鄂爾多斯盆地沙曲區塊煤層氣儲層特征與開發技術

魏若飛，信 凱

(山西藍焰煤層氣工程研究有限責任公司，山西 晉城 048000)

沙曲區塊煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東緣呂梁地區柳林縣境內。區塊及周邊煤層氣和致密砂巖氣資源豐富，西部是主產致密砂巖氣的清澗區塊，南部是主產煤層氣和致密砂巖氣的石樓北區塊，北部是主產煤層氣和致密砂巖氣的臨興區塊，整個區域是我國重要的天然氣資源基地，研究意義重大。

區塊山西組、太原組和本溪組煤層發育，構造位置上屬于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶，并且周邊區塊在石盒子組和含煤地層中已有多口鉆井鉆遇致密砂巖氣工業氣流，區塊周邊較深區塊均有致密砂巖氣賦存，本區塊由于煤系地層埋深較淺，主要進行煤層氣開發。因此，對沙曲區塊煤層氣儲層特征展開研究，并適配合適的開發技術，對相似地質條件的煤層氣區塊開發具有較強的參考意義。

1 研究區概況

1.1 研究區位置與構造

沙曲煤礦位于鄂爾多斯盆地東緣、河東煤田中段、離柳礦區西南部。區域地層出露由老至新有：太古界、元古界、古生界、中生界、新生界。太古界出露于柳林泉域外圍東北、東、東南方向的漢高山、真武山、峪口、小神頭、起云山及劉家坪一帶，下古生界出露于河東煤田東部邊緣，上古生界含煤地層出露于離石煤盆地及臨縣—柳林一帶，中生界沿黃河東分布于河東煤田西側，新生界廣泛覆蓋于各時代基巖之上。

離柳礦區位于離石-柳林東西向構造帶，由于受印度板塊及太平洋板塊的推擠作用，造成本區東西向構造應力不均衡，產生了以離石-柳林聚財塔東西方向為轉折、弧頂向西突出的弧狀褶皺，即離石鼻狀構造。中部王家會背斜將本區分隔成離石-中陽向斜煤盆地和三交-柳林單斜煤產地；東北部鼻狀構造與離石煤盆地相接部位，發育有一系列近南北或北北東走向的斷裂、褶皺構造。在鼻軸部位，由于張力作用的結果產生了一個東西向的張裂帶，即聚財塔斷層組成的地塹構造。

井田位于離石-柳林東西向構造帶，巖層總體走向呈南北向，向西緩傾斜。

1.2 煤層氣煤巖煤質特征

沙曲區塊主要目的儲層是山西組的3號、4號和5號煤層段以及太原組的8號、9號和10號煤層段，煤層埋深普遍在450～700 m，其中東部埋深較淺，西部埋深較深。煤層厚度發育穩定，山西組煤層總厚度普遍在4 m左右，太原組煤層總厚度普遍在5 m左右。山西組煤層間間距較大，當前壓裂改造手段難以將其溝通，太原組8號和9號煤層間距在3.4～7.9 m之間，利于儲層改造[1]。

宏觀煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤，夾少量絲炭條帶。宏觀結構以條帶狀、均一狀為主，有少量線理狀、透鏡狀結構，構造為層狀構造。宏觀煤巖類型為光亮-半亮型煤，含少量半暗-暗淡型煤分層。

3號煤層鏡質組最大反射率0.98%～1.98%，平均1.40%，相當于肥煤-瘦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質階段。

4號煤層鏡質組最大反射率0.90%～1.60%，平均1.42%，相當于肥煤-焦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質階段。

5號煤層鏡質組最大反射率0.94%～1.59%，平均1.43%，相當于肥煤-焦煤階段，屬Ⅲ-Ⅳ變質階段。

8(8+9)號煤層鏡質組最大反射率1.29%～1.95%，平均1.60%，相當于焦煤-瘦煤階段，屬Ⅳ-Ⅴ變質階段。

9號煤層鏡質組最大反射率1.63%～1.90%，平均1.74%，相當于瘦煤階段，屬Ⅴ變質階段。

10號煤層鏡質組最大反射率1.55%～1.85%，平均1.64%，相當于焦煤-瘦煤煤階段，屬Ⅳ-Ⅴ變質階段。

主要煤層氣儲層的煤巖煤質分析表明煤層演化程度較高，氣含量10～17 m3/t，平均12.8 m3/t，生氣和吸附條件整體較好[2]，8號煤含量等值線圖見圖1.

圖1 8號煤含量等值線圖

1.3 煤層氣孔滲特征

根據柳林區主要煤層的煤儲層滲透率參數測試結果，該區滲透率在0.01～8.86 md之間。由表1可以看出，高滲透率煤儲集層的表皮系數均為正高值，而低滲透率煤儲集層的表皮系數均為負值。

表1 柳林煤層氣井煤儲層試井滲透率

沙曲區塊的滲透率較高，表明單井控制范圍較大，煤層可改造性較好，有利于煤層氣開發。

1.4 儲層封蓋條件

3號、4號(3+4)號煤層的頂底板巖性主要以泥巖以及砂質泥巖為主，在總體上對煤層氣的保存有利，但其成分、結構的不同和成巖后生作用的差異，對煤層的封蓋能力有所差別[3]。

8(8+9)號煤層頂板：直接頂板多為石灰巖、局部含泥質，巖性致密堅硬，節理、裂隙常被方解石充填，底板為泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖，含一定比例的中-細粒砂巖,4號煤底板至L1巖石特征見表2.

表2 4號煤底板至L1巖石特征

綜上可以看出，主力煤層頂板完整性好，區域上穩定性強，且厚度較大，有較好的封蓋能力。

1.5 儲層等溫吸附特征

煤是一種多孔隙介質，煤層氣多以吸附狀態存在于煤層之中，游離態的氣量往往不超過10%.因此，煤的吸附性能決定了煤層的儲集能力。同時，由于煤層氣的產出是一個降壓解吸的過程，煤的吸附性能又對煤層氣的抽放至關重要。

3號+4號煤臨界解吸壓力為1.54 MPa，8號+9號煤臨界解吸壓力為1.42 MPa.與初始儲集層壓力之比分別為0.52和0.36，該區臨界解吸壓力偏低。區塊主要煤層等溫吸附曲線見圖2.

圖2 區塊主要煤層等溫吸附曲線

2 煤層氣開發主體技術

鄂爾多斯盆地沙曲煤層氣區塊經過10 a的勘探開發、生產運行，取得了一系列的煤層氣勘探開發技術成果，支撐了其他相似地質條件下的煤層氣儲層的開發工作。

2.1 煤層氣水平井鉆井技術

區塊內主要為黃土塬地貌，溝壑縱橫，地形切割嚴重，地面條件嚴峻，傳統的煤層氣開發直井井網部署困難，地面建設工程成本高。因此在煤層氣田建設過程中采用了直井+水平井的方式進行開發[5]，直井對儲層的埋深、含氣量和煤厚等關鍵數據進行控制，水平井輻射周邊，對較大范圍內的資源進行開發。

在水平井鉆井過程中，使用了地質綜合錄井、近鉆頭地質導向、三開完鉆泡沫洗井、水平段存儲式測井等技術手段，保證了鉆井成功率。

2.2 分叉薄煤層開發技術

區塊內各煤層普遍較薄，且間距較近，單層煤使用水平井進行開發面臨著資源豐度較低，經濟性較差的問題，如果使用體積壓裂技術溝通相鄰煤層，則層間的泥巖、砂質泥巖會在水和壓裂液的浸泡下使裂縫逐漸閉合，難以溝通相鄰煤層[6]。采用了首先在下部煤層中施工1口水平井下入套管，在上部煤層中再施工1口水平井下入篩管，在對下部煤層水平井進行壓裂改造后，兩口水平井分開進行排采的技術方案解決了此問題。較同時施工兩口水平井進行壓裂，節省了1口井的壓裂成本，同時對相鄰薄煤層實現了開發。

3 結 語

1) 鄂爾多斯盆地沙曲區塊具備煤層氣開發條件的有山西組的3號、4號和5號煤層及太原組的8號、9號和10號煤層，具有煤層層數多，單層煤較薄的特點。煤層埋深較淺，整體呈一單斜構造，斷裂構造不發育，具備較好的煤層氣開發地質條件。

2) 研究區煤層氣儲層滲透率較高，煤層氣含量較高，等溫吸附特征有利于煤層氣的開發，整體上是煤層氣開發的優質目標儲層。

3) 針對區塊的地形地貌和含煤巖系的特點，配套了水平井技術、分叉薄煤層開發技術，取得了良好的效果。