沁水盆地寺家莊區(qū)塊煤儲層含氣性及產(chǎn)能控制因素

李國富，張 為,，李 猛，潘結(jié)南，劉亮亮，陳召英，張永成，白 楊

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000；3.晉能控股裝備制造集團有限公司，山西 晉城 048000；4.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003)

沁水盆地作為我國勘探最早、開發(fā)潛力最大的煤層氣田，為了提高煤層氣單井產(chǎn)能、降低開發(fā)成本，“十三五”期間開展了大量的技術(shù)攻關(guān)與試驗，形成一系列高效開發(fā)的儲層改造及排采關(guān)鍵技術(shù)，為推動我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要示范作用[1-4]，特別是南部晉城地區(qū)寺河、成莊等井田取得了較好的抽采效果[5-6]，而盆地東北部的煤層氣抽采效果卻不理想。寺家莊區(qū)塊是位于沁水盆地東北部的一個典型高瓦斯礦井，其蘊藏的豐富煤層氣資源亟待開發(fā)，同時一直制約著煤礦安全生產(chǎn)礦井瓦斯也亟待治理。截至目前，已有部分學(xué)者對沁水盆地東北部煤層氣基本特征和開采潛力進行了研究，如于振峰等[7-8]對寺家莊井田含煤地層煤層氣賦存層位和太原組煤層氣地球化學(xué)特征及成因進行了研究，楊昌永等[9-10]對沁水盆地東北部15 號煤層的地溫場和儲層物性進行了研究；田慶玲[11]探討了寺家莊井田分壓合層排采適應(yīng)性，為沁水盆地東北部煤層氣勘探與開發(fā)積累了寶貴資料。但已有研究受限于前期煤層氣勘探開發(fā)資料欠缺及研究側(cè)重點的不同，未能對制約煤層氣開發(fā)的儲層含氣性及產(chǎn)能影響因素等核心要素進行研究。鑒于此，筆者依托寺家莊區(qū)塊近年來積累的豐富煤層氣勘探和抽采井資料，重點從地質(zhì)構(gòu)造、煤厚與煤層結(jié)構(gòu)、埋深和水文地質(zhì)特征等方面研究煤層含氣性影響因素，并結(jié)合壓裂排采工藝和煤體結(jié)構(gòu)等因素探討煤層氣井產(chǎn)能控制因素，以期為沁水盆地東北部煤層氣勘探開發(fā)提供支撐。

1 地質(zhì)背景

寺家莊區(qū)塊位于沁水盆地東部邊緣的中北部，太行隆起之西翼，其基本構(gòu)造形態(tài)為西傾的單斜構(gòu)造，斷層較少，褶曲發(fā)育，北部陷落柱較多(圖1 和圖2)，其構(gòu)造程度總體為簡單類型，北部由于陷落柱發(fā)育，構(gòu)造程度屬中等類型。主要含煤地層為石炭-二疊系太原組和山西組，共含煤18 層，其中太原組的8 號、9 號和15 號煤層穩(wěn)定發(fā)育，為區(qū)塊內(nèi)煤層氣主開發(fā)煤層(圖3)。各煤層均以無煙煤為主，處在陽泉至柳林的高變質(zhì)帶內(nèi)，受區(qū)域巖漿熱疊加變質(zhì)作用影響，煤級由南向北逐漸增高，鏡質(zhì)體反射率Rmax為2.87%～3.11%。各煤層宏觀煤巖成分以亮煤為主，夾暗煤及絲炭條帶，宏觀煤巖類型多為光亮型、半亮型煤，少數(shù)為半暗型煤；顯微煤巖組成以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，各煤層鏡質(zhì)組體積分數(shù)均在95%以上。

圖1 寺家莊區(qū)塊構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline map of the Sijiazhuang area,Qinshui Basin

圖2 15 號煤底板高程3D 堆疊圖Fig.2 3D diagram showing the elevation of the floor of coal No.15

圖3 寺家莊區(qū)塊地層綜合柱狀及含(隔)水層劃分圖Fig.3 Stratigraphic profile showing the occurrences of coal seams,and aquifer and confining beds

2 煤儲層地質(zhì)特征

煤層厚度、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)等控制著煤儲層在三維空間的展布，也是控制煤儲層含氣性的重要因素，直接影響煤層氣開發(fā)成效[12-13]。寺家莊區(qū)塊內(nèi)8、9、15 號煤層厚度及分布呈現(xiàn)較大非均質(zhì)性。8 號煤層為大部分可采不穩(wěn)定煤層，其有效厚度(包括81、82、84分煤層)為0.01～5.73 m，平均1.76 m，井田北部、中部及西南部小范圍，煤厚基本大于1.50 m，南部及東部則出現(xiàn)大面積煤厚在1.00 m 以下甚至尖滅(圖4a)；煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含夾矸1～2 層；頂?shù)装鍘r性為泥巖或細-粉砂巖，厚度1～3 m，節(jié)理不發(fā)育。9 號煤層為大部分可采較穩(wěn)定煤層，其有效厚度為0.30～5.55 m，井田北、中部及西南部，煤厚大部分在1.50 m 以上，東南部及西部煤厚基本在1.00 m 以下，甚至出現(xiàn)不可采區(qū)和尖滅區(qū)(圖4b)；煤層結(jié)構(gòu)較簡單，一般不含夾矸，有時含1層或2 層夾矸，厚0.04～0.75 m，巖性為泥巖；頂板多為泥巖，有時為粉砂巖；底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，局部為細-中砂巖。15 號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采的厚煤層，厚度為3.00～9.83 m，平均5.40 m，總體呈現(xiàn)出北部、南部厚(基本在5.50 m 以上)，西部薄(大部分在5.50 m 以下)(圖4c)；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾矸2～4 層，最多達6 層，夾矸巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖；煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，底板常為炭質(zhì)泥巖，有時為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。

圖4 寺家莊區(qū)塊煤層厚度等值線Fig.4 Thickness contour maps of major coal seams of the Sijiazhuang area

區(qū)內(nèi)各煤層自東向西埋深逐漸增加，整體呈單斜樣式，8、9 和15 號煤層埋深依次為224.97～762.16 m、232.33～766.07 m 和314.00～897.30 m。8 號煤與9 號煤層間距為2.50～20.80 m，平均5.57 m；9 號煤與15號煤層間距為50.40～77.30 m，平均72.01 m。9 號煤與15 號煤之間為K4灰?guī)r-14 號煤層的砂巖-泥巖-灰?guī)r-煤層互層段，因其潛在的含氣性，局部也被視為煤層氣開發(fā)層位。

3 煤層含氣性及煤層氣賦存特征

煤層含氣性是決定煤層氣產(chǎn)能及開發(fā)潛力的主要因素之一，受煤層氣的生成、儲集及保存條件的控制[14]。隨煤層含氣量增加，煤層氣井的產(chǎn)能呈增大趨勢，且含氣量越高，煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時間越長，開始下降的時間越晚，生產(chǎn)井統(tǒng)計資料表明，中-高產(chǎn)井的煤儲層平均含氣量明顯高于低產(chǎn)井的平均含氣量[15]。煤儲層含氣量測試結(jié)果顯示，區(qū)塊內(nèi)8 號、9 號煤層地處甲烷帶，含氣量整體較高，15 號煤層含氣量相對較低。8 號煤層高含氣量區(qū)主要分布在區(qū)塊中部和西部，含氣量基本在11 m3/t 以上；而東部及南部含氣量較低，在8 m3/t 以下。9 號煤層高含氣量區(qū)主要分布在區(qū)塊中部和西部，含氣量基本在10 m3/t 以上；而東北部及南部存在含氣量8 m3/t 以下的低值區(qū)。15 號煤層含氣量整體較低且分布差異性較大，高含氣量區(qū)主要分布在井田中部和西部，含氣量在7 m3/t 以上；而東部、南部及北部含氣量較低，基本在6 m3/t 以下(表1 和圖5)。

表1 煤儲層特性參數(shù)Table 1 Parameters of coal reservoir characteristics

4 煤儲層含氣性影響因素

4.1 地質(zhì)構(gòu)造

寺家莊區(qū)塊內(nèi)煤層甲烷的賦存特征受構(gòu)造影響較大，在褶皺軸部及旁側(cè)構(gòu)造擠壓帶，多呈現(xiàn)出高含氣量，尤其是向斜軸部含氣量較高，在8 號煤層表現(xiàn)最為明顯(圖5)。研究區(qū)北部陷落柱發(fā)育，主要源于奧陶系灰?guī)r和少量太原組灰?guī)r的巖溶空洞塌陷，陷落柱的存在構(gòu)成了氣體運移通道，不利于煤層氣的保存，但據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查資料，陷落柱發(fā)育區(qū)內(nèi)含水層連通性較差，陷落柱主要影響距巖溶空洞(陷落柱誘因)較近的15 號煤層，垂向上距離巖溶空洞越近，煤層氣散失越嚴重，故15 號煤層含氣量整體較8、9 號煤層含氣量低，并且在巖溶陷落柱發(fā)育密集的區(qū)域15 號煤層含氣量普遍較低(圖1 和圖5c)。同時，深部15 號煤層賦存的煤層氣可能通過陷落柱逸散到淺部的8、9 號煤層中，8、9 號煤層較高的含氣飽和度(飽和、過飽和)與15 號煤層低含氣飽和度(欠飽和)也證實了這一結(jié)果。斷層對含氣量的控制不明顯，可能與研究區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育有限且都分布在淺部有關(guān)。

圖5 寺家莊區(qū)塊主要煤層含氣量分布Fig.5 Gas content contour map of major coal seams of the Sijiazhuang area

4.2 煤層埋深

研究區(qū)內(nèi)8、9 和15 號煤層含氣性均表現(xiàn)出隨煤層埋深增加而增大的趨勢，其中，8、9 號煤層埋深與含氣量相關(guān)性趨勢更為清晰，15 號煤層埋深與含氣量相關(guān)性趨勢呈現(xiàn)較大離散性(圖6)，這可能與活躍的奧陶系巖溶裂隙水有關(guān)。秦勇[17]、謝和平[18]等指出，“臨界深度”不是深度，而是一種由儲層性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)、采動應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性耦合作用形成的力學(xué)狀態(tài)。秦勇等[19]指出，隨埋深增大，在儲層溫度與儲層壓力綜合作用下，煤層含氣量在“臨界深度”附近會達到最大值，然后隨埋深進一步加大而降低，這一“臨界深度”對于貧煤在1 200 m 左右，對于無煙煤還會有所減小。在特定的地質(zhì)條件下，寺家莊地區(qū)表現(xiàn)為15 號煤層埋深小于700 m 的區(qū)域含氣量與埋深正相關(guān)性很好，而埋深大于700 m 的區(qū)域含氣量與埋深相關(guān)性不明顯(圖6b)，700 m 深度為該區(qū)域含氣量變化的“臨界深度”。這一“臨界深度”的發(fā)現(xiàn)加強了對沁水盆地煤層氣成藏的認識，即700 m 以淺深度越大，煤層含氣量越高，當(dāng)埋深大于700 m 時，煤層含氣性的非均質(zhì)性更強，受儲層溫度和儲層壓力等因素的影響更大。

4.3 煤層厚度與結(jié)構(gòu)

研究區(qū)內(nèi)8、9 和15 號煤層含氣性整體隨煤層厚度增加而增大，但又呈現(xiàn)出一定的差異性(圖6a)。8、9 號煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸或含1～2 層夾矸，含氣性隨煤厚增加而增大的趨勢更為明顯，且8 號煤層厚度與含氣量相關(guān)性較9 號煤層更好，這可能源于8 號煤層頂?shù)装宸馍w性更好，而9 號煤層局部存在細-中砂巖的蓋層有關(guān)。15 號煤層厚度與含氣性雖然整體呈現(xiàn)正相關(guān)，但結(jié)果較為離散，分析表明15 號煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含多層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，煤儲層有機質(zhì)豐度存在較大不均一性，從而使得煤層厚度與含氣性相關(guān)性變差。

圖6 寺家莊區(qū)塊煤層含氣量與煤厚和埋深的關(guān)系Fig.6 Correlation of gas content with coal thickness and burial depth of the Sijiazhuang area

4.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)共有5 個含水層，從下到上依次為奧陶系巖溶裂隙含水層、太原組灰?guī)r巖溶含水層、山西組砂巖裂隙含水層、石盒子組砂巖裂隙含水層和第四系松散含水層；本溪組泥巖和鋁土質(zhì)泥巖廣泛發(fā)育，是區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的隔水層(圖3)。5 個含水層組中，第四系松散含水層富水性強，但距離煤系較遠，對煤儲層影響較小；山西組砂巖裂隙含水層和石盒子組砂巖裂隙含水層富水性較差；太原組灰?guī)r巖溶含水層滲透性弱，補給條件差，涌水量不大，但距離煤系較近，對煤儲層有一定影響；奧陶系巖溶裂隙含水層富水性好，距離煤層較近，且?guī)r溶發(fā)育，對煤儲層有較大影響。奧陶系灰?guī)r在研究區(qū)東部外圍大面積出露，為裸露型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育，直接受降水補給，也受河水和沖擊層潛水的補給，地下水沿巖層傾向入滲，再向北、西方向運移(圖1)。從煤層氣井產(chǎn)出水化學(xué)分析來看，受整體地下水徑流方向和北部陷落柱影響，產(chǎn)出水礦化度從東到西、從南到北逐漸增加[20]。

研究區(qū)內(nèi)奧陶系巖溶裂隙含水層和太原組灰?guī)r巖溶含水層富水性相對較強，與煤系水力聯(lián)系密切，對8、9 和15 號煤儲層影響較大，尤其是奧陶系巖溶裂隙含水層，寺家莊地區(qū)處在奧陶系巖溶裂隙含水層的徑流區(qū)，對15 號煤層氣賦存不利，這可能是15 號煤層氣含量整體較低的另一原因。但同時，本區(qū)煤層埋深自東向西加大，地下水徑流自東向西由淺部流向深部，裂隙和巖溶的發(fā)育程度隨之減弱，富水性也相應(yīng)由強變?nèi)酰簩託獾木奂瘲l件有變好的趨勢。

5 煤層氣產(chǎn)出特征及其控制因素

本次選取排采大于3 年的煤層氣地面抽采井311 口，開展煤層氣井產(chǎn)能分析。總體來看，排采大于3 年的煤層氣井有1/3 左右的煤層氣井單井產(chǎn)量大于600 m3/d，屬于中高產(chǎn)井，但同時存在較多單井日產(chǎn)量小于600 m3的中-低產(chǎn)井(圖7)。目前，區(qū)塊內(nèi)生產(chǎn)井多采用分層壓裂-合層開采技術(shù)(分壓合采)，根據(jù)開采目標(biāo)儲層位置關(guān)系和壓力系統(tǒng)分布，采用的分壓合采組合包括8+9 號煤層組合、14 號+K4煤巖組合、8+9+15 號煤層組合及14+K4+15 號煤巖組合，其中以8+9+15 號煤層組合、8+9 號煤層組合和14 號+K4+15號煤巖組合為主，另有部分區(qū)域采用15 號煤層單壓單采方式開采(圖8，圖9)。

圖7 寺家莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)能分布直方圖Fig.7 Distribution of production rate of coalbed gas wells of the Sijiazhuang area

圖8 寺家莊區(qū)塊不同分壓合采井的單井日產(chǎn)量分布Fig.8 Single well daily production rate of different reservoir assemblages

圖9 寺家莊區(qū)塊5 種分壓合采方案井位分布Fig.9 Well distribution by five different methods of ‘Single-Reservoir Layer-Fracturing &Combined-Layers-Recovery’of the Sijiazhuang area

5.1 井田構(gòu)造與產(chǎn)氣量關(guān)系

研究區(qū)地處沁水復(fù)向斜北翹起端，受擠壓性斷裂褶皺帶圍限而發(fā)育坳緣翹起帶，表現(xiàn)為斷層翹起、盆內(nèi)傾斜、構(gòu)造相對復(fù)雜的特征[21]。研究區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造主應(yīng)力差相對較小(20～30 MPa)，其中部處在NNE-NE向褶皺與EW 向構(gòu)造疊加地帶，存在較大的構(gòu)造曲率，區(qū)域地應(yīng)力相對松弛，裂隙較為發(fā)育，為高產(chǎn)能提供相對較高的滲透條件，加之這一區(qū)域含氣性較好，成為高產(chǎn)區(qū)[22-25]。此外，寺家莊區(qū)塊褶皺十分發(fā)育，在褶皺轉(zhuǎn)折端附近伸展的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境使得儲層物性趨好，產(chǎn)氣量亦有增大趨勢(圖10)。但同時，受多期地質(zhì)作用影響，寺家莊區(qū)塊構(gòu)造煤較為發(fā)育，碎裂煤等多見于斷層帶附近及煤層和頂?shù)装彘g揉搓滑動區(qū)域，部分區(qū)域發(fā)育糜棱煤，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤儲層孔隙連通性較差，滲透性較差且呈現(xiàn)較大的非均質(zhì)性，不利于煤儲層壓裂造縫和煤層氣連續(xù)產(chǎn)出[26-27]，故區(qū)內(nèi)低產(chǎn)井占比較多，這也是寺家莊區(qū)塊相比沁水盆地南部的寺河、成莊等井田產(chǎn)氣不理想的原因之一。

圖10 服務(wù)3 年以上煤層氣井單井日產(chǎn)量等值線Fig.10 Contour map of single well daily production of CBM wells which were developed more than 3 years

5.2 煤厚、埋深、含氣量與產(chǎn)氣量關(guān)系

寺家莊區(qū)塊煤層氣高產(chǎn)井集中在中部，為8、9 號煤層厚煤區(qū)和高瓦斯含量重疊區(qū)。從寺家莊區(qū)塊15號煤層厚度、埋深與產(chǎn)氣量關(guān)系得出，煤層氣井產(chǎn)氣量與煤厚、埋深相關(guān)性較差(圖11)，煤厚、埋深與含氣量相關(guān)性趨勢呈現(xiàn)較大離散性(圖6)。煤厚和埋深增加使得煤層含氣性呈增加趨勢，較高的含氣性為氣井的高產(chǎn)提供良好氣源條件。但是，本區(qū)15 號煤生產(chǎn)井產(chǎn)氣量與煤厚和埋深相關(guān)性不明顯，這可能源于構(gòu)造煤的不均勻分布和儲層滲透率的不均一性。

圖11 寺家莊區(qū)塊單壓15 號煤層產(chǎn)氣量影響因素Fig.11 Influencing factors of single well gas production of coal No.15 coal of the Sijiazhuang area

5.3 壓裂工藝與產(chǎn)氣量關(guān)系

為了提高單井產(chǎn)能和有效降低開發(fā)成本和投資風(fēng)險，寺家莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)采用了分壓合采技術(shù)，通過對比發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)氣井主要集中在同時壓裂多個煤層并合層排采的氣井，尤其是8+9+15 號煤層組合的分壓合采，采用這一組合的煤層氣井單井日產(chǎn)氣量平均達1 130 m3，而單層排采總體排采效果不理想，研究區(qū)南部單壓排采15 號煤層的氣井和研究區(qū)東部僅壓裂灰?guī)r段的氣井，單井日產(chǎn)氣量平均不足200 m3(圖8)。研究表明，多層位同時排水降壓可使不同煤儲層壓力體系產(chǎn)生共振效應(yīng)，科學(xué)地分層壓裂，結(jié)合精細合層排采管控，可以克服氣井初期存在的層間(矛盾)干擾，實現(xiàn)產(chǎn)氣量平穩(wěn)上升、長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[28-30]，因此，多煤層分壓合采是提高煤層氣單井產(chǎn)能的有效手段。

5.4 水文地質(zhì)條件

地下水流場和徑流強弱、煤儲層含氣系統(tǒng)富水性、地下水礦化度和水化學(xué)類型對煤層氣井產(chǎn)量具有重要影響[31]。研究區(qū)煤儲層空間展布總體為西低東高的單斜，東部翹起區(qū)易于聚集游離態(tài)煤層氣，且處于區(qū)域水文地質(zhì)單元的徑流帶上，易于排水降壓，東部產(chǎn)氣量總體高于西部可能得益于此。YQ-375 井單井日產(chǎn)氣量達3 600 m3，且持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)100 余萬m3，證實了東部翹起區(qū)確實存在豐富的游離氣和持續(xù)的氣源補給。

6 結(jié) 論

a.沁水盆地寺家莊區(qū)塊內(nèi)煤層甲烷賦存特征受構(gòu)造影響較大，在褶皺軸部及旁側(cè)構(gòu)造擠壓帶，多呈現(xiàn)出高含氣量，尤其是向斜軸部往往含氣量較高。在陷落柱和水文地質(zhì)條件疊加作用下，15 號煤層含氣量整體較8、9 號煤層低，且8、9 號煤層含氣飽和度也整體高于15 號煤層。

b.研究區(qū)內(nèi)8、9 和15 號煤層含氣性均表現(xiàn)出隨煤層埋深增加而增大的趨勢，但隨埋深增加，構(gòu)造應(yīng)力和地溫場的作用逐漸增強，存在含氣量隨埋深變化的“臨界深度”(寺家莊區(qū)塊大致為700 m)，小于700 m的區(qū)域含氣量與埋深正相關(guān)性很好，而埋深大于700 m的區(qū)域因受到構(gòu)造應(yīng)力、地溫場和奧陶系巖溶裂隙水的作用，含氣量與埋深關(guān)系不明顯。煤層含氣性也表現(xiàn)出隨煤層厚度增加而增大的趨勢，煤層結(jié)構(gòu)越簡單，煤層含氣性越好。

c.區(qū)塊中部處在NNE-NE 向褶皺與EW 向構(gòu)造疊加地區(qū)，因較大的構(gòu)造曲率和相對松弛的區(qū)域地應(yīng)力，具備較好滲透率條件和含氣性，故成為煤層氣高產(chǎn)區(qū)。多煤層發(fā)育地區(qū)采用分壓合采技術(shù)可以有效增加產(chǎn)氣量，多煤層可以提供煤層氣井高產(chǎn)能的充足氣源，且多個層位的同時排水降壓可使不同煤儲層氣體產(chǎn)能疊加，實現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)。煤儲層含氣系統(tǒng)空間樣式、含水層富水性及地下水徑流影響煤層氣氣源補給及氣體賦存狀態(tài)，寺家莊區(qū)塊東部翹起區(qū)易于聚集游離態(tài)煤層氣，可形成長期持續(xù)高產(chǎn)井。

d.預(yù)測寺家莊區(qū)塊北部8、9 號煤層厚度大、含氣量高的塊段，環(huán)保停機井投產(chǎn)后高產(chǎn)可能性較大，區(qū)塊內(nèi)后續(xù)煤層氣開發(fā)應(yīng)在這一區(qū)域優(yōu)先開展。