基于地質(zhì)主控因素的阜康示范區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)特征研究

馬 婷

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830009)

1 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)總體構(gòu)造為地層南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻鼥|西向，傾角范圍為30°～58°，平均為46°，示范區(qū)為簡單構(gòu)造類型。主要含煤地層為八道灣組下段，它們是煤層氣勘探主要目標(biāo)層，煤層深在500～1200m。

八道灣組是示范區(qū)內(nèi)目標(biāo)含煤層，通過鉆井資料的取心結(jié)果和測(cè)井解釋結(jié)果分析可知，39號(hào)、41號(hào)、42號(hào)煤層厚度較大，分布穩(wěn)定，為示范區(qū)的目標(biāo)煤層。三層主力煤層鏡煤最大反射率為0.6%～1.01%，均屬于氣煤。

研究區(qū)目標(biāo)煤層39號(hào)、41號(hào)、42號(hào)埋深在500～1200m之間，埋深總體為南深北淺，東南埋藏最深，西北埋藏最淺。

研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)煤層39號(hào)煤頂板大部分為砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖，41、42號(hào)煤的頂?shù)装寰鶠楹院蜐B透性弱的泥巖或者砂質(zhì)泥巖，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時(shí)也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

2 煤儲(chǔ)層含氣性及物性特征

2.1 含氣量

研究區(qū)煤層氣排采為三層合采，取芯解吸實(shí)測(cè)含氣量是分層測(cè)試的，39號(hào)煤層實(shí)測(cè)含氣量區(qū)間值為8.71～15.24m3/t，41號(hào)煤層含氣量區(qū)間含氣量值為13.81～19.74m3/t，42號(hào)煤層實(shí)測(cè)含量區(qū)間值為11.2～18.58m3/t，實(shí)測(cè)含氣量總體較高。

以往對(duì)煤層含氣量的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方法主要有鉆孔巖心實(shí)測(cè)含氣量法、煤層含氣梯度法、基于朗格繆爾方程的煤層含氣量預(yù)測(cè)方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析法等，近年來國內(nèi)外研究學(xué)者通過地球物理測(cè)井的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)含氣量的預(yù)測(cè)。研究區(qū)取芯井較少，為預(yù)測(cè)示范區(qū)煤層氣甜點(diǎn)區(qū)，需得到單井含氣量的分布，本文利用測(cè)井參數(shù)多元擬合實(shí)現(xiàn)研究區(qū)含氣量的全區(qū)預(yù)測(cè)，估算含氣量值分布在7.67～14.04 m3/t，含氣量相對(duì)較高。

2.2 煤體結(jié)構(gòu)

通過巖心觀測(cè)，研究區(qū)取心井39號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)分布有碎裂-碎粒煤、碎粒煤及碎粒-碎粒煤，整體煤層較破碎，41號(hào)煤層分布有原生-碎裂煤、碎裂-碎粒煤及碎粒-糜棱煤，煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)較碎裂，42號(hào)煤層有碎裂煤、碎裂-碎粒煤、碎粒-糜棱煤及糜棱煤，各種程度的破碎煤均有分布。鉆孔煤心描述是最直接獲取煤體結(jié)構(gòu)的方法，但對(duì)未取芯井的資料無法獲取，煤體結(jié)構(gòu)是決定煤儲(chǔ)層滲透率關(guān)鍵的因素，故煤體結(jié)構(gòu)的分布預(yù)測(cè)至關(guān)重要，本論將煤體結(jié)構(gòu)量化為表征值，采用測(cè)井參數(shù)建立煤體結(jié)構(gòu)解釋模型，以獲得煤體結(jié)構(gòu)在研究區(qū)的分布預(yù)測(cè)。

研究區(qū)較完整煤，即原生結(jié)構(gòu)煤、原生-碎裂煤、碎裂煤的厚度在4.95～49m，分布于研究區(qū)的西部及東部，中部破碎煤厚度較大，煤體結(jié)構(gòu)較完整的煤層滲透率高且改造性強(qiáng)，有利于煤層氣的保存和運(yùn)移，而破碎煤滲透率極差且不利于煤層氣的保存。

2.3 儲(chǔ)層滲透性

根據(jù)注入/壓降測(cè)試的結(jié)果，39號(hào)煤層的滲透率在0.03～4.23mD之間，平均滲透率為1.54mD；41號(hào)煤層的滲透率在0.0045～0.25mD之間，平均滲透率為0.12mD；42號(hào)煤層滲透率在0.01～0.18mD之間，平均滲透率為0.073mD。

研究區(qū)的目標(biāo)煤層不同程度地有較完整煤和破碎煤，破碎煤厚度比例介于23%～86%，且在研究區(qū)均有較大的差異，詳見表1，滲透率介于 0.06～0.14mD，屬于低滲到中滲儲(chǔ)層。

表1 破碎煤厚度比與滲透率分布表

2.4 煤層孔隙度

采用煤巖壓汞、氦密度法、密度法和測(cè)井等手段來獲取煤層孔隙度。前者所測(cè)試的煤巖孔隙多為裂隙孔隙度，在壓力較小時(shí)，汞不能進(jìn)入煤巖基質(zhì)孔隙，從而使孔隙度測(cè)定值普遍較低；氦密度測(cè)定法數(shù)據(jù)雖然精確，但受試驗(yàn)環(huán)境、手段和經(jīng)濟(jì)條件等因素的制約；而密度法和測(cè)井孔隙度數(shù)據(jù)目標(biāo)來自生產(chǎn)，所獲得的孔隙度具有數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確、易獲取的特點(diǎn)。

研究區(qū)實(shí)測(cè)煤層的孔隙度不高，39號(hào)煤層孔隙度區(qū)間為2.8%～8.5%，41號(hào)煤層孔隙度在 3.6%～9.4%之間，42號(hào)煤層孔隙度在3.2%～7.7%之間，均小于10%，煤層取芯井實(shí)測(cè)孔隙度表明，區(qū)塊內(nèi)目標(biāo)煤層的孔隙度不高，屬于低孔隙度儲(chǔ)層。另外利用煤樣化驗(yàn)測(cè)試，獲取煤的真密度和視密度，其差值可以估計(jì)煤儲(chǔ)層的孔隙度。本區(qū)共利用了4口井的煤樣分析資料，通過統(tǒng)計(jì)，目標(biāo)煤層39號(hào)煤的孔隙度在2.5%～13.3%，平均約7.6%；目標(biāo)煤層41號(hào)煤的孔隙度在2.8%～14.5%，平均約8.3%；目標(biāo)煤層42號(hào)煤的孔隙度在3.2%～10.8%，平均約6.9%。

由于兩種方法的原理不同，且在測(cè)試過程中，受設(shè)備等條件的影響，因此，兩種方法測(cè)試的結(jié)果有一定的差距。但無論哪種方法，主力煤層的孔隙度最大為14.5%，屬于低孔隙儲(chǔ)層。

由于實(shí)測(cè)孔隙度的值不能整個(gè)覆蓋研究區(qū)，因此為獲取研究區(qū)孔隙度的分布，依據(jù)煤儲(chǔ)層孔隙度的測(cè)井響應(yīng)機(jī)理分析，選取在理論上具有一定相關(guān)性的測(cè)井曲線，根據(jù)所選取的測(cè)井曲線在研究區(qū)空間以及單井上的展布特征，進(jìn)行測(cè)井參數(shù)表征形式的變化使得到的測(cè)井參數(shù)所組成的參數(shù)矩陣具有較穩(wěn)定、較小波動(dòng)的分布特征。從而建立適合于研究區(qū)的孔隙度測(cè)井回歸計(jì)算模型，而后進(jìn)行多元擬合分析，獲取系數(shù)的參數(shù)，表征解釋模型，而后進(jìn)行解釋成果的驗(yàn)證，最終得出適合于研究區(qū)的孔隙度解釋模型。

3 煤層氣富集高產(chǎn)地質(zhì)評(píng)價(jià)體系的建立及富集高產(chǎn)特征研究

3.1 煤層氣富集高產(chǎn)的地質(zhì)影響因素

煤層氣井的開發(fā)是將賦存在煤層中的甲烷氣體通過一系列的工程技術(shù)手段將其產(chǎn)出，能否形成較高的商業(yè)價(jià)值目標(biāo)取決于達(dá)到規(guī)模性產(chǎn)量的開采有效性。不論何種開采工藝，較好的產(chǎn)氣效果均需要煤儲(chǔ)層具有一定的資源量，而能否將這些豐富煤層氣資源產(chǎn)出則需要煤層氣具有較好的解吸能力，煤層也需要具有較好的滲透、流動(dòng)通道，即較高的煤層氣運(yùn)移能力。同時(shí)，煤儲(chǔ)層賦存的構(gòu)造環(huán)境的強(qiáng)弱、煤體結(jié)構(gòu)的好壞等也影響著開發(fā)工程的有效、順利實(shí)施。

(1)資源量

在一定的煤儲(chǔ)層賦存環(huán)境下，煤層氣的資源量即富集是煤層氣井獲得高產(chǎn)的必要條件。通過研究區(qū)沉積相與煤相的研究發(fā)現(xiàn)，在煤層縱向展布中，煤層的形成環(huán)境存在一定差異，使得煤質(zhì)演化程度不同，從而在縱向展布上并非是均質(zhì)唯一的，煤層氣井的開發(fā)涉及到了各工程地質(zhì)條件在煤層縱向各段中的有效匹配性，而含氣量這種縱向非均質(zhì)性必然會(huì)到各種因素匹配的有效性降低，所以煤儲(chǔ)層的資源量同樣也需要考慮煤層氣縱向展布的均一性。

(2)滲透性

煤層滲透率反映著氣、水在煤層中運(yùn)移能力，是煤體固相基質(zhì)、孔隙以及流體三者共同作用的直接反應(yīng)，較低的煤層滲透率難以形成有效連續(xù)的氣水流動(dòng)，同時(shí)還容易受到開采動(dòng)態(tài)過程的影響而產(chǎn)生較大的敏感性，直接制約著煤層氣的開采效果，較高的煤層滲透率是形成煤層氣富集高產(chǎn)的保障。同時(shí)，如煤層含氣性在縱向空間中的展布差異一樣，由于煤層煤相的差異使得煤體自身發(fā)育的原始孔滲結(jié)構(gòu)不同，使?jié)B透率的展布出現(xiàn)差異，同時(shí)煤相的差異還影響煤層煤質(zhì)、結(jié)構(gòu)，使其在受到后期地質(zhì)演化活動(dòng)作用時(shí)的響應(yīng)不同，作用煤體后期的滲透率變化不同，綜合原始孔滲結(jié)構(gòu)的差異，煤體滲透率在煤層段縱向空間中也表現(xiàn)出了一定的非均質(zhì)性，也會(huì)使得各工程地質(zhì)參數(shù)間匹配的有效性降低而制約煤層氣的富集高產(chǎn)。

(3)解吸能力

煤層中的甲烷目標(biāo)以吸附狀態(tài)賦存在煤層之中，甲烷的產(chǎn)出需首先排采煤層中水以降低煤層孔隙中的流體壓力，當(dāng)壓力降低至甲烷氣體的臨界解吸壓力以下時(shí)即發(fā)生解吸轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，才可在壓差的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)移產(chǎn)出煤層，從而煤層氣解吸的難易程度就制約著煤層氣開采效果的好壞。臨儲(chǔ)比是煤層甲烷氣體臨界解吸壓力與儲(chǔ)層壓力間的比值，可直接反映煤層氣排水降壓的難易程度，臨儲(chǔ)比越低，排水降壓的幅度越大，難度增加，工程量變大，敏感度煤層氣儲(chǔ)層受到的影響越大，越不利于煤層氣的高效產(chǎn)出。

(4)煤體結(jié)構(gòu)

可依據(jù)破壞程度主要?jiǎng)澐譃樵Y(jié)構(gòu)、原生-碎裂、碎裂結(jié)構(gòu)、碎裂-碎粒、碎粒結(jié)構(gòu)、碎粒-糜棱以及糜棱結(jié)構(gòu)。煤體結(jié)構(gòu)的差異一方面影響著煤層滲透率的大小，另一方面在區(qū)域上產(chǎn)生了較大非均質(zhì)性，影響著煤層氣的壓裂、排采工程實(shí)施從而制約著煤層氣井的產(chǎn)能。

(5)圍巖條件

研究區(qū)中南部目標(biāo)煤層頂?shù)装迥繕?biāo)分布著泥巖、砂巖以及部分灰?guī)r，基于研究區(qū)目標(biāo)含煤段沉積相的研究可知，泥巖間的煤層大都穩(wěn)定，煤質(zhì)較純，灰分含量較低，保存較好的結(jié)構(gòu)，從而泥巖對(duì)煤層的封蓋效果較好。而砂巖由于孔隙空間相對(duì)較大而不利于煤層氣的聚集?；?guī)r則由于常含有較大的溶蝕空間，也會(huì)造成甲烷氣體的逸散，同時(shí)灰?guī)r含水量較大，易與煤層發(fā)生水動(dòng)力聯(lián)系而影響開采效率降低產(chǎn)氣效果。

(6)水文地質(zhì)條件

煤層氣吸附在煤層孔隙中，受到了來自周圍巖層以及水流的封堵作用，地下水的滯區(qū)對(duì)煤層有較好的封閉作用，有利于煤層氣的富集，而徑流區(qū)由于地下水流動(dòng)性強(qiáng)，會(huì)增強(qiáng)煤層氣的逸散，不利于煤層氣的富集。區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜與否目標(biāo)反映了應(yīng)力作用對(duì)煤層氣富集的影響，其在一定程度上反映著地質(zhì)演化作用的強(qiáng)烈程度，影響區(qū)域上煤體結(jié)構(gòu)破壞程度、煤層頂?shù)装鍖?duì)煤層氣的封存好壞，從而對(duì)煤層滲透率與含氣量有著一定影響，同時(shí)還決定著開發(fā)工程實(shí)施等方便性從而影響煤層井的富集開發(fā)。

3.2 煤層氣富集高產(chǎn)目標(biāo)評(píng)價(jià)

通過對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)影響因素的分析，可得出含氣量、煤層厚度、滲透率、臨儲(chǔ)比、煤體結(jié)構(gòu)、火燒距離、頂?shù)装鍘r性以及構(gòu)造復(fù)雜程度幾項(xiàng)關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上本文根據(jù)模糊評(píng)價(jià)的方法，通過矩陣運(yùn)算，專家打分量化各因素對(duì)研究區(qū)富集開發(fā)的貢獻(xiàn)分值和權(quán)重，劃分等級(jí)建立區(qū)域地質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行富集高產(chǎn)評(píng)價(jià)，詳見表2。

表2 研究區(qū)富集高產(chǎn)評(píng)價(jià)體系

研究區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)評(píng)價(jià)總分分布在42～77之間，較高富集區(qū)與較差富集區(qū)均有分布，研究區(qū)總體從西部至東部呈現(xiàn)出高產(chǎn)-低產(chǎn)-高產(chǎn)-低產(chǎn)的富集規(guī)律，這是由于研究區(qū)位于北天山褶皺帶，褶皺的作用使得研究區(qū)煤層氣富集呈現(xiàn)此規(guī)律，研究區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)特征的研究對(duì)新疆煤層氣的開發(fā)具有重要意義。