(表1》例如桦亚科-衫科植物群落煤相的显微组分中惰性组含量异常丰富,且存在明显的垂向变化(图2图3)在桤木-衫科植物群落煤相内部在煤层分岔的方向结构镜质体含量明显增加(图4)表1抚顺煤田泥炭沼泽 煤相煤质参数表Table 1 Parameters of coal facies in Fushun coalfield位置类别西露天矿老虎台矿龙凤矿35.2~1.313.9-1.0烧丝质体与半丝质体16.454 )5.5( 3)岩碎屑镜质体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挥发份(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)结构镜质体与85.3~66.157.6~41胶质镜质体77. 1(9)49.44(7 )桤岩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 )抚顺古城子组煤层内的煤相与煤储层岩石物理性质之间存在明显的内在联系(王生维等，1995。老虎台井田内以桤木-衫科植物群落煤相占绝对优势煤储层内的裂隙与微裂隙系统发育孔隙结构优良渗透率高达3x 10-3um2。栗子沟井田内的煤相复杂桤木-衫科植物群落煤相、桦亚科-衫科植物群落煤相、桤木-槐叶萍植物群落煤相和微异地堆积煤相都有发育。其中桤木-槐叶萍植物群落煤相中的基质孔隙占绝对优势地位裂隙系统不发育其渗透率低于桤木-衫科植物群落煤相形成煤储层的中国煤化工物群落煤相中的植物残留细胞孔隙发育,但相互连接性很差微裂隙MHCN M H G透率大体为桤木-衫.科植物群落煤相形成煤储层的一半。值得指出的是尽管煤相分析具有一定难度 而工作量较大,但其评价预测能力强,而且用途广泛建议在我国煤层气集中开发区应尽早实施以煤相分析为理论指导的煤储层岩石物理及其煤层气藏评价预测研究。400高校地质学报9卷W西露天井田东露天井田Ew_E威因单位21威因单位1(m)00泥岩十←3m)图3抚顺古城子组煤层第-、二成因单位惰性组含量剖面等值线图.2(m)Fig.3 The inertinite percentage cross section of252010 0(km) 4unit 1 and unit 2 of the GuchengziFormation in Fushun coalfield .图2抚顺古 城子组煤层第六成因单位结构镜质体含量剖面等值线图4结语Fig.2 The telinite percentage cross sectionof unit 6 of the Guchengzi Formation( 1 )煤相取决于造泥炭时的沉积环境主要表in Fushun colfield现在宏观煤岩类型肉眼可见结构、夹矸、及微观显微组分和矿物质等方面造泥炭沼泽主要取决于沼泽形成背景,营养供给和造泥炭植物群落特征等典型的泥炭发育和堆积方式具有三段结构。由于泥炭沼泽(m)-宏观沉积环境的复杂性，也可以改变为多段式复杂结0t构模式。丝质体( 2 )煤岩组分对煤储层孔裂隙系统的发育有决定半丝质体囚碎嗣惰性体性的影响。镜煤和亮煤中发育内生裂隙。不同组分与孔裂隙类型相对应,煤层夹矸中节理-般不发育。煤岩分层中发育气胀节理的条件下,在薄层泥岩夹矸中气胀节理发育。夹矸的发育不利于煤储层中煤层气的4-产出。(3)煤层的层序结构按夹矸层数、厚度的夹矸率的高低可分为简单结构煤层、含夹矸和复杂结构煤层。-般而言简单结构煤层的渗透率通常较高煤层20 400+ 8情性组分%中的大裂隙系统比较发育。复杂结构煤层中大裂隙系图4 抚顺古城子组煤层A-B层序统发育不均匀整个煤储层的渗透率通常较低。含夹第一、二成因单位惰性组垂向分布图矸煤层的孔裂隙系统发育特征和渗透率介于上述简单Fig.4 The inertinite percentage sequence of结构煤中国煤化工unit 1 and unit 2 of A- B sequence of the(4MHCNMHG竟条件下的煤相不同,Guchengzi Formation in Fushun coalfield即使同一煤层的不同部位也有明显区别。煤相的垂向变化远远大于横向变化。煤相分析的重点是煤岩成分、煤岩结构和煤层层序结构和夹矸发育特点。煤相分析可用于识别煤储层孔裂隙系统发育的空间不均一性对煤储层的渗透性做出科学评价与预测。3期王生维等:煤相分析在煤储层评价中的应用401参考文献:钱凯赵庆波汪泽成.1997.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术.北京石油工业出版社,1-51.王生维陈钟惠张明筹.1997.煤储层岩石物理研究与煤层气勘探选区.武汉:中国地质大学出版社69-71.王生维李思田庄新国.1995.抚顺煤田古城子组煤相与煤质特征.见第四界全国煤岩学学术讨论文选集.西安陕西科学技术出版社.29-33.赵庆波李五忠孙斌等. 1999.煤层气地质与勘探技术.北京:石油工业出版社, 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中国煤化工reservoir , evaluation and forecastingTYHCNMH G收终修稿日期2003-06-16)