構(gòu)造對深層煤層氣井產(chǎn)能的控制研究

李鑫

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210019）

鄂爾多斯盆地東緣是目前國內(nèi)已探明的千億立方米煤層氣田之一，煤儲層含氣量高，埋深相對適中，煤層氣產(chǎn)量大，商業(yè)化程度高。延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東緣南部，屬于特低孔、特低滲、中高階煤層氣田，孔隙度一般3%～6%，滲透率普遍小于1×10-3μm2，開發(fā)難度極大。5年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能差異較大。

不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下，產(chǎn)能的主控因素有所不同，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合各區(qū)塊實(shí)際，做了大量的研究工作，主要開展了構(gòu)造特征、水文條件、煤儲層精細(xì)描述、孔滲動態(tài)變化特征、基質(zhì)收縮效應(yīng)、煤巖巖石力學(xué)特征、吸附能力等方面研究，劉大錳等[1]、李辛子等[2]、陳貞龍等[3-4]開展了煤層氣富集成藏規(guī)律研究，為煤層氣高產(chǎn)主控因素分析奠定了基礎(chǔ)，陸小霞等[5]認(rèn)為柿莊1 000 m以深的煤儲層滲透率低是造成低產(chǎn)的主要原因，王丹[6]認(rèn)為影響臨汾區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能的主控因素是煤層埋深、資源豐度、煤體結(jié)構(gòu)、臨儲比以及水文地質(zhì)條件，王睿等[7]認(rèn)為樊莊區(qū)塊3 號煤層局部復(fù)向斜構(gòu)造軸部及其翼部、次級背斜翼部以及無明顯斷距的斷層附近是高產(chǎn)井分布區(qū)；趙欣[8]指出煤層厚度、地下水流體勢、含氣量、滲透率和臨儲比是影響保德區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能的主要地質(zhì)因素，處于地下水流體勢高部位和臨儲比高的排采井往往產(chǎn)氣量高；王維旭等[9-12]確定含氣量、煤層厚度、壓降速度、臨界解吸壓力、壓裂注入液量、加砂量、壓裂施工曲線7項(xiàng)產(chǎn)能評價指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法和模糊數(shù)學(xué)法建立筠連地區(qū)復(fù)雜參數(shù)煤層氣產(chǎn)能綜合評價模型。總體來看，國內(nèi)研究已經(jīng)較好的總結(jié)了煤層氣單井產(chǎn)能的主控地質(zhì)因素，為國內(nèi)煤層氣開發(fā)提供了較好的指導(dǎo)作用。但是對于國內(nèi)超過1 000 m 的深層煤層氣藏產(chǎn)能主控因素研究不夠深入，各因素之間的地質(zhì)關(guān)聯(lián)性認(rèn)識不清，深層煤層氣高產(chǎn)規(guī)律認(rèn)識有待進(jìn)一步深化。

以延川南深層高階煤層氣藏為研究對象，以氣田構(gòu)造和演化特征研究為基礎(chǔ)，開展構(gòu)造對煤儲層含氣性、孔滲條件、水文地質(zhì)條件的控制作用，查明煤層氣富集構(gòu)造主控因素，探討構(gòu)造控氣機(jī)理，結(jié)合煤層氣開發(fā)動態(tài)資料，分析2 號煤層褶皺構(gòu)造、斷層構(gòu)造與產(chǎn)能的相關(guān)性，為氣田的開發(fā)工作提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 氣田構(gòu)造及演化特征

1.1 氣田構(gòu)造特征

氣田地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，總體構(gòu)造形態(tài)為南北走向、向西傾斜的單斜構(gòu)造，2 號煤層埋深800～1 500 m，平均為1 280 m，鏡質(zhì)體反射率2.0%～3.2%，平均2.5%，為典型的深層中高階煤層氣藏。區(qū)內(nèi)分布著北北東、北東以及近南北向展布的斷層，以逆斷層為主，斷距一般小于20 m，延伸長度小于10 km，局部發(fā)育次級褶皺，中部的西掌斷裂帶，將氣田分為譚坪和萬寶山2個構(gòu)造帶。譚坪構(gòu)造帶靠近盆地邊緣，埋藏800～1 100 m，構(gòu)造相對復(fù)雜，斷裂、褶皺構(gòu)造較發(fā)育，萬寶山構(gòu)造帶靠近盆地中央，埋藏超過1 200 m，構(gòu)造變得相對穩(wěn)定，地層更為平緩（圖1）。

圖1 延川南煤層氣田2號煤構(gòu)造Fig.1 2#coal structure of coal seam gas field of southern Yanchuan area

1.2 氣田構(gòu)造演化史

中生代以來的燕山和喜馬拉雅兩期構(gòu)造運(yùn)動對氣田的構(gòu)造特征影響大，印支期運(yùn)動影響不明顯[13-14]。燕山期主要發(fā)育北西向張性斷裂、北北西和近東西向的剪切斷裂；喜山期主要發(fā)育北東向張性斷裂和北東東、近南北向的剪切斷裂；區(qū)內(nèi)北東向斷裂與該期應(yīng)力場最小擠壓應(yīng)力跡線近于垂直，沿此方向應(yīng)力松弛，導(dǎo)致前期擠壓構(gòu)造負(fù)反轉(zhuǎn)，使區(qū)內(nèi)發(fā)育北北東向的正斷層。近東西向或北東東—南西西的剪切斷裂在上述應(yīng)力狀態(tài)作用下，發(fā)生正斷層活動。

2 構(gòu)造對產(chǎn)能的控制作用機(jī)理

不同類型的構(gòu)造條件下煤儲層地質(zhì)特征存在差異性，區(qū)域構(gòu)造演化及其構(gòu)造發(fā)育特征對煤層氣成藏具有顯著的控制作用，構(gòu)造演化控制了生烴作用，構(gòu)造埋深控制儲層的孔滲條件及地應(yīng)力特征，構(gòu)造發(fā)育差異性控制區(qū)域水文地質(zhì)邊界及不同區(qū)域水文地質(zhì)特征，影響煤層氣的保存，構(gòu)造對儲層生烴、物性以及保存條件的綜合控制作用造成煤層氣的產(chǎn)能的差異。

2.1 構(gòu)造演化對成藏的控制作用

2.1.1 構(gòu)造對成煤的控制作用

盆地構(gòu)造演化對成煤的控制作用明顯，中奧陶紀(jì)末期至石炭紀(jì)由于地殼處于時升時降的震蕩運(yùn)動中，無法提供良好的成煤環(huán)境，主要沉積海相和海陸過渡相砂巖、泥巖以及石灰?guī)r交互成層的海陸交互相地層，到石炭紀(jì)晚期，地殼運(yùn)動相對穩(wěn)定時期，才能形成具有工業(yè)價值的可采煤層。二疊系早期地殼的再次上升導(dǎo)致海水逐漸退出，穩(wěn)定的構(gòu)造使得整個華北陸臺維持一個廣闊的濱海平原環(huán)境，森林沼澤發(fā)育，為成煤提供了優(yōu)越的環(huán)境。早二疊系晚期，隨著構(gòu)造進(jìn)一步抬升，海水進(jìn)一步退出，氣候干燥，成煤環(huán)境被破壞。

2.1.2 構(gòu)造演化對煤層氣藏的控制作用

區(qū)內(nèi)煤層經(jīng)歷了兩次沉降和一次抬升構(gòu)造運(yùn)動，三疊紀(jì)煤層受大規(guī)模深埋影響開始初次生氣高峰，煤級達(dá)到氣煤階段；隨著變質(zhì)程度進(jìn)一步加深，晚侏羅—早白堊經(jīng)歷二次生氣高峰。而晚白堊至今經(jīng)歷了大規(guī)模抬升，造成了淺埋的氣體逸散。

石炭—二疊紀(jì)地層穩(wěn)定沉降，構(gòu)造穩(wěn)定，上覆地層連續(xù)沉積，煤層被深埋在晚二疊世—三疊紀(jì)約3 000 m 的巨厚地層之下，通過長期變質(zhì)作用，煤層變質(zhì)程度逐步加深，在這個階段煤層氣開始生氣。三疊紀(jì)中后期的印支運(yùn)動造成地殼抬升和擠壓變形，受此影響煤層氣也開始發(fā)生運(yùn)移調(diào)整。但由于該時期構(gòu)造運(yùn)動表現(xiàn)為擠壓作用，故煤層氣的逸散程度較小。

燕山早期，地殼的大規(guī)模抬升運(yùn)動造成中生代地層剝蝕，煤層蓋層減薄，同時北西—南東向擠壓應(yīng)力生成了大量北東向斷裂構(gòu)造，受此影響，煤變質(zhì)作用和煤的生氣作用停止。早白堊世，盆地再度沉降，對煤層氣的二次生氣、保存具重要的作用。

喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力場由壓扭性變?yōu)閺埮ば?，斷裂呈不同程度的開放,導(dǎo)致煤層氣第二次大規(guī)模逸散，地層抬升程度越高、越靠近斷層，煤層氣的逸散程度越高。

2.2 構(gòu)造與地應(yīng)力的相關(guān)性

地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)生和演化是由地應(yīng)力作用決定的，研究區(qū)位于鄂爾多斯地塊東南邊緣，周邊地區(qū)相對穩(wěn)定的歐亞框架其運(yùn)動整體為南東方向，研究區(qū)與鄂爾多斯地塊內(nèi)一致性相對較好，其西北以張應(yīng)變?yōu)橹?，東南則以剪切應(yīng)變?yōu)橹?。通過計(jì)算延川南區(qū)塊最小水平主應(yīng)力（σhmin）、最大水平主應(yīng)力（σhmax）和垂直主應(yīng)力（σV），三軸應(yīng)力隨埋深變化的規(guī)律見圖2，把研究區(qū)地應(yīng)力條件劃分為低應(yīng)力分布區(qū)和高應(yīng)力分布區(qū)，低應(yīng)力區(qū)埋深低于1 150 m，σhmin值低于16 MPa，地應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為σV＞σhmax＞σhmin，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為伸張帶，這種應(yīng)力狀態(tài)有利于正斷層活動，煤儲層滲透性好；高應(yīng)力區(qū)煤層埋藏深度大于1 150 m，σhmin值16～25 MPa，地應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為σhmax＞σV＞σhmin，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為壓縮帶，這種應(yīng)力狀態(tài)有利于逆斷層和平移斷層活動，且應(yīng)力中等，煤儲層滲透性一般。

圖2 延川南三軸應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Three-axis stress relationship of southern Yanchuan area

2.3 構(gòu)造對滲透率的控制作用

煤儲層原始滲透性主要取決于天然裂隙的發(fā)育程度和裂隙的張開度，其中天然裂隙受成煤條件以及后期構(gòu)造變形破壞作用綜合影響，而裂隙的張開度與現(xiàn)今地應(yīng)力相關(guān)，尤其是埋深對滲透率影響明顯。而延川南成煤條件總體為中位森林沼澤條件，因此，構(gòu)造特征成為區(qū)塊煤層滲透性的主要控制因素。

2.3.1 埋深對滲透率的影響

埋深對滲透率的影響已經(jīng)得到專家、學(xué)者的共識[15-17]，延川南開發(fā)實(shí)踐也證實(shí)了這一點(diǎn)。隨著埋深增大，煤儲層垂向有效應(yīng)力增加，孔隙、裂隙壓縮，煤層滲透率逐漸降低。延川南埋深較淺的譚坪構(gòu)造帶閉合壓力在8.99～17.32 MPa，平均12.52 MPa，萬寶山閉合壓力在12.21～23.18 MPa，平均17.44 MPa，譚坪閉合壓力明顯較萬寶山低，從散點(diǎn)圖上可以明顯看出隨著閉合壓力隨著埋深增加而增加的特征（圖3）。從試井滲透率上來看，譚坪構(gòu)造帶一般為（0.02～0.99）×10-3μm2，萬寶山一般為（0.001～0.60）×10-3μm2，受構(gòu)造影響明顯。

圖3 延川南閉合壓力與埋深散點(diǎn)Fig.3 Closed pressure and buried depth of southern Yanchuan area

2.3.2 斷層、褶皺對滲透率的影響

地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺等）的發(fā)育可以改善深部煤層的滲透率[18]。煤層受順層擠壓力發(fā)生形變形成褶皺，背斜軸部附近受平行于彎曲面的拉伸引張力作用，厚度變厚、孔隙加大，或者脆性引致煤層發(fā)育楔狀張性裂面或折裂面，同時褶皺作用伴生的沿層理的滑動亦使煤層破碎，使煤層透氣性高，為煤層氣運(yùn)移提供了有利活動通道。

延川南斷層、褶皺作用對滲透率具有明顯改善和控制作用。萬寶山構(gòu)造帶延3井區(qū)、譚坪構(gòu)造帶延5井區(qū)為微幅背斜構(gòu)造，背斜軸部受張力作用影響表現(xiàn)為相對高滲的平面分布特征。試井滲透率也顯示高滲區(qū)主要位于推覆構(gòu)造背斜軸部和北部小斷層發(fā)育區(qū)（圖4）。而萬寶山西南部由于構(gòu)造破壞作用相對弱，地層平緩，斷裂不發(fā)育，滲透率低于0.1×10-3μm2。

圖4 延川南試井滲透率等值線Fig.4 Test permeability contour of southern Yanchuan area

構(gòu)造變形對滲透率的控制作用體現(xiàn)在同一區(qū)塊地應(yīng)力相當(dāng)?shù)那闆r下，斷層、背斜正向構(gòu)造等特征綜合控制滲透率的改善作用。構(gòu)造控制滲透率，進(jìn)而控制煤層氣井排采動態(tài)，影響煤層氣井產(chǎn)能。

2.4 構(gòu)造對水動力的控制作用

構(gòu)造發(fā)育特征對煤層氣水動力條件具有顯著的控制作用[19-20]。延川南單斜構(gòu)造與斷層發(fā)育特征決定了譚評構(gòu)造帶與萬寶山構(gòu)造帶屬于不同的水文地質(zhì)單元。

煤層產(chǎn)出水化學(xué)類型和礦化度是反映煤層氣保存條件的重要參數(shù)。東部譚坪構(gòu)造帶產(chǎn)出水為NaHCO3型、礦化度在3 000～5 000 mg/L 為主，水動力較強(qiáng)，萬寶山構(gòu)造帶西部以CaCl2水型為主、礦化度大于30 000 mg/L，而萬寶山北部斷裂帶邊緣礦化度急劇下降至5 000 mg/L以下。

綜合水型、礦化度、pH 值平面分布規(guī)律，延川南水動力條件特征受構(gòu)造控制明顯，氣田西南部煤層埋深大，地層穩(wěn)定，構(gòu)造不發(fā)育，整體表現(xiàn)為高壓封閉特征，含氣量高，而萬寶山北部斷層發(fā)育，溝通了上下水層的聯(lián)系，礦化度以及水型發(fā)生急劇變化，分析存在垂直滲流現(xiàn)象。譚坪煤層逐步變淺，東北部煤層出露地表，存在地下水補(bǔ)給作用，整體表現(xiàn)為弱徑流特征，煤層氣保存條件相對較差，且越靠近東北部，補(bǔ)給作用越強(qiáng)，含氣性越差。氣田整體可劃分為3類水文地質(zhì)單元，分別為萬寶山構(gòu)造帶高壓封閉滯留區(qū)，譚坪構(gòu)造帶弱徑流區(qū)及中部斷裂段垂直徑流區(qū)（圖5）。

圖5 延川南水文地質(zhì)單元劃分Fig.5 Hydrogeological unit division of southern Yanchuan area

2.5 構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)的控制作用

煤體結(jié)構(gòu)是影響煤層氣開發(fā)的重要因素，“構(gòu)造煤”發(fā)育區(qū)煤層破碎、滲透性差，不利于煤層壓裂，影響煤層氣井產(chǎn)能[21-24]。

在同一構(gòu)造應(yīng)力作用下，因沉積作用及成煤物質(zhì)差異，導(dǎo)致煤的破壞程度不同。但對于延川南整體而言，構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。從延川南2號煤煤體結(jié)構(gòu)平面分布特征來看，碎粒煤以及糜棱煤主要發(fā)育在斷裂帶附近，受斷層破壞作用明顯，而遠(yuǎn)離斷層區(qū)總體以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤為主。

2.6 斷層對煤層氣賦存的影響

斷層對煤層氣成藏以及產(chǎn)能的影響具有兩面性[25-27]。一方面斷層易導(dǎo)致煤層氣氣散失，對成藏起到破壞作用，生產(chǎn)特征表現(xiàn)為高產(chǎn)液低產(chǎn)氣甚至不產(chǎn)氣；另一方面，斷層發(fā)育區(qū)，滲透率改善，對儲層物性有一定的改善作用，易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

延川南次序級斷層對含氣性的影響較小，鉆遇斷層斷距5 m 以下井含氣性基本不受斷層影響。萬寶山構(gòu)造帶西北部低序級斷層發(fā)育，受此影響微裂縫相對發(fā)育，滲透率高，利于煤層泄壓半徑擴(kuò)展和氣水的產(chǎn)出，深部儲層物性的改善作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)；而中部斷層規(guī)模大，連片發(fā)育，極易溝通外來水造成水侵破壞成藏，煤儲層無法有效降壓。

3 區(qū)塊構(gòu)造與產(chǎn)能的關(guān)系

3.1 褶皺分布與產(chǎn)能的關(guān)系

氣田單井產(chǎn)能差異大，不同級別產(chǎn)能分布在特定的構(gòu)造位置。將氣田單井產(chǎn)能分級投到構(gòu)造圖上，得到氣田產(chǎn)能與構(gòu)造的關(guān)系圖（圖6），從關(guān)系圖中可見，產(chǎn)能與構(gòu)造位置的相關(guān)性明顯，高產(chǎn)井主要分布在無斷層發(fā)育的局部隆起帶翼部；中等產(chǎn)能的井主要發(fā)育在斷層不發(fā)育的構(gòu)造平緩區(qū)；低產(chǎn)井、不產(chǎn)氣井主要發(fā)育在局部凹陷區(qū)核部以及斷裂帶附近。

圖6 延川南區(qū)塊2號煤構(gòu)造與產(chǎn)能關(guān)系Fig.6 Relation between structure and production capacity of 2#coal in southern Yanchuan area

根據(jù)排采實(shí)際資料結(jié)合構(gòu)造剖面（圖7），譚坪A—A'剖面斷層不發(fā)育，高產(chǎn)井延1-54-32 井、延1-70-32 井均位于隆起帶核部及翼部，產(chǎn)能高于1 000 m3/d，向凹陷區(qū)過渡過程中，單井產(chǎn)能逐步下降。萬寶山B—B'剖面南部斷層不發(fā)育，產(chǎn)能特征與譚坪基本一致，由于萬寶山煤層氣成藏條件更為優(yōu)越，單井產(chǎn)能超過3 000 m3/d，剖面北部斷層較為發(fā)育，斷層發(fā)育區(qū)產(chǎn)能偏低。東西向剖面C—C'顯示，中部逆沖推覆構(gòu)造背斜翼部高產(chǎn)區(qū)，并向盆地深度，構(gòu)造不發(fā)育，地層平緩區(qū)產(chǎn)能下降，而淺部受小斷層發(fā)育影響，普遍低產(chǎn)低效。

圖7 構(gòu)造部位與煤層氣單井產(chǎn)能關(guān)系剖面Fig.7 Capacity relation section between structural site and coal seam gas single well

褶皺構(gòu)造在區(qū)塊分布范圍廣，對氣井影響大，在微幅背斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)，背斜軸部及翼部受張力作用影響表現(xiàn)為相對高滲的平面分布特征。在相對合適的埋深和水動力條件下，煤層氣得到了很好的保存，表現(xiàn)為高產(chǎn)特征，而向斜構(gòu)造軸部地區(qū)呈現(xiàn)出煤層氣逸散特征，產(chǎn)氣量低。

3.2 斷層分布與產(chǎn)能的關(guān)系

斷層對油氣成藏有兩方面影響。一方面，斷層易導(dǎo)致油氣散失，對油氣成藏起到破壞作用；另一方面，張性斷層發(fā)育區(qū)，滲透率改善，對儲層物性有一定的改善作用。同時從圖6、圖8可見，煤層氣產(chǎn)量與斷層呈現(xiàn)良好的匹配性：一是高產(chǎn)井主要集中在張型斷層一側(cè)，證實(shí)了斷層活動通過對儲層滲透性的改善作用有助于氣井產(chǎn)能提高；二是靠近斷層400 m 范圍內(nèi)的井呈現(xiàn)出高產(chǎn)水低產(chǎn)氣甚至不產(chǎn)氣特征，進(jìn)一步說明區(qū)塊的斷裂構(gòu)造總體以開放性斷層為主，極易溝通外來水，造成煤層氣逸散和降壓困難，導(dǎo)致最終高產(chǎn)水不產(chǎn)氣的生產(chǎn)特征。

圖8 延川南2號煤斷層距與產(chǎn)能關(guān)系Fig.8 Relation between fault distance and production capacity of 2#coal in southern Yanchuan area

3.3 構(gòu)造控氣模式的建立

以產(chǎn)能與構(gòu)造的關(guān)系研究為基礎(chǔ)，對構(gòu)造控氣的類型進(jìn)行了劃分（圖9）：一類區(qū)為埋深830～1 280 m、無斷層發(fā)育的局部隆起帶翼部；二類區(qū)為斷層不發(fā)育的構(gòu)造平緩區(qū)；三類區(qū)為局部洼陷區(qū)核部以及斷層發(fā)育區(qū)。

圖9 延川南構(gòu)造控氣模式Fig.9 Gas control mode of structure in southern Yanchuan area

4 結(jié)論與建議

1）構(gòu)造是煤層氣的成藏主控因素，構(gòu)造活動對煤層氣成藏的影響具有兩面性，局部褶皺和斷層的發(fā)育對滲透性具有明顯的改善作用，另外構(gòu)造活動也影響了煤層煤體結(jié)構(gòu)，斷層附近構(gòu)造煤發(fā)育。

2）延川南水文條件受構(gòu)造控制明顯，深部構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)整體表現(xiàn)為高壓封閉特征，含氣量高，淺部構(gòu)造抬升區(qū)存在地下水補(bǔ)給作用，表現(xiàn)為弱徑流特征，煤層氣保存條件相對較差，斷層發(fā)育區(qū)易溝通上下水層的聯(lián)系，導(dǎo)致垂直滲流。

3）構(gòu)造演化及構(gòu)造發(fā)育特征對煤層氣產(chǎn)能具有顯著的控制作用，成煤作用后期的構(gòu)造演化影響儲層物性特征，影響氣體滲流，構(gòu)造發(fā)育差異性控制區(qū)域水文地質(zhì)邊界及不同區(qū)域水文地質(zhì)特征，影響煤層氣的保存，構(gòu)造對儲層物性以及保存條件的綜合控制作用造成煤層氣產(chǎn)能的差異。