延川南深部煤層氣高產(chǎn)主控地質(zhì)因素研究

高玉巧，李 鑫，何希鵬，陳貞龍，陳 剛

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司華東油氣分公司，江蘇 南京 210011；2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地東緣是目前國(guó)內(nèi)已探明的千億方煤層氣田之一，煤儲(chǔ)層含氣量8～15 m3/t，煤層氣產(chǎn)量800～2 000 m3/d，目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)開發(fā)，主要局限埋深1 000 m以淺的區(qū)域。我國(guó)新一輪煤層氣資源評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，1 000～3 000 m的資源量約30萬億m3，深部煤層氣資源十分豐富，大量鉆井也揭示深部煤層氣氣測(cè)顯示活躍、含量高，但由于滲透率低、地應(yīng)力高、鉆井成本高等不利因素，埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源的研究和開發(fā)利用是一個(gè)亟待突破的領(lǐng)域[1-3]。

經(jīng)過十余年的勘探開發(fā)實(shí)踐，延川南深部煤層氣取得積極進(jìn)展[4-7]，23口勘探評(píng)價(jià)井獲突破，測(cè)試產(chǎn)量1 000～7 900 m3/d，平均單井測(cè)試產(chǎn)量2 230 m3/d。2013年啟動(dòng)產(chǎn)能建設(shè)，投入生產(chǎn)井908口，2015年全面建成國(guó)內(nèi)首個(gè)投入商業(yè)開發(fā)的深部煤層氣區(qū)塊，目前已連續(xù)3 a穩(wěn)產(chǎn)3.5億m3。但區(qū)塊開發(fā)過程中仍然面臨氣藏非均質(zhì)性強(qiáng)，氣井產(chǎn)能差異大的難題。

關(guān)于深部煤層氣產(chǎn)能影響因素，前人已開展大量研究工作，集中于孔滲動(dòng)態(tài)變化、基質(zhì)收縮效應(yīng)、煤巖巖石力學(xué)特征、吸附能力等方面[8-11]，但運(yùn)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)、針對(duì)高產(chǎn)因素及低產(chǎn)低效原因分析[6,12]較少。為了更真實(shí)地揭示深部煤層氣生產(chǎn)規(guī)律，查明影響深部煤層氣富集高產(chǎn)主控因素，筆者在前人研究及認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，以延川南區(qū)塊山西組2號(hào)煤層為研究對(duì)象，充分利用生產(chǎn)動(dòng)態(tài)成果，分區(qū)分類逐項(xiàng)分析各項(xiàng)參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步深化深部煤層氣富集機(jī)理認(rèn)識(shí)，為深部煤層氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)特征

延川南區(qū)塊地處鄂爾多斯盆地東緣南部，位于晉西撓褶帶、渭北隆起和陜北斜坡的構(gòu)造過渡地區(qū)，煤儲(chǔ)層埋深為1 000～1 350 m，為典型深部煤層氣藏。區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，總體構(gòu)造形態(tài)為走向SN、向西傾斜的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)分布有NNE、NE和近SN向展布的斷層，主要為逆斷層，斷距小，延伸短，中部發(fā)育規(guī)模相對(duì)較大的西掌斷裂帶，將區(qū)塊分為譚坪構(gòu)造帶和萬寶山構(gòu)造帶(圖1)。生產(chǎn)建設(shè)區(qū)2號(hào)煤層埋深SE部淺、NW部深，煤層厚度為2.3～6.7 m，平均為4.5 m，橫向分布穩(wěn)定且連續(xù)，煤層一般含1～2層夾矸，局部發(fā)育3層夾矸，夾矸總厚度為0～0.80 m，平均0.35 m；煤的鏡質(zhì)體反射率為1.96%～3.22%，平均2.45%，處于貧煤、無煙煤變質(zhì)階段；煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤，孔隙率為3%～6%，滲透率為(0.01～0.99)×10-3μm2，屬于特低孔、特低滲儲(chǔ)層；煤層含氣量為6～20 m3/t，一般大于12 m3/t。

2 生產(chǎn)規(guī)律

延川南區(qū)塊自2015年生產(chǎn)建設(shè)完成至今，單井生產(chǎn)時(shí)間已經(jīng)超過5 a，早期評(píng)價(jià)井生產(chǎn)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到7～8 a，氣井目前生產(chǎn)情況基本上可以代表該井的產(chǎn)能。本次統(tǒng)計(jì)了區(qū)塊908口井的生產(chǎn)情況，目前產(chǎn)氣井780口，平均單井日產(chǎn)氣量1 020 m3。單井日產(chǎn)氣量大于1 000 m3、500～1 000 m3、500 m3井?dāng)?shù)約各占30%，不產(chǎn)氣井90口，單井產(chǎn)能差異大(圖2)。從煤層氣產(chǎn)能平面分布情況來看，高產(chǎn)井主要集中在萬寶山南部以及譚坪中、南部，中產(chǎn)井位于萬寶山中北部以及譚坪北部，而低產(chǎn)井主要分布于靠近中部Ⅲ級(jí)斷層以及局部Ⅳ級(jí)斷層發(fā)育帶。區(qū)塊整體處于低產(chǎn)液水平，平均單井日產(chǎn)液1.4 m3，其中，日產(chǎn)液低于1 m3的井有701口，占比超過70%，萬寶山SW部低產(chǎn)液井成片發(fā)育。產(chǎn)液量大于5 m3/d的大液量井在緊鄰斷層發(fā)育區(qū)附近集中分布。

從生產(chǎn)井產(chǎn)氣、產(chǎn)液規(guī)律來看，區(qū)塊生產(chǎn)特征具有顯著的分區(qū)差異特征(表1)。萬寶山構(gòu)造帶南部構(gòu)造形態(tài)為微幅隆起，埋深為1 000～1 200 m，含氣量為12～20 m3/t，礦化度為(3～8)×104mg/L，生產(chǎn)特征表現(xiàn)為高產(chǎn)氣、低產(chǎn)液；西部為深部緩坡區(qū)，埋深為1 200～1 500 m，構(gòu)造穩(wěn)定，斷層不發(fā)育，礦化度達(dá)到8×104mg/L以上，生產(chǎn)特征表現(xiàn)為低產(chǎn)氣、低產(chǎn)液；北部緩坡帶發(fā)育小斷層，礦化度為(1.0～3.6)×104mg/L，生產(chǎn)特征表現(xiàn)為中等產(chǎn)氣、產(chǎn)液水平；東區(qū)靠近水侵區(qū)、大斷裂，礦化度低，一般小于0.5×104mg/L，該區(qū)產(chǎn)液量明顯增加，低產(chǎn)氣甚至不產(chǎn)氣。譚坪中部及南部為局部微幅隆起，埋深為800～950 m，礦化度為(0.6～1.0)×104mg/L，表現(xiàn)為中等產(chǎn)氣、產(chǎn)液水平；譚坪次凹帶，發(fā)育次級(jí)斷層，礦化度小于0.3×104mg/L，表現(xiàn)為低產(chǎn)氣、高產(chǎn)液。

圖1 延川南區(qū)塊2號(hào)煤構(gòu)造Fig.1 Tectonic map of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

表1 延川南分區(qū)生產(chǎn)規(guī)律Table 1 Spatial statistical table of production law in Southern Yanchuan Block

3 高產(chǎn)主控地質(zhì)因素

3.1 構(gòu)造特征

構(gòu)造是影響煤層氣成藏的關(guān)鍵因素，不同類型的地質(zhì)構(gòu)造在其形成過程決定了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征和現(xiàn)今應(yīng)力分布，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況及地下水徑流條件等出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響煤層氣的聚集和保存[13-14]。區(qū)域構(gòu)造演化及其構(gòu)造發(fā)育特征對(duì)煤層氣成藏具有顯著的控制作用，構(gòu)造演化控制了生烴作用，構(gòu)造發(fā)育差異性控制了區(qū)域水文地質(zhì)邊界及不同區(qū)域水文地質(zhì)特征，進(jìn)而影響煤層氣的保存[15]。

3.1.1 斷層對(duì)煤層氣賦存的影響

斷層對(duì)煤層氣成藏影響具有兩重性[16-17]，一方面斷層易導(dǎo)致煤層氣散失，對(duì)煤層氣成藏起到破壞作用，另一方面，斷層發(fā)育區(qū)，滲透率改善，對(duì)儲(chǔ)層物性有一定的改善作用。

延川南區(qū)塊發(fā)育斷層22條，以逆斷層為主。萬寶山構(gòu)造帶NW部多發(fā)育延伸長(zhǎng)度0.8～2.5 m、斷距小于20 m 的Ⅳ級(jí)斷層，對(duì)于深部?jī)?chǔ)層物性有所改善；而中部延伸長(zhǎng)度10～30 m、斷距20～50 m的Ⅲ級(jí)斷層規(guī)模較大，溝通外來水造成水侵破壞成藏。另一方面構(gòu)造形態(tài)上為次級(jí)低幅隆起的背斜構(gòu)造，其軸部未受應(yīng)力破壞，煤層氣相對(duì)富集，形成含氣量局部高值區(qū)。

斷層對(duì)煤層氣井產(chǎn)液產(chǎn)氣的影響也復(fù)雜化，較大規(guī)模的Ⅲ級(jí)斷裂易溝通外來水，產(chǎn)液量高，煤儲(chǔ)層無法有效降壓，Ⅳ級(jí)斷層附近微裂縫相對(duì)發(fā)育，滲透率高，利于煤層泄壓半徑擴(kuò)展和氣水的產(chǎn)出，煤層氣易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

煤層氣井產(chǎn)量與斷層距離的規(guī)律性明顯，在距離斷層400 m范圍內(nèi)產(chǎn)氣量極低，甚至不產(chǎn)氣，大于400 m的構(gòu)造平緩區(qū)，產(chǎn)量總體趨于穩(wěn)定(圖3)。

3.1.2 褶皺對(duì)滲透率的影響

煤層受順層擠壓力發(fā)生形變形成褶皺，背斜軸部附近受平行于彎曲面的拉伸引張力作用，厚度變厚、孔隙加大，或者脆性導(dǎo)致煤層發(fā)育楔狀張性裂面或折裂面，同時(shí)褶皺作用伴生的沿層理滑動(dòng)也使煤層破碎，提高煤層透氣性，為煤層氣運(yùn)移提供了有利通道。

圖3 延川南2號(hào)煤距斷層距離與產(chǎn)能關(guān)系Fig.3 Relationship between fault distance and production of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

延川南萬寶山構(gòu)造帶延3井區(qū)、譚坪構(gòu)造帶延5井區(qū)為微幅背斜構(gòu)造，背斜軸部受張力作用影響表現(xiàn)為相對(duì)高滲的平面分布特征。而西南部由于構(gòu)造活動(dòng)弱，地層平緩，褶皺不發(fā)育，滲透率極低，表現(xiàn)為高閉合壓力、低聲波時(shí)差的特征，儲(chǔ)層改造難度大，進(jìn)而影響煤層氣井產(chǎn)能。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料顯示，萬寶山西南部日產(chǎn)液一般低于0.5 m3，明顯低于東部及北部的1～2 m3，日產(chǎn)液量的平面分布特征非常顯著(圖2b)，進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn)。

從東西向構(gòu)造剖面和氣井產(chǎn)能關(guān)系(圖4)可知，產(chǎn)能與構(gòu)造位置的相關(guān)性明顯，高產(chǎn)井延6-6-26、延3-42-18井均分布在埋深1 200 m以淺、無斷層發(fā)育的局部隆起帶核部及翼部，延6-6-50井、延6-6-40井位于1 200 m以深的單斜帶，日產(chǎn)氣量均未達(dá)到500 m3。

3.2 水動(dòng)力特征

對(duì)于煤系來說，不同強(qiáng)度的水動(dòng)力環(huán)境對(duì)煤層氣成藏控制作用不同。延川南2號(hào)煤層礦化度差異很大，平面分布具有“東西分塊、南北成帶”的特征，總礦化度整體呈西高東低的趨勢(shì)，煤層氣保存環(huán)境存在差異性[18]。萬寶山構(gòu)造帶礦化度高，在高濃度、高溫高壓及偏酸性-還原環(huán)境下，離子變得不穩(wěn)定而逐漸消失，地層水以氯化鈣型(K++Na+、Ca2+、Cl-)為主；在譚坪構(gòu)造帶礦化度較低，淺部滲入水富含O2及CO2，有利于形成及，地層水屬于碳酸氫鈉型(K++Na+、)。

圖4 延川南構(gòu)造與產(chǎn)能關(guān)系剖面圖Fig.4 Profile of relationship between structure and production in Southern Yanchuan Block

圖5 延川南水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐諪ig.5 Division of hydrographical geological units in Southern Yanchuan Block

結(jié)合構(gòu)造特征分析，認(rèn)為延川南2號(hào)煤層存在3種水動(dòng)力條件(圖5)。受單斜構(gòu)造及斷層的綜合影響，區(qū)塊東部譚坪構(gòu)造帶2號(hào)煤層埋深較淺，礦化度偏低，水質(zhì)呈弱堿性，為弱徑流區(qū)；西部萬寶山構(gòu)造帶煤層埋藏較深，且白鶴、中垛兩條封閉性斷層阻斷了上部水層的滲入，地層礦化度急劇升高，pH值降低，為滯流環(huán)境；在工區(qū)中北部發(fā)育的斷層局部溝通了上下水層的聯(lián)系，存在垂直滲流現(xiàn)象，此處礦化度也較低且呈弱堿性，為垂直弱滲流區(qū)。

水動(dòng)力特征通過影響煤層氣的保存條件，對(duì)煤層氣富集具有直接的控制作用。但是礦化度的高低對(duì)產(chǎn)能的影響并非呈單純的線性關(guān)系(圖6)。礦化度低于0.3×104mg/L時(shí)，氣井產(chǎn)能整體低于1 200 m3/d，處于低產(chǎn)低效水平，并隨著礦化度的下降，產(chǎn)能快速下降，直至不產(chǎn)氣；礦化度為(0.3～3)×104mg/L時(shí)，氣井產(chǎn)能隨著礦化度的增加緩慢上升至2 000 m3/d左右，礦化度為(3～4)×104mg/L，氣井產(chǎn)能快速上升至4 000 m3/d左右，并在礦化度1×105mg/L持續(xù)保持高產(chǎn)水平，但是礦化度大于1×105mg/L后，氣井產(chǎn)能急劇下降，直至低產(chǎn)低效。礦化度大于1×105mg/L區(qū)域位于靠近盆地中央的高壓封閉滯流區(qū)，儲(chǔ)層壓實(shí)作用強(qiáng)，地應(yīng)力高，在與低應(yīng)力區(qū)基本一致的儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)以及排采速度控制條件下，儲(chǔ)層有效改造范圍以及泄流半徑擴(kuò)展明顯受限，通過氣井動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)方法計(jì)算單井泄流半徑僅85 m，遠(yuǎn)低于低應(yīng)力區(qū)泄流半徑167 m，井間資源難以有效動(dòng)用，從而導(dǎo)致低產(chǎn)低效，該區(qū)域需優(yōu)化儲(chǔ)層改造工藝，擴(kuò)大儲(chǔ)層動(dòng)用面積，才能充分釋放氣井產(chǎn)能。

3.3 煤體結(jié)構(gòu)

圖6 延川南2號(hào)煤地層水礦化度與產(chǎn)能關(guān)系Fig.6 Relationship between the degree of water mineralization and production of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

構(gòu)造煤發(fā)育程度是制約煤層氣產(chǎn)能的重要因素，構(gòu)造煤滲透性低，且不利于壓裂改造，影響煤層氣井產(chǎn)能[19-20]。煤體結(jié)構(gòu)總體受構(gòu)造活動(dòng)以及成煤物質(zhì)差異性的影響，根據(jù)其變形程度劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤、糜棱結(jié)構(gòu)煤，區(qū)塊原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂結(jié)構(gòu)煤裂隙相對(duì)發(fā)育，利于產(chǎn)能釋放，碎粒結(jié)構(gòu)煤與糜棱結(jié)構(gòu)煤滲透率低，對(duì)產(chǎn)能的制約作用大[18]。延川南2號(hào)煤總體以原生-碎裂煤為主，碎粒-糜棱煤主要發(fā)育在斷裂帶附近，受斷層破壞作用明顯。在同一構(gòu)造應(yīng)力作用下，同時(shí)受沉積作用及成煤物質(zhì)差異，構(gòu)造應(yīng)力在煤層中具有一定的“選擇性”，對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度不同[20]。一般脆性較大的鏡煤、亮煤首先遭到破壞，應(yīng)力-應(yīng)變的總趨勢(shì)為：“強(qiáng)層”遭受的破壞程度小，“弱層”遭受的破壞程度大。但延川南整體成煤環(huán)境的差異性相對(duì)較小，構(gòu)造對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響更為顯著。

分析原生-碎裂結(jié)構(gòu)煤厚度與產(chǎn)能的相關(guān)性，呈正相關(guān)關(guān)系(圖7)，原生-碎裂煤厚度越大，單井產(chǎn)能越高，垂向厚度達(dá)到2.5 m是單井高產(chǎn)的前提條件，原生-碎裂煤厚度大于5 m，高產(chǎn)井占比82%。

圖7 延川南2號(hào)煤層原生-碎裂煤厚度與產(chǎn)能關(guān)系Fig.7 Relationship between the thickness of primary coal seam and cracked coal seam and production of No.2 coal seam in Southern Yanchuan Block

3.4 高產(chǎn)主控地質(zhì)因素再討論

延川南區(qū)塊深部煤層氣富集高產(chǎn)受“構(gòu)造、水動(dòng)力、煤體結(jié)構(gòu)”三因素控制。其中，構(gòu)造起決定作用，對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響具有兩重性，局部發(fā)育的褶皺和斷層對(duì)滲透性具有明顯改善作用，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致水動(dòng)力條件增強(qiáng)，造成煤層氣逸散，區(qū)塊內(nèi)褶皺分布范圍廣，對(duì)氣井影響大，在微幅背斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)，背斜軸部及翼部受張力作用影響表現(xiàn)為相對(duì)高滲的平面分布特征和煤層氣高產(chǎn)特征，而向斜構(gòu)造軸部地區(qū)呈現(xiàn)出煤層氣逸散特征，產(chǎn)氣量低。煤層氣產(chǎn)量與斷層呈現(xiàn)良好的匹配性，靠近斷層400 m范圍內(nèi)的井極易溝通外來水，造成煤層氣逸散和降壓困難，呈現(xiàn)出高產(chǎn)水低產(chǎn)氣甚至不產(chǎn)氣特征；水動(dòng)力影響其次，地層水礦化度(3～10)×104mg/L是煤層氣高產(chǎn)的基礎(chǔ)，過高礦化度則反映儲(chǔ)層位于靠近盆地中央的高壓封閉滯流區(qū)，不利于儲(chǔ)層改造。煤體結(jié)構(gòu)控制局部，制約儲(chǔ)層滲透性和可改造性，影響單井產(chǎn)能，原生-碎裂煤厚度越大，產(chǎn)能越高。

4 結(jié)論

a.延川南區(qū)塊2號(hào)煤產(chǎn)能平面差異大，具有高產(chǎn)集中分布、平面差異明顯的特征。高產(chǎn)井主要集中在埋深800～1 200 m的萬寶山南部、譚坪中南部地區(qū)；中產(chǎn)井位于埋深大于1 200 m的萬寶山中北部及埋深小于800 m的譚坪北部地區(qū)；低產(chǎn)井主要分布于靠近中部Ⅲ級(jí)斷層以及局部Ⅳ級(jí)斷層發(fā)育帶。

b.深部煤層氣產(chǎn)能受“構(gòu)造、水動(dòng)力、煤體結(jié)構(gòu)”三因素控制，微幅隆起帶翼部及埋深800～1 200 m的構(gòu)造平緩區(qū)、地層水礦化度(3～10)×104mg/L及原生-碎裂煤厚度大于2.5 m的區(qū)域煤層氣富集高產(chǎn)，日產(chǎn)氣量超過1 500 m3、日產(chǎn)水量小于0.9 m3；埋深低于800 m、局部凹陷區(qū)、斷裂發(fā)育區(qū)、礦化度低于0.3×104mg/L，垂向原生-碎裂煤厚度低于2.5 m的區(qū)域產(chǎn)量較低，日產(chǎn)氣量普遍低于600 m3、日產(chǎn)水量大于2.0 m3。

c.圍繞深部煤層氣高產(chǎn)主控地質(zhì)因素分析，通過繼續(xù)深化區(qū)塊構(gòu)造和水動(dòng)力特征精細(xì)描述，建立煤體結(jié)構(gòu)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，厘清構(gòu)造煤平面、縱向發(fā)育特征，以期劃分高產(chǎn)有利目標(biāo)區(qū)，明確氣田開發(fā)方向。