煤巖特征及其對(duì)煤層氣勘探開發(fā)的影響

楊景芬,黃蘭英

煤層氣勘探開發(fā)高滲富集區(qū)優(yōu)選、開發(fā)井型確定、層位選擇與壓裂排采是煤層氣商業(yè)開發(fā)幾個(gè)主要環(huán)節(jié),其開發(fā)技術(shù)決策除受社會(huì)經(jīng)濟(jì)、開發(fā)技術(shù)等因素制約外,主要受地質(zhì)因素控制。研究表明,影響開發(fā)決策的地質(zhì)因素主要有構(gòu)造條件、煤層埋深、煤階、煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)、含氣量、滲透率、煤儲(chǔ)層壓力解吸壓力和水文條件[1]。前人成果主要集中在勘探開發(fā)影響因素分析與選區(qū)評(píng)價(jià)、開發(fā)模式探討等綜合性研究或單一開發(fā)技術(shù)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化[2,3],而相對(duì)弱化了單一因素對(duì)煤層氣勘探開發(fā)決策的影響。基于上述前提,本文選擇黔西五輪山礦區(qū)為例開展研究,通過對(duì)礦區(qū)內(nèi)煤巖特征認(rèn)識(shí),闡述了其對(duì)直井壓裂和水平井開發(fā)方式選擇的影響,對(duì)煤層氣前期開發(fā)評(píng)價(jià)有一定指導(dǎo)意義。研究表明,煤巖特征在一定程度上決定了直井壓裂參數(shù)選擇和水平井井壁穩(wěn)定性,影響開發(fā)模式確定,同時(shí)也影響了排采效果。

1 煤層氣地質(zhì)背景

五輪山礦區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái) (1級(jí))上揚(yáng)子臺(tái)褶帶 (2級(jí))黔中早古拱斷褶束 (3級(jí)),是上揚(yáng)子臺(tái)褶帶上具菱形邊界輪廓的長(zhǎng)期發(fā)展的相對(duì)隆起區(qū)。區(qū)域構(gòu)造有 NW向構(gòu)造、EW向構(gòu)造及 NE向構(gòu)造帶,構(gòu)造由 NW向加戛背斜和水公河向斜、NE向張維背斜和三塘向斜的構(gòu)造格局[4]。石炭二疊紀(jì)含煤地層沉積之后經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),造成該區(qū)煤巖特征復(fù)雜,非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

區(qū)內(nèi)地下水和地表水主要靠煤系地層含水性弱,以峨眉山玄武巖和飛仙關(guān)組為底部、頂部隔水層,煤系地層與強(qiáng)含水地層基本無水力聯(lián)系,埋深由淺到深含水性減弱,地下水徑流緩慢 —停滯,煤系地層形成獨(dú)立、完整的水文地質(zhì)單元[5]。

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為煤層氣勘探開發(fā)主要層位,含可采及局部可采煤層 13層,為 3,5-2,5-3,6-2,6-3,6-4,8,9,14,16,32,33號(hào)。主要可采煤層為 3,5-3,6-3,8,16等 5層,平均厚度分別為 1.57,1.81,2.21,1.86,1.60 m[4]。煤層具埋深小、煤層薄、層數(shù)多但間距小、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 煤巖基本特征

2.1 宏觀煤巖特征

五輪山礦區(qū)宏觀煤巖成分以亮煤為主,少量暗煤夾鏡煤條帶,宏觀煤巖類型以半亮 —半暗型煤為主。煤層原生結(jié)構(gòu)保存完整,條帶狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。5-2,8,14,20,32,33號(hào)煤為半亮型,3,5-3,6-3,9,16號(hào)煤為半亮 —半暗型[6]。鏡質(zhì)組反射率介于 2.59% ～3.763%,主要以高變質(zhì)無煙煤為主。

2.2 顯微煤巖特征

五輪山礦區(qū)主要煤層顯微煤巖類型鏡質(zhì)組含量介于 72.65%～79.98%,以均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體為主,少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組含量為 20.02% ～27.35%,以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主,碎屑體次之。無機(jī)組分以黏土類礦物為主,黃鐵礦、石英次之,碳酸鹽少量,含量介于 10.51% ～26.02%之間[7]。硫化物多以結(jié)核狀、瘤狀、脈狀、條帶狀分布于煤層中。五輪山礦區(qū)煤層煤巖特征見表 1[7]。

表 1 五輪山礦區(qū)煤層煤巖特征

2.3 煤巖微觀結(jié)構(gòu)

煤巖微觀結(jié)構(gòu)主要指煤巖的裂隙結(jié)構(gòu)[8]。區(qū)內(nèi)煤層層狀構(gòu)造明顯,條帶 —線理狀結(jié)構(gòu),內(nèi)生節(jié)理發(fā)育,在光亮煤 (鏡煤和亮煤)條帶中較為密集,一般密度 1～10條 /cm,但部分為黃鐵礦或方解石脈 (膜)等充填。區(qū)內(nèi)裂隙統(tǒng)計(jì)資料相對(duì)較少,但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果,一般主煤層發(fā)育兩組裂隙,相互交角在 80°左右,主裂隙呈 NWW-SEE向展布,方向相對(duì)集中,次裂隙 NNE-SSW向,方向相對(duì)離散[7]。

3 煤巖特征對(duì)煤層氣勘探開發(fā)的影響

3.1 煤巖機(jī)械強(qiáng)度

煤的機(jī)械強(qiáng)度不僅決定著煤層壓裂改造的難易程度,也決定著水平井水平段的井壁穩(wěn)定性。煤巖由光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤向暗淡型煤逐漸過渡時(shí),煤巖的機(jī)械強(qiáng)度逐漸增大。而隨著煤巖的鏡質(zhì)組含量降低,惰質(zhì)組含量升高,煤巖的機(jī)械強(qiáng)度降低[9]。

五輪山礦區(qū)煤巖以亮煤為主,3,6-3,9和 16號(hào)煤鏡質(zhì)組含量較高,惰質(zhì)組含量除 6-3,9,16號(hào)煤相對(duì)較低,其余均較高。因此,區(qū)內(nèi)主力煤機(jī)械強(qiáng)度均相對(duì)較低,6-3,9,16號(hào)煤由于為半亮 —半暗煤且鏡質(zhì)組含量較高,機(jī)械強(qiáng)度可能相對(duì)較好,其余煤層次之。

3.2 壓裂直井開發(fā)層位優(yōu)選

3.2.1 煤芯錄取判斷煤巖特性

鉆井取芯是判斷煤巖特性的直接方式,結(jié)合鉆井液性能、氣測(cè)項(xiàng)目錄取,能準(zhǔn)確判斷鉆遇地層與巖性。從巖芯錄取情況看,除 6-3號(hào)煤層為光亮煤外,其余均為半暗 —半亮煤;3,5-3,6-3,8號(hào)煤層局部發(fā)育有碎粒煤和糜棱煤外,其作均一原生結(jié)構(gòu)煤為主。

3.2.2 測(cè)井響應(yīng)判斷煤巖特性

測(cè)井是煤層氣勘探開發(fā)中,尤其是單井評(píng)價(jià)中的重要手段。通過綜合分析測(cè)井資料與數(shù)據(jù),可以定性定量化地判斷出煤巖各相關(guān)特性與參數(shù)。由于煤巖所具的特殊屬性,煤層的測(cè)井響應(yīng)很特殊,相比圍巖,較易識(shí)別,具體表現(xiàn)為“三高兩低”的特征,即：高電阻、高聲波時(shí)差、高中子、低伽瑪、低體積密度。

在相同的煤化程度條件下,電阻率一般反映煤巖成分和煤質(zhì),電阻率越高,表明煤層灰分低,煤質(zhì)好。相同煤化程度下,絲炭含量和煤層受氧化是降低煤層電阻率的主要因素,低電阻往往也直接反映了相對(duì)低的煤層含氣量;聲波時(shí)差值顯示了煤層的壓實(shí)程度和孔隙度;補(bǔ)償中子則表示煤巖的含氫指數(shù);補(bǔ)償密度則指示煤巖的變質(zhì)程度和含氣量,見表 2[7]。

表 2 五輪山礦區(qū)主要煤層測(cè)井曲線數(shù)據(jù)表

從表 2可以看出,16,8,和 6-4號(hào)煤層電阻率較高,3,6-4號(hào)煤層相對(duì)最小。經(jīng)過測(cè)井分析,結(jié)合巖芯錄取和區(qū)域沉積演化特征,認(rèn)為 6號(hào)煤層原生結(jié)構(gòu)不完整,受成煤后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞嚴(yán)重,3號(hào)煤層次之?？梢?測(cè)井結(jié)果與鉆探顯示煤體結(jié)構(gòu)特征較為一致。

3.2.3 射孔與壓裂層位確定

煤儲(chǔ)層特征決定了煤層氣的生成與儲(chǔ)集,因而煤儲(chǔ)層綜合特征對(duì)開發(fā)層位確定起著至關(guān)重要的作用。充分運(yùn)用錄井資料、現(xiàn)場(chǎng)解吸數(shù)據(jù)、煤巖宏微觀特征分析、測(cè)井試井綜合分析等方法,對(duì)煤儲(chǔ)層特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),優(yōu)選開發(fā)層位。

煤層氣勘探開發(fā)初期,煤層氣地質(zhì)資料缺乏,開發(fā)層位應(yīng)以煤層厚、含氣量高、滲透性好、解吸率高等為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)條件。綜合應(yīng)用取芯結(jié)果、測(cè)井解釋成果,顯示 3,5-3,6-3,8,16等 5層均具有厚度大且含氣量高等優(yōu)點(diǎn),但 6號(hào)煤層以碎粒煤和糜棱煤為主,且孔隙率偏小,不利于直井水力壓裂;而3號(hào)和5號(hào)煤層總體具有開采優(yōu)勢(shì)?？紤] 6號(hào)煤層厚度較大,制定直井開發(fā)方案時(shí),可對(duì)上述 5個(gè)煤層 (含 6號(hào)煤層)進(jìn)行分層壓裂,合層排采,但針對(duì) 6號(hào)煤層局部的構(gòu)造煤發(fā)育情況,制定射孔方案時(shí),應(yīng)避開構(gòu)造煤分層選擇性射孔,而對(duì)其余煤層全段射孔分層壓裂。這樣即能控制 6號(hào)煤層排采產(chǎn)生的煤粉,又能對(duì)多煤層進(jìn)行單層煤排采或合層排采試驗(yàn),給后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

3.3 水平井井壁穩(wěn)定性

煤巖微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、化學(xué)特性是影響井壁穩(wěn)定性的幾個(gè)主要因素。煤層中裂隙結(jié)構(gòu)對(duì)煤巖的強(qiáng)度影響一方面造成強(qiáng)度的各向異性,另一方面會(huì)造成強(qiáng)度的減小。同時(shí),由于裂隙結(jié)構(gòu)的存在,煤巖的力學(xué)行為表現(xiàn)出明顯的非連續(xù)特性。此外,地質(zhì)歷史漫長(zhǎng)的演化過程形成了較高的地應(yīng)力造成煤巖的強(qiáng)度破壞,與煤巖微觀結(jié)構(gòu)共同作用,使煤巖特性減弱。

煤巖裂隙中充填的無機(jī)鹽和黏土礦物是影響煤巖化學(xué)特性的影響因素之一。煤儲(chǔ)層內(nèi)生裂隙和外生裂隙均相對(duì)發(fā)育,無充填和部分充填比例較高,毛細(xì)管效應(yīng)突出,比表面積大,在水平井鉆井過程中如失水量過大,煤巖吸水產(chǎn)生強(qiáng)的水化效應(yīng)[10],引起黏土礦物水化膨脹和無機(jī)鹽溶解,裂縫間的膠結(jié)破壞,導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度下降,進(jìn)一步增大了水平井段失穩(wěn)的可能性。

綜合以上分析并結(jié)合煤層厚度,認(rèn)為：6號(hào)煤層厚度較大,對(duì)施工煤層氣水平井有利,但考慮 6號(hào)煤層以碎粒煤為主,不易施工水平井;3號(hào)和 16號(hào)煤層為原生結(jié)構(gòu)煤 —碎裂煤,且黏土號(hào)類礦物含量相對(duì)較低,對(duì)施工水平井較為有利,但考慮兩煤層厚度較薄 (≤1.60 m)與水平井施工的高風(fēng)險(xiǎn)性,應(yīng)慎重選擇。5號(hào)和 8號(hào)煤層黏土號(hào)類礦物亦較低,且煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主,厚度較大,具有水平井成井的相對(duì)優(yōu)勢(shì)條件。

3.4 煤巖特征對(duì)產(chǎn)氣效果的影響

煤巖特征主要通過對(duì)煤層含氣量和裂隙發(fā)育程度的控制,影響氣水流動(dòng)和產(chǎn)氣效果。儲(chǔ)層含氣量是氣井高產(chǎn)基礎(chǔ),裂隙則是氣體運(yùn)移通道。由于鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組具較多的小、微孔隙,且具較強(qiáng)的親 CH4能力,因而其吸附能力高于殼質(zhì)組,也即表明同等條件下鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量越高,對(duì) CH4吸附能力越強(qiáng),CH4含量越高。

宏觀煤巖成分、宏觀煤巖類型及其厚度對(duì)裂隙發(fā)育程度有著重要影響,而裂隙發(fā)育程度又影響著滲透率好壞。在煤級(jí)相似的情況下,裂隙密度由光亮型煤—半亮型煤 —半暗型煤 —暗淡型煤逐漸降低,即隨鏡質(zhì)組含量的降低而減少。鏡煤和亮煤中裂隙最發(fā)育,暗煤和絲炭中一般不發(fā)育裂隙,見圖 1。

五輪山礦區(qū)3,5,6-3,8,9,16號(hào)隙較發(fā)育,而后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)又形成了豐富的外生裂隙。在非糜棱煤煤層段,采用直井壓裂排采或水平井開發(fā)均可能獲得較高產(chǎn)能。

圖 1 裂隙面密度與煤巖類型關(guān)系圖

4 結(jié) 論

1)五輪山礦區(qū)主要煤層宏觀煤巖成分以亮煤為主,暗煤次之;宏觀煤巖類型以半亮型 —半暗型為主,鏡質(zhì)組含量介于 72.65%～79.98%,惰質(zhì)組含量為20.02% ～27.35%,無機(jī)組分以黏土號(hào)類礦物為主。

2)綜合運(yùn)用煤田鉆孔、煤層氣井巖芯錄井和測(cè)井資料,認(rèn)為 6-3,9,16號(hào)煤層機(jī)械強(qiáng)度可能相對(duì)于其它煤層較好,但 16號(hào)煤層整體發(fā)育了碎粒煤 —糜棱煤結(jié)構(gòu),顯著降低了煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及滲透性。

3)結(jié)合地勘煤厚資料,采用直井壓裂開發(fā)方案時(shí),可選擇 3,5-3,6-3,8,16號(hào)煤層分層射孔壓裂,有利于排采增效。5號(hào)和 8號(hào)煤層相對(duì)施工水平井較為有利。但單一薄煤層水平井作業(yè)可能提高產(chǎn)能有限,因此,煤層氣井型選擇應(yīng)優(yōu)先選擇直井開發(fā)模式,多層壓裂、合層排采,有利于增產(chǎn)增效。16號(hào)煤層不利于水平井工程穩(wěn)定性,如采用直井開采,應(yīng)避開其構(gòu)造煤分層。

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