水力封堵型煤層氣藏類型及地質意義

才思斯 許 浩 湯達禎 趙俊龍 彭己君 孟金落 于明杰

(中國地質大學 (北京)能源學院,北京 100083)

煤層氣藏是一種重要的非常規(guī)天然氣藏。目前對水力封堵型煤層氣藏類型劃分的研究還很少。本文通過對大量資料分析研究,制定專門針對水力封堵型煤層氣藏的分類方案。期望有效的分類能夠對以后的開發(fā)生產提供科學依據。

1 水力封堵型煤層氣藏方案

水力封堵型煤層氣藏是指除了受其它地質邊界控制外,煤層氣的運移、富集還受地下水的封堵或驅動控制的煤層氣藏。

根據煤層氣藏單一截面邊界的水力封堵特點,結合煤層氣藏構造和巖性特征將其分為兩大類六小型 (表 1)。

Ⅰ構造類：

結合水力封堵型煤層氣藏區(qū)域構造特征可分為：①單斜型水力封堵煤層氣藏;②向斜型水力封堵煤層氣藏;③斷層型水力封堵煤層氣藏。

Ⅱ復合類：

根據煤層氣藏不同封堵條件可分為：①水力封堵—物性型煤層氣藏;②水力封堵—巖性型煤層氣藏;③水力封堵—斷層型煤層氣藏。

表1 水力封堵型煤層氣藏分類表

2 構造型水力封堵煤層氣藏

2.1 單斜型水力封堵煤層氣藏

單斜型水力封堵煤層氣藏是指在單斜構造中,由于地下水的封堵或驅動控制對煤層氣進行的封藏作用,使煤層氣富集的一種形式 (表1)。典型單斜型水力封堵煤層氣藏實例為鄂爾多斯盆地東緣柳林地區(qū)。

柳林地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部,東邊以離石斷裂為界,為一南北走向的西傾單斜構造,西部邊界為地下水力封堵邊界。地下水運移到深部滯留區(qū),沒有明顯邊界。

單斜型水力封堵煤層氣藏,地下水運動方向單一,即由上層補給區(qū)沿巖層傾斜向下由淺部向深部運動,煤層氣逸散方向與地下水運動方向相反則煤層氣能夠被封堵。以上柳林地區(qū)很好的符合單斜水力封堵。此外,晉城礦區(qū)的東區(qū)和西區(qū)均屬于單斜水力封堵煤層氣藏類型。

2.2 向斜型水力封堵煤層氣藏

向斜型水力封堵煤層氣藏是指在向斜構造中,兩側由于地下水的封堵或驅動控制對煤層氣進行了封藏作用 (表1)。結合不同向斜地質條件具體實例會有不同情況,例如,沁水盆地為典型復式向斜型水力封堵煤層氣藏,而開灤礦區(qū)為不對稱向斜型水力封堵煤層氣藏。

以開灤礦區(qū)為例,開平向斜為一不對稱向斜,因為西北翼露頭高而東南翼低,造成地下水由西北翼補給,向東南翼排泄。因此,西北翼地下水徑流方向與煤層氣順層運移方向相反,有利于煤層氣成藏;東南翼水流方向與煤層氣運移方向相同,造成煤層氣逸散。這是向斜西北翼馬家溝井田和唐山井田煤層含氣量高的原因之一。

大量資料表明,地下水帶動煤層氣向下流動,在向斜軸部富氣,若水流流速緩慢并且流動方向與煤層氣運移方向相反,這種條件下有利于封堵煤層氣,相反,可能會導致煤層氣逸散。理論和實踐研究表明,向斜為煤層氣富集的主要構造控制因素。

2.3 斷層型水力封堵煤層氣藏

斷層型水力封堵煤層氣藏指的是開放斷層位于地下水的補給區(qū),能夠對煤層氣進行封堵成藏,有利于煤層氣的保存的水力邊界。典型實例如美國的猶他州中東部[10](圖1)。

如圖1可以看出,在猶他州中東部地區(qū)地下水沿Joe′s Valley斷層接受地面補給向下流動,并沿兩側含水層和煤層運移,有效地封堵煤層氣藏。

研究斷層型水力封堵煤層氣藏首先要確定開放性斷層與地下水的關系,若斷層位于補給區(qū)一般能夠封堵煤層氣并成藏,若位于排泄區(qū)易造成煤層氣的散失,如河東煤田的柳林地區(qū)。

圖1 猶他州中東部Ferron砂巖段水力系統(tǒng)示意圖(據Anna[10],2003)

3 復合型水力封堵煤層氣藏

3.1 水力封堵-物性型煤層氣藏

水力封堵-物性型煤層氣藏是指物性對于煤層氣的封堵起到了主導作用,同時與水力結合形成的一種煤層氣富集類型 (表1)。典型實例為美國的圣胡安盆地煤層氣藏。

圣胡安盆地的盆地水文地質條件對煤層氣成分的影響是十分明顯的。物性封堵的原理是煤體在構造應力作用下破碎為糜棱煤,物性變差,排驅壓力增大,對煤層氣的擴散運移起到阻止作用[11]。圣胡安盆地淺層地下水攜帶煤層氣聚集成藏,是典型的水力封堵-物性型煤層氣藏 (圖2)。

圖2 圣胡安盆地水力封堵-物性邊界示意圖(據宋巖[11],2010)

此種類型的水力封堵煤層氣藏在封堵中受到了物性變化的影響,在配合了一定的構造組合之后,有利于煤層氣的封閉,進而易形成煤層氣藏的富集。

3.2 水力封堵-巖性型煤層氣藏

在盆地深部方向由于巖相的變化形成深部的煤層氣的運移阻擋,而在煤層上傾方向則由水力動力形成封堵,從而形成煤層氣的富集 (表1)。典型的巖性-水動力封堵煤層氣藏如鐵法盆地 (圖3)和粉河盆地。

圖3 鐵法盆地煤層氣富集模式圖

鐵法盆地淺部水動力強,但由于下部煤層氣與上方地下水的相向運動減弱水的流動能力形成滯留區(qū)。煤層與近緣沉積呈指狀交叉,短距離內由厚變薄形成煤層尖滅阻止煤層氣散失。

粉河盆地頂部主要受網絡狀滲濾形成的水力封堵,側向上和底板主要為巖性封閉,且部分煤層向盆地內部尖滅于頁巖當中。在盆地淺部地下水深部循環(huán)逐漸變緩,形成地下水滯留區(qū),煤層氣受到煤層尖滅的運移阻擋利于煤層氣的保存。

此類水力封堵型煤層氣藏主要受地下水滯留區(qū)的封堵作用,又因為煤層巖性的變化阻擋氣體的運移,利于煤層氣聚集成藏。

3.3 水力封堵-斷層型煤層氣藏

水力封堵-斷層型煤層氣藏是指一側為地下水封堵,滯留區(qū)邊界的另一側為封閉斷層的煤層氣藏(表1)。典型實例為沁水南盆地西部地區(qū)。

沁南煤層氣藏的西部邊界為封閉性的寺頭斷層,北部由于地表降雨入滲微弱形成滯流區(qū)。寺頭斷層對其東西兩個煤層氣藏的水文地質條件、構造格局和煤層氣的賦存都具有明顯的控制作用。

水力封堵-斷層型煤層氣藏中煤層氣的富集程度主要由地下水的運動方向和封閉性斷層性質決定。地下水由淺部向深部運移時,封閉性的斷層邊界減弱水動力形成滯留區(qū)。這種條件下,順煤層流動的地下水,不僅起到了阻止煤層氣散失的作用,而且由于新增靜水壓力的存在,在一定程度上增加了儲層壓力,使煤儲層吸附更多的煤層氣[13]。

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