影響煤層氣井產能差異的主控地質因素分析
——以樊莊區(qū)塊北部為例

李 俊 崔新瑞 張 聰 張光波 袁延耿 李雪琴

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

不同區(qū)塊的煤層氣井生產特征不盡相同，甚至在同一區(qū)塊內，煤層氣井產能也有較大的差異。其中影響煤層氣井產氣量的主控因素也不相同，目前研究煤層氣產量的主控因素大都從地質、工程、排采三方面進行分析。例如張義等從地質因素(構造部位、斷層、陷落柱)、工程因素(鉆井工程、壓裂施工)、排采制度(套壓控制、排采速度)三個方面對沁水盆地煤層氣低產原因進行過詳細分析。本次研究區(qū)生產井在鉆井工程、壓裂工藝、排采技術方面并無明顯差異，后期產氣量卻呈現(xiàn)出較大差異，并具有區(qū)域性分布。分析認為其主控因素為地質因素，包括斷層、褶皺、埋深等對儲層含氣量、滲透率的綜合影響。關于構造和煤層氣產能的關系，多為區(qū)域研究和理論分析。例如梁宏斌等根據(jù)沁水盆地構造演化及樊莊區(qū)塊褶皺形成的力學機制，劃分出原生型煤層氣藏、調整型煤層氣藏、改造型煤層氣藏，并根據(jù)不同的氣藏特點，采取不同的開發(fā)策略；劉燕紅等根據(jù)地質條件的差異，引入了開發(fā)單元的概念來指導生產；劉會虎等也將沁南煤層氣田劃分為5個開發(fā)單元，并論述開發(fā)單元的分布受地質構造的影響最為顯著等。目前樊莊區(qū)塊的煤層氣開發(fā)經過了長期的生產實踐，需要分析的開發(fā)空間尺度勢必會不斷縮小，必須對煤層氣開發(fā)有利區(qū)重新厘定。本次在前人的研究基礎上，對構造發(fā)育的樊莊區(qū)塊北部進行詳細研究(見圖1)，把地質認識與生產實踐相結合，進一步細分開發(fā)單元，分析不同開發(fā)單元的產能主控地質因素，為研究小空間尺度內的煤層氣井產能主控因素提供一定的方法。

圖1 研究區(qū)構造位置圖

1 地質概況

沁水盆地位于華北地臺山西隆起之間，是近NE-NNE向的大型復式向斜，軸線大致位于榆社-沁縣-沁水一線，東西兩翼基本對稱，傾角4°左右，次級褶皺發(fā)育。樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城馬蹄形斜坡帶上，西側緊鄰寺頭斷層，總體呈東南高，西北低的構造特征。樊莊區(qū)塊煤層氣資源豐富，目前開發(fā)煤層氣的主力煤層為山西組3號煤，埋深介于400～800m，總體上東深西淺，厚度5～6m，全區(qū)分布穩(wěn)，含氣量較高，一般為23m3/t，在斷層附近，顯著降低，煤層結構簡單，一般在底部發(fā)育0.7m左右的構造煤。而樊莊區(qū)塊大斷層不甚發(fā)育，但小規(guī)模的斷裂構造卻廣泛分布，主要以北東或北西向正斷層為主。區(qū)塊南部和北部呈現(xiàn)出較明顯的地質差異性，總體上北部埋深大，含氣量高，滲透性差，斷層和褶皺的發(fā)育，對煤儲層含氣量、滲透率、壓裂均有較顯著的影響，最終導致產氣差異明顯。而南部構造平緩，埋深淺，總體產氣量較高。

2 構造對煤層氣井控制作用

結合樊莊區(qū)塊北部的構造及產氣特征，筆者將樊莊區(qū)塊北部構造模式分為2類，即斷層構造和褶皺構造。

2.1 斷層控制作用

斷裂構造對煤層氣產量的影響主要體現(xiàn)在斷層封閉性上。研究表明:一般正斷層多為開放型，封閉性較差而有利于氣體的逸散；逆斷層為壓性或壓扭性，封閉性較好，有利于氣體的保存。在構造演化過程中，有時斷層性質發(fā)生變化，對煤層氣的封閉性也隨之改變。

樊莊區(qū)塊斷裂較發(fā)育，以正斷層為主。在正斷層的形成過程中斷層面附近為一明顯的應力集中帶，所以，越靠近斷層，煤層變形破碎越明顯，裂隙越發(fā)育。在正斷層附近的煤層氣井多為低產氣井或高產水井，斷層對煤層的含氣性具有明顯的影響。低產氣主要因為斷層導致含氣量低，高產水主要因為斷層使煤層與含水層產生水力聯(lián)系，壓裂時，極易溝通含水層或天然裂隙，導致大量排水，但煤層中仍無法有效降壓。

2.2 褶皺控制作用

褶皺對煤層氣保存與煤層滲透性具有顯著的控制作用。在背斜軸部中和面以上和向斜軸部中和面以下，由于拉張應力作用，產生大量張性裂隙和正斷層(見圖2)，對滲透性起到改善作用，也會因應力快速釋放，形成低壓區(qū)，煤層氣發(fā)生逸散。當然，如果頂板為厚層泥巖，起到阻止煤層氣逸散作用，也會產生富集區(qū)，但也會形成部分游離氣。

圖2 褶皺構造應力性質示意圖

本次研究的樊莊北部的3號煤層，處于中和面以上，形成在背斜軸部煤巖滲透性好，但易逸散，而向斜軸部應力集中，含氣量高，但裂隙不發(fā)育，滲透性差的普遍規(guī)律。

3 研究區(qū)開發(fā)特征

通過對研究區(qū)191口煤層氣井的產水、產氣進行統(tǒng)計，做出日產水和日產氣分布散點圖(見圖3)，可以看出，不同區(qū)域產氣量呈明顯差異，產氣在0～5000m3，日產水量在0～30m3均有分布。但也呈現(xiàn)出較強的區(qū)域分布規(guī)律：中部產氣量高(1800m3/d)，產水量少(0.6m3/d)；西部產氣量低(200m3/d)，產水量高(3.8m3/d)；東部產氣量(900m3/d)和產水量(1.4m3/d)均處于中間水平。結合地質條件和以上開發(fā)特征，將研究區(qū)劃分為三類開發(fā)單元：Ⅰ類開發(fā)單元—中部井區(qū)，Ⅱ類開發(fā)單元—東部井區(qū)，Ⅲ類開發(fā)單元—西部井區(qū)。

圖3 不同井區(qū)產氣產水分布圖

通過對不同井區(qū)單井產水產氣進行統(tǒng)計，可以看出，高產井集中于中部，往往產水量較低；高產水井集中于西部和東部，往往產氣量較低。這種規(guī)律性和單井所處構造位置有關。

4 不同開發(fā)單元的主控地質因素

煤層氣井的產量是由多種因素綜合控制的結果，但對于某一區(qū)塊，大的構造背景和壓裂施工工藝基本相同，排采控制基本遵循同一原則。在大構造背景下派生出的次級構造，也會使同一區(qū)塊產生與之相對應的產氣產水特征。通過對三個井區(qū)地質參數(shù)進行統(tǒng)計(表1)，分析構造特征，可以得出不同井區(qū)的地質差異性。

表1 不同開發(fā)單元地質參數(shù)表

4.1 Ⅰ類開發(fā)單元—富集高滲

Ⅰ類單元為中部井區(qū)，處于固縣背斜，位于寺頭斷層西側3km左右，含氣量未受斷層影響；在背斜軸部，受拉張作用，一般發(fā)育沿軸向的張節(jié)理，滲透性得到明顯改善；煤層頂板為厚層泥巖，含水性弱，為較好的蓋層。保證了即使在背斜軸部裂縫發(fā)育區(qū)，煤層氣也能得以大量保存，在背斜核部形成局部富集區(qū)，并存在游離氣的可能性。

壓裂曲線一定程度上可以反映儲層信息。由于煤層本身滲透性較好，在壓裂過程中，施工壓力平緩(圖4-a)，其主要作用是對煤層中原生裂縫進行擴展和延伸，使原本互不相連的裂隙相連，形成縫網。

圖4 不同開發(fā)單元典型壓裂施工曲線

4.2 Ⅱ類開發(fā)單元—微構造發(fā)育

Ⅱ類單元為東部井區(qū)，平均埋深745m，較大的埋深導致煤儲層原始滲透率低，物性差。后期經歷了強烈的構造運動，斷層、褶皺極為發(fā)育，使得部分井3號煤層缺失，測井曲線顯示擴徑現(xiàn)象普遍存在。強烈的構造作用也使該區(qū)域以構造煤發(fā)育為主。在壓裂過程中，由于物性差，平面非均值性強，主要以波動型曲線為主(圖4-b)，形成多條短縫，能夠在小范圍內形成縫網。

此外，區(qū)內小型的斷層也使得煤儲層的滲透率得到一定程度的改善，和Ⅰ類儲層相比，其壓降面積小，雖然能出現(xiàn)產氣高峰，但穩(wěn)產期較短。

4.3 Ⅲ類開發(fā)單元—含氣量低

Ⅲ類單元位于西部井區(qū)，距離寺頭斷層較近。寺頭開放性正斷層的多次活動使樊莊區(qū)塊的西緣出現(xiàn)若干條派生或伴生的中小型正斷層，造成這一區(qū)域地層節(jié)理、裂隙發(fā)育。受斷層影響，井區(qū)內甲烷不斷逸散，導致目前含氣量低(圖5)，開發(fā)效果較差。在壓裂過程中，其施工曲線以突降型為主(圖4-c)，表征溝通天然裂縫或附近的斷層，導致產水量大。

圖5 西部井區(qū)3號煤甲烷含氣量等值線圖

5 結論

(1)褶皺的構造位置和斷層的規(guī)模對樊莊區(qū)塊煤層氣井產能的影響并不相同。在背斜軸部裂隙發(fā)育，滲透性好，當上覆巖層為致密泥巖時，可形成富集高滲型氣藏，否則甲烷可能會逸散。斷層規(guī)模較大時，會對區(qū)域含氣量造成影響，同時壓裂改造易溝通斷層或裂隙，導致開發(fā)效果差；在物性較差的區(qū)域如果發(fā)育小規(guī)模的斷層，可一定程度的改善滲透性，形成富集中滲的氣藏，具有較好的開發(fā)效果。

(2)煤層非均質性一般較強，但不同的開發(fā)單元產能的主控因素不同。通過對構造特征及儲層參數(shù)進行統(tǒng)計分析，找出主控因素，才能明確不同開發(fā)單元的合理產能，客觀評價開發(fā)效果，并采取針對性的增產措施。