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能源是国家经济发展和社会现代化的重要基础,而全球主要的消费能源是化石能源，尤其是油气能源。新时代的中国对油气能源的需求越来越大，对相对较清洁的天然气能源更是需求迫切。目前，我国常规天然气能源产量和储量都相对有限，而煤成气则是天然气的重要补充，2016年全国煤成气产量占天然气的1/2。煤成气最早是在20世纪40年代由德国学者提出的，而世界上第1口煤成气试验井是1953 年在美国的圣胡安盆地钻探完成。随后，前苏联、澳大利亚等开展了大量的有关煤成气研究和勘探，取得了显著成就，尤其是1959 年在西荷兰盆地东北部格罗宁根发现可采储量达 2.7×1012 m3的气田，这是世界上第1个储量超万亿的煤成气大气田[1]。美国煤成气迈入商业化大规模开发的标志是20世纪80年代在黑勇士盆地的橡树林煤成气田获得成功投产。2008 年，美国煤成气产量达到高峰，年产煤成气 556×108 m3[2]。在中国，首次提出煤成气概念是在1978 年，由戴金星提出。煤成气理论对指导我国天然气勘探效果显著，自20 世纪90年代，在塔里木盆地、鄂尔多斯盆地和四川盆地等相继发现一批大中型天然气田，可以说煤成气理论的提出和成功实践推动了中国天然气工业加快发展。据统计，2016年全国天然气总储量为 118 951.2×108 m3(煤成气 82 889.32×108 m3)， 年产气1 384×108 m3(煤成气742.91×108 m3)，使中国从贫气国迈向世界第6大产气国[3]。
目前，淮北煤田煤成气相关研究主要集中在生烃特征方面，如文献[4-6]都先后对源岩地球化学特征进行了分析。储层方面总体研究较少，韩树芬等[7]研究认为，淮北二叠纪煤系三角洲相沉积砂岩是良好的储集层；张文永等[8]对淮北煤田二叠系砂岩储层孔隙度、渗透率分析，指出其为致密砂岩低渗储层。但对于淮北煤田二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组砂岩储层的系统研究与对比分析前人几乎未涉足，因此，笔者提出从沉积相、孔渗特征、成岩作用、孔隙结构及类型等方面对其进行系统分析，并依此建立适合研究区的评价标准，进行综合评价，以期望更好地反映研究区二叠系储层特征，为今后煤成气的勘探开发提供一定的支持。
淮北煤田位于安徽省北部，由淮北市、濉溪、宿县、涡阳、萧县等地区所组成，面积超过10 000 km2。研究区二叠系为一套发育较好的含煤碎屑岩沉积，自下而上主要为山西组、下石盒子组和上石盒子组，由南向北地层逐渐变厚；煤系共划分为 7个含煤段，11个煤层。山西组地层厚96～143 m，岩性主要为灰色、灰白色砂岩、粉砂岩，灰(黑)色泥岩等；煤层主要为 10号、11号两层。下石盒子组地层厚115～135 m，岩性以浅灰色砂岩、灰色粉砂岩和砂质泥岩、泥岩为主；煤层主要为6号～9号四层。上石盒子组地层厚度380～640 m，岩性主要为灰白色砂岩、粉砂岩及深灰色泥岩；煤层主要为1—5号五层。但上石盒子组在宿北断裂以北含煤少，可采煤层很少，大多为碳质页岩或煤线。煤和暗色泥岩均为良好的气源岩，表明研究区具有良好的煤成气勘探潜力。煤成气主要储层为山西组砂岩、下石盒子组砂岩和上石盒子组砂岩。
不同沉积环境形成的储层砂体类型及原始储集性能差别较大，因此，弄清储层砂体发育的沉积相类型，对于寻找有利储层具有重要意义[9-11]。淮北煤田二叠系含煤地层主要沉积相为三角洲相，少量河流相；储层砂体沉积微相主要包括三角洲平原分流河道相、三角洲前缘河口坝相、河道相等。
三角洲平原分流河道相主要发育在山西组上部、下石盒子组和上石盒子组中下部，砂体呈带状或树枝状，多呈近南北向或北西一南东向展布；岩性多为中细粒长石石英砂岩、岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩。砂体在横向上成串出现，逐层基本可以对比；垂向上则为多重叠置砂体，如山西组10煤上砂岩和下石盒子组8煤上、下砂岩。10煤上砂岩厚度较大，几乎全区可连续对比，厚度大于10 m的砂体主要分布在萧县、涡阳地区，最厚处位于萧县闸河一带。砂岩底部具有冲刷面，结构以板状层理为主，部分波状或槽状交错层理。
主要分布在山西组下部，下石盒子组、上石盒子组下部，砂体在平面上呈朵状、楔状，自西北向东南沿古地形倾斜方向延伸增宽；岩性以中至细粒石英砂岩、长石石英砂岩为主。在垂向上与分流河道组成三角洲复合砂体，在沉积断面上呈向侧上方连续的扁平透镜体；由于受潮汐作用影响和改造，砂体具有明显向上变粗的反粒序，且常被分流河道切割。10煤下砂岩厚度较大，基本在全区可追踪，厚度大于10 m的有砀山、萧县蒋河、童亭以南等地区。砂质沉积物中，出现双向楔状的交错层理，以及在潮汐作用下形成一系列透镜状、脉状、波状等复合型层理。
主要分布在上石盒子组上部，由冲积平原的河道侧向迁移堆积而成；岩性以中粗粒长石岩屑砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑长石砂岩为主。砂体在断面图上常呈透镜状，平面上呈条带状或点状展布，总体呈北西—南东向；垂向上底部多含细砾或泥砾，为河道滞留沉积。
淮北煤田二叠系砂岩储层总体来说为低孔低渗储层，但不同层组孔隙度和渗透率仍有差异。对山西组、下石盒子组和上石盒子组部分砂岩样品测试(表1)表明，孔隙度为1.1%～8.0%，平均 3.53%；渗透率为(0.01～8.50)×10-3 μm2，平均值为0.54×10-3 μm2。从发育情况看，上石盒子组储层物性相对最好，其次为山西组，下石盒子组最差。
表1 淮北煤田二叠系储层孔隙度、渗透率参数
Table1 Porosity and permeability parameters ofPermian reservoir in Huaibei Coalfield
地层孔隙度/%最大最小平均(样数)渗透率/10-3μm2最大最小平均(样数)上石盒子组7.71.84.1(17)8.500.0150.95(13)下石盒子组5.21.12.7(17)0.680.0100.18(12)山西组8.01.23.7(19)2.220.0160.46(14)
根据对淮北煤田二叠系储层砂岩部分样品的压汞等实验，并结合有关原始资料分析，山西组、下石盒子组和上石盒子组储层在喉道半径、排驱压力、中值压力等孔隙结构方面存在一定的差异(表2)。喉道半径为0.002 ～0.117 μm，平均值为0.036 μm；排驱压力为0.76 ～31.30 MPa，平均值为10.63 MPa；中值压力为6.4～50.0 MPa，平均值为29.42 MPa。从上述储层孔隙结构特征看，上石盒子组排驱压力、中值压力相对较小，喉道半径相对较大，储层物性相对最好，其次为山西组，而下石盒子组最差。
表2 淮北煤田二叠系储层孔隙结构参数
Table 2 Pore structure parameters of Permian reservoir in Huaibei Coalfield
层 位喉道半径/μm最大最小平均(样品数)排驱压力/MPa最大最小平均(样品数)中值压力/MPa最大最小平均(样品数)上石盒子组0.1170.0150.047(5)9.510.964.4(6)506.424.7(5)下石盒子组0.0350.0020.014(4)31.303.6017.9(5)5026.041.0(4)山西组0.0930.0040.042(5)30.000.7610.8(6)508.023.8(4)
碎屑岩储层孔隙类型主要包括原生和次生，储层物性好坏与发育孔隙类型密切相关[12-13]。利用薄片、扫描电镜等试验观察分析，表明淮北煤田二叠系主要砂岩储层发育的孔隙类型有残余原生粒间孔、次生溶孔和微裂隙等。受机械压实和压溶作用影响，原生孔隙几乎损失殆尽；相对来说，上石盒子组残余原生粒间孔最为发育，其次是下石盒子组，山西组最少。砂岩中长石、碳酸盐等不稳定矿物及菱铁矿等胶结物，在溶解作用下，可以形成较丰富的次生溶孔，是形成有利砂岩储层的关键因素之一；次生溶孔在山西组相对最发育，其次为上石盒子组，而下石盒子组发育较少。砂岩在成岩过程中或后期由于胶结物的脱水收缩作用或受各种构造应力作用等，产生大量微裂隙，也是改善储层物性的主要因素之一；微裂隙在上石盒子组最为发育，其次是山西组，而下石盒子组最少。
成岩作用是沉积物转化为岩石的关键因素，同时对储层物性也有着重要影响[14-16]。淮北煤田二叠系储层成岩作用很强，对其储集性好坏起着主要控制作用。山西组、下石盒子组和上石盒子组主要发育的成岩作用类型包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用和重结晶作用4种。
主要发生在成岩作用和后生作用早期，包括机械压实和压溶作用，是使砂岩颗粒紧密镶嵌，原生孔隙显著减少的最主要因素。压实作用很强，砂岩中表现为(石英)颗粒之间呈缝合线接触或锯齿状接触。总体来说，山西组最强(图1a)，下石盒子组次之，上石盒子组相对较弱(图1b)。
图1 成岩压实作用
Fig.1 Action of rock forming
胶结(充填)作用较发育，是造成孔隙减少的主要因素之一。大量伊利石(图2)、高岭石等黏土矿物和石英、钾长石等自生矿物对孔隙的胶结或充填作用，不仅堵塞原生孔隙，而且对次生孔隙也有影响。此外，石英颗粒的次生加大作用对孔隙也会产生较严重的破坏。储层胶结(充填)作用在二叠系各层组发育程度相当，差异不明显。
图2 伊利石充填
Fig.2 Illite filling
溶蚀作用发育较好，是形成次生孔隙的主要因素，对改善储层物性具有重要作用。砂岩中的碎屑颗粒长石、石英(图3)及一些不稳定组分如碳酸盐类等，在一定的物理化学条件下，经历溶解、淋滤等，能够形成大量次生溶孔。该作用在山西组中最为发育，其次为上石盒子组，下石盒子组相对较差。
重结晶作用相对较弱，但对砂岩储层物性的改善也起到了一定作用，尤其上石盒子组较发育。主要是由于伊利石、高岭石经过重结晶改造，在其晶间产生了一些晶间微孔隙。
图3 石英溶蚀孔隙
Fig.3 Quartz dissolution pores
目前，有关低孔低渗储层的评价标准较多[17-19]，但一般应用到某一地区时都具有一定的局限性，不能真实反映其储层的相对优劣。关于淮北煤田，前人更是很少对其二叠系砂岩储层进行系统研究和评价。因此，本次根据储层的沉积特征、成岩作用及物性特征等，并参照前人研究成果，建立了适合淮北煤田二叠系低孔低渗储层的综合评价标准(表3)。此评价标准使用的评价参数为孔隙度、渗透率、喉道半径、排驱压力、中值压力、沉积相、成岩作用、孔隙类型等8个参数，与有关学者提出的评价参数不尽相同[20-21]。把总体为低孔低渗的储层再细分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，即Ⅰ类为好储层，Ⅱ类为较好储层，Ⅲ类为较差储层。
根据建立的评价标准，结合淮北煤田二叠系主要砂岩储层参数特征(表3)，对其进行综合评价，表明山西组储层总体介于Ⅱ类和Ⅲ类之间，下石盒子组储层为Ⅲ类，上石盒子组储层为Ⅱ类。由上述评价结果看出，二叠系砂岩储层总体较差，未出现Ⅰ类储层。这是由于评价时仅以各参数的平均值进行衡量，对各砂岩储层的优劣反映不够全面。因此，在上述评价结果基础上，结合对孔隙度、渗透率等相关可量化数据的统计分析，对其进行定量评价。
根据对淮北煤田二叠系山西组～上石盒子组储层参数综合统计见表4，依据建立的储层评价标准中的孔隙度、渗透率、喉道半径、排驱压力及中值压力5项定量指标进行详细评价。
表4 淮北煤田二叠系各地层砂岩储层参数统计
Table 4 Reservoir parameter statistics of Permian each sandstone in Huaibei Coalfield
地层孔隙度/%数值百分比/%渗透率/10-3μm2数值百分比/%喉道半径/μm数值百分比/%排驱压力/MPa数值百分比/%中值压力/MPa数值百分比/%山西组>615.8>0.628.6>0.0820<116.7<10253～642.10.6～0.142.80.08～0.02401～1033.310～3050<342.1<0.128.6<0.0240>1050.0>3025下石盒子>60>0.68.3>0.080<1 0<1003～635.30.6～0.150.00.08～0.02251～1040.010～3025<364.7<0.141.7<0.0275>1060.0>3075上石盒子组>617.7>0.630.8>0.0820<116.7<10203～652.90.6～0.138.50.08～0.02601～1083.310～3040<329.4<0.130.7<0.0220>10 0>3040
从前人提出的一些低渗储层评价标准可以看出，虽然这些标准所选用的参数各不相同，但总的来说都是以渗透率、孔隙度为主要参数。因此，本次对孔隙度和渗透率2个参数赋予较大的权重值，各占35%；喉道半径、排驱压力和中值压力权重各占10%，依此标准对其二叠系砂岩储层进行评价。结果表明：山西组Ⅰ类储层占21.7%，Ⅱ类储层占42.05%，Ⅲ类储层占36.25%；下石盒子组Ⅰ类储层占2.91%，Ⅱ类储层占38.85%，Ⅲ类储层占58.24%；上石盒子组Ⅰ类储层占22.65%，Ⅱ类储层占50.32%，Ⅲ类储层占27.03%。上述评价结果表明，二叠系砂岩储层上石盒子组最好，其次为山西组，而下石盒子组较差。
1)依据孔渗测试、压汞试验等分析，淮北煤田二叠系砂岩为低孔低渗储层；下石盒子组孔隙度为2.7%、渗透率为0.18×10-3μm2、喉道半径为0.014 μm、排驱压力为17.9 MPa、中值压力为41 MPa，山西组孔隙度为3.7%、渗透率为0.46×10-3μm2、喉道半径为0.042 μm、排驱压力为10.8 MPa、中值压力为23.8 MPa，上石盒子组孔隙度为4.1%、渗透率为0.95×10-3μm2、喉道半径为0.047 μm、排驱压力为4.4 MPa、中值压力为24.7 MPa，孔渗性和孔隙结构总体逐渐变好。
2)根据砂岩薄片鉴定及扫描电镜等分析，淮北煤田二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组压实作用较强，原生孔隙损失严重。总体看，上石盒子组压实作用相对较弱，原生孔隙保留较多，加上溶蚀作用和重结晶作用较发育，形成了较多的次生溶孔；其次，山西组虽然压实作用最强，但溶蚀作用很发育，次生溶孔较多；而下石盒子组由于压实作用较发育，且溶蚀作用较差，孔隙总体不发育。
3)根据建立的淮北煤田二叠系砂岩储层评价标准对其进行综合评价表明，上石盒子组储层发育最好，Ⅰ类储层占22.65%，Ⅱ类储层占50.32%，Ⅲ类储层占27.03%；其次为山西组，Ⅰ类储层占21.7%，Ⅱ类储层占42.05%，Ⅲ类储层占36.25%；而下石盒子组较差，Ⅰ类储层占2.91%，Ⅱ类储层占38.85%，Ⅲ类储层占58.24%。
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