準噶爾盆地東部地區煤層氣儲層特征

楊曙光 田繼軍

(1.新疆煤田地質局煤層氣研發中心,新疆 830009;2.新疆大學地質與勘查工程學院,新疆 830046)

準噶爾盆地東部區北鄰卡拉麥里山,南接博格達山,包括石樹溝凹陷、石錢灘凹陷、梧桐窩子凹陷和沙奇凸起等,區內侏羅系煤層發育,準東煤田煤炭探明儲量達2136億t,為目前我國最大的整裝煤田。雖然煤炭儲量非常豐富,但受理論上低階煤含氣量較低認識的限制,針對準東煤層氣研究總體比較薄弱,對準東煤田煤層氣研究基本上采用準南地區資料類比推測;煤層氣資源的預測也主要是采用煤炭資源成果來預測。存在地質勘探程度低,煤儲層地質研究不夠充分,開采技術不完善等,制約了對該區煤層氣資源潛力的評價。

本文根據煤田及油田最新鉆探的煤層氣參數井,從煤儲層特征角度分析入手,根據煤儲層的孔隙分布特征、滲透性及對甲烷的吸附能力等特征分析準東煤田煤層氣的儲集性能,優選有利區帶,為今后準東煤田煤層氣研究及勘探開發提供可靠的基礎資料和技術依據。

1 主要含煤地層及沉積環境

準東含煤巖系的沉積相主要為沖積扇 (濕地/旱地/半旱地扇)相、扇三角洲、辮狀河、曲流河、(辮狀河/曲流河)三角洲、湖沼及水下 (濁積)扇相幾種類型。

準噶爾盆地主體的下沉速度和沉積速度基本保持平衡。在早、中侏羅世的不同沉積時段大體可分為3個相區：沖積扇相區、河流相區和湖泊相區。八道灣組沉積時,準東地區主要為濱湖相區和沖積扇相區分布,在北部緊靠卡拉麥里山為河流相區分布。西山窯組沉積時,研究區主要為濱湖相區、河流相區分布。八道灣組和西山窯組沉積時的巖相古地理面貌十分相似,在這兩個沉積階段內,湖盆水體很淺,湖泊三角洲體系發育,為穩定的、大面積的泥炭沼澤的形成創造了極為有利的環境,并最終導致優質煤層的形成。而兩套煤系之間的三工河組沉積時,卻主要是大面積的湖泊相 (尤其是深湖泊相和較深湖相)沉積,不利于含煤巖系的形成。

表1 準東及鄰近地區西山窯組煤層孔隙度分布簡表

2 煤儲層特征

2.1 煤層的孔隙特征

準東地區煤的變質程度較低,分析該區煤儲層的孔隙特征十分重要,有利于探討該區煤層氣儲集、擴散和運移。

本次收集了準東及鄰近地區壓汞法測得的西山窯組煤層孔隙資料 (表 1),孔隙度 4.33%～27.46%,平均15.38%;中值半徑0.0375～0.320μm,平均 0.144μm。大孔 (＞ 1000nm) 占8.38%～43.4%,中孔 (1000～100nm)占17.36%～40.87%,大孔和中孔平均54.56%,小-微孔(＜100nm)占45.45%?？梢娢魃礁G組煤中孔隙主要還是以中孔、大孔為主,其次是小-微孔。

2.2 煤的吸附特征

煤層的吸附性能決定了煤層氣的賦存狀態和儲集能力。等溫吸附試驗 (圖1、2)表明,研究區內不同區塊煤層的吸附能力有所差異,五彩灣礦區的空氣干燥基Langmuir體積最大,為11.2m3/t,其次為研究區中部北山煤窯和大井地區,空氣干燥基Langmuir體積分別為9.12m3/t、8.0m3/t;東部老君廟礦區空氣干燥基Langmuir體積為6.83m3/t,西部沙帳地區沙煤1井空氣干燥基Langmuir體積僅為1.76m3/t,可見準東地區西山窯組煤層吸附量遠小于準南地區;Langmuir體積也總體明顯低于我國其他地區相同煤級煤,表明研究區煤的吸附能力偏低。

煤的吸附量與Langmuir壓力大小有關,Langmuir壓力越小,吸附量越大,煤層甲烷的儲存量也越大。煤變質程度越低,Langmuir壓力越大,我國褐煤、長焰煤、氣煤Langmuir壓力平均分別為8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等溫吸附測試結果得知：北山煤窯、老君廟與我國其他地區Langmuir壓力大小相近,五彩灣則遠高于我國其他地區同煤級煤的Langmuir壓力值,沙帳地區和大井地區則偏低。

2.3 煤儲層滲透率

煤儲層的滲透性是煤層氣勘探與開發最關鍵的問題之一。其影響因素非常復雜,主要包括孔隙、裂隙、煤級、煤巖類型、原地應力與埋深等。煤層氣勘探開發中,滲透率的獲取方法,主要是通過注入/壓降試井方法獲得。鑒于準東地區煤層氣勘探現狀,主要分析研究區及鄰區實測滲透率的分布。依據有限資料的統計,準東及鄰近地區西山窯組煤儲層滲透率變化比較大,其滲透率測值變化0.05×10-3μm2～8.67 ×10-3μm2, 充分體現了煤儲層非均質性的特征。其中,木壘地區滲透率最高,達8.67×10-3μm2;而大井地區的滲透率最低,為0.05×10-3μm2。我國低煤級煤儲層滲透率一般在0.02×10-3μm2～0.6 ×10-3μm2,準東及鄰近地區滲透率相對國內其它低煤級區域較高,但與美國粉河盆地煤層滲透率 10×10-3μm2～1000×10-3μm2相比,準東地區滲透率仍然較低。

圖1 沙煤1井等溫吸附曲線

圖2 研究區西山窯組煤的等溫吸附曲線

2.4 儲層溫度

儲層溫度是煤層氣解吸吸附能力的敏感性參數,直接影響到煤層氣的儲存和產出。從儲氣角度分析,溫度高,則煤的吸附能力降低,煤層的儲氣能力呈下降趨勢;而從開發角度講,溫度越高,煤中甲烷解吸能力越強,有利于煤層氣產出。

準噶爾盆地地溫隨埋深增加而升高,地溫梯度集中在 2.3～3.3℃/100m,平均地溫梯度約2.25℃/100m,東部地溫梯度在2.4℃/100m左右,五彩灣彩參1井所測地溫梯度為2.5℃/100m,大井地區煤層氣井試井所測儲層溫度為29℃。

2.5 儲層壓力

煤層壓力是指煤層孔隙中的流體 (氣、水)壓力,直接決定著煤層對甲烷的吸附和解吸能力,是影響煤層氣開發的重要參數。同時,儲層壓力也是流體從煤中裂隙流向井筒的能量,當降低煤儲層壓力,煤孔隙中吸附的氣體就開始解吸,向裂隙方向擴散,在壓力差作用下從裂隙向井筒流動。在氣井排采時,煤儲層壓力越高,越容易降壓排采,越有利于煤層氣開發。

根據先前研究可知,準東地區儲層壓力表現為南部高、中部平、北部低的格局;南部煤系地層壓力在1600m左右即出現超壓。準東區塊大井地區煤層氣井試井所測西山窯組煤層儲層壓力為7.92MPa,儲層壓力梯度為1.08MPa/100m。根據有限的油田探井測試結果而計算的儲層壓力梯度為0.79～1.22MPa/100m(表2),研究區中部壓力正常,西南部較高,西部較淺處較低,深部較高;儲層壓力隨埋深增大而增加趨勢明顯。

3 下一步勘探部署建議

準東地區煤田勘探及煤層氣勘探程度都不是很高。煤炭勘探程度極不均衡,研究區中部,煤田勘探程度較高,但目前僅有一口煤層氣參數井。研究區東部,僅在北端老君廟地區進行了煤田勘探及開采,煤層氣尚未進行過勘探工作。研究區西部,在東緣五彩灣、帳南西地區及東北段蘆草溝地區進行了煤田勘探及開采,西段基本沒有進行煤田勘探工作;在西部南段帳南西地區,有一口煤層氣參數井,也僅是做了采樣解吸測試工作,未進行試井工程。

表2 研究區石油鉆孔儲層壓力測試結果統計表

針對研究區目前煤炭和煤層氣勘探現狀,建議今后分階段分地區進行煤層氣勘探。中部煤炭勘探程度較高,可依據的基礎資料較多,因此可在所選擇的勘探有利區塊首先進行煤層氣勘探試驗,可部署1～2口測試井進行測試,經過測試,確認該井具備勘探潛力的情況下,進行壓裂及排采試驗;如果試驗效果好,可在該井附近部署更多的煤層氣井,形成井組或井網,進行井組煤層氣生產試驗。

研究區西部、東部由于煤炭勘探程度低,可作為次一級煤層氣試驗地區,在本次優選的較有利區部署煤層氣試驗井。研究區南部可隨著今后煤炭勘探程度的提高,進行后續跟蹤研究。

[1] 王俊民.準噶爾含煤盆地構造演化與聚煤作用[J].新疆地質.1998,12(1)：25-30.

[2] 崔思華,劉洪林,王勃,等.準噶爾盆地低煤級煤層氣成藏地質特征 [J].現代地質.2007,21(4)：720-724.

[3] 楊起,劉大錳,黃文輝等.中國西北煤層氣地質與資源綜合評價 [J].北京：地質出版社,2005.

[4] Shao Longyi Zhang Pengfeietal.2003h.Paleoenvironments and paleogeography of the Lowerand lower Middle Jurassic coalmeasuresin the Turpan-Hamioil-prone coal basin,northwestern China[J].AAPGBulletin,335-355.

[5] 蔚遠江.準噶爾盆地低煤級煤儲層及煤層氣成藏初步研究 [D].北京：中國地質大學 (北京),2002.

[6] 楊曙光,周梓欣,秦大鵬等.新疆阜康市阜試1井煤層氣產氣分析及小井網布設建議 [J].中國西部科技,2010,9(26)：3-9.