張鵬豹 肖宇航 朱慶忠 劉 忠 陳彥君韓 峰 呂帥鋒 劉振興 關(guān)小曲 周 智
1.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導試驗基地3.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院
自20世紀80年代中期開始,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至今已近40年。目前已基本實現(xiàn)埋深1 000 m以淺煤層氣資源的商業(yè)化開發(fā),針對高產(chǎn)區(qū)的評價方法和開發(fā)對策已初步建立[1-3]。然而作為國內(nèi)煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展重要基礎和接替的深層煤層氣資源(埋深1 000~3 000 m),至今仍處于勘探開發(fā)試驗階段[4-8]。伴隨埋深的增加,地溫、地應力和地下流體壓力的增大,化學場、生物場的改變,煤層的力學性質(zhì)、孔裂特征和導流能力都會發(fā)生巨大變化,使其明顯區(qū)別于淺層煤層(小于等于1 000 m);同時煤層氣的主要賦存狀態(tài)、吸附/解吸、擴散以及滲流特性也會與淺層煤層氣相異[9-12],致使深層煤層氣的富集規(guī)律,產(chǎn)出要素及煤層增產(chǎn)改造等都具有一定的特殊性,不能簡單借用淺層煤層氣勘探開發(fā)理論和技術(shù)[13-15]。因而亟需探索和明確深層煤層氣(大于1 000 m)勘探開發(fā)的方向和關(guān)鍵評價地質(zhì)要素,以實現(xiàn)深層煤層氣資源的高效動用。
以河北大城區(qū)塊南部受風化作用影響的深層煤層氣開發(fā)有利區(qū)的成功識別,和區(qū)內(nèi)2 000 m埋深煤層日產(chǎn)萬立方米天然氣的突破為依托,深入分析了傾斜煤層物性與含氣性垂向變化規(guī)律,分析不同埋深試驗井壓裂試采效果,提出了大城區(qū)塊南部深層煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)模式,明確了該區(qū)深層煤層氣勘探開發(fā)方向,進而系統(tǒng)總結(jié)了風化作用對深層煤層氣勘探開發(fā)的意義,豐富了深層煤層氣勘探開發(fā)經(jīng)驗和認識,為其他深層煤層氣區(qū)塊勘探開發(fā)提供借鑒。
大城區(qū)塊位于廊坊市大城縣與天津市靜??h兩縣交界處。其西側(cè)及以南以第三系尖滅線為界與文安斜坡、楊村斜坡接壤,東南側(cè)以大城東斷層、靜海斷層為界與里坦凹陷相鄰,東北側(cè)以石炭系—二疊系地層剝蝕尖滅線為界,整體呈北東走向,西北傾向的單斜構(gòu)造,地層傾角介于6°~11°。近東西走向的里瀾斷層將區(qū)塊一分為二,其中南段二疊系山西組地層頂界埋深介于1 000~3 000 m,而北段山西組地層頂界埋深基本都大于3 000 m(圖1)。受多期次構(gòu)造運動影響,區(qū)內(nèi)三疊系及其下伏古生界地層因差異升降、斷裂和剝蝕,石炭系—二疊系地層在新近紀之前于東南側(cè)出露地表,導致傾斜煤層及其內(nèi)部由淺入深遭受了不同程度的風化作用影響;始新世晚期之后,區(qū)域構(gòu)造運動以坳陷沉降為主,隨古近紀、新近紀、第四紀地層覆蓋和埋深增大,煤系地層不再遭受風化作用影響。石炭系—二疊系煤層雖然至今仍未達到二次生氣門限,但煤層氣富集及保存條件已經(jīng)基本形成(圖2)。
圖1 大城區(qū)塊構(gòu)造位置與區(qū)內(nèi)石炭系太原組六煤組底構(gòu)造圖
圖2 大城區(qū)塊及毗鄰地區(qū)A-A'構(gòu)造剖面圖
區(qū)內(nèi)石炭系—二疊系地層縱向上發(fā)育16層煤層,被劃分為6套煤組,由上至下分別為二疊系山西組的一、二、三煤組,和石炭系太原組的四、五、六煤組。其中三、六煤組煤層總厚最大,而且分布穩(wěn)定,是煤層氣勘探開發(fā)的主力目標煤組。三煤組地層厚度28 ~40 m,由2~5層單煤層組成,煤層總厚度介于3.5~12.5 m,平均厚6.0 m,埋深介于1 000~2 300 m。六煤組地層厚度64 ~73 m,由1~3層單煤層組成,煤層總厚度2.0 ~10.0 m,平均厚6.5 m,埋深介于1 200~2 500 m。前者的頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,后者的頂?shù)装鍘r性以泥巖、碳質(zhì)泥巖為主,兩者封蓋條件良好(圖3)。受石炭系—二疊系地層底部泥巖、鋁土質(zhì)泥巖和下石盒子頂“桃花泥巖”隔水限制,石炭系—二疊系水動力系統(tǒng)與奧陶系水動力系統(tǒng)及上第三系水動力系統(tǒng)缺少水力聯(lián)系,其內(nèi)部地下水主要為NaHCO3型,鈉/氯離子比介于1.1~1.5,脫硫系數(shù)介于0.7~6.0,礦化度由東南側(cè)淺層向西北側(cè)深層逐漸變大,介于4 750~12 486 mg/L,為弱交替水動力環(huán)境,可見現(xiàn)今水動力環(huán)境有利于煤層氣保存,風化改造作用已停止影響。三、六煤組的地層壓力系數(shù)介于0.9 ~1.0,為正常地層壓力。
圖3 大城區(qū)塊石炭系—二疊系煤層對比圖
大城區(qū)塊石炭系—二疊系煤層儲層受構(gòu)造演化影響,共經(jīng)歷了兩個變質(zhì)演化階段,分別為晚古生代和中生代早期地層穩(wěn)定沉降形成的深層變質(zhì)和燕山后期強烈?guī)r漿侵入的局部區(qū)域巖漿熱變質(zhì)。開始于始新世晚期的沉降,因至今埋深仍未達到再次深層變質(zhì)臨界,故大城區(qū)塊南部煤系地層Ro平面分布特征整體繼承前期格局,如圖4所示,Ro主要集中在0.7% ~1.2%,以氣、肥煤為主,僅東側(cè)斷層周邊小范圍煤級達到焦煤。
圖4 大城區(qū)塊南部石炭系—二疊系煤層Ro平面分布圖
煤層變質(zhì)程度對煤層氣富集的影響主要表現(xiàn)在兩個方面,首先變質(zhì)程度較高區(qū)域煤巖生烴總量大,其次煤巖中微孔,比表面積和蘭氏體積在一定區(qū)間內(nèi)會隨煤階的升高而增大,使其吸附能力增強[16]。而巖漿熱能夠在短時間內(nèi)升高地層溫度,改善煤層吸附能力和提高生烴速率,對區(qū)內(nèi)煤層氣的富集有積極意義。就大城區(qū)塊南部而言,雖然早期受構(gòu)造、地貌和風化作用影響,甲烷發(fā)生大量逸散,但煤層中有機質(zhì)受氧化程度有限,吸附能力得到一定程度保留,當封閉條件合適時仍能夠吸附保存大量甲烷。
大城區(qū)塊三、六煤組的工業(yè)組分基本一致,如表1所示,水分介于0.78 %~1.81 %,灰分介于10.05 %~23.60%,揮發(fā)分介于21.37 %~34.33 %。對比來看,六煤組灰分較低,更利于煤層氣吸附[17];由取心煤樣觀測描述可知,兩主力目標煤組(三煤組、六煤組)煤樣力學強度低,部分巖樣輕捻即碎,質(zhì)地疏松,多為碎塊、碎粒狀,光澤暗淡,顏色偏灰,受風化作用影響的跡象明顯[18-20](表2)。三煤組主要發(fā)育裂隙孔和植物殘體胞腔孔,而六煤組主要發(fā)育植物殘體胞腔孔;胞腔孔為原生孔,空間連通性差,常局限于某一個方向發(fā)育,且孔間連通程度低,一般不是流體運移的優(yōu)勢通道類別;裂隙孔為外界因素作用后形成孔隙,反映了自然營力對煤巖的天然改造,改造合適時可一定程度改善流體運移條件[21-22]。由煤巖柱(煤樣2.5 cm×5 cm)的滲透率測試可知(圖5),六煤組中煤巖滲透率高于三煤組,但隨著環(huán)壓的增大兩者滲透率趨于一致,在呈現(xiàn)應力敏感特點的同時,也意味著深埋藏條件下的三、六煤組煤層導流能力相差不大。
表1 大城區(qū)塊煤巖工業(yè)分析數(shù)據(jù)表
表2 大城區(qū)塊取心煤體結(jié)構(gòu)描述表
圖5 D1-1井三、六煤組煤巖柱(型煤)滲透率測試圖
煤層含氣量是煤層氣勘探開發(fā)的基礎,是煤層氣資源評價不可或缺的參數(shù)。由表3、圖6統(tǒng)計可知,含氣量隨深度增加而變大,甲烷碳同位素與含氣量變化特征一致。六煤組和三煤組相對高含氣量(大于等于10 m3/t)所對應深度不同,前者在1 750 m附近,而后者在1 600~1 630 m。通過與熱成因煤型氣甲烷碳同位素值(-55‰~-35‰)以及生物成因煤型氣甲烷碳同位素值(-78‰~-55‰)對比,同時結(jié)合煤層氣解吸—擴散—運移過程中的同位素分餾效應[23-24],分析認為:雖然傾斜煤層與內(nèi)部煤層氣在新近系之前一直承受風化影響,但在其后持續(xù)沉降過程中,一方面可能生成了次生生物氣,另一方面隨封閉條件增強和地下水活動形成了水力封堵控氣,致使大城南部傾斜煤層上端煤層風化帶中的含氣特征區(qū)別于常規(guī)瓦斯風化帶[25]。參考新疆煤層氣開發(fā)經(jīng)驗,中—低煤階煤層氣開發(fā)的含氣量下限為4 m3/t[26-27],大城區(qū)塊南部已基本滿足中煤階煤層氣開發(fā)的含氣量要求。
表3 大城區(qū)塊煤心解吸測試數(shù)據(jù)表
圖6 三、六煤組含氣量、甲烷碳同位素與埋深關(guān)系圖
利用等溫吸附方法測試取心煤樣吸附特征。①最大蘭氏體積特征表現(xiàn)為:三煤組為17.13 m3/t,六煤組為25.98 m3/t;②最大蘭氏壓力特征表現(xiàn)為:三煤組為3.4 MPa,六煤組為4.7 MPa。該特征與煤巖熱變質(zhì)程度相關(guān),在煤巖組分相似前提下,煤階越高(Ro<3.0%)煤巖蘭氏體積越大[16]。蘭氏壓力是煤巖吸附煤層氣強弱的間接反應,煤巖吸附能力越強,其吸附煤層氣所需壓力越低;當蘭氏壓力較大時,表明煤巖吸附能力相對較弱,壓降時煤層氣更易發(fā)生解吸。
當煤層因回返抬升而埋藏變淺時,會因大氣和地表水的影響而遭受風化作用。風化作用不僅會使煤層發(fā)生機械和化學變化,出現(xiàn)顏色暗淡,內(nèi)部結(jié)構(gòu)消失,甚至粉末化,以及電阻率值大幅降低等變化[18-20],而且還會使其內(nèi)部甲烷大量散失,顯著降低煤層含氣量[28-31]。煤層在遭受淋濾、氧化以及物理破壞等方式之后,整體機械強度會降低,內(nèi)部導流能力會增強,一定程度上可以抵消因再次沉降,埋深增大而帶來的壓實和難以壓裂造縫,有效排水降壓困難的問題。就煤層中甲烷含量而言,如上文所述,現(xiàn)今已基本滿足開發(fā),并不是制約大城南部深層煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵要素。關(guān)于碎屑巖風化帶的判斷和識別工作,前人已經(jīng)做了大量的工作[32-33],但煤層作為有機巖,其風化帶的判斷標準具有自身特殊性,本文選用煤礦現(xiàn)場常用辦法,通過觀察煤層巖心宏觀特征和電阻率值來對比定性判斷風化影響程度[34-35]。
大城區(qū)塊石炭系—二疊系地層發(fā)育于奧陶系不整合面之上,受構(gòu)造抬升、傾斜影響,在新近系之前一直遭受風化作用影響。為獲取電阻率值,探明風化影響深度,針對三、六煤組部署煤層氣井,如表4所示。新疆阜康礦區(qū)未受風化作用中—低階煤的電阻率值主要介于2 000~25 000 Ω·m[36-37]。結(jié)合表2煤層巖心特征的描述和表4、圖7中不同深度三、六煤組的深側(cè)向電阻率值,可以判斷三煤組的風化邊界在1 800~2 200 m之間,而六煤組的風化邊界在1 800~2 000 m之間。
表4 大城區(qū)塊三、六煤組電阻率測井值統(tǒng)計表
圖7 深度與三、六煤組深側(cè)向電阻率值關(guān)系圖
為測試風化作用對深層煤層氣開發(fā)影響,對D1-1井的三煤組開展試采先導實驗。D1-1井位于DC1井西南部250 m處,兩者垂向上巖性組合特征基本一致(圖3)。采用水力壓裂工藝對三煤組進行儲層改造,壓裂液用量516 m3,加砂量32 m3,壓裂規(guī)模適中,地層破裂壓力27.8 MPa,排采特征如圖8-a所示,日產(chǎn)水量大于10 m3,且無衰減趨勢,單井產(chǎn)氣量低,穩(wěn)產(chǎn)能力差。
圖8 試驗井排采生產(chǎn)曲線圖
鉆探實施S1井,并采用水力壓裂工藝對三煤組進行儲層改造,在實際壓裂施工過程中加砂困難,套壓高,多次超過45 MPa,最大超過60 MPa,未見明顯破裂壓力。深埋藏條件下的高地應力狀態(tài)嚴重制約了煤層儲層壓裂改造。排采特征如圖8-b所示,雖煤儲層解吸壓力達14.11 MPa,但產(chǎn)氣能力極差,峰值日產(chǎn)氣量僅412 m3,無法穩(wěn)產(chǎn),且日產(chǎn)水衰減迅速。
基于D1-1井和S1井開發(fā)特征認識,考慮傾斜煤層儲層物性垂向變化趨勢,部署實施了DT7井和DP7井,兩井平面距離約120 m。如圖3所示,三煤組在該處出現(xiàn)分叉變薄,單煤層間垂向距離變大,故將穩(wěn)定發(fā)育的六煤組上部選作目標層。DT7井的壓裂液用量540 m3,加砂量35 m3,因壓裂時超壓停泵而結(jié)束,地層破裂壓力62.5 MPa,壓裂加砂困難。排采特征如圖8-c所示,平均日產(chǎn)水量10.9 m3,峰值日產(chǎn)氣量2 898 m3,伴隨大量煤粉產(chǎn)出,卡泵頻繁。DP7井為“L”形多段套管壓裂水平井,水平段長954 m,分8段壓裂,壓裂液用量4 549 m3,加砂量344 m3,平均破裂壓力45.7 MPa。排采特征如圖8-d所示,解吸壓力13.9 MPa,峰值日產(chǎn)氣量高達11 300 m3,平均日產(chǎn)氣量8 946 m3,平均日產(chǎn)水量31.6 m3,生產(chǎn)穩(wěn)定,潛力可觀。但煤粉產(chǎn)出量大,卡泵頻繁。
從試驗井壓裂施工和生產(chǎn)特征(表5),分析風化作用對深層煤層氣開發(fā)影響。對比S1井與D1-1井生產(chǎn)特征,在相同井型,壓裂規(guī)模接近前提下,前者平均日產(chǎn)水量近似為后者5倍;前者日產(chǎn)水量變化平穩(wěn),隨產(chǎn)氣量增大而減少,而后者日產(chǎn)水持續(xù)衰減,最后停止產(chǎn)液,與產(chǎn)氣量變化無關(guān)聯(lián);前者產(chǎn)氣量僅能維持在600 m3/d,無法長時間保持1 000 m3/d以上,后者無穩(wěn)定產(chǎn)氣,只在短時間內(nèi)少量產(chǎn)氣,之后迅速衰減停止產(chǎn)氣。S1井因壓裂施工困難,地層無法壓開,而D1-1井地層破裂壓力僅27.8 MPa??梢?,風化作用不僅會使煤儲層的含氣量降低,還會改造煤儲層的導流能力,導致煤層氣井難以通過持續(xù)排水,建立有效壓降漏斗,獲得穩(wěn)定高產(chǎn)氣流。另外,煤儲層在遭受風化之后機械強度會降低,對水力壓裂改造有利,易破裂產(chǎn)生壓裂裂縫。
表5 大城南部不同位置煤層氣壓裂施工與開發(fā)特征表
DT7、DP7與S1井目標煤層都處于風化帶邊界處,但前者埋深更淺(約淺200 m),已能被水力壓裂改造,且相對穩(wěn)定高產(chǎn)。對比D1-1井的生產(chǎn)特征,DT7井和DP7井的產(chǎn)氣穩(wěn)定性更好,產(chǎn)氣潛力更強,產(chǎn)水能力一般。間接表明風化作用的影響可以一定程度有利于深埋藏、高應力條件下煤儲層壓裂改造和排水降壓;同時,相對較弱的風化作用,不會引發(fā)大產(chǎn)水,制約煤儲層中壓降漏斗加深和擴展。
大城區(qū)塊石炭系—二疊系三、六煤組埋深大于1 000 m。受構(gòu)造演化控制,傾斜煤層的高部位在新近系之前出露地表遭受風化作用,之后伴隨沉降被新近系和第四紀地層所覆蓋。深層傾斜煤層高部位因為風化作用影響含氣量偏低,導流能力強,煤層氣井表現(xiàn)出產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量低,產(chǎn)氣穩(wěn)定性差的特征。深層傾斜煤層相對低部位因埋深更大影響,自身導流能力相對弱,高應力制約了壓裂改造,煤層氣井表現(xiàn)低產(chǎn)水、低產(chǎn)氣,產(chǎn)氣穩(wěn)定性差的特點。而在深層傾斜煤層的相對中下部位,由于受風化作用影響較弱,煤層氣井呈現(xiàn)出大產(chǎn)水、大產(chǎn)氣、產(chǎn)氣穩(wěn)定的特點。以風化帶影響邊界為下限,充分考慮風化作用在垂向上對煤層開發(fā)影響,存在一段由深向淺延展適宜深層煤層氣開發(fā)的有利區(qū)帶。
風化作用在改變煤層儲層物性,使其機械強度和含氣量降低,導水能力增強的同時,也能有效抵消大埋深、高應力帶來的煤層難以壓裂改造和排水降壓困難的問題?;诳碧介_發(fā)試采實踐和分析,將大城區(qū)塊南部的深層傾斜煤層劃分為強風化作用區(qū)、有利區(qū)、高應力區(qū)三個區(qū)域(圖9)。有利區(qū)內(nèi)煤層含氣量相對較高,導水能力和機械強度已被風化作用適度改善,并且能夠滿足壓裂施工和穩(wěn)定生產(chǎn)要求。特定的地質(zhì)背景和煤層條件是DP7井能夠?qū)崿F(xiàn)深層煤層氣日產(chǎn)萬立方米氣的前提和基礎?;谏鲜鰧嵺`總結(jié)和認識,指出受地質(zhì)營力作用適度改造的深層煤層應當是煤層氣開發(fā)有利區(qū)。
圖9 深層傾斜風化煤層中煤層氣開發(fā)有利區(qū)模式圖
1)大城區(qū)塊南部石炭系—二疊系主力三、六煤組Ro主要集中在0.7%~1.2%,以氣、肥煤為主,僅東側(cè)斷層周邊小范圍煤級達到焦煤。三煤組風化邊界埋深介于1 800~2 200 m,而六煤組風化邊界埋深介于1 800~2 000 m。受風化作用影響煤層機械強度降低,質(zhì)地疏松,裂隙發(fā)育,易破碎。
2)風化帶中D1-1井煤層中值深度1 170.5 m,壓裂規(guī)模適中,日產(chǎn)水量大,且無衰減趨勢,單井產(chǎn)氣量低,穩(wěn)產(chǎn)能力差。風化帶邊界埋藏較深的S1井,煤層中值深度2 210 m,壓裂改造困難,日產(chǎn)水衰減迅速,產(chǎn)氣能力極差且無法穩(wěn)產(chǎn);風化帶邊界埋藏較淺的DT7井,煤層中值深度1 883 m,壓裂加砂困難,產(chǎn)出穩(wěn)定,產(chǎn)氣潛力可觀。風化作用在降低煤層含氣量的同時也會降低煤層的機械強度,能夠一定程度消除,大埋深、高應力條件下煤層難以壓裂改造和排水降壓困難的問題。此外相對較弱的風化影響,并不會帶來大產(chǎn)水,煤層中壓降漏斗難以加深和擴展的問題。
3)將大城區(qū)塊南部深層傾斜煤層劃分為三個區(qū)域,強風化作用區(qū)、有利區(qū)、高應力區(qū)。有利區(qū)內(nèi)煤層含氣量相對較高,導水能力和機械強度已被風化作用適度改善,能夠滿足壓裂施工和穩(wěn)定生產(chǎn)要求。
4)受地質(zhì)營力作用適度改造的深層煤層,應當是實現(xiàn)深層煤層氣高效開發(fā)的一個重要勘探方向。