李全中,趙凌云,胡海洋
(1.山西工程技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系,山西 陽泉045000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州221116;3.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽550081;4.貴州省油氣勘查開發(fā)工程研究院,貴州 貴陽550081)
根據(jù)貴州省大地構(gòu)造特征,省內(nèi)賦存上二疊統(tǒng)含煤地層的構(gòu)造單元分別為六盤水、興義、織納、黔北和貴陽5 個煤田[1]。六盤水煤田大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子陸塊黔南坳陷六盤水?dāng)嘞葜兄帘辈?,北東和南東分別以紫云-班都斷裂和潘家莊斷裂為界,煤田走向正斷層較發(fā)育,常沿背斜軸或翼部分布[2]。貴州省含煤地層經(jīng)歷不同規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動,煤層遭受不同程度的應(yīng)力影響后形成原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤。糜棱煤受構(gòu)造應(yīng)力的影響,原始煤層結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)等受到的破壞最為嚴(yán)重,煤層原始的端割理、面割理被破壞,對滲透率的影響較大[3]。目前各地對構(gòu)造影響強(qiáng)烈的煤層進(jìn)行煤層氣開發(fā)的效果不甚理想,而貴州地區(qū)多煤層發(fā)育,在開發(fā)之前,需要對不同煤層的煤體結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律進(jìn)行研究,為煤層氣井壓裂改造選層及射孔段選擇提供幫助。針對構(gòu)造煤的煤體結(jié)構(gòu)識別,目前主要依靠井下取樣、地面取心直接觀測和地球物理方法對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。井下取樣、地面取心直接觀測方法的主觀性較強(qiáng),且受取樣片面性和取心局限性的限制,無法實現(xiàn)對整個煤層的煤體結(jié)構(gòu)精細(xì)化描述,地球物理方法對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋的客觀性較強(qiáng),主要依據(jù)地球物理資料,能夠?qū)崿F(xiàn)對煤層煤體結(jié)構(gòu)的精細(xì)化描述[4-6]。通過對測井響應(yīng)進(jìn)行小波多尺度分析和聚類分析,在測井響應(yīng)識別煤體結(jié)構(gòu)的模型中,引入地質(zhì)強(qiáng)度因子GSI 對煤體結(jié)構(gòu)賦值,能夠提高煤體結(jié)構(gòu)識別的精度和可靠性[7-8],不同的研究者采取不同的測井響應(yīng)數(shù)據(jù),解釋的煤體結(jié)構(gòu)具有一定的差異性。以貴州省六盤水煤田楊梅樹向斜煤層氣勘探開發(fā)取心及測井資料為基礎(chǔ),通過取心識別煤體結(jié)構(gòu)及測井響應(yīng)解釋煤體結(jié)構(gòu)對比,建立該地區(qū)基于煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)的識別煤體結(jié)構(gòu)的方法,對開發(fā)井的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別,分析不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的產(chǎn)能貢獻(xiàn),為該地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)過程中的壓裂改造選層及射孔層段優(yōu)選提供參考。
煤層非均質(zhì)性較強(qiáng),受構(gòu)造運(yùn)動影響煤體結(jié)構(gòu)差異較大,根據(jù)煤層的煤體結(jié)構(gòu)特征,常見的煤體結(jié)構(gòu)分類為河南理工大學(xué)提出的四分法[9],即將煤層劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤4 大類,針對碎裂煤單位面積的裂隙數(shù)量及碎粒煤顆粒粒徑的分布規(guī)律,可對碎裂煤、碎粒煤2 類煤層細(xì)化分類,對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化描述,其他針對煤體結(jié)構(gòu)的劃分包括三分法、五分法等[10]。琚宜文[11]針對沁水盆地和兩淮煤田的構(gòu)造煤按構(gòu)造變形機(jī)制分為脆性變形、脆韌性變形和韌性變形3 個變形序列的10 類煤,姜波[12]針對構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)特征及其形成的環(huán)境條件,將構(gòu)造煤分為2 大系列7 種類型。煤體結(jié)構(gòu)分類見表1。根據(jù)楊梅樹向斜的勘探開發(fā)資料,結(jié)合測井資料解釋成果,將楊梅樹向斜煤層的煤體結(jié)構(gòu)劃分為3 類,即原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、構(gòu)造煤。
表1 煤體結(jié)構(gòu)分類Table 1 Classification of coal structure
楊梅樹向斜煤層以原生結(jié)構(gòu)及碎裂煤為主,構(gòu)造煤較少,楊梅樹向斜煤體結(jié)構(gòu)測井分布范圍和均值對比見表2。從表2 可以看出,補(bǔ)償密度、聲波時差、微球型聚焦電阻率、井徑測井值隨煤體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律較明顯,補(bǔ)償密度及微球型聚焦電阻率測井值隨煤體結(jié)構(gòu)破壞呈下降趨勢,聲波時差及井徑測井值隨煤體結(jié)構(gòu)破壞呈上升趨勢,而自然電位、自然伽馬測井響應(yīng)數(shù)據(jù)變化規(guī)律不明顯。測井響應(yīng)數(shù)據(jù)隨煤體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律較明顯的測井參數(shù)[13-14],通過數(shù)學(xué)公式處理后可以對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別。
表2 楊梅樹向斜煤體結(jié)構(gòu)測井分布范圍和均值對比Table 2 Logging distribution range and mean value comparison of coal structure in Yangmeishu syncline
原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤受構(gòu)造運(yùn)動的影響,煤層的含水性、孔隙度、裂隙充填物等發(fā)生變化,導(dǎo)致不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的測井響應(yīng)不同。根據(jù)不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的測井響應(yīng)可以看出,煤層補(bǔ)償聲波測井、補(bǔ)償密度測井、井徑測井相應(yīng)值的有效組合,可反應(yīng)出不同煤體結(jié)構(gòu)的差異,建立煤體結(jié)構(gòu)定量識別的經(jīng)驗公式[15]:
式中:n 為煤體結(jié)構(gòu)指數(shù),無量綱;AC 為補(bǔ)償聲波測井值,μs/m;CAL 為井徑測井值,mm;DEN 為補(bǔ)償密度測井值,g/cm3。
圖1 楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)分布圖Fig.1 Distribution of coal structure index of fracturing coal seam of Y1 well in Yangmeishu syncline
根據(jù)測井響應(yīng)可以對煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)識別,從圖1 可以看出,5-2#煤層為原生結(jié)構(gòu)煤-碎裂煤,上部主要為碎裂煤,下部主要為原生結(jié)構(gòu)煤;7#煤層為構(gòu)造煤為主,中上部為構(gòu)造煤,下部含少量原生結(jié)構(gòu)煤夾層;13-2#煤層為原生結(jié)構(gòu)煤,中部含少量碎裂煤夾層。從楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層取心照片可以看出,13-2#煤層的端割理、面割理結(jié)構(gòu)明顯,為典型的原生結(jié)構(gòu)煤;5-2#煤層能分辨出端割理,但相對13-2#煤層而言,煤體相對破碎,屬于碎裂煤;7#煤層無法分別出面割理、端割理,且斷面上有明顯的顆粒感,屬于構(gòu)造煤。測井響應(yīng)分析的煤體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場取心分析的煤體結(jié)構(gòu)基本一致,即測井響應(yīng)可以指導(dǎo)煤層氣開發(fā)過程中的煤體結(jié)構(gòu)識別。
煤層氣的開發(fā)效果評價主要是從采收率、產(chǎn)氣周期、產(chǎn)量等方面進(jìn)行評價,其中從產(chǎn)氣量方面進(jìn)行評價是最直觀的評價方式[16]。煤層含氣主要以吸附氣為主,含少量的游離氣和水溶氣。煤層氣井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)依賴于煤層的解吸半徑和氣體解吸產(chǎn)出的難易程度,吸附氣越容易解吸產(chǎn)出,煤層可解吸氣量越大,吸附氣越容易解吸產(chǎn)出且解吸半徑越大,煤層氣井越容易實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。
煤層氣井儲層可解吸產(chǎn)出的總氣量Q 為:
式中:Q 為煤層氣井儲層可解吸產(chǎn)出的總氣量,m3;R 為解吸半徑,m;ρ 為煤層密度,t/m3;h 為煤層厚度,m;α 為煤層氣解吸率;V 為煤層含氣量,m3/t。
式(2)中αV 的乘積表示單位質(zhì)量煤體可解吸產(chǎn)出的煤層氣體積,從式(2)可以看出,在確定的煤層厚度和煤層密度條件下,煤層氣井儲層可解吸產(chǎn)出的總氣量取決于煤層的解吸半徑和煤儲層中吸附氣的可解吸氣量,即吸附氣解吸產(chǎn)出的難易程度。
煤層中的氣體以吸附態(tài)為主,氣體產(chǎn)出需將煤儲層的壓力降低至臨界解吸壓力以下,煤層中的吸附態(tài)氣體逐漸轉(zhuǎn)化為游離態(tài),在經(jīng)過煤基質(zhì)孔隙及煤層孔裂隙通道流向井筒,氣體的解吸產(chǎn)出包括解吸、產(chǎn)出2 個過程。研究表明,不同煤體結(jié)構(gòu)的煤層對氣體解吸、產(chǎn)出都有影響。隨著煤體結(jié)構(gòu)的破壞加劇,煤體的孔隙度及比表面積迅速增加。通過對不同煤體結(jié)構(gòu)煤的逸散速度實驗測試發(fā)現(xiàn),隨著煤體結(jié)構(gòu)破壞程度的增加,逸散速度呈增加的趨勢[17],說明比表面積的增加有利于氣體的解吸。原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤受構(gòu)造應(yīng)力的影響較小,煤層中的孔隙以微孔為主,相對缺少大孔,煤層壓裂改造的過程中,容易形成連通性較好的裂隙通道,有利于氣體產(chǎn)出,而碎粒煤、糜棱煤受構(gòu)造影響,煤體結(jié)構(gòu)破碎,孔隙連通性較好,但煤體結(jié)構(gòu)破碎,不利于煤儲層的壓裂改造,壓裂改造范圍小,且排采過程中煤粉堵塞通道,不利于氣體產(chǎn)出,產(chǎn)氣衰減快,不利于煤層氣的開發(fā)[18-19]。
煤層氣井儲層隨著壓力的降低,產(chǎn)水半徑及解吸半徑不斷擴(kuò)大,因此,煤儲層持續(xù)排水對擴(kuò)大解吸半徑意義重大。煤層氣井儲層產(chǎn)水受地層能量、地層通道的共同影響,地層能量越高、通道連通條件越好,越有利于煤儲層的產(chǎn)水降壓。通過對不同儲層類型地層及煤層氣井生產(chǎn)研究分析發(fā)現(xiàn),煤體結(jié)構(gòu)對壓裂改造具有控制作用[20],直接影響煤層氣井的產(chǎn)能。原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤的巖石力學(xué)性能較好,壓裂改造能夠形成長裂縫,溝通更大范圍的煤儲層,為產(chǎn)水降壓形成的解吸半徑提供保障,而碎粒煤、糜棱煤受構(gòu)造應(yīng)力影響較大,煤體結(jié)構(gòu)破碎,巖石力學(xué)性能較差,壓裂改造過程中難以形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裂縫網(wǎng)絡(luò),裂縫聯(lián)通范圍有限,限制了煤儲層的產(chǎn)水降壓范圍及儲層的解吸半徑。通過對煤層氣井的解吸半徑進(jìn)行定量研究可以看出,煤儲層的解吸半徑越大,煤層氣井的產(chǎn)氣量越高。煤層氣井要實現(xiàn)產(chǎn)氣量的高產(chǎn)穩(wěn)定,必須擴(kuò)大儲層的解吸半徑。
綜合而言,原生結(jié)構(gòu)煤及碎裂煤的原生孔裂隙通道少,不利于氣體解吸,氣體解吸較慢,但壓裂改造后通道連通性較好、裂縫長、煤粉少,有利于氣體的產(chǎn)出和擴(kuò)大儲層的解吸半徑;碎粒煤及糜棱煤原生孔隙度較高,有利于氣體解吸,氣體解吸較快,但不利于壓裂改造,且改造后煤粉多,不利于氣體產(chǎn)出,解吸半徑小,氣體產(chǎn)出衰減快。
水利風(fēng)景區(qū)以水域(水體)或水利工程為依托,具有一定規(guī)模和質(zhì)量的風(fēng)景資源與環(huán)境條件,可以開展觀光、娛樂、休閑、度假或科學(xué)、文化、教育活動。截至2010年年底,安徽沿淮有國家水利風(fēng)景區(qū)7處(包括焦崗湖),景區(qū)面積為8459hm2。
楊梅樹向斜發(fā)育多層可采煤層,煤層厚度薄,資源豐度低,不適宜進(jìn)行單煤層的煤層氣開發(fā)。不同煤體結(jié)構(gòu)的煤層在壓裂改造的過程中,由于不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的壓裂效果差異較大,煤層改造范圍、解吸范圍受限,導(dǎo)致不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)差異較大。研究區(qū)發(fā)耳Y1 井對構(gòu)造煤及原生結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行壓裂改造開發(fā)煤層氣,其中5-2#煤層為原生結(jié)構(gòu)煤-碎裂煤、7#煤層為構(gòu)造煤、13-2#煤層原生結(jié)構(gòu)煤,楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層參數(shù)表見表3,楊梅樹向斜Y1 井排采曲線如圖2。
表3 楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層參數(shù)表Table 3 Fracturing coal seam parameter table of Y1 well in Yangmeishu syncline
圖2 楊梅樹向斜Y1 井排采曲線Fig.2 Drainage curves of Y1 well in Yangmeishu syncline
綜合考慮煤層埋深和臨界角吸壓力,由表3 得壓裂煤層的解吸順序為:5-2#、13-2#、7#煤層。根據(jù)解吸順序及產(chǎn)氣曲線可以看出,排采45 d 以后,見套壓時,5-2#煤層解吸;排采120 d 以后,產(chǎn)氣量大幅上升時,13-2#煤層解吸;排采200 d 以后,流壓穩(wěn)定下降、產(chǎn)氣出現(xiàn)明顯上升時,7#煤層解吸。
圖2 中從左至右3 條紅色虛線為3 個層煤的先后解吸點。根據(jù)產(chǎn)氣變化曲線可以看出,5-2#煤層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)為1 800 m3/d,每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)為677 m3/m;13-2#煤層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)為2 200 m3/d,每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)為1 140 m3/m;7#煤層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)為900 m3/d,每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)為492 m3/m。從3 層煤的每米產(chǎn)能貢獻(xiàn)可以看出,原生結(jié)構(gòu)煤的每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)在600~1 200 m3/m 之間,而構(gòu)造煤的每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)低于500 m3/m,構(gòu)造煤的每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)明顯低于原生結(jié)構(gòu)煤的貢獻(xiàn)值,Y1 井產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)與煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)之間的關(guān)系如圖3,結(jié)合3層煤的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)可以看出,每米煤厚產(chǎn)能貢獻(xiàn)隨著煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)平均值的增加呈降低的趨勢。
楊梅樹向斜Y1 井解吸數(shù)據(jù)見表4。
圖3 Y1 井產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)與煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between productivity contribution index and coal structure index of Y1 well
表4 楊梅樹向斜Y1 井解吸數(shù)據(jù)Table 4 Desorption data of Y1 well in Yangmeishu syncline
由表4 可以看出,先解吸的煤層實際解吸壓力與臨界解吸壓力的差值(解吸壓力差值)最大,超過1 MPa,最后解吸的煤層解吸壓力差值最小,且后解吸的煤層解吸壓力差值均在0.5 MPa 左右。分析認(rèn)為,煤層中含有一定比例的游離氣,當(dāng)?shù)貙訅毫档偷揭欢ǔ潭纫院?,煤層中的游離氣克服地層壓力的作用運(yùn)移至井筒,井筒出現(xiàn)套壓,但此時的套壓不是煤層解吸引起的套壓,此時的壓力高于煤層真實的臨界解吸壓力,不能真正反映煤層的臨界解吸壓力,導(dǎo)致解吸壓力差值較大。根據(jù)楊梅樹向斜Y1 井的實際地解壓差可以看出,7#煤層(碎粒煤)的實際的解壓差比5-2#、13-2#(原生結(jié)構(gòu)煤)的大1 MPa 以上,煤層氣井在實際排采過程中,需降低更大的井底流壓才能實現(xiàn)煤層解吸,煤層臨界解吸壓力低,儲層的降壓范圍及生產(chǎn)壓差小,不利于煤層擴(kuò)大有效解吸半徑,影響煤層氣井產(chǎn)氣量。
從楊梅樹向斜Y1 井壓裂煤層的產(chǎn)氣效果分析可以看出,在目前的技術(shù)條件下,構(gòu)造煤等受構(gòu)造運(yùn)動影響較大的煤層不適宜直接進(jìn)行煤層氣開發(fā),可以探索建立虛擬儲層,對其的頂?shù)装暹M(jìn)行壓裂改造,溝通構(gòu)造煤,間接進(jìn)行煤層氣開發(fā),而原生結(jié)構(gòu)煤及受構(gòu)造運(yùn)動影響較小的碎裂煤可以進(jìn)行煤層氣開發(fā)。
楊梅樹向斜7#煤層厚度數(shù)據(jù)見表5。由表5 可以看出,研究區(qū)內(nèi)7#煤層厚度分布不穩(wěn)定,鉆遇的7#煤層厚度分布在0.59~4.25 m 之間,煤厚變化大,受構(gòu)造運(yùn)動影響較大,且出現(xiàn)受斷層影響,7#煤層斷失的情況。
表5 楊梅樹向斜7#煤層厚度數(shù)據(jù)Table 5 Coal seam thickness data of 7# in Yangmeishu syncline
楊梅樹向斜3 口井7#煤層煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)分布圖如圖4。
圖4 楊梅樹向斜3 口井7#煤層煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)分布圖Fig.5 Coal body structure index distribution diagram of 7# coal seam in three wells in Yangmeishu syncline
由圖4 可知,研究區(qū)內(nèi)的7#煤層煤體結(jié)構(gòu)變化較大,Y1 井7#煤層以構(gòu)造煤為主,煤層底部含原生結(jié)構(gòu)煤夾層,Y2 井以原生結(jié)構(gòu)煤為主,煤層中下部含碎裂煤夾層,Y5 井以碎裂煤為主,煤層中下部含構(gòu)造煤夾層。從研究區(qū)內(nèi)7#煤層的厚度及煤體結(jié)構(gòu)分布情況可以看出,7#煤層煤厚及煤體結(jié)構(gòu)分布不穩(wěn)定,煤層氣資源勘查過程中對研究區(qū)內(nèi)的參數(shù)控制難度較大。
實際煤層氣開發(fā)過程中,需結(jié)合周邊鉆孔的煤厚分布情況,對鉆孔鉆遇煤層的厚度進(jìn)行甄別,利用測井響應(yīng)對煤厚進(jìn)行校正,避免對煤厚由于構(gòu)造影響而增大的異常煤層進(jìn)行壓裂改造,同時利用測井響應(yīng)進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)計算,分析鉆遇煤層的煤體結(jié)構(gòu),同時與現(xiàn)場取心的煤體結(jié)構(gòu)結(jié)果進(jìn)行對比,判定煤層氣井井眼附近的煤體結(jié)構(gòu)。經(jīng)過對比分析后,認(rèn)為井眼周邊煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,且煤層不是構(gòu)造煤時,可優(yōu)選該煤層進(jìn)行壓裂改造,否則,不適宜進(jìn)行煤層氣開發(fā)。
1)通過對測井響應(yīng)的補(bǔ)償聲波、井徑及補(bǔ)償密度測井?dāng)?shù)據(jù)處理后,得到的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)可以反應(yīng)出煤體結(jié)構(gòu),楊梅樹向斜原生結(jié)構(gòu)煤的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)低于500,構(gòu)造煤的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)大于600,測井響應(yīng)識別與現(xiàn)場取心識別的煤體結(jié)構(gòu)一致。
2)煤儲層的解吸半徑和解吸半徑范圍內(nèi)煤層中吸附氣的可解吸氣量對煤層氣井產(chǎn)氣量的大小影響較大,煤層中吸附氣的可解吸氣量越高、解吸半徑越大,煤層氣井越容易實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)定。
3)楊梅樹向斜Y1 井不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的每米煤厚的產(chǎn)能貢獻(xiàn)不同,原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤的產(chǎn)能貢獻(xiàn)在600~1 200 m3/m 之間,構(gòu)造煤的產(chǎn)能貢獻(xiàn)低于500 m3/m,且隨著煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)的增加,每米煤厚的產(chǎn)能貢獻(xiàn)逐漸降低。
4)根據(jù)楊梅樹向斜不同煤體結(jié)構(gòu)煤層的開發(fā)實踐,目前煤層氣開發(fā)建議以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤為主,構(gòu)造煤受構(gòu)造應(yīng)力的影響,原始煤體結(jié)構(gòu)破壞較大,現(xiàn)有技術(shù)條件下不適宜直接對其壓裂改造進(jìn)行煤層氣開發(fā)。