沁南煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊煤儲(chǔ)層特征分析及意義

趙賢正 桑樹(shù)勛 張建國(guó) 劉會(huì)虎 王立龍 張 聰

(1.中國(guó)石油華北油田公司,河北 062552;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116;3.中國(guó)石油華北油田煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 048000)

1 引言

沁水盆地南部煤層氣田東臨太行行隆起,西臨霍山凸起,南為中條山隆起,北部與沁水盆地腹地相連,包括樊莊區(qū)塊、潘莊區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊等。其中樊莊區(qū)塊與鄭莊區(qū)塊為本文研究區(qū)塊。區(qū)內(nèi)地層寬緩,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,以褶皺構(gòu)造為主,斷層多為落差較小的正斷層,主要構(gòu)造呈NNE向展布,樊莊區(qū)塊發(fā)育方向多變的次級(jí)褶曲,鄭莊區(qū)塊背、向斜相間展布。研究區(qū)從1997年試鉆晉試1井以來(lái),樊莊區(qū)塊已鉆井451口,鄭莊鉆井181口。樊莊從2006年投產(chǎn)以來(lái),已經(jīng)獲得了工業(yè)性產(chǎn)能,高產(chǎn)井日均產(chǎn)氣在3000m3以上,部分煤層氣井產(chǎn)能在1000m3/d以下。區(qū)塊內(nèi)煤層氣井產(chǎn)能差異排除后期工程措施的影響之外,主要受高煤級(jí)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性 (變化規(guī)律)所控制,具體表現(xiàn)為高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的含氣性、滲透率及流體壓力非均質(zhì)性所控制。關(guān)于煤儲(chǔ)層在三維空間上的非均質(zhì)性代表性的研究集中于煤儲(chǔ)層含氣性非均質(zhì)性產(chǎn)生原因、影響因素和煤儲(chǔ)層滲透率非均質(zhì)性的影響因素分析。本文以沁水南部高煤級(jí)煤儲(chǔ)層為例,從含氣性非均質(zhì)、滲透性非均質(zhì)及流體壓力梯度非均質(zhì)變化入手,初步探索三者控制的地質(zhì)機(jī)理,提出對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的建議。

2 鄭莊、樊莊開(kāi)發(fā)區(qū)塊高煤級(jí)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征

圖1 研究區(qū)3#煤儲(chǔ)層含氣量與甲烷濃度

沁水盆地南部煤儲(chǔ)層含氣非均質(zhì)性表現(xiàn)在水平展布上及垂直分布上均具有明顯分異的特點(diǎn)。對(duì)樊莊和鄭莊具有不同埋深的3#煤及15#煤層含氣量和含氣飽和度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖1。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在水平分布上,無(wú)論是含氣量還是含氣飽和度,在開(kāi)發(fā)區(qū)塊之間及開(kāi)發(fā)區(qū)塊內(nèi)部均呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。對(duì)含氣量平均值進(jìn)行計(jì)算,得到樊莊區(qū)塊晉試1～5井3#煤實(shí)測(cè)平均含氣量為21.144m3/t,15#煤實(shí)測(cè)平均含氣量為21.171m3/t,鄭試部分井3#煤實(shí)測(cè)平均含氣量為18.97m3/t,15#煤實(shí)測(cè)平均含氣量為20.12m3/t。計(jì)算結(jié)果可以推知：整體上15#煤含氣量均高于3#煤含氣量。分析結(jié)果表明,高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣性在垂向上整體上表現(xiàn)出隨埋深升高的特點(diǎn),同時(shí)又體現(xiàn)出受其它地質(zhì)因素影響呈現(xiàn)非均質(zhì)性的特點(diǎn) (圖2)。

對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)塊內(nèi)部3#煤儲(chǔ)層含氣量的水平展布進(jìn)行分析,如圖3。樊莊區(qū)塊3#煤層含氣量一般介于10～20m3/t之間,含氣量分布表現(xiàn)出中部高、四周低的特點(diǎn)。鄭莊區(qū)塊3#煤儲(chǔ)層含氣量一般介于10～20m3/t之間,煤儲(chǔ)層含氣量的分布表現(xiàn)為中北部高南部低、東部高西部低的特點(diǎn)。樊莊和鄭莊3#煤儲(chǔ)層含氣量具有明顯不同的水平空間分布特征,區(qū)塊內(nèi)部含氣量的分布明顯不均,具有強(qiáng)裂非均質(zhì)性的特點(diǎn)。沁水南部煤儲(chǔ)層含氣量的水平展布特點(diǎn)同樣反映出煤儲(chǔ)層含氣非均質(zhì)性的特點(diǎn),體現(xiàn)出煤層氣藏形成后受構(gòu)造及其它地質(zhì)因素等多重地質(zhì)因素影響的復(fù)雜性。

圖2 研究區(qū)煤儲(chǔ)層含氣量

圖3 研究區(qū)3#煤儲(chǔ)層含氣量等值線(xiàn)圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

圖4 研究區(qū)3#煤儲(chǔ)層壓力梯度等值線(xiàn)圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

根據(jù)較正后的儲(chǔ)層壓力梯度繪制等值線(xiàn)圖,進(jìn)行空間分析,如圖4。由圖4可以看出：樊莊儲(chǔ)層普遍欠壓,變化特點(diǎn)表現(xiàn)為中心高、四周低的特點(diǎn),鄭莊區(qū)塊大部分區(qū)域?yàn)榍穳簝?chǔ)層,高壓儲(chǔ)層只有零星分布。研究區(qū)煤儲(chǔ)層壓力梯度分布表明：高煤級(jí)煤儲(chǔ)層主要以欠壓儲(chǔ)層為主,局部區(qū)域存在高壓儲(chǔ)層,儲(chǔ)層壓力梯度的分布同時(shí)表明高煤級(jí)煤儲(chǔ)層流體壓力梯度分布具有典型的非均質(zhì)性。

3 鄭莊、樊莊開(kāi)發(fā)區(qū)塊高煤級(jí)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性變化地質(zhì)規(guī)律

3.1 高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的含氣非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)理

研究區(qū)在地史上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使沁水盆地下降及回返抬升,煤儲(chǔ)層發(fā)生滲流擴(kuò)散,含氣飽和度下降,同時(shí)多期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的存在,形成了沁水盆地整體為NE向斜基礎(chǔ)上褶曲疊合的復(fù)合型褶曲構(gòu)造。對(duì)鄭試19口開(kāi)發(fā)井的含氣量與所處構(gòu)位置關(guān)系進(jìn)行分析,如圖5。從中可以看出,在易發(fā)生煤層氣解吸逸散的構(gòu)造部位 (正斷層附近或裂隙發(fā)育的背斜核部)煤層氣含氣量明顯偏低,裂隙不發(fā)育的向斜核部煤層氣含氣量明顯偏高。分析發(fā)現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了構(gòu)造樣式 (如褶曲的形態(tài)),控制了遺留煤層氣的保存條件,對(duì)高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性產(chǎn)生決定性的影響。

圖5 煤層含氣量與構(gòu)造位置的關(guān)系

研究區(qū)開(kāi)發(fā)區(qū)塊3#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,底板以粉砂質(zhì)泥巖為主,其次為粉細(xì)砂巖,直接頂板泥巖厚度一般都在10m以上,封蓋能力較好,寺頭-后城腰斷層以西,斷裂帶內(nèi)及其附近灰?guī)r裂隙十分發(fā)育,封蓋條件差。足夠的地下水勢(shì)能形成較高的煤儲(chǔ)層壓力,使煤儲(chǔ)層具有夠高的吸附煤層氣的動(dòng)力,同時(shí)又表明具有足夠的驅(qū)動(dòng)煤層氣流動(dòng)的能量。在沁水南部大寧-潘莊-樊莊一帶太原組和山西組含水層等勢(shì)面呈現(xiàn)出“低洼”狀態(tài),形成地下相對(duì)滯流水區(qū),同時(shí)在平面空間上地下水動(dòng)力強(qiáng)的地區(qū)煤層氣含量較低,水動(dòng)力弱的地區(qū)煤層氣含量高,進(jìn)一步加劇高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。

綜上分析,高煤級(jí)煤儲(chǔ)層成煤歷史中的生烴、熱演化及埋藏過(guò)程奠定了高煤級(jí)煤儲(chǔ)層高含氣性的基礎(chǔ),后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水文動(dòng)力條件改變了煤層氣的空間分布形態(tài),使得煤層氣在封蓋條件較好、滯流的水動(dòng)力條件較弱的利于保存的向斜部位富集程度更高,從而高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的含氣在空間分布上表現(xiàn)出很強(qiáng)的非均質(zhì)性。

3.2 高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的滲透率非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)理

高煤級(jí)特殊的煤巖組成煤熱演化程度決定了煤儲(chǔ)層初始滲透率的發(fā)育程度,后期的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層的改造則是導(dǎo)致高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透性非均質(zhì)性變化的主因。構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率則具有改造作用。研究區(qū)經(jīng)歷了四期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用,發(fā)育的宏觀裂隙走向主要集中在NE向和NW向兩組,其中NE向宏觀裂隙由于受燕山期NW-SE向擠壓作用,多形成剪裂隙而較為閉合,井下觀測(cè)到多組切穿頂板剪裂隙;NW向宏觀裂隙受喜山期NW-SE向拉張應(yīng)力多形成張裂隙。割理主要存在兩組優(yōu)勢(shì)發(fā)育方向,第一組的走向大致在N°33～66°E之間,該組割理發(fā)育,密度為27～120條/m;第二組割理的走向大致在N42°～54°W之間,該組割理發(fā)育相對(duì)較弱,密度為24～60條/m,割理密度較小,割理的發(fā)育方向也明顯反映出受燕山和喜山期古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。

3.3 高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的流體壓力梯度非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)理

高煤級(jí)煤儲(chǔ)層流體壓力梯度非均質(zhì)性表現(xiàn)為煤儲(chǔ)層壓力異常。在沁水南部研究區(qū),欠壓煤儲(chǔ)層普遍存在,高壓異常煤儲(chǔ)層亦個(gè)別存在。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)煤儲(chǔ)層壓力異常的機(jī)理的認(rèn)識(shí),本文認(rèn)為煤儲(chǔ)層壓力異常在于煤的生氣過(guò)程、構(gòu)造改造過(guò)程及水動(dòng)力條件三個(gè)方面：①地史時(shí)期由于區(qū)域熱事件(巖漿侵入),煤層達(dá)到生烴高峰,出現(xiàn)超壓,當(dāng)煤生氣導(dǎo)致煤層壓力增加超過(guò)煤層破裂極限,而形成煤層割理,新生成的煤層氣沿割理裂隙運(yùn)移,造成煤儲(chǔ)層壓力降低;②由于后期的構(gòu)造抬升使原有的裂隙系統(tǒng)遭到破壞及生烴作用的停止,吸附氣解吸為游離氣快速逸散,逸散量大于生烴量,導(dǎo)致煤層氣含氣量減少,煤儲(chǔ)層流體大量散失,引起儲(chǔ)層降壓;③沁水盆地南部含水層富水性弱,地下水徑流條件差導(dǎo)致補(bǔ)給條件差、水動(dòng)力條件較弱,水力聯(lián)系較差,不具備大面積承壓水發(fā)育條件,地質(zhì)歷史中煤層氣散失量大而缺乏水力能量補(bǔ)充,煤儲(chǔ)層普遍表現(xiàn)為低壓;同時(shí)潛水面變化可能引起局部域煤儲(chǔ)層壓力異常 (可能出現(xiàn)承壓水封閉,出現(xiàn)高壓)。經(jīng)過(guò)分析表明：地史上高煤級(jí)煤的生氣作用及后期的構(gòu)抬升奠定了煤儲(chǔ)層流體壓力梯度非均質(zhì)的格局,水文條件在一定程度上局部改造了煤儲(chǔ)層流體壓力的非均質(zhì)性。

4 鄭莊、樊莊開(kāi)發(fā)區(qū)塊高煤級(jí)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的煤層氣開(kāi)發(fā)影響

高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣性非均質(zhì)性對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響表現(xiàn)在：進(jìn)行煤層氣井井網(wǎng)布署時(shí),應(yīng)充分考慮高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣性非均質(zhì)性的特點(diǎn),考慮含氣性非均性規(guī)律、含氣非均質(zhì)性產(chǎn)生的主要因素,布井位置應(yīng)盡量避開(kāi)斷層發(fā)育帶,考慮在向斜翼部、多期構(gòu)造運(yùn)的交接部位 (小型褶曲疊加部位)進(jìn)行布井,避免在大型背斜核部布井。

考慮高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的滲透率非均質(zhì)性的特點(diǎn),在進(jìn)行高煤級(jí)煤層氣開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)注意：(1)井網(wǎng)部署時(shí)一方面滿(mǎn)足煤儲(chǔ)層含氣性較好的同時(shí)應(yīng)考慮煤儲(chǔ)層滲透性,具體表現(xiàn)為應(yīng)選擇復(fù)向斜中的次級(jí)背斜、構(gòu)造交接部位布井;(2)鉆井、固井完井、壓裂時(shí)應(yīng)充考慮高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透率非均質(zhì)的特點(diǎn),將施工作業(yè)過(guò)程中對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害減小到最低程度;(3)制定排采制度時(shí),應(yīng)采取逐級(jí)有效降壓,防止壓敏、速敏等現(xiàn)象進(jìn)一步導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低。

高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的流體壓力梯度直接決定了煤層氣開(kāi)發(fā)的難易程度。高煤儲(chǔ)層壓力表明具有較高的驅(qū)動(dòng)煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流的能力。高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的流體壓力梯度非均質(zhì)對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響具體表現(xiàn)在：進(jìn)行煤層氣生產(chǎn)時(shí)排采幅度不宜過(guò)大,防止煤儲(chǔ)層壓力衰減過(guò)快導(dǎo)致煤儲(chǔ)層有效應(yīng)力增加過(guò)大,進(jìn)而引起煤儲(chǔ)層孔、裂隙變形,煤儲(chǔ)層滲透率下降,影響煤層氣的解吸、擴(kuò)散、滲流過(guò)程,同時(shí)煤儲(chǔ)層壓力衰減過(guò)快引起煤氣在孔隙中的擴(kuò)散方式快速轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致煤層氣的擴(kuò)散能力減弱,從而影響煤層氣井的產(chǎn)能。

5 結(jié)論

(1)沁水南部高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣性、滲透率在水平空間展布及垂向尺度分布上均具有明顯的差異,在高煤級(jí)煤儲(chǔ)層區(qū)普遍存在壓力異常,在空間布上呈現(xiàn)出分異明顯的特點(diǎn),高煤級(jí)煤儲(chǔ)層的含氣性、滲透率及流體壓力梯度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。

(2)地史時(shí)期超壓形成了沁水南部高煤級(jí)煤層氣藏高飽和度的基礎(chǔ),后期構(gòu)造作用對(duì)高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣非均質(zhì)性產(chǎn)生決定性影響,煤儲(chǔ)層的封蓋條件和水文動(dòng)力條件在一定程度上影響煤層氣的保存;高煤級(jí)特殊的煤巖組成煤熱演化程度決定了煤儲(chǔ)層初始滲透率的發(fā)育程度,后期的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤儲(chǔ)層的改造則為導(dǎo)致高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透性非均質(zhì)性變化的主因;地史時(shí)期高煤級(jí)煤的生氣作用及后期的構(gòu)抬升奠定了煤儲(chǔ)層流體壓力梯度非均質(zhì)的格局,水文條件在一定程度上局部改造了煤儲(chǔ)層流體壓力的非均質(zhì)性。

(3)沁水南部高煤級(jí)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響表現(xiàn)在煤層氣井布井、鉆井、固井完井、壓裂及排采時(shí)應(yīng)考慮高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣、滲透率及流體壓力梯度非均質(zhì)性的特點(diǎn),布井應(yīng)選擇在煤儲(chǔ)層含氣性較好、煤儲(chǔ)層滲透率較高的復(fù)向斜、構(gòu)造交接部位布井,鉆井、固井完井及壓裂應(yīng)盡量減小對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害,煤層氣井生產(chǎn)排采時(shí)應(yīng)采用逐級(jí)降壓,防止裂隙閉合,滲透率降低,防止煤層氣擴(kuò)散能力過(guò)早衰減。

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