沁南煤層氣開發區塊煤儲層特征分析及意義

趙賢正 桑樹勛 張建國 劉會虎 王立龍 張 聰

(1.中國石油華北油田公司,河北 062552;2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116;3.中國石油華北油田煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

1 引言

沁水盆地南部煤層氣田東臨太行行隆起,西臨霍山凸起,南為中條山隆起,北部與沁水盆地腹地相連,包括樊莊區塊、潘莊區塊、鄭莊區塊等。其中樊莊區塊與鄭莊區塊為本文研究區塊。區內地層寬緩,構造相對簡單,以褶皺構造為主,斷層多為落差較小的正斷層,主要構造呈NNE向展布,樊莊區塊發育方向多變的次級褶曲,鄭莊區塊背、向斜相間展布。研究區從1997年試鉆晉試1井以來,樊莊區塊已鉆井451口,鄭莊鉆井181口。樊莊從2006年投產以來,已經獲得了工業性產能,高產井日均產氣在3000m3以上,部分煤層氣井產能在1000m3/d以下。區塊內煤層氣井產能差異排除后期工程措施的影響之外,主要受高煤級煤儲層非均質性 (變化規律)所控制,具體表現為高煤級煤儲層的含氣性、滲透率及流體壓力非均質性所控制。關于煤儲層在三維空間上的非均質性代表性的研究集中于煤儲層含氣性非均質性產生原因、影響因素和煤儲層滲透率非均質性的影響因素分析。本文以沁水南部高煤級煤儲層為例,從含氣性非均質、滲透性非均質及流體壓力梯度非均質變化入手,初步探索三者控制的地質機理,提出對煤層氣開發的建議。

2 鄭莊、樊莊開發區塊高煤級煤儲層非均質性特征

圖1 研究區3#煤儲層含氣量與甲烷濃度

沁水盆地南部煤儲層含氣非均質性表現在水平展布上及垂直分布上均具有明顯分異的特點。對樊莊和鄭莊具有不同埋深的3#煤及15#煤層含氣量和含氣飽和度進行統計分析,如圖1。對比分析發現,在水平分布上,無論是含氣量還是含氣飽和度,在開發區塊之間及開發區塊內部均呈現明顯的非均質性。對含氣量平均值進行計算,得到樊莊區塊晉試1～5井3#煤實測平均含氣量為21.144m3/t,15#煤實測平均含氣量為21.171m3/t,鄭試部分井3#煤實測平均含氣量為18.97m3/t,15#煤實測平均含氣量為20.12m3/t。計算結果可以推知：整體上15#煤含氣量均高于3#煤含氣量。分析結果表明,高煤級煤儲層含氣性在垂向上整體上表現出隨埋深升高的特點,同時又體現出受其它地質因素影響呈現非均質性的特點 (圖2)。

對開發區塊內部3#煤儲層含氣量的水平展布進行分析,如圖3。樊莊區塊3#煤層含氣量一般介于10～20m3/t之間,含氣量分布表現出中部高、四周低的特點。鄭莊區塊3#煤儲層含氣量一般介于10～20m3/t之間,煤儲層含氣量的分布表現為中北部高南部低、東部高西部低的特點。樊莊和鄭莊3#煤儲層含氣量具有明顯不同的水平空間分布特征,區塊內部含氣量的分布明顯不均,具有強裂非均質性的特點。沁水南部煤儲層含氣量的水平展布特點同樣反映出煤儲層含氣非均質性的特點,體現出煤層氣藏形成后受構造及其它地質因素等多重地質因素影響的復雜性。

圖2 研究區煤儲層含氣量

圖3 研究區3#煤儲層含氣量等值線圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

圖4 研究區3#煤儲層壓力梯度等值線圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

根據較正后的儲層壓力梯度繪制等值線圖,進行空間分析,如圖4。由圖4可以看出：樊莊儲層普遍欠壓,變化特點表現為中心高、四周低的特點,鄭莊區塊大部分區域為欠壓儲層,高壓儲層只有零星分布。研究區煤儲層壓力梯度分布表明：高煤級煤儲層主要以欠壓儲層為主,局部區域存在高壓儲層,儲層壓力梯度的分布同時表明高煤級煤儲層流體壓力梯度分布具有典型的非均質性。

3 鄭莊、樊莊開發區塊高煤級煤儲層非均質性變化地質規律

3.1 高煤級煤儲層的含氣非均質性變化及其地質控制機理

研究區在地史上多期構造運動使沁水盆地下降及回返抬升,煤儲層發生滲流擴散,含氣飽和度下降,同時多期構造應力場的存在,形成了沁水盆地整體為NE向斜基礎上褶曲疊合的復合型褶曲構造。對鄭試19口開發井的含氣量與所處構位置關系進行分析,如圖5。從中可以看出,在易發生煤層氣解吸逸散的構造部位 (正斷層附近或裂隙發育的背斜核部)煤層氣含氣量明顯偏低,裂隙不發育的向斜核部煤層氣含氣量明顯偏高。分析發現構造應力場控制了構造樣式 (如褶曲的形態),控制了遺留煤層氣的保存條件,對高煤級煤儲層的非均質性產生決定性的影響。

圖5 煤層含氣量與構造位置的關系

研究區開發區塊3#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質泥巖,底板以粉砂質泥巖為主,其次為粉細砂巖,直接頂板泥巖厚度一般都在10m以上,封蓋能力較好,寺頭-后城腰斷層以西,斷裂帶內及其附近灰巖裂隙十分發育,封蓋條件差。足夠的地下水勢能形成較高的煤儲層壓力,使煤儲層具有夠高的吸附煤層氣的動力,同時又表明具有足夠的驅動煤層氣流動的能量。在沁水南部大寧-潘莊-樊莊一帶太原組和山西組含水層等勢面呈現出“低洼”狀態,形成地下相對滯流水區,同時在平面空間上地下水動力強的地區煤層氣含量較低,水動力弱的地區煤層氣含量高,進一步加劇高煤級煤儲層的非均質性。

綜上分析,高煤級煤儲層成煤歷史中的生烴、熱演化及埋藏過程奠定了高煤級煤儲層高含氣性的基礎,后期構造運動和水文動力條件改變了煤層氣的空間分布形態,使得煤層氣在封蓋條件較好、滯流的水動力條件較弱的利于保存的向斜部位富集程度更高,從而高煤級煤儲層的含氣在空間分布上表現出很強的非均質性。

3.2 高煤級煤儲層的滲透率非均質性變化及其地質控制機理

高煤級特殊的煤巖組成煤熱演化程度決定了煤儲層初始滲透率的發育程度,后期的構造應力對煤儲層的改造則是導致高煤級煤儲層滲透性非均質性變化的主因。構造應力對煤儲層滲透率則具有改造作用。研究區經歷了四期構造應力場作用,發育的宏觀裂隙走向主要集中在NE向和NW向兩組,其中NE向宏觀裂隙由于受燕山期NW-SE向擠壓作用,多形成剪裂隙而較為閉合,井下觀測到多組切穿頂板剪裂隙;NW向宏觀裂隙受喜山期NW-SE向拉張應力多形成張裂隙。割理主要存在兩組優勢發育方向,第一組的走向大致在N°33～66°E之間,該組割理發育,密度為27～120條/m;第二組割理的走向大致在N42°～54°W之間,該組割理發育相對較弱,密度為24～60條/m,割理密度較小,割理的發育方向也明顯反映出受燕山和喜山期古構造應力場的影響。

3.3 高煤級煤儲層的流體壓力梯度非均質性變化及其地質控制機理

高煤級煤儲層流體壓力梯度非均質性表現為煤儲層壓力異常。在沁水南部研究區,欠壓煤儲層普遍存在,高壓異常煤儲層亦個別存在。綜合現有文獻對煤儲層壓力異常的機理的認識,本文認為煤儲層壓力異常在于煤的生氣過程、構造改造過程及水動力條件三個方面：①地史時期由于區域熱事件(巖漿侵入),煤層達到生烴高峰,出現超壓,當煤生氣導致煤層壓力增加超過煤層破裂極限,而形成煤層割理,新生成的煤層氣沿割理裂隙運移,造成煤儲層壓力降低;②由于后期的構造抬升使原有的裂隙系統遭到破壞及生烴作用的停止,吸附氣解吸為游離氣快速逸散,逸散量大于生烴量,導致煤層氣含氣量減少,煤儲層流體大量散失,引起儲層降壓;③沁水盆地南部含水層富水性弱,地下水徑流條件差導致補給條件差、水動力條件較弱,水力聯系較差,不具備大面積承壓水發育條件,地質歷史中煤層氣散失量大而缺乏水力能量補充,煤儲層普遍表現為低壓;同時潛水面變化可能引起局部域煤儲層壓力異常 (可能出現承壓水封閉,出現高壓)。經過分析表明：地史上高煤級煤的生氣作用及后期的構抬升奠定了煤儲層流體壓力梯度非均質的格局,水文條件在一定程度上局部改造了煤儲層流體壓力的非均質性。

4 鄭莊、樊莊開發區塊高煤級煤儲層非均質性的煤層氣開發影響

高煤級煤儲層含氣性非均質性對煤層氣開發的影響表現在：進行煤層氣井井網布署時,應充分考慮高煤級煤儲層含氣性非均質性的特點,考慮含氣性非均性規律、含氣非均質性產生的主要因素,布井位置應盡量避開斷層發育帶,考慮在向斜翼部、多期構造運的交接部位 (小型褶曲疊加部位)進行布井,避免在大型背斜核部布井。

考慮高煤級煤儲層的滲透率非均質性的特點,在進行高煤級煤層氣開發時應注意：(1)井網部署時一方面滿足煤儲層含氣性較好的同時應考慮煤儲層滲透性,具體表現為應選擇復向斜中的次級背斜、構造交接部位布井;(2)鉆井、固井完井、壓裂時應充考慮高煤級煤儲層滲透率非均質的特點,將施工作業過程中對煤儲層的傷害減小到最低程度;(3)制定排采制度時,應采取逐級有效降壓,防止壓敏、速敏等現象進一步導致煤儲層滲透率降低。

高煤級煤儲層的流體壓力梯度直接決定了煤層氣開發的難易程度。高煤儲層壓力表明具有較高的驅動煤層氣解吸、擴散、滲流的能力。高煤級煤儲層的流體壓力梯度非均質對煤層氣開發的影響具體表現在：進行煤層氣生產時排采幅度不宜過大,防止煤儲層壓力衰減過快導致煤儲層有效應力增加過大,進而引起煤儲層孔、裂隙變形,煤儲層滲透率下降,影響煤層氣的解吸、擴散、滲流過程,同時煤儲層壓力衰減過快引起煤氣在孔隙中的擴散方式快速轉變,導致煤層氣的擴散能力減弱,從而影響煤層氣井的產能。

5 結論

(1)沁水南部高煤級煤儲層含氣性、滲透率在水平空間展布及垂向尺度分布上均具有明顯的差異,在高煤級煤儲層區普遍存在壓力異常,在空間布上呈現出分異明顯的特點,高煤級煤儲層的含氣性、滲透率及流體壓力梯度表現出強烈的非均質性。

(2)地史時期超壓形成了沁水南部高煤級煤層氣藏高飽和度的基礎,后期構造作用對高煤級煤儲層含氣非均質性產生決定性影響,煤儲層的封蓋條件和水文動力條件在一定程度上影響煤層氣的保存;高煤級特殊的煤巖組成煤熱演化程度決定了煤儲層初始滲透率的發育程度,后期的構造應力對煤儲層的改造則為導致高煤級煤儲層滲透性非均質性變化的主因;地史時期高煤級煤的生氣作用及后期的構抬升奠定了煤儲層流體壓力梯度非均質的格局,水文條件在一定程度上局部改造了煤儲層流體壓力的非均質性。

(3)沁水南部高煤級煤儲層非均質性對煤層氣開發的影響表現在煤層氣井布井、鉆井、固井完井、壓裂及排采時應考慮高煤級煤儲層含氣、滲透率及流體壓力梯度非均質性的特點,布井應選擇在煤儲層含氣性較好、煤儲層滲透率較高的復向斜、構造交接部位布井,鉆井、固井完井及壓裂應盡量減小對煤儲層的傷害,煤層氣井生產排采時應采用逐級降壓,防止裂隙閉合,滲透率降低,防止煤層氣擴散能力過早衰減。

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