李仰民 王生維 李夢溪 胡秋嘉 劉春春

(1. 中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000; 2. 中國地質大學 (武漢) 資源學院, 湖北 430074)

1 引言

煤儲層特征是地面煤層氣開發(fā)階段實施各種技術措施的最重要對象, 是制定煤層氣開發(fā)方案、選擇開發(fā)技術的重要依據(jù)。從目前煤層氣勘探開發(fā)來看, 煤層氣直井的施工方案大同小異, 由于對煤層氣藏本身認識不清, 在方案制定時目標不明確, 通過對煤層氣儲層區(qū)域差異及不同區(qū)域的特征進行研究, 可以對煤層氣開發(fā)井的開發(fā)方案提供一定的參考依據(jù), 對當前煤層氣開發(fā)井的效率有一定提高。

隨著我國煤層氣產業(yè)化生產, 對于煤層氣藏的認識不斷完善, 但對煤層氣藏的定義也不盡相同,最早李明潮等[1](1996) 、錢凱等[2](1997) 、張新民等[3](2002) 、王紅巖等[4]、宋巖等[5]、王生維等[6]均對煤層氣藏的概念下過定義。基于這些定義, 不同的學者對煤層氣藏的分類也做了不同的歸納。

但煤層氣屬于典型的殘存資源, 成煤物質沉積之后, 經過復雜的泥炭化、煤化作用, 生成大量的甲烷氣, 并吸附在煤的孔隙內表面。之后, 受到構造破壞、地史時期的地下水流動以及氧化作用, 吸附在煤中的部分甲烷氣被逸散。當今, 只有保存下來的相對富集的區(qū)域才具有開發(fā)價值。

常規(guī)油氣對“藏”有著明確的定義和界限, 煤層氣藏是一個借用常規(guī)天然氣的概念, 煤層氣本身很難找到“藏”的條件, 借用同一個概念來表述不同的事物有些不妥, 建議在研究過程中不用此概念。

本文從煤儲層本身出發(fā), 通過對比煤儲層的滲透性和含氣飽和度, 參考已有部分井的排采相關資料, 將晉城地區(qū)煤層氣儲層區(qū)劃分為四類： 富集高滲煤層氣儲層區(qū)域、高飽和度低滲透煤層氣區(qū)域、高滲透率低飽和度煤層氣區(qū)域和低滲透率中低飽和度煤層氣區(qū)域。下面就各類煤層氣儲層區(qū)域從滲透性和含氣性兩個方面逐一論述。

2 各類煤層氣儲層區(qū)域的差異及特征

2．1 富集高滲煤層氣儲層區(qū)域的特征

這種區(qū)域的煤儲層常常發(fā)育在遠離斷層地帶,但是其受到明顯的構造微破裂作用[6]的影響, 煤儲層大裂隙系統(tǒng)適度發(fā)育[7], 煤儲層的滲透率比較高。該煤層氣儲層區(qū)域的含氣量總體上較高, 含氣飽和度為飽和或者接近飽和, 典型的例子就是潘莊區(qū)塊的大部分區(qū)域。

2．1．1 煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征

該區(qū)域的煤儲層的大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征是外生節(jié)理發(fā)育, 表現(xiàn)在外生節(jié)理線密度一般可為0．5～1 條/m, 外生節(jié)理在煤儲層垂向上大部分發(fā)育, 特別是煤儲層的中上部更為發(fā)育, 其中98%以上的外生節(jié)理僅僅發(fā)育在煤層內部, 僅有極少數(shù)外生節(jié)理延伸接近或者達到了煤層頂板, 但是幾乎沒有外生節(jié)理穿透頂?shù)装鍑鷰r。該類外生節(jié)理在幾乎不破壞煤層氣保存條件的同時, 有效地將煤儲層內部的氣脹節(jié)理與內生裂隙聯(lián)通, 提高了煤層氣儲層的滲透性。發(fā)育適中的煤儲層大裂隙系統(tǒng)在提高煤儲層滲透率的同時, 基本沒有破壞煤層氣的保存條件,發(fā)育該類大裂隙系統(tǒng)的煤儲層一般具有中高滲透率, 平均在3md 左右。發(fā)育該類煤儲層大裂隙系統(tǒng)的典型區(qū)塊是潘莊區(qū)塊大部分區(qū)域 (圖1) 。

2．1．2 含氣性特征

富集高滲區(qū)煤層氣儲層區(qū)域, 其含氣性較好,其含氣量平均在20m3/t 以上 (圖2) , 含氣飽和度在89%以上, 整體上接近飽和, 就煤層氣產出來說, 有較好的“物質”基礎。

2．2 高飽和度低滲透煤層氣儲層區(qū)域的特征

圖1 潘莊區(qū)塊2314 工作面3#煤儲層大裂隙系統(tǒng)圖

圖2 潘莊區(qū)塊3#煤層含氣量等值線圖

這種區(qū)域的煤儲層常常發(fā)育在遠離斷層地帶,由于沒有受到明顯的構造微破裂作用, 煤儲層大裂隙系統(tǒng)欠發(fā)育, 外生節(jié)理不僅線密度低, 而且僅發(fā)育在煤層的中上部。煤儲層的滲透率比較低。該煤層氣儲層區(qū)域的含氣量總體上較高, 含氣飽和度為飽和或者過飽和, 典型的例子就是潘莊區(qū)塊的深部區(qū)域。

2．2．1 煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征

該區(qū)域的煤儲層的大裂隙系統(tǒng)發(fā)育最顯著的特征是外生節(jié)理幾乎不發(fā)育, 表現(xiàn)在外生節(jié)理僅發(fā)育在3#煤層的中上部, 節(jié)理的線密度低, 一般為1條/2m 或者更稀疏。外生節(jié)理與氣脹節(jié)理和內生裂隙之間缺少有效的聯(lián)通。外生節(jié)理幾乎沒有提高煤儲層的滲透率, 對煤層氣的保存沒有任何破壞。發(fā)育該類大裂隙系統(tǒng)的煤儲層具有一般具有較低的滲透率, 其滲透率一般小于1md (圖3) 。發(fā)育該類煤儲層大裂隙系統(tǒng)的典型區(qū)塊是潘莊區(qū)塊的深部區(qū)域, 位于潘莊區(qū)塊的東部, 其深度較西部平均大100m 左右。

2．2．2 含氣性特征

高飽和度低滲透煤層氣儲層區(qū)域, 其含氣性也較好, 其含氣量平均也在20m3/t 以上 (圖2) , 含氣飽和度在89%以上, 整體上接近飽和, 就煤層氣產出來說, 有較好的“物質”基礎, 但其滲透性稍差, 不利于煤層氣的產出。

2．3 高滲透率低飽和度煤層氣儲層區(qū)域的特征

這種區(qū)域的煤儲層常常發(fā)育在靠近斷層帶附近, 斷層導致煤儲層大裂隙系統(tǒng)異常發(fā)育, 因此煤層內部除了發(fā)育有導通性良好的小斷層以外, 外生節(jié)理系統(tǒng)也異常發(fā)育。煤儲層內的大裂縫系統(tǒng)充填嚴重。該煤層氣儲層區(qū)域的含氣量總體上異常低(不排除斷層間極少數(shù)點有較高的含氣量) , 含氣飽和度特別低, 典型的例子就是趙莊區(qū)塊的大部分區(qū)域。

2．3．1 煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征

該區(qū)域的煤儲層的大裂隙系統(tǒng)發(fā)育的特征是外生節(jié)理異常發(fā)育。集中體現(xiàn)在外生節(jié)理線密度高,一般可以達到2～5 條/m, 大部分外生節(jié)理密集成帶發(fā)育, 部分外生節(jié)理已經延伸到了煤層頂板內部, 特別是泥巖或者粉沙質泥巖頂板內部。盡管頂板的外生節(jié)理線密度遠不如煤層中的高, 但是從頂板節(jié)理縫中的充填物推斷, 這些節(jié)理已經對煤層氣的保存造成了破壞, 這一點可以從相應的煤層含氣量測定值得到驗證。外生節(jié)理的發(fā)育在提高滲透率的同時破壞了煤層氣的基本保存條件, 發(fā)育該類大裂隙系統(tǒng)的煤儲層具有較高的滲透率, 依據(jù)趙莊區(qū)塊3#煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征, 該儲層的滲透率可以達到10md 以上, 通常也在5md 以上。發(fā)育該類煤儲層大裂隙系統(tǒng)的典型區(qū)塊是離樊莊比較近的趙莊區(qū)塊 (圖4) 。成莊區(qū)塊的局部地段也具有上述特征。

圖3 潘莊區(qū)塊寺河礦2303 工作面3#煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征圖

圖4 趙莊區(qū)塊1303 工作面3#煤儲層大裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征圖

2．3．2 含氣性特征

高滲透率低飽和度煤層氣儲層區(qū)域, 其含氣性較差, 其含氣量一般低于14m3/t (圖5) , 含氣飽和度小于30%, 整體上為嚴重欠飽和, 就煤層氣產出來說, 其“物質”基礎較差, 屬于先天不足型, 煤層氣井沒有高產的潛力。

2．4 特低滲透率中低飽和度煤層氣儲層區(qū)域的特征

這種區(qū)域的煤儲層常常發(fā)育在斷層帶內部, 斷層除導致煤儲層大裂隙系統(tǒng)異常發(fā)育外, 煤層內部的大部分斷層與外生節(jié)理內部均不同程度地發(fā)育有煤粉或者煤粉帶。由于煤粉的存在, 煤儲層內的大裂縫系統(tǒng)的滲透率嚴重下降。該類儲層的含氣量總體變化比較大, 表現(xiàn)在很短的距離內 (幾米到十幾米范圍內) 就發(fā)生明顯的變化。含氣飽和度總體也比較低。該類煤儲層在空間上所占比例比較小。這種類型的煤層氣儲層區(qū)域主要發(fā)生在煤質較軟, 破碎嚴重, 易產生煤粉的地帶, 晉城趙莊礦部分區(qū)域就是這種類型的煤層氣儲層區(qū)域。由于該類煤層氣儲層區(qū)域, 滲透性和含氣性兩個先決條件均不滿足, 一般認為其不具備煤層氣勘探開發(fā)的條件。

圖5 趙莊區(qū)塊局部3#煤層含氣量等值線圖

3 不同類型煤層氣藏的煤層氣開發(fā)策略

煤儲層是地面煤層氣開發(fā)階段實施各種技術措施的最重要對象, 是制定煤層氣開發(fā)方案、選擇開發(fā)技術的的重要依據(jù), 通過對煤儲層和產能的研究對不同區(qū)域的煤層氣開發(fā)技術提以下建議。

3．1 富集高滲煤層氣儲層區(qū)域的煤層氣井

由于其天然裂隙較為發(fā)育, 本身滲透性好, 加之含氣飽和度高, 故這類煤層氣井壓裂相對簡單,即使加大規(guī)模, 其產能變化也不會明顯, 從經濟上講, 建議進行小規(guī)模壓裂即可。對于這類區(qū)域應當注意的是, 防止發(fā)生人為原因而導致的煤層氣產量上不來的現(xiàn)象, 比如在鉆井過程中, 應當注意防止鉆井對煤層進行污染; 在排采過程中, 應當注意發(fā)生儲層機動現(xiàn)象。

3．2 高飽和度低滲透煤層氣儲層區(qū)域的煤層氣井

由于其天然裂隙差, 本身滲透性不好, 但其含氣飽和度高, 煤層氣開采的潛力較大, 是煤層氣勘探開發(fā)的重要對象, 建議在這類區(qū)域開采時加大壓裂液量進行大規(guī)模壓裂和多次壓裂相結合, 以期達到較好的壓裂效果, 提高儲層滲透率, 達到增產的目的。

3．3 高滲透率低飽和度煤層氣儲層區(qū)域的煤層氣井

盡管其天然裂縫好, 滲透率高, 但是其含氣飽和度低, 煤層氣單井產量一般不高, 多小于800m3/d, 且其產水量大, 一般需要長時間排采,故其開發(fā)效果不好, 建議對這類區(qū)域應適當減小投資。

3．4 低滲透率中低飽和度煤層氣儲層區(qū)域

在空間上所占比例比較小, 這種類型的煤層氣藏主要發(fā)生在煤質較軟, 破碎嚴重, 易產生煤粉地帶, 晉城趙莊礦部分區(qū)域就是這種類型的煤儲層。由于該類區(qū)域, 滲透性和含氣性兩個先決條件均不滿足, 一般認為其不具備煤層氣開發(fā)價值。

4 結論

4．1 煤層氣與常規(guī)天然氣本質上的不同

煤層氣的載體煤層本身物性上存在很強的非均質性, 煤層橫向上的非均質性表現(xiàn)的更加明顯, 常規(guī)油氣對藏有著明確的定義和界限, 煤層氣藏是一個借用常規(guī)天然氣的概念, 煤層氣本身很難找到“藏”的條件, 借用同一個概念來表述不同的事物有些不妥, 所以本文建議在煤層氣研究時不引用煤層氣藏的概念。有必要對晉城無煙煤地區(qū)煤層氣儲層區(qū)域差異及不同區(qū)域的特征進行細致的研究, 以便于更好的為煤層氣開發(fā)服務, 為煤層氣井的施工提供更加準確的依據(jù)。

4．2 綜合煤儲層滲透性和含氣性兩個因素

從煤層氣開發(fā)角度, 識別出晉城地區(qū)有四種代表性的煤層氣儲層區(qū)域： 富集高滲煤層氣儲層區(qū)域、高飽和度低滲透煤層氣區(qū)域、高滲透率低飽和度煤層氣區(qū)域和低滲透率中低飽和度煤層氣區(qū)域。這種分析不同區(qū)域的煤儲層的差異和特征, 對煤層氣開發(fā)有著重要的指導作用。

4．3 通過煤層氣藏的劃分

認為富集高滲煤層氣區(qū)域和高飽和度低滲透煤層氣區(qū)域為煤層氣開發(fā)的主要對象, 煤層氣開發(fā)時就優(yōu)先考慮。富集高滲煤層氣區(qū)域本身滲透性和含氣性等天然條件就好, 適合煤層氣的開發(fā); 高飽和度低滲透煤層氣區(qū)域盡管本身滲透性差, 但其含氣性高, 有較大的開發(fā)潛力, 其滲透性可以通過人工干預得到改善, 認為開采時加大壓裂液量進行大規(guī)模壓裂, 可以達到較好的壓裂效果, 提高儲層滲透率, 最后達到較理想的工業(yè)氣流。

4．4 對于高滲透率低飽和度

煤層氣區(qū)域和低滲透率中低飽和度煤層氣區(qū)域進行煤層氣開發(fā)不理想。這兩類氣藏其含氣量均較低, 一般小于＜14m3/t , “物質”基礎差, 在煤層氣開發(fā)時, 應滯后考慮。

4．5 針對煤層氣儲層區(qū)域差異及不同區(qū)域的特征

在制定煤層氣井施工方案時, 有著明確的目的性。比如針對富集高滲煤層氣區(qū)域和高飽和度低滲透煤層氣區(qū)域, 應采取不同的壓裂方案, 前者, 天然滲透性好, 在壓裂改造上, 要求可以放低一些,畢竟人工造縫同天然裂縫相比相差較大; 但是后者由于天然滲透性差, 可以適當加大壓裂規(guī)模, 以期達到較好的滲透率, 產出可觀的煤層氣流。

[1] 張新民, 莊軍, 張遂安等．中國煤層氣地質與資源評價 [M] ．北京： 科學出版社, 2002．

[2] 王紅巖, 劉洪林, 趙慶波等．煤層氣富集成藏規(guī)律[M] ．北京： 石油工業(yè)出版社2005, 42- 45．

[3] 宋巖, 柳少波, 洪峰．煤層氣成藏地質條件及氣藏類型, 煤層氣成藏機制及經濟開采理論基礎 [M] ．北京： 科學出版社2005, 1- 9．

[4] 王生維, 章澤軍, 烏效鳴等．晉城煤層氣藏成藏機制[J] ．地球科學- 中國地質大學學報, 2008, 33(6) ： 807- 812．

[5] 王生維, 陳鐘惠, 張明等．煤儲層巖石物理與煤層氣勘探選區(qū)- 以華北若干煤區(qū)為例 [M] ．武漢： 中國地質大學出版社, 1997．