寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素

田文廣湯達(dá)禎孫斌任源鋒

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院 3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司

寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素

田文廣1,2湯達(dá)禎1孫斌2任源鋒3

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院 3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司

田文廣等.寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素.天然氣工業(yè),2010,30(6):22-25.

寧武盆地是我國(guó)典型的中煤階構(gòu)造殘余盆地,勘探證實(shí)其南部具有很好的煤層氣勘探潛力,但煤層氣富集的主控因素尚不清楚。為此,分析了盆地南部主要含煤地層的沉積環(huán)境、煤質(zhì)特征、熱演化程度與煤階分布、煤儲(chǔ)層物性等地質(zhì)特征,通過(guò)構(gòu)造特征、地應(yīng)力分布特征、封蓋條件分析,結(jié)合前期勘探成果,綜合研究后認(rèn)為:寧武盆地南部煤層氣的富集受構(gòu)造部位、應(yīng)力場(chǎng)以及煤層頂?shù)装宸忾]條件控制,構(gòu)造上斜坡帶煤層氣富集高產(chǎn),構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)低值區(qū)煤層滲透性好,封閉條件好的地區(qū)煤層氣保存條件好。進(jìn)而預(yù)測(cè)出W02井以東、W04井以南地區(qū)具有獲得高產(chǎn)煤層氣井的有利條件,是有利的煤層氣富集區(qū)。

寧武盆地 煤層氣 富集 斜坡帶 地應(yīng)力場(chǎng)低值區(qū) 主控因素 有利區(qū) 封蓋層

寧武盆地位于山西省西北部,西側(cè)為呂梁山隆起和蘆芽山復(fù)背斜,東側(cè)為五臺(tái)山隆起帶,是晚古生代成煤期后受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓抬升形成的小型山間構(gòu)造盆地[1-2]。南北長(zhǎng)約130km,寬20～30km,面積約3120km2(圖1)。目前已有3口煤層氣井最高日產(chǎn)氣超過(guò)1000m3(W01、W04、W05井),均分布于南部斜坡帶,證實(shí)寧武盆地南部具有很好的煤層氣勘探潛力。但寧武盆地南部煤層氣富集主控因素尚不清楚,需要深入研究,筆者通過(guò)對(duì)該區(qū)構(gòu)造特征、地應(yīng)力分布特征、封蓋條件等方面的研究,分析了寧武盆地南部煤層氣富集主控因素,指出了煤層氣有利富集區(qū)。

1 南部地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征

1.1 主要含煤地層及沉積環(huán)境

寧武盆地發(fā)育石炭—二疊系、侏羅系2套含煤巖系[3]。其中下二疊統(tǒng)山西組(P1s)底部4#煤和上石炭統(tǒng)太原組(C3t)下部9#煤?jiǎn)螌雍穸却?全盆地穩(wěn)定分布,是煤層氣勘探的主要目的層。侏羅系含煤性差,分布范圍小,為次要勘探目的層。

本區(qū)在晚古生代太原期為海退背景下濱、淺海三角洲平原亞相的低位沼澤,物源主要來(lái)自大同以北古陸。早期植物生長(zhǎng)繁盛,泥炭堆積厚度大,在太原組下部沉積了9#煤,厚4.36～24.62m,平均厚度超過(guò)11m。中、后期海水向南退出,成煤環(huán)境變差,在太原組中上部?jī)H發(fā)育一些分布不連續(xù)的薄煤層和濱—淺海相泥巖—泥灰?guī)r;本區(qū)山西期海水退出,初期沉積環(huán)境較穩(wěn)定,處于河流亞相的沼澤沉積微相區(qū),形成了山西組下段較厚的4#煤,厚0.37～13.15m,一般為2～4m。中、后期沼澤相帶收縮,成煤條件變差,沉積了1～3層橫向分布不穩(wěn)定的薄煤層,單層厚0～1.95m。

1.2 煤巖、煤質(zhì)特征

寧武盆地南部太原組9#煤煤巖特征總體上以半暗—半亮型和半亮—光亮型煤為主。顯微組分中鏡質(zhì)組含量一般大于60%,惰性組含量一般小于30%。煤層以中低灰分煤為主,灰分含量一般小于15%(表1)。

4#煤煤巖特征總體上以半暗型為主。有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組一般在50%左右,惰性組含量一般為40%左右。煤層以中灰分為主,灰分含量一般為14.2%～22.7%。

圖1 寧武盆地太原組9#煤頂面埋深等值線圖

1.3 熱演化程度與煤階分布

寧武盆地淺部已知煤階為低—中變質(zhì)的氣、肥煤, W01井9煤Ro為0.95%～1.10%(表1)。隨著埋藏加深,煤變質(zhì)程度加深,煤階增高,推測(cè)盆地腹部為肥、焦煤,已進(jìn)入熱解生氣高峰,可為煤層氣富集提供充足的氣源[4-5]。山西組4#煤演化程度略低于太原組9#

煤,煤階分布規(guī)律與太原組9#煤相同。

1.4 煤儲(chǔ)層物性

寧武盆地南部煤層巖心壓汞資料表明,該區(qū)煤層孔隙以微孔為主,發(fā)育了少量的中孔和大孔,孔隙度為3.97%～5.2%,孔隙中值半徑為0.1～63μm,鏡質(zhì)組反射率為0.85%～1.12%。

煤層滲透率是影響煤層氣高產(chǎn)的主要因素之一, W05井煤巖實(shí)測(cè)滲透率為0.41mD,根據(jù)注入/壓降法測(cè)試結(jié)果(表2),壓裂前煤層滲透率一般為0.01～0.86mD。

煤心觀察表明,該區(qū)煤層割理發(fā)育,割理密度為3～5條/cm,縫寬4～7μm。構(gòu)造裂縫多垂直煤層發(fā)育,呈不規(guī)則分布,裂縫未充填,疏通了煤層孔隙,改善了煤儲(chǔ)層性能。

2 煤層氣富集的主控因素

2.1 構(gòu)造上斜坡帶煤層氣富集高產(chǎn)

寧武盆地成煤期后主要經(jīng)歷了燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[6]?，F(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)為NNE向展布的復(fù)向斜,兩翼陡,地層傾角25°～40°,南北兩端構(gòu)造較平緩,地層傾角6°～12°。

寧武盆地南部構(gòu)造斜坡帶,煤層埋深主要受構(gòu)造和地形起伏控制,變化規(guī)律較簡(jiǎn)單,W04井以南煤層埋深一般小于1500m,處于上斜坡帶,向腹部煤層迅速加深,腹部最深約2700m。寧武盆地南部上斜坡帶3口井日產(chǎn)氣超過(guò)1000m3,煤層氣富集高產(chǎn)主要有以下幾方面原因。

表1 寧武盆地南部太原組9#煤巖特征表1)%

表2 太原組9#煤層滲透率測(cè)試結(jié)果表 mD

2.1.1 上斜坡帶為低勢(shì)區(qū),是烴類運(yùn)移指向區(qū)

上斜坡帶煤層早期煤層埋藏深,生氣條件好,煤層后期抬升幅度大,形成低勢(shì)區(qū),與盆地腹部埋深超過(guò)2000m的生氣中心銜接,成為烴類運(yùn)移指向區(qū),配合區(qū)域性分布穩(wěn)定的直接蓋層,易于形成高含氣、高飽和煤層氣藏。

2.1.2 上斜坡帶割理發(fā)育,煤層滲透性好

上斜坡帶處于盆地后期構(gòu)造幅度大,煤層埋藏相對(duì)較淺,處于地應(yīng)力相對(duì)低值區(qū),張性裂隙發(fā)育,煤層滲透性好,利于煤層氣井高產(chǎn)。

2.1.3 上斜坡在整體降壓情況下煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征

在整體降壓情況下,高部位容易優(yōu)先形成面積降壓,處于構(gòu)造高部位的排采井,煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征,一般產(chǎn)水量小,產(chǎn)氣量大,初期本井周圍降壓解吸,后期構(gòu)造下傾部位解吸氣又運(yùn)移到本井產(chǎn)出;煤層氣井產(chǎn)水特征:日產(chǎn)水遞減—微產(chǎn)水或不產(chǎn)水。

2.2 構(gòu)造地應(yīng)力場(chǎng)低值區(qū)煤層滲透性好

影響煤儲(chǔ)層滲透率的因素十分復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤變質(zhì)程度和天然裂隙系統(tǒng)等都不同程度地影響著煤儲(chǔ)層滲透率[7-8],煤儲(chǔ)層滲透率是多因素綜合作用的結(jié)果,但其中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是控制煤層滲透率的最主要因素[9-10],煤層滲透率與地應(yīng)力增加呈指數(shù)關(guān)系降低[11-13]。

構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的低應(yīng)力分布區(qū)往往是裂縫高密度分布帶[14-16],寧武盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)低應(yīng)力分布區(qū)是裂縫高密度分布帶,高應(yīng)力分布區(qū)煤層割理不發(fā)育。盆地南部高應(yīng)力分布區(qū)位于西部W02—W03井區(qū),該地區(qū)臨近大斷層或斷裂,而低應(yīng)力分布區(qū)位于W01—W04—W05井區(qū),是高密度裂縫分布帶[6]。

通過(guò)W01井和W02井煤樣品的顯微構(gòu)造照片對(duì)比,可清楚地觀察到兩口鉆孔巖心顯微構(gòu)造的明顯差異。W01井所處的構(gòu)造位置是應(yīng)力場(chǎng)低值分布區(qū),煤巖割理裂隙十分發(fā)育。圖2-a顯示出在大約100μm長(zhǎng)度范圍內(nèi)分布有條微裂隙,裂縫明顯地具有張剪性力學(xué)特性;而W02井由于處應(yīng)力場(chǎng)高值分布區(qū),煤巖裂縫分布密度低且為閉合(圖2-b)。

2.3 封蓋層控制煤層氣保存

煤層頂?shù)装宸忾]性直接控制煤層氣的保存條件,主要體現(xiàn)在控制煤層含氣量,同時(shí)封隔煤層上下含水層,有利于煤層氣井排水降壓。

泥巖頂板無(wú)疑是最有效的封蓋層。泥灰?guī)r頂板稍遜于泥巖頂板,而優(yōu)于石灰?guī)r頂板,亦能有效發(fā)揮封閉作用。寧武盆地南部山西組4#煤直接頂板以泥頁(yè)巖、砂巖、粉砂巖為主,太原組9#煤頂板絕大部分為泥灰?guī)r、泥巖,有少量石灰?guī)r和砂巖。太原組9#煤泥巖、泥灰?guī)r頂板主要發(fā)育于南部W01—W04—W05井區(qū),泥灰?guī)r、泥巖頂板厚度2～18.0m,石灰?guī)r頂板厚度1～6.14m。在西部W02—W03井區(qū)太原組蓋層9#煤層之上蓋層主要為富水性較強(qiáng)的中砂巖為主,煤層氣保存條件差?？傮w上太原組9#煤頂板封蓋能力好于4#煤,這是9#煤含氣量高于4#煤的主要原因。

圖2 W01井與W02井太原組9#煤顯微構(gòu)造照片對(duì)比圖[6]

山西組4#煤底板以砂巖為主,次為泥巖、粉砂巖。太原組9#煤底板以泥巖、泥灰?guī)r為主,局部為砂巖及粉砂巖、石灰?guī)r。下伏本溪組發(fā)育一套厚度介于5～15m的鋁土質(zhì)泥巖,全區(qū)穩(wěn)定分布,底襯封閉作用良好。

總體上,寧武盆地南部W01—W04—W05井區(qū)頂?shù)装宸忾]性好,煤層含氣量一般大于10m3/t,最高達(dá)到20m3/t,而西部W02—W03井區(qū)煤層頂板主要以砂巖為主,封蓋條件差,煤層含氣量較低,W02井最高含氣量只有4.9m3/t。

煤層頂板封蓋層同時(shí)還是很好的隔水層,煤層上部地層泥巖、泥灰?guī)r發(fā)育能夠很好地封隔上部地層水的網(wǎng)絡(luò)狀滲濾,同時(shí)煤層上部地層泥巖發(fā)育使該區(qū)含水層不發(fā)育,富水性差,有利于煤層氣的保存,同時(shí)煤層氣井排采產(chǎn)水量小,煤層易降壓解吸,對(duì)煤層氣開發(fā)極為有利。W05井頂板泥巖發(fā)育,厚度超過(guò)15m,煤層氣井產(chǎn)水量一般低于15m3/t,地層水礦化度超過(guò)5000mg/L(表3),說(shuō)明處于地下水弱徑流—滯留區(qū),保存條件好,煤層產(chǎn)氣效果較好,而W03井區(qū)頂板以砂巖為主,富水性強(qiáng),斷層發(fā)育,斷層溝通含水層,使得該區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,W03井試氣水礦化度985mg/L(表3),而該區(qū)煤系地層水礦化度一般超過(guò)2500mg/L,說(shuō)明該區(qū)有地表水混入,處于地下水徑流區(qū),同時(shí)煤層氣井產(chǎn)水量大,產(chǎn)水量超過(guò)100m3/d,煤層難以降壓解吸,不利于煤層氣開發(fā)。

表3 寧武盆地試氣井9#煤層產(chǎn)出水分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)表 mg/L

3 寧武盆地南部煤層氣富集區(qū)預(yù)測(cè)

綜合以上研究,構(gòu)造部位、地應(yīng)力、封蓋層共同控制煤層氣的富集與保存,是寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素,W02井以東、W04井以南地區(qū)太原組9#煤埋深小于1500m,處于應(yīng)力場(chǎng)低值區(qū),煤層滲透性好、煤層頂?shù)装宸馍w條件好,同時(shí)處于構(gòu)造上斜坡帶,利于煤層氣井高產(chǎn),是煤層氣富集高產(chǎn)有利地區(qū)。

寧武盆地南部有利區(qū)內(nèi)太原組9#煤原煤含氣量最高為20.61m3/t,平均為10.61m3/t,總體呈北高南低、東高西低的趨勢(shì)。解吸氣甲烷含量為91.3%～95.1%,平均含氣飽和度超過(guò)85%(表1),證實(shí)本區(qū)處于飽和吸附帶,煤層氣開發(fā)潛力較大。預(yù)測(cè)太原組9#煤1500m以淺煤層氣有利勘探面積為138km,煤層氣地質(zhì)資源量為221×108m3。

[1]葉建平,范志強(qiáng).中國(guó)煤層氣勘探開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展[M].北京:地質(zhì)出版社,2006.

[2]王憲花,蔣衛(wèi)東,高穎,等.寧武盆地煤層氣勘探現(xiàn)狀及試采效果[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):93-95.

[3]趙慶波,孫斌.中小型含煤盆地煤層氣勘探取得突破的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].天然氣地球科學(xué),2004,15(4):452-456.

[4]唐書恒,蔡超,朱寶存,等.煤變質(zhì)程度對(duì)煤儲(chǔ)層物性的控制作用[J].天然氣工業(yè),2008,28(12):30-33.

[5]陳振宏,王一兵,宋巖,等.不同煤階煤層氣吸附、解吸特征差異對(duì)比[J].天然氣工業(yè),2008,28(3):30-32.

[6]單家增.寧武盆地煤層段古應(yīng)力場(chǎng)演化特征研究[R].北京:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,2003.

[7]吳國(guó)代,桑樹勛,楊志剛,等.地應(yīng)力影響煤層氣勘探開發(fā)的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(4):31-34.

[8]霍永忠.煤儲(chǔ)層的氣體解吸特性研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(5):24-26.

[9]葉建平,史保生,張春才.中國(guó)煤儲(chǔ)層滲透性及其主要影響因素[J].煤炭學(xué)報(bào),1999,24(2):118-122.

[10]王生維,段連秀,陳鐘惠,等.煤層氣勘探開發(fā)中的煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè),2004,24(5):82-84.

[11]歐成華,李士倫,杜建芬,等.煤層氣吸附機(jī)理研究的發(fā)展與展望[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(5):34-38.

[12]MCKEE C R,BUMB A C,KOENIG R A.Stress-dependent permeability and porosity of coal[C]∥Procs.1987Coalbed MethaneSymposium.Tsuascaloosa,Alabama: AAPG,1987:16-19.

[13]何偉鋼,唐書恒,謝曉東.地應(yīng)力對(duì)煤層滲透性的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,19(4):353-355.

[14]康毅力,羅平亞.煤巖氣藏開發(fā)分類探討[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(6):19-22.

[15]石書燦,林曉英,李玉魁.沁水盆地南部煤層氣藏特征[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(2):54-56.

[16]薄冬梅,趙永軍,姜林,等.煤層氣儲(chǔ)層滲透性研究進(jìn)展[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(6):31-34.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.006

Tian Wenguang,engineer,born in1979,is studying for a Ph.D degree at China University of Geosciences.He is mainly engaged in research of CBM geology and development.

Add:No.Ding11,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing100083,P.R.China

Tel:+86-10-69213106 Mobile:+86-13731609120 E-mail:tianwg69@petrochina.com.cn

Major controlling factors of coalbed methane enrichment in the southern Ningwu Basin

Tian Wenguang1,2,Tang Dazhen1,Sun Bin2,Ren Yuanfeng3
(1.China University of Geosciences,Beijing100083,China;2.L angf ang B ranch,Petroleum Ex ploration& Development Research Institute,PetroChina,L angf ang,Hebei065007,China;3.Downhole Service Com pany,Bohai Drilling and Ex ploration Engineering Co.,L td.,CN PC,L angf ang,Hebei065007,China)

The Ningwu Basin is a typical relic structural basin containing coals with moderate coal rank.Although exploration has proved the coalbed methane(CBM)potential in its southern part,the major controlling factors of CBM enrichment are still unclear. For this reason,we analyzed various geologic features of coal-bearing strata in the southern part of this basin,such as sedimentary environment,coal quality,thermal maturity,coal-rank distribution and physical properties of coal reservoirs.Based on analysis of the structural features,earth stress distribution features and sealing conditions and in combination with previous exploration results, the following conclusions are obtained.The enrichment of CBM in the southern Ningwu Basin is controlled by structural location, stress field and sealing conditions of the top and bottom coal-seam.The upside structural slope is prolific.Coal layer permeability is relatively high in low-value area of the tectonic stress field.Coal layers in the area with good sealing conditions are favorable for the preservation of CBM.It is predicted that a CBM play exists in the area to the east of the well WO2and to the south of the well WO4,where conditions are favorable for CBM enrichment.

Ningwu Basin,coalbed methane,enrichment,slope,low-value area of earth stress field,major controlling factor

book=22,ebook=261

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.006

2010-03-24 編輯 羅冬梅)

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣富集規(guī)律研究及有利區(qū)塊預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)”(編號(hào):ZX05033)。

田文廣,1979年生,工程師;畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)博士研究生;從事煤層氣地質(zhì)與開發(fā)研究工作,曾獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)及多項(xiàng)局級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。地址:(065007)河北省廊坊市萬(wàn)莊44號(hào)信箱煤層氣勘探開發(fā)研究所。電話:(010)69213106,13731609120。E-mail:tianwg69@petrochina.com.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE6,pp.22-25,6/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)