沁水盆地和顺地区煤层气储层物性特征

沁水盆地和顺地区煤层气储层物性特征
李琼;何建军;曹均
【摘要】在对沁水盆地和顺地区煤层气有利区带的地质资料进行相关分析基础上,采集了不同煤矿井下煤样和顶板盖层样品并进行了超声波测试,初步形成了在地层温度与压力条件下的煤样采集、样品制备及测试分析等基本岩石物理参数测试技术.应用MTS岩石物理参数测试系统对该区煤样进行岩石物理参数测试,获得该区煤层气有利区带储层岩石物理参数测试数据及其分布范围,表明煤层纵横波速度之间具有良好的线性关系,煤样及盖层样在纵横波衰减方面存在一定的差异.煤层的弹性特征与盖层存在明显差异,并具有较强的各向异性和非线性特征,可为岩石物理模型、实际模型的数值模拟和波场特征分析提供依据,也为煤层气的预测提供了一种途径.【期刊名称】《石油地球物理勘探》
【年(卷),期】2013(048)005
【总页数】6页(P734-739)
【关键词】煤层气储层;物性特征;地层温度与压力;岩石物理实验
【作者】李琼;何建军;曹均
【作者单位】成都理工大学“地球探测与信息技术”教育部重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地球物理学院,四川成都610059;成都理工大学“地球探测与信息技术”教育部重点实验室,四川成都610059;成都理工大学,四川成都610059;成都理工大学,四川成都610059
【正文语种】中文
【中图分类】P631
1 引言
煤层气是21世纪战略性接替能源，煤层气又称煤层甲烷、煤矿瓦斯，是煤层本身自生自储式非常规天然气。

煤层气具有储层煤岩强度低、离散性大、高吸附、双重孔隙结构等特点，加强煤层气储层岩石物理和煤层气地震响应特征的研究，可以认识煤层气藏规律及基本地球物理特征，进而为推进煤层气勘探开发技术的进步奠定理论基础［1，2］。

本文基于岩石物理实验测试数据，结合煤岩孔隙结构特点，分析了煤层气储层岩石物理参数之间的关系，总结出煤层气储层条件下的岩石物理特征，为岩石物理模型、实际模型的数值模拟和波场特征分析提供基础实验数据和依据，为煤层气地球物理响应特征的研究提供条件［3～10］。

2 煤系地层的地质特征
研究区位于沁水盆地东北部边缘，如图1所示。

区内构造简单，总体呈走向北东、倾向北西的单斜构造，地层倾角平缓，一般在15°左右，区内发育宽缓的小规模褶皱，正断层较发育。

通过对研究区野外踏勘，其含煤地层主要为石炭系上统—二叠系下统太原组及山
西组。

图1 研究区位置图
太原组为主要含煤地层，与下伏本溪组呈整合接触，为海陆交互相沉积。

岩性主要为灰黑色、深灰色泥岩、砂质泥岩、粗、中、细粒砂岩夹石灰岩及煤层，分为上、中、下三段，平均层厚为140.33m，最小厚度为76m。

山西组是区内主要含煤地层，整合于石炭系上统—二叠系下统太原组之上，为一
套陆相—过渡相含煤地层。

岩性为深灰、灰黑色细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥
岩、炭质泥岩和煤层，其下部偶含透镜状薄层石灰岩，底部为灰、灰白色石英砂岩或长石石英砂岩（K7，北岔沟砂岩），为山西组和下伏太原组的分界标志层。

本
组平均层厚为65.92m，最小厚度为13.5m。

3 实验测试技术
3.1 测试仪器设备
针对煤层气储层岩石物理实验的要求，对成都理工大学的“MTS岩石物理参数测
试系统”进行了改造升级。

该系统由数字电液伺服刚性岩石力学试验子系统、岩石超声波测量子系统、以及岩石孔隙体积变化量和渗透率测试子系统三部分构成。

该系统可以达到的测试条件为：最高轴压为1000kN；最高围压为140MPa；最高
孔压为70MPa；最高环境温度为200℃。

系统可在温度、压力（轴压、孔压、围压）组合控制条件下测试岩石力学参数、超声波参数（纵、横波波速）、储层参数（渗透率、孔隙度）。

该系统可以完成模拟各种地层条件（＜埋深6000m）下煤岩样品超声波、岩石力学等各项参数的测试，从而初步建立了针对煤层气储层煤岩在地层条件下的测试技术。

条件控制传感器类型及精度：轴向荷载传感器，量程有100kN 和1000kN 两档，测量误差＜1%；围压传感器140MPa，测量误差＜1%；孔压传感器70MPa，测量误差＜1%；轴向位移传感器在-50mm～＋50mm 区间，位移分辨精度为0.0001mm。

系统的基本控制原理如图2所示。

在MTS岩石物理参数测试系统中，超声波测试实验是其关键性的功能。

超声测试子系统可以在单轴加载、三轴加载以及控制岩石样品的孔隙压力、温度等条件下，用中心频率为1MHz或5000kHz的超声波对岩样进行测试，由测试结果计算出纵、横波速度，误差不超过0.5%。

超声波测试系统的组成如图3所示。

3.2 煤样取样与制备
图2 MTS岩石物理参数测试系统的控制系统示意图
图3 MTS超声波测试系统组成框图
通过野外地质调查，根据煤岩样研究需要，在沁水盆地和顺地区选取4个煤矿采
集了石炭系上统—二叠系下统太原组（C2-P1t）大块井下煤岩样44块。

由于煤
样的层理、节理非常发育，各种微孔隙、裂隙较多，且分布不均匀，呈现明显的非均质特性，煤强度低（相对比较软），易破碎，在室内按垂直、平行煤层和岩层层理三个相互垂直的方向钻取岩样，制成直径45～50mm 左右、高度为50～
100mm、平整度、光洁度、平行度较好的煤岩样和顶板样（盖层）进行了地层条件下的测试，见图4所示。

图4 加工后的部分煤岩（左）和顶板样（右）
4 实验室模拟
通过在实验室模拟地下某一深度处的地层温度、压力环境，可以得到地下某一深度地层环境中岩样的实际测量值［11～16］。

地温和地压按如下方法模拟：
（1）地层温度的模拟一般地层温度随着埋藏深度的增加线性增加
式中：温度T 的单位为°C；T0为地表温度，单位为°C；dT 为地温梯度，单位
为°C／m；深度H 的单位为m。

其中地温梯度dT 由井温测井得到，该区的平均
地温梯度为0.58°C／100m，表明为地温正常区。

（2）地层压力的模拟地层压力是地下岩层所承受的地应力，包括受垂直和水平两个方向的应力和岩石孔隙内部流体压力（即孔压）的作用。

煤岩实际受到的压力为上覆地层岩石的压力和孔隙流体压力，一般用有效压力来表示，实验室测试的有效压力为上述两种压力之差。

根据研究区煤层深度分布，本次实验模拟的深度约为1000m，有效压力设计测试到20MPa，实验设置了0.1MPa、3MPa、地层压力、10MPa、15MPa、20MPa共6个压力测点来测试煤岩样在不同压力（围压）条
件下的纵横波速度，以确定压力对岩样纵横波速度的影响。

轴压为5kN，温度范
围为25°C～31°C。

5 煤系地层物性特征分析
5.1 煤系地层的密度和孔隙度特征
由实验测试结果和图5可知，煤层的平均密度为1.34g／cm3，平均孔隙度为12.18%；顶板（盖层）的平均密度为2.56g／cm3，平均孔隙度为5.29%。

由此可见，煤层气储层物性特征表现为煤样平均密度远小于盖层，孔隙度明显大于盖层。

5.2 煤系地层纵波与横波速度特征
由实验测试结果和图6可知，煤样的纵波平均速度为2448m／s；横波S1和S2（S1和S2为相互垂直的一组横波）的平均速度分别为1220m／s 和1222m／s。

顶板样（盖层）的纵波平均速度为4402 m／s；横波S1和S2的平均速度分别为2643m／s和2698m／s。

由此可见，煤样的纵横波速度明显低于盖层岩样，纵、横波速度只有盖层岩样的56%和46%。

图5 岩样密度（左）、孔隙度（右）均值分布图
图6 岩样纵横波速度均值分布
通过对实验数据统计分析，建立区内煤层和盖层的波速（vP）与密度（ρ）的关系式为
通过对纵横波速度实验数据统计分析（图7、图8），建立区内地层条件下纵横波速度的关系式为
式中：vP为纵波速度；vS为横波速度。

已知煤层气储层纵波速度，通过纵横波速度之间的关系，可以预测煤层气储层的横波速度。

利用波速与密度之间的关系以及纵横波速度之间关系可以研究岩性变化和预测含气性。

图7 地层条件下煤样纵横波速度之间的关系
图8 地层条件下盖层纵横波速度之间的关系
5.3 煤系地层弹性参数特征
煤系地层弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、体积模量、拉梅常数、泊松比和纵横波速度比，如图9所示。

图9 煤层、盖层不同弹性参数的统计对比
从煤层的弹性参数可以看出，煤层的平均杨氏模量、剪切模量、体积模量、拉梅常数都比较低，只有盖层的12.6%、11.5%、21.6%、30.9%，远低于盖层的弹性参数。

煤层的泊松比和纵横波速度比则明显高于盖层，分别高出65%和22.6%。

表明煤层的弹性特征与盖层有着明显的不同。

5.4 煤层品质因子Q 特征
煤层、盖层的纵横波品质因子柱状分布如图10所示。

分析实验测试结果可知，煤样的平均纵波品质因子为10.08；横波S1和S2的平均品质因子分别为21.91和24.72。

盖层的平均纵波品质因子为12.81；横波S1和S2的平均品质因子为18.88和12.16。

由此可见，煤样的纵波品质因子略小于盖层，约为盖层的79%左右，但横波品质因子要大于盖层，分别高出16%和103%。

煤层、盖层在纵横波衰减方面存在一定的差异。

图10 煤层、盖层的纵横波品质因子均值分布
5.5 煤层各向异性特征
煤岩的各向异性是指煤岩的物理性质随方向而变化。

当地震波在具有各向异性的煤岩中传播时，地震波的速度必然与传播方向有关，即存在速度各向异性。

由图11可知，平行煤层方向的纵横波速度普遍大于垂直煤层方向的纵横波速度，且纵波速度的差异明显大于横波速度。

图12直观地表示了煤样纵横波速度各向异性系数的大小。

从图中可以看出：煤样的纵波速度各向异性最大可达到20.87%，但最小只有1.56%；横波速度的各向异性最大可达到9.6%。

由此可见，纵波速度
的各向异性明显大于横波速度的各向异性。

图11 平行与垂直方向煤层纵横波速度对比
图12 煤层纵横波速度各向异性系数对比
6 结论
从煤样采集、煤样制备到测试技术与数据处理，初步形成了一套针对煤储层在地层温压条件下的煤岩测试分析技术。

本文详细分析了采用岩石物理实验测试所获得的沁水盆地和顺地区在地层条件下煤层和盖层的纵横波速度、弹性参数、品质因子、密度、孔隙度及各向异性等多种物性参数，总结了地层条件下煤岩岩石物理参数的变化规律和相关关系。

获得了煤层密度、纵横波速度的分布范围，并且煤层纵横波速度之间具有良好的线性关系。

与围岩相比，煤层不仅具有低速度、低密度的特点，而且具有较强的各向异性和非线性特征。

这些关系模型构成了煤层气地震反演技术的岩石物理基础。

成都理工大学的单钰铭研究员参与了超声波测试工作，在此表示衷心的感谢。

参考文献
［1］高洪烈.论煤层气与地下水.中国煤田地质，1998，10（4）：45～48 Gao Honglie.Discuss of coal gas and subsurface water.Coal Geology of China，1998，10（4）：45～48
［2］周建勋，王桂梁，邵震杰.煤的高温高压实验变形研究.煤炭学报，1994，19（3）：324～332 Zhou Jianxun，Wang Guiliang，Shao Zhenjie.Coal deformation under high temperature and confining pressure.Journal of China Coal Society，1994，19（3）：324～332
［3］Ruiz F，Cheng A.A rock physics model for tight gas sand.The Leading Edge，2010，29（12）：1484～1489
［4］Castagna J P，Batzle M L，Eastwood R L.Relationships between
compressional-wave and shear-wave velocities in clastic silicate
rocks.Geophysics，1985，50（4）：571～581
［5］Wang Z.Fundamental of seismic rock physics.Geophysics，2001，66（2）：398～4121
［6］孟召平，张吉昌，Joachim Tiedemann.煤系岩石物理力学参数与声波速度
之间的关系.地球物理学报，2006，49（5）：1505～1510 Meng Zhaoping，Zhang Jichang，Joachim Tiedemann.Relationship between physical and mechanical parameters and acoustic wave velocity of coal measuresrocks.Chinese J Geophys，2006，49（5）：1505～1510
［7］史謌，沈联蒂.根据波速—压力关系评价岩石岩性、物性的实验研究.地球物
理学报，1990，33（2）：212～219 Shi Ge，Shen Liandi.Evaluations of the lithological character and physical property of rocks from the relation between wave velocity and pressure an experimental study.Chinese J Geophys，1990，33（2）：212～219
［8］魏建新，狄帮让.周期层状介质对纵波速度影响的实验研究.石油地球物理勘探，2010，45（5）：661～666 Wei Jianxin，Di Bangrang.The experimental studies on influence of periodic layered media to P wave velocity.OGP，2010，45（5）：661～666
［9］高洪烈.论煤层气与地下水.中国煤田地质，1998，10（4）：45～48 Gao Honglie，Discuss of coal gas and subsurface water.Coal Geology of China，1998，10（4）：45～48
［10］李琼，何建军，贺振华等.温压条件下孔洞储层的地震波响应特征.石油地球物理勘探，2009，44（1）：53～57 Li Qiong，He Jianjun，He Zhenhua et al.Response of seismic wave feature to pore and cave reservoir in
conditions of temperature and pressure.OGP，2009，44（1）：53～57 ［11］陈颙，黄庭芳.岩石物理学.北京：北京大学出版社，2001
［12］李琼，贺振华，黄德济等.单孔洞缝模型超声波实验测试与分析.石油物探，2007，46（1）：100～104 Li Qiong，He Zhenhua，Huang Deji et
al.Ultrasonic experiment and analysis of single fracture-cave physical model.GPP，2007，46（1）：100～104
［13］贺振华，李亚林，曹均等.地层温压条件下超声波测试技术.勘探地球物理进展，2003，26（2）：84～87 He Zhenhua，Li Yalin，Cao Jun et
al.Ultrasonic physical modeling under real strata temperature and pressure.Progress in Exploration Geophysics，2003，26（2）：84～87 ［14］闫文华，陈宗翠，马喜梅等.煤层气地震解释技术应用及效果——以沁水盆地郑庄区块三维为例.石油地球物理勘探，2012，47（增刊1）：66～71 Yan Wenhua，Chen Zongcui，Ma Ximei et al.3D seismic interpretation of coalbed methane in Zhangzhuang Block，Qinshui Basin.OGP，2012，47（S1）：66～71
［15］刘占族，张雷，霍丽娜等.地质统计学反演在煤层气薄储层识别中的应用.石油地球物理勘探，2012，47（增刊1）：30～34 Liu Zhanzu，Zhang Lei，Huo Lina et al.Thin coalbed methane reservoir identification by geostatistics inversion.OGP，2012，47（S1）：30～34
［16］潘存焕，米航军.应用地震方法研究煤成气的分布.石油地球物理勘探，1987，22（3）：334～340。