阜新劉家區(qū)煤層氣儲層特征及產(chǎn)能分析

謝 石

遼寧省能源地質(zhì)勘查開發(fā)研究院有限責任公司

0 引言

阜新劉家區(qū)煤層氣開發(fā)較早，從1999年4月開始投入試采至今已有20年，現(xiàn)有煤層氣生產(chǎn)井30余口，最早的井生產(chǎn)近20年，研究該區(qū)煤層氣儲層特征可進一步了解地層特征、構(gòu)造特征、巖漿巖分布情況、煤層特征、煤儲層封蓋特征及含氣性、煤儲層等溫吸附特征、煤儲層孔隙度及滲透率、煤儲層原始地層壓力等對煤層氣開發(fā)的影響，預測地質(zhì)“甜點”，指導井位部署。

該區(qū)煤類為長焰煤，屬低階煤，目前國內(nèi)低階煤地區(qū)進行產(chǎn)能分析及采收率預測的較少，因此在該區(qū)進行煤層氣儲層特征研究及開發(fā)產(chǎn)能分析不僅對該區(qū)煤層氣開發(fā)的井位部署、單井產(chǎn)能及生產(chǎn)年限預測、可采儲量估算、采收率預測等具有重要的作用，而且對阜新及其他低階煤地區(qū)煤層氣開發(fā)進行綜合評價、產(chǎn)能及采收率預測等均可提供借鑒和參考。

1 儲層特征

1.1 地層

劉家區(qū)地層自下而上分別為白堊系下統(tǒng)沙海組(K1sh)、白堊系下統(tǒng)阜新組 (K1f)、白堊系上統(tǒng)孫家灣組 (K2s)及新生界第四系(Q)。主要可采煤層在阜新組[1]。

1.2 構(gòu)造特征

劉家區(qū)構(gòu)造上處于阜新煤田劉家—王營向斜部位，以北東向向斜構(gòu)造形態(tài)為主，向斜西北翼略陡，傾角15°左右，東南翼較緩，傾角5°～12°，向斜軸部寬緩且較平坦[2]。

區(qū)內(nèi)主要分布3條正斷層。

平安F2號斷層：該斷層是一條較大的正斷層，為王營子礦與劉家區(qū)邊界斷層。走向NW，傾向SW，傾角70°～75°，落差北大南小，30～210 m。區(qū)內(nèi)長度約3 000 m。

劉家F1號斷層：位于礦區(qū)西北部，走向NNE，傾向NW，傾角70°左右，落差20 m左右。區(qū)內(nèi)長度1 000 m左右。

劉家F2斷層：位于礦區(qū)西南部，是區(qū)內(nèi)較大的1條斷層。走向NE，傾向NW，傾角70°左右，落差20～55 m。區(qū)內(nèi)長度2 100 m[3]（表1）。

表1 劉家區(qū)斷層情況一覽表

由于該區(qū)均為正斷層，斷裂帶為煤層氣提供良好的逸散通道，不利于煤層氣儲存[4]，因此在部署井位時要考慮斷層因素。通過理論實驗研究，結(jié)合生產(chǎn)實踐，認為煤層氣井與斷層之間距離大于126 m為宜[2]。

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖只有第三紀輝綠巖，為喜山期運動的產(chǎn)物。輝綠巖以多種形式產(chǎn)出，不但有巖墻、巖床，還有邊緣相等。該區(qū)輝綠巖共分3期，對煤層氣開發(fā)影響較大的為第2期，主要以東西向巖墻為代表，共有13帶巖墻，即β1～β13帶，對煤層有一定的破壞作用，尤其是β3帶、β6帶、β8帶巖墻規(guī)模較大，因此部署井位時必須考慮巖漿巖對煤層氣開發(fā)的影響。通過理論實驗研究及對輝綠巖附近煤層氣井產(chǎn)氣量分析認為，劉家區(qū)布置井位時距離巖漿巖的最佳距離為80～100 m[2]。

1.4 煤層特征

該區(qū)煤層分布在阜新組，煤層氣開發(fā)主要目的煤層有4層，自上而下分別為孫本煤層、中間煤層、太平上和太平下煤層。煤層埋深500～1 000 m，煤層厚度變化規(guī)律是沿向斜軸方向煤層增厚[5]，各層集中；以向斜軸為中心向西北各層間距增大，結(jié)構(gòu)簡單，煤厚逐漸變??；向東南各煤層間距縮小，厚度急劇變薄或尖滅[6]。區(qū)內(nèi)最大累計可采煤層厚度96.07 m，平均累計可采煤層厚度45.00 m[7]（表2）。

煤的物理性質(zhì)：該區(qū)各煤層以黑色、褐黑色為主。光澤以暗淡、半亮的瀝青光澤為主。鏡煤具有玻璃光澤，條痕為褐色到褐黑色。斷口多呈參差狀和貝殼狀。內(nèi)生裂隙發(fā)育，多數(shù)充填有方解石或黃鐵礦。煤層結(jié)構(gòu)為條帶狀或線理狀。

宏觀煤巖組分：宏觀煤巖組分以亮煤和暗煤為主。暗煤、亮煤多呈條帶狀交互出現(xiàn)。鏡煤呈條帶狀、多線理透鏡狀，絲炭呈薄片狀、纖維狀。宏觀煤巖類型為暗淡—半光亮型。

顯微煤巖組分：顯微組分中鏡質(zhì)組占83.33%～97.61%、惰質(zhì)組占0.2%～11.76%、殼質(zhì)組小于5%。無機組分（含礦物基）中，黏土含量在3%～10%之間。煤的原煤灰分較低，煤的鏡煤最大反射率均在0.6左右，其變質(zhì)程度較低。顯微煤巖類型為微鏡惰煤[2]。

表2 劉家區(qū)主要煤層情況一覽表

該區(qū)煤類為長焰煤，各煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表3。

1.5 煤儲層封蓋特征及煤層含氣性

1.5.1 煤儲層蓋層特征

區(qū)內(nèi)主要開采煤層為阜新組孫本、中間、太平上和太平下煤層，煤層頂板均為厚度10～40 m的泥巖夾泥質(zhì)砂巖及粉砂巖段[8]，泥巖厚度大、質(zhì)純、致密堅硬，裂隙不發(fā)育，是良好的蓋層[9]。根據(jù)鉆孔煤層頂?shù)装迥鄮r測試，滲透率為0.001 7 mD，擴散系數(shù)為5.03h10-5cm2/s[10]，可見孫本、中間、太平上和太平下煤層頂?shù)装迥鄮r非常致密，具有較強的封閉作用，對煤層氣的保存非常有利[11]。

1.5.2 煤層含氣性

該區(qū)的煤層含氣量在5.65～12.50 m3/t，平均8.50 m3/t，屬于典型的低階煤煤層氣含氣性特征。煤層含氣飽和度較高，孫本煤層的含氣飽和度為85%；中間煤層的含氣飽和度為93%；太平煤層的含氣飽和度為96%，有利于氣體的產(chǎn)出[12]。

1.5.3 煤層氣組分

該區(qū)煤層氣成分主要以甲烷(CH4)為主，其中甲烷含量平均95.64%，氮氣含量平均2.94%，二氧化碳含量平均0.67%，氧氣含量平均0.75%，屬于優(yōu)質(zhì)煤層氣資源，具備工業(yè)開采價值。

1.6 煤儲層等溫吸附特征

本區(qū)煤層氣進行了平衡水高壓等溫吸附測試，測得各煤層蘭氏體積分別為孫本煤層21.59 m3/t、中間煤層18.81 m3/t、太平煤層33.71 m3/t。各煤層蘭氏壓力分別為：孫本煤層9.98 MPa、中間煤層6.74 MPa、太平煤層9.07 MPa。根據(jù)朗格繆爾方程計算出孫本、中間、太平煤層的理論含氣量分別為8.72 m3/t、9.41 m3/t、10.17 m3/t[13]。

由等溫吸附實驗成果，利用朗格繆爾方程導出的臨界解吸壓力公式：

pC表示臨界解吸壓力，MPa；pL表示蘭氏壓力，MPa；V表示實測含氣量，m3/t；VL表示蘭氏體積，m3/t；

由實測數(shù)據(jù)計算，得出各儲層實測臨界解吸壓力：

孫本層為5.0 MPa，實際含氣飽和度85%；

中間層為6.0 MPa，實際含氣飽和度93%；

太平層為6.6 MPa，實際含氣飽和度96%。

由等溫吸附曲線和理論含氣量數(shù)據(jù)圖解計算出，該區(qū)儲層實測含氣飽和度介于85%～96%，屬于近飽和狀態(tài)[14]，有利于煤層氣降壓解吸產(chǎn)出。

1.7 煤儲層孔隙度及滲透率

1.7.1 孔隙度

本區(qū)煤層孔隙度最小值3.9%，最大5.5%，平均4.7%；天然焦孔隙度為7.4%，該區(qū)煤層的平均孔隙度屬正常偏低。該區(qū)煤層孔隙度的變化在靠近火成巖和變質(zhì)天然焦區(qū)增大，因天然焦有特殊的氣孔發(fā)育特征，其孔隙度顯著升高。隨深度增加，孔隙度明顯降低。隨著煤層變質(zhì)程度的增高，其孔隙度相應降低[15-16]。

1.7.2 滲透率

3個主要儲層段的滲透率為：孫本煤層段滲透率為0.428 mD；中間煤層段滲透率為0.469 mD；太平煤層段滲透率為0.323 mD。根據(jù)測試結(jié)果，該區(qū)煤儲層滲透率較高，有利于煤層整體排水降壓，提高煤層氣采收率[17]。

1.8 煤儲層原始地層壓力

孫本煤層的儲層壓力系數(shù)為0.91；中間煤層的儲層壓力系數(shù)為0.82 ；太平煤層的儲層壓力系數(shù)為0.98。可以看出，孫本煤層和中間煤層為欠壓儲層，孫本煤層欠壓幅度約10%；中間煤層欠壓幅度約18%；太平煤層基本為平衡壓力儲層。本區(qū)各煤層屬于欠壓—常壓狀態(tài)。孫本煤層的實測臨界解吸壓力與儲層壓力比值為0.74；中間煤層的臨儲壓力比值為0.89；太平煤層的臨儲壓力比值為0.80。該區(qū)儲層的地應力梯度為0.013～0.013 6 kPa/m。

表3 劉家區(qū)主要煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)表

2 產(chǎn)能分析

2.1 排采動態(tài)參數(shù)分析

產(chǎn)氣特征：該區(qū)靠近斷層和輝綠巖墻的煤層氣井一般排采較長時間才能產(chǎn)氣，如：LJ-8井處于平安F2號斷層附近排采32個月才開始產(chǎn)氣，遠離斷層和輝綠巖墻的煤層氣井一般排采時間在15 d內(nèi)開始產(chǎn)氣。主要控制因素是該區(qū)儲層壓力基本處于平衡狀態(tài)[18]，煤層氣含氣飽和度大于85%，飽和度高，遠離斷層和輝綠巖墻的煤層氣井排采較短時間就能產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量1 000～16 000 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣時間700 ～900 d，平均產(chǎn)氣量3 000 m3/d左右。主要是由于該區(qū)地應力較弱，輝綠巖墻兩側(cè)裂隙寬度較大、斷層均為張性，因此靠近斷層和輝綠巖墻的煤層氣井需要很長的排采時間才能產(chǎn)氣[19]，產(chǎn)氣量1 000～3 500 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)氣時間小于700 d，平均產(chǎn)氣量2 200 m3/d左右。

產(chǎn)水特征：靠近斷層和輝綠巖墻的煤層氣井產(chǎn)水量較大，初期一般40～180 m3/d，產(chǎn)氣后水量逐漸減低至20～120 m3/d；遠離斷層和輝綠巖墻的煤層氣井產(chǎn)水量較小，初期一般在20～30 m3/d，產(chǎn)氣后水量10～20 m3/d；穩(wěn)產(chǎn)期過后產(chǎn)水量小于10 m3/d（圖 1）。

圖1 LJ-12井生產(chǎn)歷時曲線圖

動液面：隨著排采的進行，液面下降，液面深度（液面距地面的距離）由小變大，液柱高度（液面距煤層的距離）逐漸減小。在沒有產(chǎn)氣的排采期，動液面的變化直接影響井底流壓的變化[20]，初期排采相對較快，待井底流壓接近煤層解吸壓力時，排水速度降低，液面下降速度放緩，并持續(xù)較長時間[21]，區(qū)內(nèi)試驗井產(chǎn)氣時動液面基本在距中間煤層頂板30 m左右。

經(jīng)過前期的排采取得以下規(guī)律性認識：

1）該區(qū)孫本、中間、太平煤層分布穩(wěn)定，煤層厚度大，層數(shù)多，含氣量及含氣飽和度較高，煤儲層改造后滲透性好，通過壓裂增產(chǎn)措施后，可以獲得很好的煤層氣工業(yè)氣流。

2）合理的排采制度如穩(wěn)定降低井筒液面高度、避免強烈的井底壓力擾動，有利于煤層氣的穩(wěn)定、平衡產(chǎn)出[22]。

3）大部分煤層中含水性較弱，壓裂后返排量和排采產(chǎn)水量適中，有利于煤層氣產(chǎn)出和排采水處理。

4）張性斷裂帶和火山巖侵入帶附近，不利于煤層氣保存，含水性較強，需要提高排采強度才能確保煤儲層有效降壓產(chǎn)氣[23]。

5）隨著排采時間延長，煤層中壓降漏斗不斷擴大，煤層氣產(chǎn)量逐漸上升達到高峰[24]。后期地層能量衰減導致產(chǎn)氣逐漸遞減。由于本區(qū)低階煤滲透率較高，遞減速度相對較慢。

6）排采強度的劇烈變化易造成煤層擾動，吐砂吐煤粉，嚴重時造成卡泵修井影響產(chǎn)氣量[25]，因此降液階段和產(chǎn)氣階段確定合理的排采工作制度是非常必要的。

2.2 產(chǎn)氣量及生產(chǎn)年限預測

劉家區(qū)煤層氣開發(fā)多年，煤層氣井大多已經(jīng)進入緩慢衰減期，選擇具有代表性的3口煤層氣生產(chǎn)井，通過產(chǎn)量遞減法分析，預測單井生產(chǎn)年限和最終累計產(chǎn)氣量。以當前日產(chǎn)氣量300 m3為經(jīng)濟下限值[2]計算。根據(jù)預測，LJ-12井（2006年投產(chǎn)）還可生產(chǎn)17.13 a，最終累計產(chǎn)氣量為4 060.90h104m3；LJ-17井（2008年投產(chǎn)）還可生產(chǎn)9.73 a，最終累計產(chǎn)氣量為981.06h104m3；LJ-22井（2012年投產(chǎn)）還可生產(chǎn)10.15 a，最終累計產(chǎn)氣量：636.49h104m3。

通過3口典型井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合，得到LJ-12井、LJ-17井、LJ-22井產(chǎn)量趨勢函數(shù)（圖2、圖3、圖4）分別為：

圖2 LJ-12井生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合預測趨勢圖

圖3 LJ-17井生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合預測趨勢圖

圖4 LJ-22井生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合預測趨勢圖

3口井產(chǎn)量遞減方程分別為：

根據(jù)經(jīng)濟極限產(chǎn)氣量300 m3/d，計算得到這3口井未來還可生產(chǎn)17.13 a、9.73 a、10.15 a，未來產(chǎn)氣量分別為839.27h104m3、235.38h104m3、254.86h104m3，最終累計產(chǎn)氣量（已產(chǎn)出量+未來預測量）依次為：4060.90h104m3、981.06h104m3、636.49h104m3。

通過上述3口煤層氣生產(chǎn)井的產(chǎn)量遞減法分析預測，劉家區(qū)煤層氣開發(fā)單井平均累計產(chǎn)氣量1 693h104m3，平均采收率63%，生產(chǎn)年限平均在20 a以上。

3 結(jié)論

1）阜新劉家區(qū)煤層氣賦存條件較好，煤層氣開發(fā)的主要目的煤層為阜新組的孫本、中間、太平上和太平下層，煤層頂板均為泥巖夾泥質(zhì)砂巖及粉砂巖段，泥巖厚度大，裂隙不發(fā)育，是良好的蓋層。

2）煤層含氣量介于5.65～12.50 m3/t，煤層含氣飽和度較高，有利于氣體的產(chǎn)出。

3）劉家區(qū)煤層氣開發(fā)單井平均累計產(chǎn)氣量1 693h104m3，平均單井采收率63%，生產(chǎn)年限平均在20以上，具有較大的開發(fā)利用價值。