鄂爾多斯盆地沙曲區(qū)塊煤層氣儲層特征與開發(fā)技術(shù)

魏若飛，信 凱

(山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西 晉城 048000)

沙曲區(qū)塊煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東緣呂梁地區(qū)柳林縣境內(nèi)。區(qū)塊及周邊煤層氣和致密砂巖氣資源豐富，西部是主產(chǎn)致密砂巖氣的清澗區(qū)塊，南部是主產(chǎn)煤層氣和致密砂巖氣的石樓北區(qū)塊，北部是主產(chǎn)煤層氣和致密砂巖氣的臨興區(qū)塊，整個區(qū)域是我國重要的天然氣資源基地，研究意義重大。

區(qū)塊山西組、太原組和本溪組煤層發(fā)育，構(gòu)造位置上屬于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶，并且周邊區(qū)塊在石盒子組和含煤地層中已有多口鉆井鉆遇致密砂巖氣工業(yè)氣流，區(qū)塊周邊較深區(qū)塊均有致密砂巖氣賦存，本區(qū)塊由于煤系地層埋深較淺，主要進行煤層氣開發(fā)。因此，對沙曲區(qū)塊煤層氣儲層特征展開研究，并適配合適的開發(fā)技術(shù)，對相似地質(zhì)條件的煤層氣區(qū)塊開發(fā)具有較強的參考意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置與構(gòu)造

沙曲煤礦位于鄂爾多斯盆地東緣、河東煤田中段、離柳礦區(qū)西南部。區(qū)域地層出露由老至新有：太古界、元古界、古生界、中生界、新生界。太古界出露于柳林泉域外圍東北、東、東南方向的漢高山、真武山、峪口、小神頭、起云山及劉家坪一帶，下古生界出露于河東煤田東部邊緣，上古生界含煤地層出露于離石煤盆地及臨縣—柳林一帶，中生界沿黃河東分布于河東煤田西側(cè)，新生界廣泛覆蓋于各時代基巖之上。

離柳礦區(qū)位于離石-柳林東西向構(gòu)造帶，由于受印度板塊及太平洋板塊的推擠作用，造成本區(qū)東西向構(gòu)造應(yīng)力不均衡，產(chǎn)生了以離石-柳林聚財塔東西方向為轉(zhuǎn)折、弧頂向西突出的弧狀褶皺，即離石鼻狀構(gòu)造。中部王家會背斜將本區(qū)分隔成離石-中陽向斜煤盆地和三交-柳林單斜煤產(chǎn)地；東北部鼻狀構(gòu)造與離石煤盆地相接部位，發(fā)育有一系列近南北或北北東走向的斷裂、褶皺構(gòu)造。在鼻軸部位，由于張力作用的結(jié)果產(chǎn)生了一個東西向的張裂帶，即聚財塔斷層組成的地塹構(gòu)造。

井田位于離石-柳林東西向構(gòu)造帶，巖層總體走向呈南北向，向西緩傾斜。

1.2 煤層氣煤巖煤質(zhì)特征

沙曲區(qū)塊主要目的儲層是山西組的3號、4號和5號煤層段以及太原組的8號、9號和10號煤層段，煤層埋深普遍在450～700 m，其中東部埋深較淺，西部埋深較深。煤層厚度發(fā)育穩(wěn)定，山西組煤層總厚度普遍在4 m左右，太原組煤層總厚度普遍在5 m左右。山西組煤層間間距較大，當前壓裂改造手段難以將其溝通，太原組8號和9號煤層間距在3.4～7.9 m之間，利于儲層改造[1]。

宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤，夾少量絲炭條帶。宏觀結(jié)構(gòu)以條帶狀、均一狀為主，有少量線理狀、透鏡狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造為層狀構(gòu)造。宏觀煤巖類型為光亮-半亮型煤，含少量半暗-暗淡型煤分層。

3號煤層鏡質(zhì)組最大反射率0.98%～1.98%，平均1.40%，相當于肥煤-瘦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質(zhì)階段。

4號煤層鏡質(zhì)組最大反射率0.90%～1.60%，平均1.42%，相當于肥煤-焦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質(zhì)階段。

5號煤層鏡質(zhì)組最大反射率0.94%～1.59%，平均1.43%，相當于肥煤-焦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質(zhì)階段。

8(8+9)號煤層鏡質(zhì)組最大反射率1.29%～1.95%，平均1.60%，相當于焦煤-瘦煤階段，屬Ⅳ-Ⅴ變質(zhì)階段。

9號煤層鏡質(zhì)組最大反射率1.63%～1.90%，平均1.74%，相當于瘦煤階段，屬Ⅴ變質(zhì)階段。

10號煤層鏡質(zhì)組最大反射率1.55%～1.85%，平均1.64%，相當于焦煤-瘦煤煤階段，屬Ⅳ-Ⅴ變質(zhì)階段。

主要煤層氣儲層的煤巖煤質(zhì)分析表明煤層演化程度較高，氣含量10～17 m3/t，平均12.8 m3/t，生氣和吸附條件整體較好[2]，8號煤含量等值線圖見圖1.

圖1 8號煤含量等值線圖

1.3 煤層氣孔滲特征

根據(jù)柳林區(qū)主要煤層的煤儲層滲透率參數(shù)測試結(jié)果，該區(qū)滲透率在0.01～8.86 md之間。由表1可以看出，高滲透率煤儲集層的表皮系數(shù)均為正高值，而低滲透率煤儲集層的表皮系數(shù)均為負值。

表1 柳林煤層氣井煤儲層試井滲透率

沙曲區(qū)塊的滲透率較高，表明單井控制范圍較大，煤層可改造性較好，有利于煤層氣開發(fā)。

1.4 儲層封蓋條件

3號、4號(3+4)號煤層的頂?shù)装鍘r性主要以泥巖以及砂質(zhì)泥巖為主，在總體上對煤層氣的保存有利，但其成分、結(jié)構(gòu)的不同和成巖后生作用的差異，對煤層的封蓋能力有所差別[3]。

8(8+9)號煤層頂板：直接頂板多為石灰?guī)r、局部含泥質(zhì)，巖性致密堅硬，節(jié)理、裂隙常被方解石充填，底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，含一定比例的中-細粒砂巖,4號煤底板至L1巖石特征見表2.

表2 4號煤底板至L1巖石特征

綜上可以看出，主力煤層頂板完整性好，區(qū)域上穩(wěn)定性強，且厚度較大，有較好的封蓋能力。

1.5 儲層等溫吸附特征

煤是一種多孔隙介質(zhì)，煤層氣多以吸附狀態(tài)存在于煤層之中，游離態(tài)的氣量往往不超過10%.因此，煤的吸附性能決定了煤層的儲集能力。同時，由于煤層氣的產(chǎn)出是一個降壓解吸的過程，煤的吸附性能又對煤層氣的抽放至關(guān)重要。

3號+4號煤臨界解吸壓力為1.54 MPa，8號+9號煤臨界解吸壓力為1.42 MPa.與初始儲集層壓力之比分別為0.52和0.36，該區(qū)臨界解吸壓力偏低。區(qū)塊主要煤層等溫吸附曲線見圖2.

圖2 區(qū)塊主要煤層等溫吸附曲線

2 煤層氣開發(fā)主體技術(shù)

鄂爾多斯盆地沙曲煤層氣區(qū)塊經(jīng)過10 a的勘探開發(fā)、生產(chǎn)運行，取得了一系列的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)成果，支撐了其他相似地質(zhì)條件下的煤層氣儲層的開發(fā)工作。

2.1 煤層氣水平井鉆井技術(shù)

區(qū)塊內(nèi)主要為黃土塬地貌，溝壑縱橫，地形切割嚴重，地面條件嚴峻，傳統(tǒng)的煤層氣開發(fā)直井井網(wǎng)部署困難，地面建設(shè)工程成本高。因此在煤層氣田建設(shè)過程中采用了直井+水平井的方式進行開發(fā)[5]，直井對儲層的埋深、含氣量和煤厚等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行控制，水平井輻射周邊，對較大范圍內(nèi)的資源進行開發(fā)。

在水平井鉆井過程中，使用了地質(zhì)綜合錄井、近鉆頭地質(zhì)導向、三開完鉆泡沫洗井、水平段存儲式測井等技術(shù)手段，保證了鉆井成功率。

2.2 分叉薄煤層開發(fā)技術(shù)

區(qū)塊內(nèi)各煤層普遍較薄，且間距較近，單層煤使用水平井進行開發(fā)面臨著資源豐度較低，經(jīng)濟性較差的問題，如果使用體積壓裂技術(shù)溝通相鄰煤層，則層間的泥巖、砂質(zhì)泥巖會在水和壓裂液的浸泡下使裂縫逐漸閉合，難以溝通相鄰煤層[6]。采用了首先在下部煤層中施工1口水平井下入套管，在上部煤層中再施工1口水平井下入篩管，在對下部煤層水平井進行壓裂改造后，兩口水平井分開進行排采的技術(shù)方案解決了此問題。較同時施工兩口水平井進行壓裂，節(jié)省了1口井的壓裂成本，同時對相鄰薄煤層實現(xiàn)了開發(fā)。

3 結(jié) 語

1) 鄂爾多斯盆地沙曲區(qū)塊具備煤層氣開發(fā)條件的有山西組的3號、4號和5號煤層及太原組的8號、9號和10號煤層，具有煤層層數(shù)多，單層煤較薄的特點。煤層埋深較淺，整體呈一單斜構(gòu)造，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，具備較好的煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件。

2) 研究區(qū)煤層氣儲層滲透率較高，煤層氣含量較高，等溫吸附特征有利于煤層氣的開發(fā)，整體上是煤層氣開發(fā)的優(yōu)質(zhì)目標儲層。

3) 針對區(qū)塊的地形地貌和含煤巖系的特點，配套了水平井技術(shù)、分叉薄煤層開發(fā)技術(shù)，取得了良好的效果。