寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素

田文廣湯達禎孫斌任源鋒

1.中國地質大學(北京) 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 3.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業公司

寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素

田文廣1,2湯達禎1孫斌2任源鋒3

1.中國地質大學(北京) 2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 3.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業公司

田文廣等.寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素.天然氣工業,2010,30(6):22-25.

寧武盆地是我國典型的中煤階構造殘余盆地,勘探證實其南部具有很好的煤層氣勘探潛力,但煤層氣富集的主控因素尚不清楚。為此,分析了盆地南部主要含煤地層的沉積環境、煤質特征、熱演化程度與煤階分布、煤儲層物性等地質特征,通過構造特征、地應力分布特征、封蓋條件分析,結合前期勘探成果,綜合研究后認為:寧武盆地南部煤層氣的富集受構造部位、應力場以及煤層頂底板封閉條件控制,構造上斜坡帶煤層氣富集高產,構造應力場低值區煤層滲透性好,封閉條件好的地區煤層氣保存條件好。進而預測出W02井以東、W04井以南地區具有獲得高產煤層氣井的有利條件,是有利的煤層氣富集區。

寧武盆地 煤層氣 富集 斜坡帶 地應力場低值區 主控因素 有利區 封蓋層

寧武盆地位于山西省西北部,西側為呂梁山隆起和蘆芽山復背斜,東側為五臺山隆起帶,是晚古生代成煤期后受構造運動擠壓抬升形成的小型山間構造盆地[1-2]。南北長約130km,寬20～30km,面積約3120km2(圖1)。目前已有3口煤層氣井最高日產氣超過1000m3(W01、W04、W05井),均分布于南部斜坡帶,證實寧武盆地南部具有很好的煤層氣勘探潛力。但寧武盆地南部煤層氣富集主控因素尚不清楚,需要深入研究,筆者通過對該區構造特征、地應力分布特征、封蓋條件等方面的研究,分析了寧武盆地南部煤層氣富集主控因素,指出了煤層氣有利富集區。

1 南部地區煤層氣地質特征

1.1 主要含煤地層及沉積環境

寧武盆地發育石炭—二疊系、侏羅系2套含煤巖系[3]。其中下二疊統山西組(P1s)底部4#煤和上石炭統太原組(C3t)下部9#煤單層厚度大,全盆地穩定分布,是煤層氣勘探的主要目的層。侏羅系含煤性差,分布范圍小,為次要勘探目的層。

本區在晚古生代太原期為海退背景下濱、淺海三角洲平原亞相的低位沼澤,物源主要來自大同以北古陸。早期植物生長繁盛,泥炭堆積厚度大,在太原組下部沉積了9#煤,厚4.36～24.62m,平均厚度超過11m。中、后期海水向南退出,成煤環境變差,在太原組中上部僅發育一些分布不連續的薄煤層和濱—淺海相泥巖—泥灰巖;本區山西期海水退出,初期沉積環境較穩定,處于河流亞相的沼澤沉積微相區,形成了山西組下段較厚的4#煤,厚0.37～13.15m,一般為2～4m。中、后期沼澤相帶收縮,成煤條件變差,沉積了1～3層橫向分布不穩定的薄煤層,單層厚0～1.95m。

1.2 煤巖、煤質特征

寧武盆地南部太原組9#煤煤巖特征總體上以半暗—半亮型和半亮—光亮型煤為主。顯微組分中鏡質組含量一般大于60%,惰性組含量一般小于30%。煤層以中低灰分煤為主,灰分含量一般小于15%(表1)。

4#煤煤巖特征總體上以半暗型為主。有機顯微組分中鏡質組一般在50%左右,惰性組含量一般為40%左右。煤層以中灰分為主,灰分含量一般為14.2%～22.7%。

圖1 寧武盆地太原組9#煤頂面埋深等值線圖

1.3 熱演化程度與煤階分布

寧武盆地淺部已知煤階為低—中變質的氣、肥煤, W01井9煤Ro為0.95%～1.10%(表1)。隨著埋藏加深,煤變質程度加深,煤階增高,推測盆地腹部為肥、焦煤,已進入熱解生氣高峰,可為煤層氣富集提供充足的氣源[4-5]。山西組4#煤演化程度略低于太原組9#

煤,煤階分布規律與太原組9#煤相同。

1.4 煤儲層物性

寧武盆地南部煤層巖心壓汞資料表明,該區煤層孔隙以微孔為主,發育了少量的中孔和大孔,孔隙度為3.97%～5.2%,孔隙中值半徑為0.1～63μm,鏡質組反射率為0.85%～1.12%。

煤層滲透率是影響煤層氣高產的主要因素之一, W05井煤巖實測滲透率為0.41mD,根據注入/壓降法測試結果(表2),壓裂前煤層滲透率一般為0.01～0.86mD。

煤心觀察表明,該區煤層割理發育,割理密度為3～5條/cm,縫寬4～7μm。構造裂縫多垂直煤層發育,呈不規則分布,裂縫未充填,疏通了煤層孔隙,改善了煤儲層性能。

2 煤層氣富集的主控因素

2.1 構造上斜坡帶煤層氣富集高產

寧武盆地成煤期后主要經歷了燕山期和喜山期構造運動[6]。現今構造形態為NNE向展布的復向斜,兩翼陡,地層傾角25°～40°,南北兩端構造較平緩,地層傾角6°～12°。

寧武盆地南部構造斜坡帶,煤層埋深主要受構造和地形起伏控制,變化規律較簡單,W04井以南煤層埋深一般小于1500m,處于上斜坡帶,向腹部煤層迅速加深,腹部最深約2700m。寧武盆地南部上斜坡帶3口井日產氣超過1000m3,煤層氣富集高產主要有以下幾方面原因。

表1 寧武盆地南部太原組9#煤巖特征表1)%

表2 太原組9#煤層滲透率測試結果表 mD

2.1.1 上斜坡帶為低勢區,是烴類運移指向區

上斜坡帶煤層早期煤層埋藏深,生氣條件好,煤層后期抬升幅度大,形成低勢區,與盆地腹部埋深超過2000m的生氣中心銜接,成為烴類運移指向區,配合區域性分布穩定的直接蓋層,易于形成高含氣、高飽和煤層氣藏。

2.1.2 上斜坡帶割理發育,煤層滲透性好

上斜坡帶處于盆地后期構造幅度大,煤層埋藏相對較淺,處于地應力相對低值區,張性裂隙發育,煤層滲透性好,利于煤層氣井高產。

2.1.3 上斜坡在整體降壓情況下煤層氣井具有輸入型的產氣特征

在整體降壓情況下,高部位容易優先形成面積降壓,處于構造高部位的排采井,煤層氣井具有輸入型的產氣特征,一般產水量小,產氣量大,初期本井周圍降壓解吸,后期構造下傾部位解吸氣又運移到本井產出;煤層氣井產水特征:日產水遞減—微產水或不產水。

2.2 構造地應力場低值區煤層滲透性好

影響煤儲層滲透率的因素十分復雜,地質構造、應力狀態、煤層埋深、煤體結構、煤巖煤質特征、煤變質程度和天然裂隙系統等都不同程度地影響著煤儲層滲透率[7-8],煤儲層滲透率是多因素綜合作用的結果,但其中構造應力場是控制煤層滲透率的最主要因素[9-10],煤層滲透率與地應力增加呈指數關系降低[11-13]。

構造應力場中的低應力分布區往往是裂縫高密度分布帶[14-16],寧武盆地構造應力場低應力分布區是裂縫高密度分布帶,高應力分布區煤層割理不發育。盆地南部高應力分布區位于西部W02—W03井區,該地區臨近大斷層或斷裂,而低應力分布區位于W01—W04—W05井區,是高密度裂縫分布帶[6]。

通過W01井和W02井煤樣品的顯微構造照片對比,可清楚地觀察到兩口鉆孔巖心顯微構造的明顯差異。W01井所處的構造位置是應力場低值分布區,煤巖割理裂隙十分發育。圖2-a顯示出在大約100μm長度范圍內分布有條微裂隙,裂縫明顯地具有張剪性力學特性;而W02井由于處應力場高值分布區,煤巖裂縫分布密度低且為閉合(圖2-b)。

2.3 封蓋層控制煤層氣保存

煤層頂底板封閉性直接控制煤層氣的保存條件,主要體現在控制煤層含氣量,同時封隔煤層上下含水層,有利于煤層氣井排水降壓。

泥巖頂板無疑是最有效的封蓋層。泥灰巖頂板稍遜于泥巖頂板,而優于石灰巖頂板,亦能有效發揮封閉作用。寧武盆地南部山西組4#煤直接頂板以泥頁巖、砂巖、粉砂巖為主,太原組9#煤頂板絕大部分為泥灰巖、泥巖,有少量石灰巖和砂巖。太原組9#煤泥巖、泥灰巖頂板主要發育于南部W01—W04—W05井區,泥灰巖、泥巖頂板厚度2～18.0m,石灰巖頂板厚度1～6.14m。在西部W02—W03井區太原組蓋層9#煤層之上蓋層主要為富水性較強的中砂巖為主,煤層氣保存條件差。總體上太原組9#煤頂板封蓋能力好于4#煤,這是9#煤含氣量高于4#煤的主要原因。

圖2 W01井與W02井太原組9#煤顯微構造照片對比圖[6]

山西組4#煤底板以砂巖為主,次為泥巖、粉砂巖。太原組9#煤底板以泥巖、泥灰巖為主,局部為砂巖及粉砂巖、石灰巖。下伏本溪組發育一套厚度介于5～15m的鋁土質泥巖,全區穩定分布,底襯封閉作用良好。

總體上,寧武盆地南部W01—W04—W05井區頂底板封閉性好,煤層含氣量一般大于10m3/t,最高達到20m3/t,而西部W02—W03井區煤層頂板主要以砂巖為主,封蓋條件差,煤層含氣量較低,W02井最高含氣量只有4.9m3/t。

煤層頂板封蓋層同時還是很好的隔水層,煤層上部地層泥巖、泥灰巖發育能夠很好地封隔上部地層水的網絡狀滲濾,同時煤層上部地層泥巖發育使該區含水層不發育,富水性差,有利于煤層氣的保存,同時煤層氣井排采產水量小,煤層易降壓解吸,對煤層氣開發極為有利。W05井頂板泥巖發育,厚度超過15m,煤層氣井產水量一般低于15m3/t,地層水礦化度超過5000mg/L(表3),說明處于地下水弱徑流—滯留區,保存條件好,煤層產氣效果較好,而W03井區頂板以砂巖為主,富水性強,斷層發育,斷層溝通含水層,使得該區水文地質條件復雜,W03井試氣水礦化度985mg/L(表3),而該區煤系地層水礦化度一般超過2500mg/L,說明該區有地表水混入,處于地下水徑流區,同時煤層氣井產水量大,產水量超過100m3/d,煤層難以降壓解吸,不利于煤層氣開發。

表3 寧武盆地試氣井9#煤層產出水分析化驗數據表 mg/L

3 寧武盆地南部煤層氣富集區預測

綜合以上研究,構造部位、地應力、封蓋層共同控制煤層氣的富集與保存,是寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素,W02井以東、W04井以南地區太原組9#煤埋深小于1500m,處于應力場低值區,煤層滲透性好、煤層頂底板封蓋條件好,同時處于構造上斜坡帶,利于煤層氣井高產,是煤層氣富集高產有利地區。

寧武盆地南部有利區內太原組9#煤原煤含氣量最高為20.61m3/t,平均為10.61m3/t,總體呈北高南低、東高西低的趨勢。解吸氣甲烷含量為91.3%～95.1%,平均含氣飽和度超過85%(表1),證實本區處于飽和吸附帶,煤層氣開發潛力較大。預測太原組9#煤1500m以淺煤層氣有利勘探面積為138km,煤層氣地質資源量為221×108m3。

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.006

Tian Wenguang,engineer,born in1979,is studying for a Ph.D degree at China University of Geosciences.He is mainly engaged in research of CBM geology and development.

Add:No.Ding11,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing100083,P.R.China

Tel:+86-10-69213106 Mobile:+86-13731609120 E-mail:tianwg69@petrochina.com.cn

Major controlling factors of coalbed methane enrichment in the southern Ningwu Basin

Tian Wenguang1,2,Tang Dazhen1,Sun Bin2,Ren Yuanfeng3
(1.China University of Geosciences,Beijing100083,China;2.L angf ang B ranch,Petroleum Ex ploration& Development Research Institute,PetroChina,L angf ang,Hebei065007,China;3.Downhole Service Com pany,Bohai Drilling and Ex ploration Engineering Co.,L td.,CN PC,L angf ang,Hebei065007,China)

The Ningwu Basin is a typical relic structural basin containing coals with moderate coal rank.Although exploration has proved the coalbed methane(CBM)potential in its southern part,the major controlling factors of CBM enrichment are still unclear. For this reason,we analyzed various geologic features of coal-bearing strata in the southern part of this basin,such as sedimentary environment,coal quality,thermal maturity,coal-rank distribution and physical properties of coal reservoirs.Based on analysis of the structural features,earth stress distribution features and sealing conditions and in combination with previous exploration results, the following conclusions are obtained.The enrichment of CBM in the southern Ningwu Basin is controlled by structural location, stress field and sealing conditions of the top and bottom coal-seam.The upside structural slope is prolific.Coal layer permeability is relatively high in low-value area of the tectonic stress field.Coal layers in the area with good sealing conditions are favorable for the preservation of CBM.It is predicted that a CBM play exists in the area to the east of the well WO2and to the south of the well WO4,where conditions are favorable for CBM enrichment.

Ningwu Basin,coalbed methane,enrichment,slope,low-value area of earth stress field,major controlling factor

book=22,ebook=261

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.006

2010-03-24 編輯 羅冬梅)

國家科技重大專項項目“煤層氣富集規律研究及有利區塊預測評價”(編號:ZX05033)。

田文廣,1979年生,工程師;畢業于中國石油大學(北京),獲碩士學位,現為中國地質大學博士研究生;從事煤層氣地質與開發研究工作,曾獲省部級科技進步獎1項及多項局級科技進步獎。地址:(065007)河北省廊坊市萬莊44號信箱煤層氣勘探開發研究所。電話:(010)69213106,13731609120。E-mail:tianwg69@petrochina.com.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE6,pp.22-25,6/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)