和順區(qū)塊15#煤層含氣量分布特征及其控制因素研究

孟貴希 賀小黑 趙景輝 周國文 楊媛媛 張蓉蓉

(1．中國石油化工股份有限公司華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 210000;2．中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 概況及地質(zhì)背景

和順區(qū)塊位于沁水盆地東北緣，行政區(qū)劃隸屬于山西省晉中市和順縣、昔陽縣、壽陽縣和左權(quán)縣。區(qū)塊東西寬26.48km，南北長49.71km，面積1040.403km2，煤層氣資源量1.52×1011m3。區(qū)塊南端有和順鳳臺一緣煤礦、和順正邦煤礦、北關(guān)煤礦和騰信煤礦等。區(qū)塊內(nèi)共實(shí)施煤層氣參數(shù)井13口，排采井組1個(gè) (14口)，共27口井;共實(shí)施二維地震線888.36km/51條，從淺部至深部覆蓋整個(gè)區(qū)塊;區(qū)塊內(nèi)有煤田鉆孔32個(gè)。

區(qū)域范圍內(nèi)賦存的地層主要有:太古界 (A);上元古界震旦系 (Z);古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系;中生界三疊系;新生界第三系、第四系。

區(qū)域上太原組地層厚90.30～143.80m，平均125.00m，含煤14層，為主要的含煤地層之一。本組以K1砂巖連續(xù)沉積于本溪組之上，由灰色砂巖，深灰、灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖、石灰?guī)r及煤層組成。主要灰?guī)r有3層 (K4、K3、K2)，全區(qū)穩(wěn)定，是很好的標(biāo)志層。本組巖性、沉積厚度有一定變化，但沉積巖性穩(wěn)定，沉積環(huán)境差異顯著，旋回明顯，屬海陸交互相沉積，主力煤層15#煤的沉積環(huán)境主要為潮坪及泥炭沼澤沉積環(huán)境。

區(qū)域構(gòu)造上，和順區(qū)塊位于沁水盆地東北部的沾尚－武鄉(xiāng)－陽城北北東向褶皺帶內(nèi)，區(qū)塊內(nèi)以褶皺構(gòu)造為特征，中小斷裂發(fā)育，發(fā)育陷落柱，且存在次級寬緩褶皺構(gòu)造，構(gòu)造線呈北北東向展布;地層整體相對平緩，地層整體為傾向北西，傾角一般10°左右，地層埋深東高西低。H3井與H7井之間發(fā)育一北北東向的構(gòu)造陡坡帶，將區(qū)塊南部劃分為明顯的三個(gè)帶:高臺階、陡坡帶和低臺階。

2 15#煤層賦存特征

15#煤層位于K2灰?guī)r底下16.5m左右，下距K1砂巖16m左右，煤層層位穩(wěn)定，煤層厚2.3～9.9m，平均厚5.13m。煤層結(jié)構(gòu)為簡單 －復(fù)雜，含夾矸0～5層，一般含3層，夾矸多為炭質(zhì)泥巖、泥巖，為穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。15#煤層頂板一般為泥巖或炭質(zhì)泥巖，少量鉆井 (孔)揭露為粉砂巖或細(xì)砂巖;15#煤層底板一般為泥巖，少量鉆井(孔)揭露為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖。

區(qū)塊內(nèi)15#煤層厚度總體呈北部和南部厚，中部薄的變化趨勢。東南部低臺階H7井附近為南部15#煤層的厚煤帶，且呈向東南方向變薄的趨勢，其中H7井15#煤層厚8.8m;北部Z7孔附近為15#煤層的厚煤帶，且呈向西北方向變薄的趨勢，其中Z7孔15#煤層厚8.3m。

15#煤層埋深變化于141.89～1381m之間，整體變化趨勢是由東至西埋深逐步加深，區(qū)塊東北部和東南部地形較為平坦，埋深多小于1000m;區(qū)塊中部埋深1000～1500m;區(qū)塊西部邊界附近多大于1500m，局部受地形起伏的影響而變化較大。

3 15#煤層含氣量分布特征

3.1 含氣量橫向分布特征

太原組15#煤層在452.50～1178.50m深度區(qū)間內(nèi)，單井原煤含氣量 (空氣干燥基)平均值變化于4.63～16.54m3/t之間，平均為 10.49m3/t。通過對勘探程度相對較高的東南部和北部15#煤層含氣量的分析，得出以下含氣量分布特征:①東南部1000m以淺，從構(gòu)造陡坡帶沿南東向至HP1井連線，15#煤層含氣量逐步增大 (見表1)，與煤層埋深相關(guān)關(guān)系不明顯 (見圖1)。②區(qū)塊北部15#煤層含氣量7.96～9.36m3/t，含氣量不高，整體變化不大;③區(qū)塊內(nèi)1000m以深，15#煤層隨埋深增大，含氣量有增大的趨勢 (見圖1)。

表1 煤層氣井含氣量與構(gòu)造陡坡帶距離統(tǒng)計(jì)表

圖1 單井15#煤層含氣量平均值與埋深關(guān)系圖

H3井、H4井因位于構(gòu)造陡坡帶軸線較近，含氣量較低。H3井15#煤層氣含量4.21～5.64m3/t，平均 4.63m3/t;H4井 15#煤層氣含量 5.44～9.71m3/t，平均7.58m3/t。構(gòu)造陡坡帶內(nèi)發(fā)育多條北東向斷層，且發(fā)育巖溶陷落柱 (HS1井鉆遇);15#煤層傾角5°～15°，受正斷層和巖溶陷落柱破壞，煤層氣逸散嚴(yán)重。

3.2 含氣量縱向分布特征

13口參數(shù)井95個(gè)煤樣含氣量測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在452.70～1177.53m深度區(qū)間內(nèi)，煤樣含氣量 (原煤空氣干燥基)變化于2.25～20.54m3/t之間，煤樣含氣量變化較大 (圖2)。

圖2 各井15#煤層煤樣原煤含氣量與深度關(guān)系圖

進(jìn)一步對同一口井15#煤層的煤樣含氣量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在同一煤儲層壓力、溫度、圍巖條件、構(gòu)造位置和水文地質(zhì)的條件下，所有煤層氣井15#煤層各煤樣含氣量差異顯著。

同一口井15#煤層各煤樣含氣量有明顯差異，反映15#煤層含氣量縱向上的非均質(zhì)性明顯。

4 15#煤層含氣量的控制因素

4.1 陡坡帶

統(tǒng)計(jì)和順區(qū)塊東南部陡坡帶以淺煤層氣井含氣量和井距陡坡帶軸線距離，進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)7口煤層氣參數(shù)井的含氣量受陡坡帶影響較大，越遠(yuǎn)離陡坡帶，15#煤層含氣量越高 (見圖3)。

圖3 含氣量與井距陡坡帶軸線距離關(guān)系圖

陡坡帶破壞了15#煤儲層內(nèi)流體的保存條件，煤層氣逸散，且越靠近陡坡帶，破壞越嚴(yán)重，以致構(gòu)造陡坡帶附近煤層氣井含氣量低、產(chǎn)氣效果差(H3、H4井產(chǎn)氣量低)，為煤層氣勘探不利區(qū)。

4.2 頂板

15#煤層發(fā)育于濱海沼澤相地層中，煤層頂板上覆有碳酸鹽臺地相巖層 (K2、K3、K4灰?guī)r)，煤層頂板的封閉性能對煤層氣的保存至關(guān)重要，頂板中若有泥質(zhì)含量高和厚度大的泥巖層，則其封閉性能強(qiáng)于砂巖頂板和灰?guī)r頂板。通過統(tǒng)計(jì)15#煤層至K2灰?guī)r之間的砂泥巖層巖性和厚度，并與15#煤層含氣量做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，15#煤層含氣量與頂板泥巖累厚二者相關(guān)性較強(qiáng)，含氣量隨頂板泥巖累厚的增大而增大 (見圖4)。

圖4 15#煤層頂板泥巖累厚與含氣量關(guān)系圖

4.3 煤厚

煤層厚度對含氣量的控制機(jī)理是:擴(kuò)散是煤層氣逸散的主要方式，煤層厚度越大，達(dá)到擴(kuò)散中止時(shí)間及擴(kuò)散路徑越長，煤層氣越不容易逸散;煤層本身低滲透，厚度越大，擴(kuò)散阻力越大。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，15#煤層原煤含氣量與煤層厚度呈正相關(guān)關(guān)系 (見圖5)，含氣量隨煤厚的增厚而增大。

圖5 15#煤層原煤含氣量與煤層厚度關(guān)系圖

4.4 灰分產(chǎn)率

研究煤質(zhì)對煤的含氣量影響一般從煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳這四項(xiàng)參數(shù)入手，這四項(xiàng)簡稱煤的工業(yè)分析，是初步評價(jià)煤質(zhì)的基礎(chǔ)，也是煤巖分析中最重要和必需的參數(shù)。分別對和順區(qū)塊15#煤層67個(gè)煤樣的4項(xiàng)工業(yè)分析參數(shù)與含氣量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)灰分產(chǎn)率對含氣量的影響較大。

對和順區(qū)塊15#煤層67個(gè)煤樣的含氣量與灰分產(chǎn)率資料統(tǒng)計(jì)標(biāo)明，煤層含氣量隨灰分產(chǎn)率的增大而降低 (見圖6)，整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這反映出煤層中灰分的增加對煤層含氣量是不利的。

圖6 15#煤層含氣量與灰分關(guān)系圖

進(jìn)一步研究單井15#煤層灰分產(chǎn)率對含氣量的影響發(fā)現(xiàn)，在同一原位狀態(tài)下，即煤儲層壓力、溫度、構(gòu)造位置和水文條件均相同，單井15#煤層各煤樣灰分產(chǎn)率的高低導(dǎo)致含氣量的差異，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。H1井、H7井、H8井及H9井15#煤層含氣量與灰分產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)度較高。反映了這4口井15#煤層含氣量垂向上的差異主要是受控于灰分產(chǎn)率，灰分產(chǎn)率的變化導(dǎo)致了煤層含氣量的差異。

4.5 鏡質(zhì)組含量

15#煤層鏡質(zhì)組含量變化于10.9% ～97.6%之間，平均含量為68.2%。除去鏡質(zhì)組含量偏高或偏低的異常點(diǎn)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在鏡質(zhì)組含量59% ～82%區(qū)間內(nèi)，15#煤層含氣量 (干燥無灰基)隨鏡質(zhì)組含量增大而增高，這與蘭氏體積隨鏡質(zhì)組含量的增加而增大這一實(shí)驗(yàn)規(guī)律相吻合。同樣煤的最大吸附量與鏡質(zhì)組含量之間正相關(guān)趨勢在鏡質(zhì)組臨界含量 (約55%)處發(fā)生突變，兩者正相關(guān)趨勢在鏡質(zhì)組超過臨界含量后更為明顯，這與15#煤層鏡質(zhì)組含量與含氣量的關(guān)系是趨于一致的。

5 結(jié)論

和順區(qū)塊太原組15#煤層是煤層氣勘探開發(fā)的主要目的層，區(qū)塊內(nèi)15#煤層厚5.0m左右，含氣量的分布特征是煤層氣勘探部署的關(guān)鍵依據(jù)，通過綜合分析研究，對15#煤層含氣量的分布特征和控制因素得出以下認(rèn)識:

(1)和順區(qū)塊南部1000m以淺，15#煤層含氣量受陡坡帶控制作用明顯，煤層氣井越遠(yuǎn)離陡坡帶，含氣量越高，與煤層埋深相關(guān)關(guān)系不明顯，陡坡帶為煤層氣勘探不利區(qū);南部1000m以深，15#煤層隨埋深增大，含氣量有增大趨勢，為煤層氣勘探有利區(qū)。和順區(qū)塊北部15#煤層含氣量普遍不高，推測原因?yàn)槊簩勇裆钶^淺，煤層氣保存條件較差，推測北部1000m以深含氣量較高。

(2)整個(gè)區(qū)塊內(nèi)15#煤層頂板泥巖累計(jì)厚度對含氣量控制作用明顯，含氣量隨頂板泥巖累厚的增厚而增大;15#煤層含氣量與煤厚呈正相關(guān)關(guān)系。陡坡帶以西的低臺階15#煤層頂板泥巖累計(jì)厚度較大，且有15#煤層厚煤帶分布，為下一步煤層氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

(3)15#煤層含氣量縱向上差異為煤層氣非均質(zhì)性的體現(xiàn)，是一種客觀存在的現(xiàn)象。含氣量縱向上差異主要控制因素為鏡質(zhì)組含量和灰分產(chǎn)率。整體上，15#煤層含氣量隨鏡質(zhì)組含量增大而增高，隨灰分產(chǎn)率的增大而減小。單井15#煤層含氣量差異較大的主要原因是單井灰分產(chǎn)率變化較大，含氣量隨灰分產(chǎn)率的增大而減小。

［1］賀天才，秦勇.煤層氣勘探開發(fā)與利用［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［2］錢凱，趙慶波，汪澤成.煤層甲烷氣勘探開發(fā)理論與實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1997.

［3］傅雪海，秦勇，韋重韜.煤層氣地質(zhì)學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［4］陳家良，邵震杰，秦勇.能源地質(zhì)學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［5］葉建平，秦勇，林大揚(yáng).中國煤層氣資源［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999，1－229.

［6］孟召平，田永東，李國富.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［7］倪小明，蘇現(xiàn)波，張小東.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2009.

［8］秦勇，傅雪海，葉建平，等.中國煤儲層巖石物理學(xué)因素控氣特征及機(jī)理［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(1):14－19.

［9］傅雪海，秦勇，李貴中，等.特高煤級煤平衡水條件下的吸附實(shí)驗(yàn)［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2002，24(2):177－180.

［10］張建博，王紅巖，劉洪林.煤層氣富集成藏條件——以沁水煤層氣田為例.中國煤層氣地質(zhì)評價(jià)與勘探技術(shù)新近展［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001，20－25.