準(zhǔn)噶爾盆地東部地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層特征

楊曙光 田繼軍

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研發(fā)中心,新疆 830009;2.新疆大學(xué)地質(zhì)與勘查工程學(xué)院,新疆 830046)

準(zhǔn)噶爾盆地東部區(qū)北鄰卡拉麥里山,南接博格達(dá)山,包括石樹(shù)溝凹陷、石錢灘凹陷、梧桐窩子凹陷和沙奇凸起等,區(qū)內(nèi)侏羅系煤層發(fā)育,準(zhǔn)東煤田煤炭探明儲(chǔ)量達(dá)2136億t,為目前我國(guó)最大的整裝煤田。雖然煤炭?jī)?chǔ)量非常豐富,但受理論上低階煤含氣量較低認(rèn)識(shí)的限制,針對(duì)準(zhǔn)東煤層氣研究總體比較薄弱,對(duì)準(zhǔn)東煤田煤層氣研究基本上采用準(zhǔn)南地區(qū)資料類比推測(cè);煤層氣資源的預(yù)測(cè)也主要是采用煤炭資源成果來(lái)預(yù)測(cè)。存在地質(zhì)勘探程度低,煤儲(chǔ)層地質(zhì)研究不夠充分,開(kāi)采技術(shù)不完善等,制約了對(duì)該區(qū)煤層氣資源潛力的評(píng)價(jià)。

本文根據(jù)煤田及油田最新鉆探的煤層氣參數(shù)井,從煤儲(chǔ)層特征角度分析入手,根據(jù)煤儲(chǔ)層的孔隙分布特征、滲透性及對(duì)甲烷的吸附能力等特征分析準(zhǔn)東煤田煤層氣的儲(chǔ)集性能,優(yōu)選有利區(qū)帶,為今后準(zhǔn)東煤田煤層氣研究及勘探開(kāi)發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)資料和技術(shù)依據(jù)。

1 主要含煤地層及沉積環(huán)境

準(zhǔn)東含煤巖系的沉積相主要為沖積扇 (濕地/旱地/半旱地扇)相、扇三角洲、辮狀河、曲流河、(辮狀河/曲流河)三角洲、湖沼及水下 (濁積)扇相幾種類型。

準(zhǔn)噶爾盆地主體的下沉速度和沉積速度基本保持平衡。在早、中侏羅世的不同沉積時(shí)段大體可分為3個(gè)相區(qū)：沖積扇相區(qū)、河流相區(qū)和湖泊相區(qū)。八道灣組沉積時(shí),準(zhǔn)東地區(qū)主要為濱湖相區(qū)和沖積扇相區(qū)分布,在北部緊靠卡拉麥里山為河流相區(qū)分布。西山窯組沉積時(shí),研究區(qū)主要為濱湖相區(qū)、河流相區(qū)分布。八道灣組和西山窯組沉積時(shí)的巖相古地理面貌十分相似,在這兩個(gè)沉積階段內(nèi),湖盆水體很淺,湖泊三角洲體系發(fā)育,為穩(wěn)定的、大面積的泥炭沼澤的形成創(chuàng)造了極為有利的環(huán)境,并最終導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)煤層的形成。而兩套煤系之間的三工河組沉積時(shí),卻主要是大面積的湖泊相 (尤其是深湖泊相和較深湖相)沉積,不利于含煤巖系的形成。

表1 準(zhǔn)東及鄰近地區(qū)西山窯組煤層孔隙度分布簡(jiǎn)表

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 煤層的孔隙特征

準(zhǔn)東地區(qū)煤的變質(zhì)程度較低,分析該區(qū)煤儲(chǔ)層的孔隙特征十分重要,有利于探討該區(qū)煤層氣儲(chǔ)集、擴(kuò)散和運(yùn)移。

本次收集了準(zhǔn)東及鄰近地區(qū)壓汞法測(cè)得的西山窯組煤層孔隙資料 (表 1),孔隙度 4.33%～27.46%,平均15.38%;中值半徑0.0375～0.320μm,平均 0.144μm。大孔 (＞ 1000nm) 占8.38%～43.4%,中孔 (1000～100nm)占17.36%～40.87%,大孔和中孔平均54.56%,小-微孔(＜100nm)占45.45%?？梢?jiàn)西山窯組煤中孔隙主要還是以中孔、大孔為主,其次是小-微孔。

2.2 煤的吸附特征

煤層的吸附性能決定了煤層氣的賦存狀態(tài)和儲(chǔ)集能力。等溫吸附試驗(yàn) (圖1、2)表明,研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)塊煤層的吸附能力有所差異,五彩灣礦區(qū)的空氣干燥基Langmuir體積最大,為11.2m3/t,其次為研究區(qū)中部北山煤窯和大井地區(qū),空氣干燥基Langmuir體積分別為9.12m3/t、8.0m3/t;東部老君廟礦區(qū)空氣干燥基Langmuir體積為6.83m3/t,西部沙帳地區(qū)沙煤1井空氣干燥基Langmuir體積僅為1.76m3/t,可見(jiàn)準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤層吸附量遠(yuǎn)小于準(zhǔn)南地區(qū);Langmuir體積也總體明顯低于我國(guó)其他地區(qū)相同煤級(jí)煤,表明研究區(qū)煤的吸附能力偏低。

煤的吸附量與Langmuir壓力大小有關(guān),Langmuir壓力越小,吸附量越大,煤層甲烷的儲(chǔ)存量也越大。煤變質(zhì)程度越低,Langmuir壓力越大,我國(guó)褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤Langmuir壓力平均分別為8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等溫吸附測(cè)試結(jié)果得知：北山煤窯、老君廟與我國(guó)其他地區(qū)Langmuir壓力大小相近,五彩灣則遠(yuǎn)高于我國(guó)其他地區(qū)同煤級(jí)煤的Langmuir壓力值,沙帳地區(qū)和大井地區(qū)則偏低。

2.3 煤儲(chǔ)層滲透率

煤儲(chǔ)層的滲透性是煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。其影響因素非常復(fù)雜,主要包括孔隙、裂隙、煤級(jí)、煤巖類型、原地應(yīng)力與埋深等。煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中,滲透率的獲取方法,主要是通過(guò)注入/壓降試井方法獲得。鑒于準(zhǔn)東地區(qū)煤層氣勘探現(xiàn)狀,主要分析研究區(qū)及鄰區(qū)實(shí)測(cè)滲透率的分布。依據(jù)有限資料的統(tǒng)計(jì),準(zhǔn)東及鄰近地區(qū)西山窯組煤儲(chǔ)層滲透率變化比較大,其滲透率測(cè)值變化0.05×10-3μm2～8.67 ×10-3μm2, 充分體現(xiàn)了煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的特征。其中,木壘地區(qū)滲透率最高,達(dá)8.67×10-3μm2;而大井地區(qū)的滲透率最低,為0.05×10-3μm2。我國(guó)低煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透率一般在0.02×10-3μm2～0.6 ×10-3μm2,準(zhǔn)東及鄰近地區(qū)滲透率相對(duì)國(guó)內(nèi)其它低煤級(jí)區(qū)域較高,但與美國(guó)粉河盆地煤層滲透率 10×10-3μm2～1000×10-3μm2相比,準(zhǔn)東地區(qū)滲透率仍然較低。

圖1 沙煤1井等溫吸附曲線

圖2 研究區(qū)西山窯組煤的等溫吸附曲線

2.4 儲(chǔ)層溫度

儲(chǔ)層溫度是煤層氣解吸吸附能力的敏感性參數(shù),直接影響到煤層氣的儲(chǔ)存和產(chǎn)出。從儲(chǔ)氣角度分析,溫度高,則煤的吸附能力降低,煤層的儲(chǔ)氣能力呈下降趨勢(shì);而從開(kāi)發(fā)角度講,溫度越高,煤中甲烷解吸能力越強(qiáng),有利于煤層氣產(chǎn)出。

準(zhǔn)噶爾盆地地溫隨埋深增加而升高,地溫梯度集中在 2.3～3.3℃/100m,平均地溫梯度約2.25℃/100m,東部地溫梯度在2.4℃/100m左右,五彩灣彩參1井所測(cè)地溫梯度為2.5℃/100m,大井地區(qū)煤層氣井試井所測(cè)儲(chǔ)層溫度為29℃。

2.5 儲(chǔ)層壓力

煤層壓力是指煤層孔隙中的流體 (氣、水)壓力,直接決定著煤層對(duì)甲烷的吸附和解吸能力,是影響煤層氣開(kāi)發(fā)的重要參數(shù)。同時(shí),儲(chǔ)層壓力也是流體從煤中裂隙流向井筒的能量,當(dāng)降低煤儲(chǔ)層壓力,煤孔隙中吸附的氣體就開(kāi)始解吸,向裂隙方向擴(kuò)散,在壓力差作用下從裂隙向井筒流動(dòng)。在氣井排采時(shí),煤儲(chǔ)層壓力越高,越容易降壓排采,越有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。

根據(jù)先前研究可知,準(zhǔn)東地區(qū)儲(chǔ)層壓力表現(xiàn)為南部高、中部平、北部低的格局;南部煤系地層壓力在1600m左右即出現(xiàn)超壓。準(zhǔn)東區(qū)塊大井地區(qū)煤層氣井試井所測(cè)西山窯組煤層儲(chǔ)層壓力為7.92MPa,儲(chǔ)層壓力梯度為1.08MPa/100m。根據(jù)有限的油田探井測(cè)試結(jié)果而計(jì)算的儲(chǔ)層壓力梯度為0.79～1.22MPa/100m(表2),研究區(qū)中部壓力正常,西南部較高,西部較淺處較低,深部較高;儲(chǔ)層壓力隨埋深增大而增加趨勢(shì)明顯。

3 下一步勘探部署建議

準(zhǔn)東地區(qū)煤田勘探及煤層氣勘探程度都不是很高。煤炭勘探程度極不均衡,研究區(qū)中部,煤田勘探程度較高,但目前僅有一口煤層氣參數(shù)井。研究區(qū)東部,僅在北端老君廟地區(qū)進(jìn)行了煤田勘探及開(kāi)采,煤層氣尚未進(jìn)行過(guò)勘探工作。研究區(qū)西部,在東緣五彩灣、帳南西地區(qū)及東北段蘆草溝地區(qū)進(jìn)行了煤田勘探及開(kāi)采,西段基本沒(méi)有進(jìn)行煤田勘探工作;在西部南段帳南西地區(qū),有一口煤層氣參數(shù)井,也僅是做了采樣解吸測(cè)試工作,未進(jìn)行試井工程。

表2 研究區(qū)石油鉆孔儲(chǔ)層壓力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)研究區(qū)目前煤炭和煤層氣勘探現(xiàn)狀,建議今后分階段分地區(qū)進(jìn)行煤層氣勘探。中部煤炭勘探程度較高,可依據(jù)的基礎(chǔ)資料較多,因此可在所選擇的勘探有利區(qū)塊首先進(jìn)行煤層氣勘探試驗(yàn),可部署1～2口測(cè)試井進(jìn)行測(cè)試,經(jīng)過(guò)測(cè)試,確認(rèn)該井具備勘探潛力的情況下,進(jìn)行壓裂及排采試驗(yàn);如果試驗(yàn)效果好,可在該井附近部署更多的煤層氣井,形成井組或井網(wǎng),進(jìn)行井組煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)。

研究區(qū)西部、東部由于煤炭勘探程度低,可作為次一級(jí)煤層氣試驗(yàn)地區(qū),在本次優(yōu)選的較有利區(qū)部署煤層氣試驗(yàn)井。研究區(qū)南部可隨著今后煤炭勘探程度的提高,進(jìn)行后續(xù)跟蹤研究。

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