織金區(qū)塊煤層氣單井產(chǎn)能地質(zhì)因素分析

熊斌

（中國(guó)石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京 210000）

在織金區(qū)塊含煤構(gòu)造單元?jiǎng)澐只A(chǔ)上，通過(guò)煤層累計(jì)厚度、構(gòu)造變形程度、埋深三個(gè)關(guān)鍵因素的疊合，初步圈定目標(biāo)區(qū)帶面積1 800 km2，總資源量3 700×108m3，平均資源豐度2.00×108m3/km2[1]。2006年，全國(guó)新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)成果顯示，全國(guó)煤層氣資源平均豐度0.98×108m3/km2[2]?？梢?jiàn)，織金區(qū)塊煤層氣資源豐度高于全國(guó)平均水平，具有可靠的勘探開發(fā)潛力。

織金區(qū)塊地質(zhì)條件相對(duì)優(yōu)越的地區(qū)地表?xiàng)l件相對(duì)復(fù)雜，給勘探開發(fā)帶來(lái)較高難度，制約勘探評(píng)價(jià)在面上的進(jìn)一步展開，影響勘探信心的樹立。現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，具備規(guī)模勘探開發(fā)展開條件的范圍有限，通過(guò)提高單井產(chǎn)能平衡高勘探投入是有效動(dòng)用區(qū)內(nèi)煤層氣資源的主要途徑。筆者通過(guò)對(duì)生產(chǎn)井的對(duì)比分析，研究影響煤層氣單井產(chǎn)能的地質(zhì)因素，闡明提高單井產(chǎn)能的選層技術(shù)，為煤層氣勘探開發(fā)服務(wù)。

1 區(qū)塊概況

織金區(qū)塊位于貴州省西部，行政規(guī)劃上位于貴陽(yáng)市、六盤水市、安順市、畢節(jié)地區(qū)，大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子地塊西段，一級(jí)構(gòu)造單元屬黔中隆起。區(qū)塊面積7 300 km2，含煤面積約4 500 km2（圖1）。

圖1 織金區(qū)塊地理位置Fig.1 Location of Zhijin block

區(qū)塊發(fā)育地層有上震旦統(tǒng)、寒武系、下奧陶統(tǒng)、中上泥盆統(tǒng)、石炭系、二疊系、三疊系、下中侏羅統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、古近系及第四系，缺失中上奧陶統(tǒng)、志留系、下泥盆統(tǒng)、上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)及上第三系地層。區(qū)塊地表出露地層主要為二疊系及三疊系，在含煤向斜內(nèi)部廣泛分布。區(qū)塊內(nèi)發(fā)育兩個(gè)相對(duì)完整的大型含煤向斜——黔西向斜和巖腳向斜，其中巖腳向斜由5個(gè)次向斜組成，含煤地層主要為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M。

2 煤層氣地質(zhì)條件

織金區(qū)塊各含煤構(gòu)造整體寬緩，變形相對(duì)較弱，斷裂相對(duì)不發(fā)育，煤系地層含水性弱，與強(qiáng)含水地層基本無(wú)水力聯(lián)系。區(qū)內(nèi)可采煤層層數(shù)6～17層，平均可采總厚度10～16m，最大24m，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主，這一類型的煤巖是高階煤中滲透性最好的儲(chǔ)層，主要可采煤層發(fā)育在潮坪沉積環(huán)境，以混合坪—泥坪—泥炭沼澤沉積組合為主，形成較好的圍巖封閉[1]。區(qū)內(nèi)煤層氣含氣量整體較高，平均含氣量在10～16m3/t[3]。

3 單井產(chǎn)能潛力

目前為止，織金區(qū)塊已有參數(shù)井、探井共9口投入壓裂排采（圖2），其中織2、3井分別進(jìn)行了兩層合壓合采，并取得突破。之后織1、2井開展多煤層分壓合采試驗(yàn)，雖然織2井0.7～1.4m的薄煤層獲得持續(xù)氣流300～800m3，但效果不佳?？?、5井優(yōu)化分壓合采工藝，最高日產(chǎn)氣量均超過(guò)2 000m3（表1）。

表1 織金區(qū)塊煤層氣井單井產(chǎn)量Table 1 Single CBM well production in Zhijin block

織2、3井是織金區(qū)塊實(shí)施的前兩口煤層氣參數(shù)井，取心揭示較好含氣性、儲(chǔ)層參數(shù)，通過(guò)小規(guī)模的兩層合壓合采均獲得突破。在織2、3井小規(guī)模合層壓裂取得較好效果的基礎(chǔ)上，織1、2井實(shí)施多段分壓合采試驗(yàn)，以期通過(guò)增加動(dòng)用規(guī)模提高單井產(chǎn)量，但效果不甚理想?？偨Y(jié)織1、2井失利經(jīng)驗(yàn)，充分利用織4井取心多，煤儲(chǔ)層、含氣性資料豐富的優(yōu)勢(shì)，選擇煤體結(jié)構(gòu)好、含氣量高的煤層作為改造目的層，同時(shí)根據(jù)所選煤層與測(cè)井響應(yīng)對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)作為織5井選層依據(jù)。通過(guò)壓裂改造，兩口井顯示了與織2、3井類似的高返排率特征，并且破裂壓力較低，反映了儲(chǔ)層滲流能力強(qiáng)和地層能量高的特點(diǎn)，最高日產(chǎn)氣量均超過(guò)2 400m3。

圖2 織金區(qū)塊煤層氣井區(qū)域分布圖Fig.2 Distribution of CBM wells in Zhijin block

4 單井產(chǎn)能地質(zhì)因素分析

4.1 構(gòu)造活動(dòng)

構(gòu)造變形及其衍生出的斷裂對(duì)煤層含氣性（保存條件）和煤儲(chǔ)層物性有較大影響。在斷裂帶附近的一定范圍內(nèi)，煤層含氣系統(tǒng)遭破壞，含氣量降低，煤層含氣性橫向復(fù)雜化，增加勘探難度[1]。

織金區(qū)塊整體處于低變形區(qū)，斷裂相對(duì)不發(fā)育，含煤構(gòu)造多自成完整的系統(tǒng)，有利于煤層氣的保存。目前部署的探井均遠(yuǎn)離構(gòu)造變形強(qiáng)烈區(qū)域，因此，該區(qū)塊構(gòu)造活動(dòng)對(duì)單井產(chǎn)能的影響不突出，構(gòu)造活動(dòng)和產(chǎn)氣量的相關(guān)性不顯著。

4.2 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)是煤儲(chǔ)層在構(gòu)造應(yīng)力作用下形變的產(chǎn)物，是煤儲(chǔ)層滲透率的間接反映[4]。由于煤體破碎程度不一，煤體結(jié)構(gòu)通常被分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四類。原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較完整，強(qiáng)度高，儲(chǔ)層可改造性好。碎粒煤、糜棱煤煤體結(jié)構(gòu)松軟，強(qiáng)度低，滲透性差。碎裂煤的滲透率比原生結(jié)構(gòu)煤高，碎粒煤和糜棱煤滲透率低[5]。

織金區(qū)塊位于黔中隆起，深部發(fā)育穩(wěn)定基底，在一定程度上對(duì)構(gòu)造變形、破壞起到減緩作用，雖然煤巖普遍存在變形，但煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主。區(qū)內(nèi)改造（破壞）程度較高的主要集中在6號(hào)煤層、16號(hào)煤層，碎粒煤、粉煤發(fā)育較多，尤其是巖腳向斜中東部的三塘、珠藏、阿弓等次級(jí)向斜最為普遍，向斜西部的6號(hào)煤的碎粒煤、粉煤比例相對(duì)減小，比德次向斜西南翼6號(hào)煤碎粒煤、粉煤的鉆孔比例不足50%，水公河次向斜東翼不足30%。

除6號(hào)、16號(hào)煤外其他煤層主要為碎裂煤。已完鉆煤層氣參數(shù)井鉆探揭示煤層的煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主，并且割理裂隙較發(fā)育。少數(shù)煤層可見(jiàn)煤粉如三塘和珠藏次向斜的16號(hào)煤及比德次向斜的6號(hào)和32號(hào)煤。

區(qū)塊內(nèi)高產(chǎn)的織2、3、4井生產(chǎn)層位以碎裂煤為主，織5井雖未取心，但與織2、3、4井同樣具有高電阻、高聲波的測(cè)井響應(yīng)特征（圖3），與其碎裂煤的地質(zhì)特征相一致；低產(chǎn)的織1、2井生產(chǎn)層位多未取心，但電阻普遍小于50 Ω·m，側(cè)面上反映其儲(chǔ)層物性差。

圖3 織金區(qū)塊探井電阻率—聲波對(duì)比圖Fig.3 Comparison graph of resistivity-acoustic wave of exploration wells in Zhijin block

同時(shí)，區(qū)塊內(nèi)鉆探顯示的幾套粉煤在測(cè)井上呈現(xiàn)井徑曲線明顯增大，個(gè)別變?yōu)榉綁K狀；聲波時(shí)差幅值明顯增高，峰頂多呈參差齒狀或大的波浪起伏狀；深淺電阻率明顯分離。

4.3 灰分

根據(jù)掃描電鏡觀察和統(tǒng)計(jì)分析，灰分充填煤層中的孔隙，影響煤層的儲(chǔ)集性能，而且煤層灰分產(chǎn)率與孔隙度之間存在線性關(guān)系，當(dāng)灰分產(chǎn)率增高時(shí)孔隙度降低[6]。

織金區(qū)塊煤層以低中灰—中灰煤為主，灰分含量平均17.22%～26.14%。區(qū)塊內(nèi)高產(chǎn)井生產(chǎn)層位平均灰分9.63%～15.15%，屬于低灰—低中灰，有利于煤層氣的富集。

4.4 含氣量

含氣量決定煤層吸附飽和程度，含氣量越高，臨界解吸壓力越高，有效泄氣面積越大，單井產(chǎn)量越高[7]。

圖4 織金區(qū)塊探井煤層含氣量與煤層厚度對(duì)比圖Fig.4 Comparison graph of coal seam gas content and thickness of exploration well in Zhijin block

織金區(qū)塊煤層含氣量整體較高，最高可達(dá)46m3/t（比德次向斜），雖然區(qū)塊內(nèi)以向斜含煤構(gòu)造為主，呈現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)立含氣系統(tǒng)，但在單個(gè)次級(jí)含煤構(gòu)造內(nèi)整體呈現(xiàn)高含氣量的特征，煤層平均含氣量在10～16m3/t。區(qū)塊內(nèi)高產(chǎn)井生產(chǎn)層位平均含氣量13.3～16.8m3/t，低產(chǎn)井生產(chǎn)層位含氣量普遍小于10m3/t（測(cè)井）（圖4）。

4.5 煤層厚度

煤層厚度是煤層氣儲(chǔ)量與產(chǎn)量的基礎(chǔ)，煤層越厚，供氣能力越強(qiáng)，產(chǎn)量越大[7]。根據(jù)費(fèi)克定律和質(zhì)量平衡原理建立的煤層甲烷擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型可知，在其他初始條件相似的情況下，煤層厚度越大，達(dá)到中值濃度或者擴(kuò)散終止所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)[8]，對(duì)煤層氣保存就越有利。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)塊內(nèi)高產(chǎn)井生產(chǎn)層位平均厚度為1.52～2.35m，低產(chǎn)井生產(chǎn)層位平均厚度為0.97～1.33m（圖4），從圖4中也可以看出，煤層厚度與含氣量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系，但需要注意的是，煤層過(guò)厚有出現(xiàn)粉煤的可能，區(qū)塊內(nèi)3口井鉆探顯示，單層厚度最大的煤層為粉煤，在選擇生產(chǎn)層位的時(shí)候盡量避開這些煤層。

4.6 煤層埋深

在一個(gè)煤田或一口煤層氣井中，一般會(huì)出現(xiàn)隨深度增加煤層氣含量上升而滲透率下降的規(guī)律[9]。因此，煤層埋深過(guò)淺，供氣能力不足，從而產(chǎn)氣量低；煤層埋深過(guò)大，氣體產(chǎn)出困難，從而產(chǎn)氣量低。

從珠藏次向斜130個(gè)含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，在200m以淺，含氣量為異常低值，普遍低于10m3/t，而在200m以深，含氣量快速增加，各煤層平均含氣量15～19m3/t，三塘次向斜300m以淺，含氣量普遍低于10m3/t，高含氣量區(qū)主要位于300m以深[3]（圖5）。

區(qū)塊內(nèi)高產(chǎn)井生產(chǎn)層位埋深集中在300～750m，低產(chǎn)井生產(chǎn)層位埋深集中在200～350m。

圖5 珠藏次向斜、三塘次向斜含氣量——埋深關(guān)系圖Fig.5 Relational graph of gas content and buried depth of Zhuzang subsyncline and Santang subsyncline

4.7 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件不僅對(duì)煤層氣保存具有重要作用，而且是煤儲(chǔ)層壓力和煤層滲透性的重要影響因素。同時(shí)，由于煤層氣的產(chǎn)出是通過(guò)排水降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣開發(fā)作業(yè)影響顯著，進(jìn)而對(duì)單井產(chǎn)能產(chǎn)生影響[10]。

織金區(qū)塊主要含煤向斜以峨眉山玄武巖和飛仙關(guān)組為底部、頂部隔水層，煤系地層形成獨(dú)立、完整的水文地質(zhì)單元。煤系地層與強(qiáng)含水地層基本無(wú)水力聯(lián)系，側(cè)向上由斷層形成隔水邊界，地下水徑流緩慢—停滯，水力封閉條件較好。目前，部署的探井煤系地層含水較弱，生產(chǎn)層位上、下部30m均無(wú)明顯含水層，因此，水文地質(zhì)條件對(duì)單井產(chǎn)能的影響不突出，水文地質(zhì)條件和產(chǎn)氣量的相關(guān)性不顯著。

5 認(rèn)識(shí)

織金區(qū)塊煤層層數(shù)多、煤層單層薄，采用多煤層合采的方式提高資源整體動(dòng)用規(guī)模，是提高單井產(chǎn)能的主要途徑。分析認(rèn)為：煤體結(jié)構(gòu)和含氣量是影響織金區(qū)塊煤層氣單井產(chǎn)能的主控地質(zhì)因素；碎裂煤、低灰—低中灰、高含氣量、較厚煤層、埋深適中是有利煤層的重要地質(zhì)參數(shù)特征，高電阻、高聲波是有利煤層靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)的測(cè)井響應(yīng)；同時(shí)適時(shí)運(yùn)用井徑擴(kuò)大、深淺電阻分離以及聲波時(shí)差過(guò)高（＞500 μs/m）等測(cè)井響應(yīng)識(shí)別出粉煤。

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