深部微構(gòu)造特征及其對(duì)煤層氣高產(chǎn)“甜點(diǎn)區(qū)”的控制
——以鄂爾多斯盆地東緣大吉地區(qū)為例

閆 霞，徐鳳銀，聶志宏，康永尚

(1.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095; 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028; 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

目前國(guó)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)[1]主要集中在中淺部[2-5]，隨著勘探開發(fā)不斷深入，可供規(guī)模效益開發(fā)的區(qū)塊越來(lái)越少。根據(jù)第4次資源評(píng)價(jià)，全國(guó)埋深1 500～2 000 m煤層氣資源[6-9]為11.93×1012m3;埋深2 000～3 000 m的煤層氣資源為18.47×1012m3。深部煤層氣資源豐富，但總體勘探開發(fā)程度和認(rèn)識(shí)程度低[10-14]，尚未形成較為系統(tǒng)的深層煤層氣富集機(jī)理和開發(fā)地質(zhì)認(rèn)識(shí)[7]。國(guó)內(nèi)非常規(guī)勘探方向開始由埋深淺部向深部轉(zhuǎn)變[15-24]，有必要探索深部煤層氣地質(zhì)特征，開展深部煤層氣生產(chǎn)特征和高產(chǎn)主控因素研究，找到深部煤層氣真正的地質(zhì)-工程 “開發(fā)”甜點(diǎn)部位[7]，明確深部煤層氣井的生產(chǎn)特點(diǎn)，以探索適合于深層煤層氣井的開發(fā)方式、深層煤層氣田開發(fā)技術(shù)政策和主體工藝技術(shù)，為帶動(dòng)國(guó)內(nèi)深部煤層氣規(guī)模開發(fā)具有示范作用。

通過(guò)鄂東緣大吉地區(qū)大于2 000 m的深部煤層和1 000～1 500 m中深部煤層地質(zhì)特征對(duì)比、深部煤層氣試采井產(chǎn)氣特征、深部煤層氣高產(chǎn)井的分布規(guī)律和高產(chǎn)主控因素開展系統(tǒng)研究，根據(jù)深部試采煤層氣井的生產(chǎn)特征分析，深部煤層受到溫度與壓力雙重控制，具備吸附飽和與原地游離氣賦存的優(yōu)勢(shì)條件[7];同時(shí)，也使得深部煤層具有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性[10]。微幅構(gòu)造差異對(duì)煤層氣的富集影響不大，但對(duì)于特低滲的深部煤層氣產(chǎn)量影響明顯。研究認(rèn)為致密性是深部煤層氣資源能否開發(fā)出來(lái)的關(guān)鍵，從改善深層儲(chǔ)層的致密性方面，探討了煤層精細(xì)微構(gòu)造對(duì)深部煤層氣井開發(fā)的重要性，測(cè)井、壓裂施工曲線和生產(chǎn)曲線均印證了在正向微構(gòu)造部位張性裂隙發(fā)育、滲透性好、壓裂改造效果較好、易于加砂，產(chǎn)量高、穩(wěn)產(chǎn)效果好等特點(diǎn);負(fù)向微構(gòu)造和擠壓部位具有應(yīng)力高、滲透性更差、施工壓力高、難以加砂、產(chǎn)氣效果差等特征。獲得了不同構(gòu)造部位深部煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)水平，深入剖析了深部煤層氣賦存特點(diǎn)和開發(fā)機(jī)理，與淺層煤層氣井標(biāo)準(zhǔn)排采曲線相比，給出了深部煤層氣理想的排采曲線。指出了深部煤層氣的地質(zhì)-工程甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選研究和深部煤層氣勘探開發(fā)方向，同時(shí)為深部煤層氣更有針對(duì)性的儲(chǔ)層改造等工程對(duì)策、生產(chǎn)建議提供了借鑒。

1 深部煤層與中深部煤層地質(zhì)特征對(duì)比

1.1 區(qū)塊概況

在鄂東緣大吉地區(qū)大寧—吉縣區(qū)塊利用致密氣老井開展了深層煤層氣評(píng)價(jià)工作，該區(qū)是煤層氣、致密氣、頁(yè)巖氣多層疊置區(qū)，具備綜合開發(fā)的有利條件。區(qū)塊位于晉西撓褶帶南端與伊陜斜坡東南緣(圖1)，地層由老至新依次為中奧陶統(tǒng)馬家溝組、上石炭統(tǒng)本溪組、上石炭-下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、中二疊統(tǒng)石盒子組、上二疊統(tǒng)石千峰組、下三疊統(tǒng)劉家溝組和第四系。主要含煤地層為太原組和山西組，主力煤層是山西組5號(hào)煤和太原組8號(hào)煤，其中深部煤層為目的層太原組8號(hào)煤。區(qū)塊整體為寬緩的西傾單斜，與盆地東部連為一體。深部煤層氣試驗(yàn)井區(qū)位于區(qū)塊西部平緩斜坡帶，構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育，地層傾角小于2°。8號(hào)煤主體埋深2 000～2 520 m，平均埋深2 130 m。8號(hào)煤埋深大于1 500 m的區(qū)域煤層厚度4～12 m，平均厚度7.8 m。8號(hào)煤層頂板發(fā)育2～3套灰?guī)r，直接頂板灰?guī)r厚度在4～8 m;底板發(fā)育泥巖，直接底板泥巖厚度4～14 m。該井區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水動(dòng)力弱，整體位于承壓區(qū)。煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，全區(qū)穩(wěn)定連續(xù)分布。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要及區(qū)塊位置Fig.1 Outline of regional structure and location map of block

1.2 深部與中深部煤層地質(zhì)特征對(duì)比

根據(jù)埋深，可將煤層劃分為 < 1 000 m 的淺部煤層、1 000～1 500 m 的中深部煤層和1 500～2 000 m 的深部煤層[25]。隨著近年來(lái)對(duì)深部煤層的探索，逐漸擴(kuò)展了可動(dòng)用煤層埋深的極限，由于暫未定義埋深大于2 000 m的煤層，為了區(qū)別1 500～2 000和2 000 m以深煤層，故這里將2 000 m以深的煤層定義為深部煤層、1 500～2 000 m的煤層為中深部煤層。

綜合地震、測(cè)井、錄井、巖芯資料表明，鄂東緣深部煤層廣泛分布。對(duì)比了大寧—吉縣區(qū)塊8號(hào)煤層在深部(埋深大于2 000 m)和中深部(1 500～2 000 m)氣藏地質(zhì)特征的20項(xiàng)參數(shù)(表1)。表明該地區(qū)深8號(hào)煤具有以下地質(zhì)特征:① 煤層厚度相對(duì)更大;② 含氣量更高，含氣飽和度高，甚至有超飽和現(xiàn)象;③ 煤體結(jié)構(gòu)更好，以原生結(jié)構(gòu)煤為主(圖2);④ 儲(chǔ)層更致密，試井滲透率在10-17m2數(shù)量級(jí)。整體上深部煤層展現(xiàn)了“高含氣、高飽和”的優(yōu)勢(shì)和“煤體結(jié)構(gòu)好和特低滲”的特征。

表1 深部、中深部8號(hào)煤層地質(zhì)-氣藏特征對(duì)比Table 1 Comparison of geological and gas reservoir characteristics of deep and middle-deep No.8 coal seam

圖2 大吉地區(qū)深部煤與中深部煤的煤體結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2 Comparison of coal structure between deep coal and middle-deep coal in Daji area

2 深部煤層產(chǎn)氣特征規(guī)律

2.1 深部煤層氣井的產(chǎn)氣特征

深部煤層氣具有“高含氣、高飽和、賦存游離氣”的特點(diǎn)，產(chǎn)氣特征表現(xiàn)為“見套壓快、上產(chǎn)速度快、初期產(chǎn)氣量高、日產(chǎn)水量小”的特點(diǎn)。深部煤層氣試采井含氣飽和度高，局部富集游離氣，部分井壓后點(diǎn)火可燃。深部煤層受溫度與壓力雙重控制，具備吸附飽和、原地游離氣賦存的優(yōu)勢(shì)條件。鉆桿取芯實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)測(cè)含氣量接近最大吸附氣量，含氣飽和度97.99%～99.39%，平均98.95%。某井繩索取心含氣飽和度可達(dá)127%，中深部煤層含氣飽和度平均值為69.5%。

自2019年8月在大吉地區(qū)某井區(qū)內(nèi)陸續(xù)利用10口致密氣老井(直井)，開展深部煤層氣的試采，10口直井初始平均井底壓力高達(dá)20.84 MPa，單井最高日產(chǎn)氣量平均為3 035 m3，穩(wěn)產(chǎn)階段的日產(chǎn)氣量為2 322 m3、日產(chǎn)液量2.7 m3，目前井底流壓為7.50 MPa，套壓2.38 MPa，累產(chǎn)氣量617.2×104m3，累產(chǎn)液量4 174 m3。

由表2可知，深部煤層氣井見氣時(shí)的井底壓力平均達(dá)到了19.4 MPa，逼近初始平均井底流壓20.84 MPa，且各口煤層氣井的見氣壓力最低值為14.08 MPa，遠(yuǎn)高于蘭氏壓力3.06 MPa或理論臨界解吸壓力，可推測(cè)地下處于超飽和狀態(tài)，故含有游離氣是普遍現(xiàn)象，而非局部現(xiàn)象。

表2 大吉地區(qū)某井區(qū)不同構(gòu)造部位深部煤層氣試采井的生產(chǎn)特征Table 2 Production characteristics of deep CBM wells in different structural position of a well block in Daji area

相比中深部煤層氣井，根據(jù)表2的穩(wěn)定日產(chǎn)氣量和穩(wěn)定日產(chǎn)液量，整體表現(xiàn)出日產(chǎn)氣量高、日產(chǎn)液量低的特征，除了最東南角構(gòu)造陡變部位的井日產(chǎn)水量達(dá)到21.46 m3之外，其余井的穩(wěn)定日產(chǎn)液量平均僅有0.6 m3。雖然穩(wěn)定日產(chǎn)氣量平均為2 322 m3，但各口井的產(chǎn)氣效果差異非常大，有的井穩(wěn)定日產(chǎn)量為1 500 m3，但也有的井可以穩(wěn)產(chǎn)5 000 m3。可見深部煤層氣井的生產(chǎn)效果差異較大，需分析其產(chǎn)量差異主控因素。

2.2 深部煤層的微構(gòu)造特征

由于深部煤層氣試采井位于致密氣已建產(chǎn)區(qū)，具備豐富的井震資料。實(shí)鉆致密氣井鉆遇煤層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以及地震資料顯示，井區(qū)位于一寬緩東高西低的大寧斜坡構(gòu)造(圖3(a))，雖然大寧斜坡屬于相對(duì)平緩的斜坡構(gòu)造，但斜坡上仍然有諸多復(fù)雜的次生褶皺起伏，局部微幅變化造成了較多的構(gòu)造高點(diǎn)和構(gòu)造低點(diǎn)。為了發(fā)現(xiàn)精細(xì)微構(gòu)造對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響，采用精細(xì)至1 m構(gòu)造線刻畫了所有的地層傾角小于5°的微幅構(gòu)造形態(tài)，同時(shí)將構(gòu)造模型縱向比例尺進(jìn)一步放大后，得到了圖3(b)，可以清晰看到構(gòu)造高點(diǎn)和構(gòu)造低點(diǎn)。這里的微構(gòu)造的“微”指的是更為“精細(xì)”的構(gòu)造刻畫，有別于大型構(gòu)造。

按照微構(gòu)造形態(tài)和應(yīng)力作用方向，將位于大寧斜坡構(gòu)造的試驗(yàn)井區(qū)進(jìn)一步精細(xì)劃分出正向微構(gòu)造區(qū)、平緩構(gòu)造區(qū)、負(fù)向微構(gòu)造區(qū)、構(gòu)造陡變區(qū)和水平向擠壓區(qū)5類(圖3(b))，除了東南角的構(gòu)造陡變區(qū)導(dǎo)致構(gòu)造抬升之外，其他部位的傾角在0.3°～2.5°。其中，前4種微構(gòu)造區(qū)主要是由于構(gòu)造的水平運(yùn)動(dòng)，造成了煤層在“垂向上”發(fā)生了不同程度、不同形態(tài)的改變(表3);最后一種是指造成了煤層在“水平方向上”微構(gòu)造形態(tài)的改變(主要指擠壓變形)。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，除了垂向上煤層微構(gòu)造變化對(duì)深部煤層氣井生產(chǎn)效果有較大影響，發(fā)現(xiàn)水平向的擠壓部位亦是如此，因此，將水平向擠壓區(qū)也專門列出。不同微構(gòu)造部位的深部煤層氣井的具體生產(chǎn)情況見表3，整體表現(xiàn)出高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井主要分布在正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造區(qū)，且這2個(gè)構(gòu)造部位，施工排量和加砂規(guī)模越大，產(chǎn)氣效果更好。

圖3 大吉地區(qū)試驗(yàn)井區(qū)地質(zhì)構(gòu)造模型和微構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.3 Geological structure model and microstructure division of a well block in Daji area

表3 大吉地區(qū)試驗(yàn)井區(qū)不同構(gòu)造部位深部煤層氣試采井的工藝及產(chǎn)氣效果Table 3 Technology and gas production effect of deep CBM production wells in different microstructural positions of a pilot test block in Daji area

2.2.1正向微構(gòu)造部位典型井的生產(chǎn)特征

典型井W7-5生產(chǎn)曲線如圖4所示。該井設(shè)計(jì)加砂量43.9 m3，實(shí)際加砂53 m3，總液量1 879 m3，加砂完成率120.7%，射孔井段加砂強(qiáng)度10.6 m3/m。該井投產(chǎn)25 d見套壓，初始見氣壓力為20.8 MPa，初期見氣套壓為6.8 MPa，當(dāng)前井底流壓穩(wěn)定在6.03 MPa，套壓保持在5.15 MPa，日產(chǎn)液量為0.45 m3，日產(chǎn)氣量為4 988 m3，以平均日產(chǎn)氣量5 000 m3已穩(wěn)產(chǎn)129 d。曲線整體表現(xiàn)出該部位井產(chǎn)量高、壓力下降平穩(wěn)和儲(chǔ)層供氣能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖4 深部煤層正向微構(gòu)造部位典型井生產(chǎn)曲線Fig.4 Typical well production curves in positive micros- tructure of deep coal seam

根據(jù)該井的測(cè)井曲線(圖5，其中，MxRy為斯倫貝謝的陣列感應(yīng)序列;M為陣列;R為電阻率;x為分辨率;y為探測(cè)深度)，在煤層段具有明顯的擴(kuò)徑現(xiàn)象、感應(yīng)電阻率曲線分布較為分散，反映出該煤層部位滲透率相對(duì)較好的特征。根據(jù)該井壓裂施工曲線(圖6)，施工壓力相對(duì)較低、施工排量高，達(dá)到12 m3/min。從測(cè)井和壓裂施工曲線特征，側(cè)面印證了正向微構(gòu)造部位的滲透性相對(duì)較好、易于壓裂、易于加砂的特征。

圖5 深部煤層正向微構(gòu)造部位典型井測(cè)井解釋曲線Fig.5 Typical well log interpretation curve in positive microstructure of deep coal seam

圖6 深部煤層正向微構(gòu)造部位典型井壓裂施工曲線Fig.6 Fracturing curves of typical well in positive micros- tructure of deep coal seam

2.2.2平緩構(gòu)造部位典型井的生產(chǎn)特征

典型井W3-7X2生產(chǎn)曲線如圖7所示。該井設(shè)計(jì)加砂量37.7 m3，實(shí)際加砂量38.2 m3，加砂完成率101.3%。該井開井見套壓0.25 MPa，套壓最高達(dá)到4.78 MPa，產(chǎn)量迅速攀升至5 791 m3，以日產(chǎn)氣量3 500 m3穩(wěn)產(chǎn)210 d，目前日產(chǎn)氣量3 122 m3，日產(chǎn)液量0.07 m3。該井展現(xiàn)出氣井見氣快、上產(chǎn)能力強(qiáng)的特征，說(shuō)明平緩構(gòu)造部位井具有較好的產(chǎn)氣能力，具備一定的穩(wěn)產(chǎn)能力。

圖7 深部煤層平緩構(gòu)造部位典型井生產(chǎn)曲線Fig.7 Typical well production curves in gentle microstr- ucture of deep coal seam

2.2.3負(fù)向微構(gòu)造部位典型井的生產(chǎn)特征

典型井W3-2AX3井生產(chǎn)曲線如圖8所示。該井設(shè)計(jì)加砂量50.4 m3，實(shí)際加砂量40 m3，加砂完成率79.4%。該井開井見套壓0.22 MPa，套壓最高達(dá)到3.8 MPa，日產(chǎn)氣量迅速攀升至1 500 m3并穩(wěn)產(chǎn)127 d，目前日產(chǎn)氣量1 586 m3，日產(chǎn)液量1.53 m3。壓力下降較快，穩(wěn)定產(chǎn)氣量相對(duì)較低。

圖8 深部煤層負(fù)向微構(gòu)造部位典型井生產(chǎn)曲線Fig.8 Typical well production curves in negative microst- ructure of deep coal seam

2.2.4水平向擠壓區(qū)典型井的生產(chǎn)特征

典型井W4-8X1井微構(gòu)造部位如圖9(a)所示。該井位于“m型”微構(gòu)造的水平擠壓部位中部，煤層厚度較厚，達(dá)到10 m，設(shè)計(jì)加砂量54.4 m3，實(shí)際加砂量1.5 m3，加砂完成率2.8%，總液量1 510.2 m3，射孔井段加砂強(qiáng)度2.3 m3/m。生產(chǎn)曲線如圖9(b)所示，該井投產(chǎn)11 d見套壓0.86 MPa，目前日產(chǎn)氣量667 m3，日產(chǎn)液量0.14 m3。該井位于微構(gòu)造水平擠壓部位的中部，應(yīng)力較高可能是加砂困難的主要原因之一，改造范圍有限導(dǎo)致產(chǎn)氣效果不佳，最高日產(chǎn)氣量2 081 m3，平均日產(chǎn)氣量1 500 m3，穩(wěn)產(chǎn)能力較差。

圖9 深部煤層水平向擠壓區(qū)典型井位置與生產(chǎn)曲線Fig.9 Typical well location and production curves in deep coal seam horizontal compression area

一般純煤的電阻率較高、自然伽馬值很低。根據(jù)該井的測(cè)井曲線(圖10)，雖然該井所在位置煤層厚度大，但自然伽馬曲線與電阻率曲線波動(dòng)頻繁且波動(dòng)范圍較大，表明煤巖中的有較多的黏土礦物或煤層中有夾矸存在，煤巖煤質(zhì)較差，判斷可能是由于區(qū)域構(gòu)造擠壓變形，導(dǎo)致了原純煤層與相鄰上、下非煤層之間的交叉疊置;根據(jù)施工壓力曲線(圖11)，施工壓力高、排量低，加砂完成率低于3%，表明該部位壓裂改造困難。從側(cè)面印證了水平向擠壓部位具有應(yīng)力高、煤巖煤質(zhì)相對(duì)較差的特點(diǎn)，需要針對(duì)性地開展優(yōu)質(zhì)層位的射孔部位優(yōu)選和高應(yīng)力釋放的壓裂改造工藝研究。

圖11 深部煤層水平向擠壓區(qū)典型井壓裂施工曲線Fig.11 Fracturing curves of typical well in deep coal seam horizontal compression area

2.2.5構(gòu)造陡變區(qū)典型井的生產(chǎn)特征

典型井W40生產(chǎn)曲線如圖12所示。該井設(shè)計(jì)加砂量55.1 m3，實(shí)際加砂量32 m3，加砂完成率58.1%，總液量2 000 m3。該井日產(chǎn)水量21.46 m3，一直未產(chǎn)氣，井底壓力下降緩慢。該井采出水樣的水質(zhì)類型為CaCl2型，礦化度為40 158 mg/L，據(jù)表2，該井礦化度值是深部煤層氣試采井中采出水礦化度范圍的下限，其他井的礦化度主要分布在70 000～332 006 mg/L。由于該井位于井區(qū)的東南角構(gòu)造陡變區(qū)，也靠近東部的中部煤層，考慮是構(gòu)造迅速變化，可能溝通了煤層頂板含水灰?guī)r，且構(gòu)造陡變導(dǎo)致煤體破碎，氣體保存條件差。

圖12 深部煤層構(gòu)造陡變區(qū)典型井生產(chǎn)曲線Fig.12 Typical well production curves in deep coal seam structure steep change area

2.3 深部煤層氣井生產(chǎn)認(rèn)識(shí)

(1)深部8號(hào)煤層氣井含氣飽和度可達(dá)98.1%～99.9%，含氣飽和度高，局部富集游離氣，部分井壓后點(diǎn)火可燃，深部煤層氣井見氣壓力高達(dá)19.4 MPa，見氣時(shí)套壓也高為4.1 MPa，據(jù)統(tǒng)計(jì)，深部8號(hào)煤層氣井的見套壓時(shí)間平均11 d，中深部8號(hào)煤層氣井的平均見套壓時(shí)間為271 d，深部比中深部煤層氣井的見套壓時(shí)間短了260 d。

(2)見氣后日產(chǎn)氣量上升速度快，日產(chǎn)水量較小。見氣后1～2個(gè)月日產(chǎn)氣量上升至2 000 m3，產(chǎn)氣后日產(chǎn)水量普遍小于3 m3。據(jù)中淺部煤層氣井的產(chǎn)出剖面測(cè)試，中淺部8號(hào)煤層的日產(chǎn)水量平均達(dá)到56.2 m3。說(shuō)明中淺部8號(hào)煤層產(chǎn)水量較大，然而向西部的深部8號(hào)煤層氣井的日產(chǎn)水量逐漸變小。

(3)煤層精細(xì)微構(gòu)造對(duì)深部煤層氣井的產(chǎn)量大小影響具有明顯分布規(guī)律，其中，正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造部位井的表現(xiàn)為加砂完成率高、見氣時(shí)壓力高、見套早、產(chǎn)量足特點(diǎn);位于該部位的井見氣壓力與原始?jí)毫Ρ纫话銥?.9以上，見套快，產(chǎn)量穩(wěn)定，表現(xiàn)出供氣充足的特點(diǎn)，推測(cè)正向微構(gòu)造(局部構(gòu)造高點(diǎn))天然裂隙相對(duì)發(fā)育，壓裂改造的人工溝通天然裂隙后，能夠保證氣量。測(cè)井曲線和壓裂施工曲線也側(cè)面印證了正向微構(gòu)造部位的滲透性相對(duì)較好、施工壓力低、施工排量高、易于加砂的特征。

(4)負(fù)向微構(gòu)造和水平向擠壓部位煤層氣井加砂完成率相對(duì)較低，具有施工壓力高、加砂困難、產(chǎn)氣效果差等特征，表明在深部煤層構(gòu)造低部位和擠壓部位，受到擠壓應(yīng)力作用，會(huì)使原本的特低滲煤層滲透性變得更差、應(yīng)力更高，天然裂隙不發(fā)育、人工裂縫也改造有限，產(chǎn)氣效果相對(duì)較差。

(5)基于深部煤層氣試采井情況，取得了鄂東緣大吉地區(qū)不同構(gòu)造部位深部煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)水平的認(rèn)識(shí):在中高施工排量和加砂規(guī)模的情況下，正向微構(gòu)造部位深部煤層氣井具有5 000 m3/d穩(wěn)產(chǎn)水平，平緩區(qū)深部煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)3 500 m3/d;其他部位平均穩(wěn)產(chǎn)1 500 m3/d。

3 深部煤層氣高產(chǎn)主控因素與開發(fā)機(jī)理剖析

3.1 影響深部煤層氣高產(chǎn)的因素

深部煤層氣富集因素包括埋深、含氣量、厚度等[26-29]，然而通過(guò)長(zhǎng)期開發(fā)實(shí)踐，逐漸發(fā)現(xiàn)煤層氣“富集”部位并不一定代表“高產(chǎn)”。因此，近年來(lái)研究關(guān)注點(diǎn)開始從煤層氣“富集”影響因素，逐漸轉(zhuǎn)向影響煤層氣“高產(chǎn)”因素研究，追求以“可采性”為核心[30]的可采地質(zhì)模式研究。

據(jù)表1，大吉地區(qū)深部煤層含氣量普遍超過(guò)20 m3/t，煤層全區(qū)連續(xù)穩(wěn)定、面積廣、平均厚度達(dá)到7.8 m，斷層不發(fā)育，位于承壓區(qū)，深部煤層礦化度極高、水動(dòng)力不活躍，根據(jù)生產(chǎn)曲線特征，除了初期產(chǎn)液量以返排液為主，進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段后的產(chǎn)液量基本小于3.0 m3/d?？梢姀牡刭|(zhì)特征看，深部煤層氣的資源量是有保證的。

筆者認(rèn)為深部?jī)?chǔ)層的致密性，是制約深部煤層氣資源能否開采出來(lái)的最為關(guān)鍵的因素，而煤體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力是影響致密性的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù):對(duì)于煤體結(jié)構(gòu)而言，相比煤質(zhì)較軟的糜棱煤或碎粒煤，原生結(jié)構(gòu)煤的壓裂改造效果更好，故深部煤層原生結(jié)構(gòu)煤要相對(duì)中深部煤層碎裂、碎粒煤將具有一定的改造優(yōu)勢(shì);除了利用壓裂改造能夠改善局部有限范圍外，尋找滲透性相對(duì)較好或應(yīng)力相對(duì)小的部位，天然裂隙更發(fā)育，不僅能助于壓裂改造、保證壓裂改造效果，且人工裂縫與天然裂隙溝通后，亦有助于高產(chǎn)。

因大吉地區(qū)深部煤層氣試采區(qū)位于致密氣已開發(fā)區(qū)，相比新區(qū)，該區(qū)深部煤層具備精細(xì)微幅構(gòu)造認(rèn)識(shí)清楚的優(yōu)勢(shì)條件，也為發(fā)現(xiàn)精細(xì)構(gòu)造對(duì)深部煤層氣井開發(fā)效果差異的重要性提供了研究基礎(chǔ)。在資源保證的前提下，將精細(xì)微構(gòu)造、加砂規(guī)模、施工排量、總酸量、加砂量等參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)量主控因素分析。按照構(gòu)造部位，將正向微構(gòu)造和平緩區(qū)劃為一類，其他部位劃為一類進(jìn)行分析，得到了不同構(gòu)造部位深部煤層氣井各類參數(shù)與穩(wěn)產(chǎn)氣量的關(guān)系，如圖13所示。

圖13 壓裂施工參數(shù)與穩(wěn)產(chǎn)氣量相關(guān)性Fig.13 Correlation between fracturing parameters and stable gas production rate

根據(jù)表3和圖13，發(fā)現(xiàn):

(1)位于正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造區(qū)天然裂隙相對(duì)發(fā)育，深部煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)氣量，與施工排量和總砂量，呈現(xiàn)出明顯正相關(guān)，但與壓裂總液量和總酸量相關(guān)性較低。整體表現(xiàn)為工藝的施工排量越高、加砂規(guī)模越大，深部煤層氣井的產(chǎn)氣效果越好，正相關(guān)系數(shù)R2>0.8。

(2)位于其他部位的深部煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)氣量，試驗(yàn)了不同工藝、不同施工排量、不同酸量、不同加砂規(guī)模，但產(chǎn)氣效果差異小，基本在1 500 m3/d穩(wěn)產(chǎn)水平。表明在這些部位的應(yīng)力高、滲透性差，壓裂改造困難，也說(shuō)明了由于這些負(fù)向微構(gòu)造和水平向擠壓等構(gòu)造部位天然裂隙不發(fā)育，目前的工藝技術(shù)在這些部位人工改造范圍有限，產(chǎn)氣效果不及正向微構(gòu)造和平緩區(qū)。

3.2 深部煤層正向微構(gòu)造對(duì)高產(chǎn)主控作用的發(fā)現(xiàn)與啟示

煤層整體上呈西傾單斜，但單斜上有諸多復(fù)雜的次生褶皺起伏，煤層頂板標(biāo)高的微小差異(微幅構(gòu)造差異)對(duì)煤層氣的富集影響不大，但對(duì)于產(chǎn)氣效果影響較大。主要體現(xiàn)在2個(gè)方面:

(1)由于深部煤層埋藏更深，壓力更高，相比淺層，微幅構(gòu)造的影響力會(huì)變的更大，甚至有“放大”的效果:對(duì)于深部煤層的正向微構(gòu)造，滲透性明顯改善;對(duì)于深部的負(fù)向微構(gòu)造或水平向擠壓區(qū)，受到擠壓應(yīng)力影響，儲(chǔ)層壓力亦會(huì)更高，滲透性更低，對(duì)壓裂改造的困難會(huì)加大。根據(jù)目前產(chǎn)氣效果，以當(dāng)前試驗(yàn)的工程工藝，較難將這部分資源采出，產(chǎn)氣效果相對(duì)較差。目前深部煤層氣產(chǎn)氣量高的井的部位仍然是正向微構(gòu)造部位和平緩構(gòu)造部位。

(2)由于深部煤層埋深更深，煤層更加致密，滲透性普遍相比淺層更低。目前的壓裂改造方式，僅能在致密儲(chǔ)層的近井筒附近很小范圍產(chǎn)生裂縫。位于局部微幅正向構(gòu)造部位，是應(yīng)力相對(duì)低值區(qū)，一方面這些部位易改造，另一方面這些部位張性裂隙發(fā)育、滲透性相對(duì)較高，在壓裂改造后，裂縫將會(huì)延伸連通天然裂隙，具有良好的運(yùn)移通道。由于深部煤層處于高溫、高壓狀態(tài)，在深部煤層的高溫情況下，由于煤層吸附能力的降低，在受高溫影響煤層逐漸解吸出來(lái)的氣體在封閉環(huán)境中形成了“原地游離氣”，故原地游離氣相比淺層而言賦存的更多。因氣體密度輕，重力分異作用，氣體容易運(yùn)移至張性裂隙相對(duì)發(fā)育的局部構(gòu)造高部位，因此這些局部構(gòu)造高部位的含氣飽和度也會(huì)較高，根據(jù)相滲曲線特征，隨著含氣飽和度升高，相滲曲線中對(duì)應(yīng)的氣相滲透率將會(huì)增加，這也將有利于氣體的產(chǎn)出，產(chǎn)氣量即會(huì)更高。深部8號(hào)煤層直接的頂板蓋層灰?guī)r厚度為4～8 m，封蓋性較好，利于在這些局部構(gòu)造高部位的煤層氣井高產(chǎn)。

通過(guò)深部煤層正向微構(gòu)造和平緩區(qū)產(chǎn)氣效果也印證了以上認(rèn)識(shí)，故建議將精細(xì)的微構(gòu)造刻畫作為深部煤層氣開發(fā)有利甜點(diǎn)部位的優(yōu)選評(píng)價(jià)關(guān)鍵因素，可將正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造部位作為優(yōu)選地質(zhì)-工程共同甜點(diǎn)部位，為深部煤層氣高效開發(fā)的地質(zhì)支撐技術(shù)體系完善提供重要依據(jù)。

3.3 深部煤層氣開發(fā)機(jī)理、理想排采曲線模式與啟示

與淺層煤層不同，深部煤層受到高溫度與高壓力雙重控制。隨著煤層埋深增加至一定深度后，地層壓力對(duì)吸附的正向作用小于溫度對(duì)吸附的負(fù)向作用[7]。溫度越高，煤層氣越容易發(fā)生解吸，在深部煤層的高溫情況下，由于煤層吸附能力的降低，原地游離氣相比淺層而言也會(huì)變的賦存更多。因此曲線特征的差別主要是位于開發(fā)初期階段。開發(fā)初期的深部煤層氣生產(chǎn)特征更類似于“頁(yè)巖氣式的煤層氣”開發(fā)。

與淺層“排水誘導(dǎo)解吸——形成水頭壓降漏斗”的開發(fā)機(jī)理不同，在產(chǎn)液量少或無(wú)水產(chǎn)出的情況下，深部煤層氣是“產(chǎn)氣誘導(dǎo)解吸——形成氣相漏斗”。由于高溫狀態(tài)下利于深部煤層的解吸，部分解吸出來(lái)的氣體會(huì)以“游離氣”的狀態(tài)賦存于煤層，故深部煤層氣的生產(chǎn)特征前期主要是以“游離氣”生產(chǎn)為主(圖14)，表現(xiàn)為初期產(chǎn)量高、見氣快的特點(diǎn)，當(dāng)壓裂液返排至較高程度后，氣體產(chǎn)量逐漸上升，將會(huì)達(dá)到第1個(gè)產(chǎn)氣高峰，且在滲透性較好、供氣足的正向微構(gòu)造或平緩構(gòu)造部位，產(chǎn)量可穩(wěn)產(chǎn)一段時(shí)間;伴隨著“游離氣”的產(chǎn)出，產(chǎn)氣曲線下降，壓力也會(huì)逐漸下降，當(dāng)壓力降至解吸壓力后，誘導(dǎo)煤層氣的解吸，煤層慢慢進(jìn)入解吸狀態(tài)，解吸后的產(chǎn)氣曲線將有一段緩慢遞增的過(guò)程，將實(shí)現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰或穩(wěn)產(chǎn)階段，這個(gè)解吸后的過(guò)程預(yù)計(jì)會(huì)同淺層煤層氣井排采曲線特征一致。

圖14 淺部和深部煤層氣井理想排采曲線對(duì)比Fig.14 Comparison of ideal production curves between shallow and deep CBM wells

需要注意的是，隨著生產(chǎn)后期儲(chǔ)層壓力的大幅降低，由于應(yīng)力敏感性，可能會(huì)導(dǎo)致原來(lái)壓開的煤層裂隙閉合，因此，針對(duì)壓裂過(guò)程中支撐劑效果不佳的深部煤層氣井，其解吸過(guò)程可能會(huì)發(fā)生“遇阻”的現(xiàn)象，或者說(shuō)出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰較為困難。為了預(yù)防這種現(xiàn)象的發(fā)生，一方面要加強(qiáng)對(duì)深部煤層氣井“如何加砂鋪得遠(yuǎn)、如何有效支撐壓后裂縫”等壓裂改造工藝優(yōu)化和技術(shù)攻關(guān);另一方面，為了避免應(yīng)力敏感現(xiàn)象，深部煤層氣在降壓解吸過(guò)程一定要緩慢降壓。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生后，也可考慮二次壓裂改造，從而進(jìn)一步釋放解吸階段的解吸氣量。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)深煤層與中深煤層地質(zhì)氣藏特征20項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)的對(duì)比，深部煤層整體上展現(xiàn)了“高含氣、高飽和”的優(yōu)勢(shì)和“煤體結(jié)構(gòu)好和特低滲”特征。深煤層氣井整體表現(xiàn)出見套壓時(shí)間比中深部煤層氣井的縮短260 d，見氣時(shí)井底壓力平均19.4 MPa、穩(wěn)產(chǎn)階段單井平均日產(chǎn)液量小于3 m3的特點(diǎn)。

(2)與淺層“排水誘導(dǎo)解吸”開發(fā)機(jī)理不同，深部煤層氣是在產(chǎn)液少或無(wú)水的情況下“產(chǎn)氣誘導(dǎo)解吸”。由于深部煤層在高溫狀態(tài)下利于煤層的解吸，部分解吸出來(lái)的氣體會(huì)以“游離氣”的狀態(tài)賦存于煤層，故深部煤層氣的生產(chǎn)前期主要是以“游離氣”生產(chǎn)為主，這也是與淺層煤層氣排采明顯不同。

(3)根據(jù)深部煤層微構(gòu)造形態(tài)特征，將位于斜坡構(gòu)造的井區(qū)進(jìn)一步劃分為五類微幅構(gòu)造區(qū)，發(fā)現(xiàn)煤層精細(xì)微構(gòu)造對(duì)深部煤層氣井的產(chǎn)氣效果控制作用明顯，深部煤層正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造部位井的表現(xiàn)為加砂完成率高、見氣時(shí)壓力高、見氣早、產(chǎn)量高，測(cè)井曲線和壓裂施工曲線側(cè)面印證了正向微構(gòu)造張性裂隙發(fā)育、滲透性相對(duì)較好、施工壓力低、施工排量高、易于加砂的特征。負(fù)向微構(gòu)造和微構(gòu)造擠壓部位井，加砂完成率相對(duì)較低，壓裂曲線施工壓力高、加砂困難、產(chǎn)氣效果差，表明在深部煤層構(gòu)造低部位和擠壓構(gòu)造部位，受擠壓影響，使得原本特低滲煤層的滲透性變得更差、應(yīng)力更高，壓裂改造困難，產(chǎn)氣效果較差。對(duì)于負(fù)向微構(gòu)造和水平向擠壓構(gòu)造部位的壓裂工程技術(shù)的攻關(guān)，特別是在加砂困難的情況下，如何把砂子加進(jìn)去并且能有效支撐壓后裂縫，將是關(guān)系到未來(lái)深部煤層氣是否能開拓更大戰(zhàn)略場(chǎng)面必須要攻克的難題。

(4)鄂東緣大吉地區(qū)不同微構(gòu)造部位深部煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)水平認(rèn)識(shí):位于正向微構(gòu)造和平緩區(qū)，深部煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)氣量與施工排量、總加砂量呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，在中高加砂規(guī)模的前提下，位于正向微構(gòu)造部位深部煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)水平為5 000 m3/d、平緩構(gòu)造部位井的穩(wěn)產(chǎn)水平為3 500 m3/d;位于其他部位井試驗(yàn)了不同的工藝、施工排量、酸量、加砂規(guī)模，穩(wěn)產(chǎn)水平1 500 m3/d左右。深部煤層氣井生產(chǎn)效果較好的部位仍然是正向構(gòu)造部位和平緩構(gòu)造部位。

(5)對(duì)于深部煤層氣而言，“富集”并不一定代表“高產(chǎn)”，致密性是制約深部資源能否開采出來(lái)的關(guān)鍵，深部煤層兼具原生結(jié)構(gòu)煤的優(yōu)勢(shì)和滲透率特低的劣勢(shì)，除了壓裂改造能夠改善局部有限范圍外，尋找滲透性相對(duì)較好或應(yīng)力相對(duì)小、天然裂隙更發(fā)育的部位，不僅可以幫助壓裂改造效果一臂之力，還有助于高產(chǎn)。由于背斜構(gòu)造比例少，故可以考慮將深煤層的正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造部位作為優(yōu)先開發(fā)“地質(zhì)-工程”共同甜點(diǎn)部位。

以上研究成果為確定深部煤層氣勘探開發(fā)方向、深部煤層氣地質(zhì)-工程甜點(diǎn)部位評(píng)價(jià)、針對(duì)性工程技術(shù)對(duì)策和煤層氣井合理生產(chǎn)制度的制定，提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)，為突破深部煤層氣勘探開發(fā)、帶動(dòng)國(guó)內(nèi)深部煤層氣規(guī)模開發(fā)具有示范作用。