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(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116;3.中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)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(qū)塊、潘莊區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊等。其中樊莊區(qū)塊與鄭莊區(qū)塊為本文研究區(qū)塊。區(qū)內(nèi)地層寬緩,構(gòu)造相對簡單,以褶皺構(gòu)造為主,斷層多為落差較小的正斷層,主要構(gòu)造呈NNE向展布,樊莊區(qū)塊發(fā)育方向多變的次級褶曲,鄭莊區(qū)塊背、向斜相間展布。研究區(qū)從1997年試鉆晉試1井以來,樊莊區(qū)塊已鉆井451口,鄭莊鉆井181口。樊莊從2006年投產(chǎn)以來,已經(jīng)獲得了工業(yè)性產(chǎn)能,高產(chǎn)井日均產(chǎn)氣在3000m3以上,部分煤層氣井產(chǎn)能在1000m3/d以下。區(qū)塊內(nèi)煤層氣井產(chǎn)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(zhì)性 (變化規(guī)律)所控制,具體表現(xiàn)為高煤級煤儲層的含氣性、滲透率及流體壓力非均質(zhì)性所控制。關(guān)于煤儲層在三維空間上的非均質(zhì)性代表性的研究集中于煤儲層含氣性非均質(zhì)性產(chǎn)生原因、影響因素和煤儲層滲透率非均質(zhì)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(zhì)、滲透性非均質(zhì)及流體壓力梯度非均質(zhì)變化入手,初步探索三者控制的地質(zhì)機(jī)理,提出對煤層氣開發(fā)的建議。

2 鄭莊、樊莊開發(fā)區(qū)塊高煤級煤儲層非均質(zhì)性特征

圖1 研究區(qū)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(zhì)性表現(xiàn)在水平展布上及垂直分布上均具有明顯分異的特點(diǎn)。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(jìn)行統(tǒng)計分析,如圖1。對比分析發(fā)現(xiàn),在水平分布上,無論是含氣量還是含氣飽和度,在開發(fā)區(qū)塊之間及開發(fā)區(qū)塊內(nèi)部均呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。對含氣量平均值進(jìn)行計算,得到樊莊區(qū)塊晉試1～5井3#煤實(shí)測平均含氣量為21.144m3/t,15#煤實(shí)測平均含氣量為21.171m3/t,鄭試部分井3#煤實(shí)測平均含氣量為18.97m3/t,15#煤實(shí)測平均含氣量為20.12m3/t。計算結(jié)果可以推知：整體上15#煤含氣量均高于3#煤含氣量。分析結(jié)果表明,高煤級煤儲層含氣性在垂向上整體上表現(xiàn)出隨埋深升高的特點(diǎn),同時又體現(xiàn)出受其它地質(zhì)因素影響呈現(xiàn)非均質(zhì)性的特點(diǎn) (圖2)。

對開發(fā)區(qū)塊內(nèi)部3#煤儲層含氣量的水平展布進(jìn)行分析,如圖3。樊莊區(qū)塊3#煤層含氣量一般介于10～20m3/t之間,含氣量分布表現(xiàn)出中部高、四周低的特點(diǎn)。鄭莊區(qū)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(xiàn)為中北部高南部低、東部高西部低的特點(diǎn)。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(qū)塊內(nèi)部含氣量的分布明顯不均,具有強(qiáng)裂非均質(zhì)性的特點(diǎn)。沁水南部煤儲層含氣量的水平展布特點(diǎn)同樣反映出煤儲層含氣非均質(zhì)性的特點(diǎn),體現(xiàn)出煤層氣藏形成后受構(gòu)造及其它地質(zhì)因素等多重地質(zhì)因素影響的復(fù)雜性。

圖2 研究區(qū)煤儲層含氣量

圖3 研究區(qū)3#煤儲層含氣量等值線圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

圖4 研究區(qū)3#煤儲層壓力梯度等值線圖 (左：樊莊;右：鄭莊)

根據(jù)較正后的儲層壓力梯度繪制等值線圖,進(jìn)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(diǎn)表現(xiàn)為中心高、四周低的特點(diǎn),鄭莊區(qū)塊大部分區(qū)域為欠壓儲層,高壓儲層只有零星分布。研究區(qū)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(qū)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(zhì)性。

3 鄭莊、樊莊開發(fā)區(qū)塊高煤級煤儲層非均質(zhì)性變化地質(zhì)規(guī)律

3.1 高煤級煤儲層的含氣非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)理

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

圖5 煤層含氣量與構(gòu)造位置的關(guān)系

研究區(qū)開發(fā)區(qū)塊3#煤層頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,底板以粉砂質(zhì)泥巖為主,其次為粉細(xì)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(nèi)及其附近灰?guī)r裂隙十分發(fā)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(qū)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(xiàn)出“低洼”狀態(tài),形成地下相對滯流水區(qū),同時在平面空間上地下水動力強(qiáng)的地區(qū)煤層氣含量較低,水動力弱的地區(qū)煤層氣含量高,進(jìn)一步加劇高煤級煤儲層的非均質(zhì)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(chǔ),后期構(gòu)造運(yùn)動和水文動力條件改變了煤層氣的空間分布形態(tài),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(xiàn)出很強(qiáng)的非均質(zhì)性。

3.2 高煤級煤儲層的滲透率非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)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(fā)育程度,后期的構(gòu)造應(yīng)力對煤儲層的改造則是導(dǎo)致高煤級煤儲層滲透性非均質(zhì)性變化的主因。構(gòu)造應(yīng)力對煤儲層滲透率則具有改造作用。研究區(qū)經(jīng)歷了四期構(gòu)造應(yīng)力場作用,發(fā)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(yīng)力多形成張裂隙。割理主要存在兩組優(yōu)勢發(fā)育方向,第一組的走向大致在N°33～66°E之間,該組割理發(fā)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(fā)育相對較弱,密度為24～60條/m,割理密度較小,割理的發(fā)育方向也明顯反映出受燕山和喜山期古構(gòu)造應(yīng)力場的影響。

3.3 高煤級煤儲層的流體壓力梯度非均質(zhì)性變化及其地質(zhì)控制機(jī)理

高煤級煤儲層流體壓力梯度非均質(zhì)性表現(xiàn)為煤儲層壓力異常。在沁水南部研究區(qū),欠壓煤儲層普遍存在,高壓異常煤儲層亦個別存在。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)對煤儲層壓力異常的機(jī)理的認(rèn)識,本文認(rèn)為煤儲層壓力異常在于煤的生氣過程、構(gòu)造改造過程及水動力條件三個方面：①地史時期由于區(qū)域熱事件(巖漿侵入),煤層達(dá)到生烴高峰,出現(xiàn)超壓,當(dāng)煤生氣導(dǎo)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(yùn)移,造成煤儲層壓力降低;②由于后期的構(gòu)造抬升使原有的裂隙系統(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)致補(bǔ)給條件差、水動力條件較弱,水力聯(lián)系較差,不具備大面積承壓水發(fā)育條件,地質(zhì)歷史中煤層氣散失量大而缺乏水力能量補(bǔ)充,煤儲層普遍表現(xiàn)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(xiàn)承壓水封閉,出現(xiàn)高壓)。經(jīng)過分析表明：地史上高煤級煤的生氣作用及后期的構(gòu)抬升奠定了煤儲層流體壓力梯度非均質(zhì)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(zhì)性。

4 鄭莊、樊莊開發(fā)區(qū)塊高煤級煤儲層非均質(zhì)性的煤層氣開發(fā)影響

高煤級煤儲層含氣性非均質(zhì)性對煤層氣開發(fā)的影響表現(xiàn)在：進(jìn)行煤層氣井井網(wǎng)布署時,應(yīng)充分考慮高煤級煤儲層含氣性非均質(zhì)性的特點(diǎn),考慮含氣性非均性規(guī)律、含氣非均質(zhì)性產(chǎn)生的主要因素,布井位置應(yīng)盡量避開斷層發(fā)育帶,考慮在向斜翼部、多期構(gòu)造運(yùn)的交接部位 (小型褶曲疊加部位)進(jìn)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(zhì)性的特點(diǎn),在進(jìn)行高煤級煤層氣開發(fā)時應(yīng)注意：(1)井網(wǎng)部署時一方面滿足煤儲層含氣性較好的同時應(yīng)考慮煤儲層滲透性,具體表現(xiàn)為應(yīng)選擇復(fù)向斜中的次級背斜、構(gòu)造交接部位布井;(2)鉆井、固井完井、壓裂時應(yīng)充考慮高煤級煤儲層滲透率非均質(zhì)的特點(diǎn),將施工作業(yè)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(yīng)采取逐級有效降壓,防止壓敏、速敏等現(xiàn)象進(jìn)一步導(dǎo)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(fā)的難易程度。高煤儲層壓力表明具有較高的驅(qū)動煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流的能力。高煤級煤儲層的流體壓力梯度非均質(zhì)對煤層氣開發(fā)的影響具體表現(xiàn)在：進(jìn)行煤層氣生產(chǎn)時排采幅度不宜過大,防止煤儲層壓力衰減過快導(dǎo)致煤儲層有效應(yīng)力增加過大,進(jìn)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(kuò)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(kuò)散方式快速轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致煤層氣的擴(kuò)散能力減弱,從而影響煤層氣井的產(chǎn)能。

5 結(jié)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(qū)普遍存在壓力異常,在空間布上呈現(xiàn)出分異明顯的特點(diǎn),高煤級煤儲層的含氣性、滲透率及流體壓力梯度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)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(chǔ),后期構(gòu)造作用對高煤級煤儲層含氣非均質(zhì)性產(chǎn)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(fā)育程度,后期的構(gòu)造應(yīng)力對煤儲層的改造則為導(dǎo)致高煤級煤儲層滲透性非均質(zhì)性變化的主因;地史時期高煤級煤的生氣作用及后期的構(gòu)抬升奠定了煤儲層流體壓力梯度非均質(zhì)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(zhì)性。

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

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