邵 凱 李來新 馬東民 王東東 張治倉 王 謙

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司,陜西 710119;2.陜西彬長新泰能源有限公司，陜西 715300；3.西安科技大學，陜西 710054；4.山東科技大學，山東 266590)

1 概況

彬長礦區(qū)位于陜西省咸陽市的長武縣和彬州市境內(nèi)(圖1)，屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的西南緣，構造格架為一波狀起伏的單斜構造,主體構造為師家店向斜，地層傾角較小，一般3°～5°，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育小型斷層，斷層落差以5m以下為主，構造總體較為簡單,地層的發(fā)育主要受原始沉積作用影響。研究區(qū)的煤炭資源豐富，煤炭資源儲量達50億t，煤層氣的儲量亦相當可觀，約為73億m3。自2009年至今，由陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司主導共實施煤層氣井(組)70余口，單井的最高產(chǎn)氣量為30323.78m3/天(水平井)，直井最高達3043m3/天，日總產(chǎn)氣量為5萬m3左右。

圖1 研究區(qū)位置圖

該區(qū)域內(nèi)煤層氣工程的實施能對于西北地區(qū)白堊系低煤階地區(qū)的煤層氣開發(fā)起到一定的推進作用。但是在煤層氣直井施工過程中，遇到的鉆井井身質(zhì)量問題、固井質(zhì)量問題、壓裂施工中壓裂效果不理想的問題，較為嚴重的影響了煤層氣井的工程質(zhì)量和后續(xù)的煤層氣生產(chǎn)，出現(xiàn)了部分直井產(chǎn)氣量較低的情況。探討該地區(qū)煤層氣井的施工過程和地質(zhì)條件的關系，成為該地區(qū)煤層氣開發(fā)亟待解決的問題。鑒于區(qū)域內(nèi)構造較為穩(wěn)定，本次研究以分析沉積相對煤層氣直井的施工質(zhì)量影響為主要研究對象。

2 沉積相類型及地層分析

煤層氣井的鉆遇地層從下到上依次為：三疊系胡家村組，侏羅系安定組，直羅組，延安組，富縣組，白堊系洛河組，宜君組。根據(jù)鉆遇過程的地質(zhì)、錄井、測井、巖心等資料(圖2)，以及前人對該地區(qū)的地層與沉積相分析，總結出彬長礦區(qū)的巖性特征及沉積相的如下(圖3)：

上三疊統(tǒng)胡家村組：巖性為灰～深灰色泥巖、粉砂巖夾灰綠色中厚層狀中細粒長石砂巖，煤層氣直井的鉆孔多未見底，地層上為富縣組的晚期，此時盆地的活動已經(jīng)趨于穩(wěn)定，砂巖的分選好，膠結致密，在本地區(qū)水平層理及波狀層理較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為三角洲沉積相的三角洲前緣沉積亞相。

下侏羅統(tǒng)富縣組：巖性為灰～灰綠色及紫雜色泥巖，粉砂巖，含鋁質(zhì)，松軟，厚度平均10m左右，具有水平層理，底部常含三疊系砂質(zhì)泥巖角礫，與下伏三疊系不整合接觸。屬曲流河沉積相，河漫灘沉積微相在區(qū)域內(nèi)較為常見。

圖2 彬長礦區(qū)侏羅-白堊系沉積相綜合柱圖

圖3 (a)4號煤層段；(b)4-1號煤層段及煤層段上部的砂巖段(平行層理,波狀發(fā)育發(fā)育)；(c)洛河組的沖積扇沉積相和辮狀河沉積相；(d)洛河組中的石膏段

中侏羅統(tǒng)延安組：為本區(qū)主要的煤和煤層氣富集地層。巖性下部為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細砂巖，團塊狀，含黃鐵礦、菱鐵礦鮞粒及植物根系化石，構成4號煤層底板，其上為巨厚煤層，編號4煤層(見圖3a)，4煤層上為淺灰～深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，具水平層理，富含植物化石；含局部可采煤層3層，編號4上、4上-1、4上-2煤(見圖3b)，平均厚度80m左右。上部的巖性為灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾炭質(zhì)泥巖，底部為一層較厚的砂巖與下段為界，頂部呈現(xiàn)紫雜色。局部地段含煤1層，編號3煤。與下伏富縣組呈整合接觸。主要為三角洲沉積相，其中煤層主要發(fā)育在三角洲平原上，當時盆地的構造相對穩(wěn)定，外界碎屑物影響較小，溫暖潮濕的氣候有利于當時的成煤植物，主要為蕨類植物和裸子植物的生長，在三角洲平原的分流間灣環(huán)境中,泥炭堆積速率與可容空間的增長速率相平衡,促成了彬長礦區(qū)的厚煤層的形成。

中侏羅統(tǒng)直羅組：上部為紫紅色的，紫灰色的砂質(zhì)泥巖，夾雜紫灰色的細類砂巖；下部為灰白色的細粒砂巖為主，夾雜紫灰色的砂質(zhì)泥巖，平均28m，與延安組不整合接觸。沉積物具有正韻律特征和泥包砂沉積特征，可以識別出“二元結構”(圖3)，發(fā)育交錯層理、槽狀交錯層理，為曲流河沉積，河道和天然堤交替發(fā)育。

中侏羅統(tǒng)安定組：巖性為紫紅色、棕紅色砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖夾淺青灰色的砂質(zhì)泥巖，青灰色中砂巖，平均80m，與直羅組呈假整合接觸。可以識別出兩個正旋回，分別對應兩套三角洲沉積相，均發(fā)育三角洲前緣和前三角洲沉積相。

下白堊統(tǒng)宜君組：巖性為紫灰色、淺紫紅色巨厚層狀中-粗礫巖夾含礫粗砂巖透鏡體。礫石成分主要為花崗巖、片麻巖為主，分選差，次圓狀，平均厚度為20m，與下伏安定組為不整合接觸。以沖積扇沉積為主，部分鉆孔可以識別出完成的扇根、扇中、扇緣亞相。

下白堊統(tǒng)洛河組：頂部為紫紅色中粒長石砂巖夾粗礫巖，上部以紫紅-淺棕紅色粗礫巖為主，夾雜雜色的粉砂巖，泥巖，一般厚60～80m，呈現(xiàn)辮狀河“砂包泥”的特征，為典型辮狀河沉積相。下部為棕紅色細—中粒長石石英砂巖，長石砂巖夾中厚層狀中-粗粒巖及暗棕色薄層泥巖，巖性的分選較差，混雜礫巖，呈疊瓦狀。一般厚70～100m。是區(qū)內(nèi)主要含水層，具大型交錯層理，礫巖分選性差，與下伏宜君組為整合接觸。下部巖性的粒序表現(xiàn)為明顯的從粗到細的扇三角洲沉積(見圖3c、d)。

3 沉積相對施工質(zhì)量的影響分析

煤層氣的鉆井施工主要分為鉆井、測井、固井、壓裂等工序，以往的施工數(shù)據(jù)顯示，煤層氣直井中存在的問題主要為鉆井質(zhì)量、固井質(zhì)量和壓裂施工工程質(zhì)量問題。

3.1 鉆井質(zhì)量

煤層氣鉆井對井身質(zhì)量要求較高，對井斜、井徑擴大率、全角變化率等有嚴格的規(guī)定。

卡鉆問題：彬長礦區(qū)的煤層氣直井卡鉆主要層位在洛河組。從沉積環(huán)境分析，該段屬于辮狀河、沖積扇和扇三角洲沉積(見圖2，圖3c)；其沉積物結構松散，沉積構造發(fā)育，導致鉆井液失水，形成較厚的泥餅，造成井眼縮徑導致卡鉆。同時洛河組中有黏土類礦物，特別是石膏段發(fā)育(圖3d)，該類型的礦物具有遇水膨脹的特性，也會導致在鉆井過程中造成縮徑導致卡鉆。鉆遇到該段時間，應當調(diào)整鉆井液性能，控制鉆井液的失水量，優(yōu)化鉆井參數(shù)等辦法。

井斜問題：煤層氣井的井斜會影響到后續(xù)的固井、壓裂、排采等環(huán)節(jié)，井斜嚴重的井無法進行后續(xù)施工。地質(zhì)原因是引起井斜的一個重要原因，研究區(qū)的地層受到印支運動，燕山期運動的影響，在區(qū)域上有3個不整合面，分別為宜君組與安定組之間，安定組與延安組之間，富縣組與胡家村組之間。不整合面的上下巖層的巖性、地層傾角、層狀結構等會發(fā)生變化，如白堊系的宜君組和下伏的侏羅系的安定組之間存在不整合面，巖性上從礫巖到泥質(zhì)粉砂巖的變化，地層傾角也發(fā)生變化，會引起井斜問題。

3.2 固井質(zhì)量

較為容易出現(xiàn)固井質(zhì)量問題的層位除了煤層段漏失外，主要集中在洛河組中下部，宜君組以及安定組的中部和下部，直羅組的下部。洛河組的中下部和宜君組在研究區(qū)的沉積相主要為沖積扇沉積，在本地區(qū)主要為一套厚層的礫巖，有沖積扇典型的篩狀沉積，孔隙度較大,透水性較好。安定組的中部和下部主要為三角洲平原沉積相中的分流河道微相上；該沉積相在直羅組的下部也有發(fā)育(見圖2)。分流河道的在巖性在研究區(qū)以中砂巖沉積為主，部分地區(qū)夾雜粗砂巖和細砂巖互層，膠結較為松散，孔隙較為發(fā)育。

反映在固井施工中，煤層段、沖積扇的沉積物以及河道沉積物在膠結性、失水性、滲透性、裂隙發(fā)育等方面與其他沉積相有較大差異。這些性質(zhì)會導致固井水泥漿中的水分更容易滲透入巖層或煤層段，水泥難以充分水化，進而導致水泥膠結不好或者環(huán)空的現(xiàn)象，影響固井質(zhì)量。在施工中應該注意在這些層位的固井水泥和沉積相特征的配伍，或者采用變密度固井的辦法，從而提高固井質(zhì)量。

相比鉆井而言，不僅在沖積扇，辮狀河，扇三角洲沉積相上會出現(xiàn)固井問題，在三角洲沉積體系的分流河道段也會出現(xiàn)固井問題，主要原因是由于固井時的水泥漿壓力(一般為8～10MPa)，水泥漿密度較之鉆井液的壓力和密度更大，更容易失水，產(chǎn)生微裂隙,導致水泥漿回返不及時，污染煤儲層和影響固井質(zhì)量。

3.3 壓裂施工工程質(zhì)量

煤層氣壓裂的目的在于盡可能形成較長的裂縫，增加煤層氣的解析面積。在同等的水力壓裂施工設備和強度下，含煤段的沉積相變化會導致壓裂施工的裂縫分布不同。

下面以本地區(qū)的兩口煤層氣井DFS-74井和DFS-153井水力壓裂為例進行說明(圖4)。研究區(qū)的煤層主要發(fā)育在延安組的三角洲沉積的間灣沼澤環(huán)境，在一些較為穩(wěn)定的地區(qū)，沼澤環(huán)境受分流河道的影響較小，為厚煤層聚集提供良好的堆積場所。但是曲流河三角洲的發(fā)育容易受到河流作用控制，致使分流河道和河口壩較為發(fā)育，對煤層的厚度和煤體結構造成了一定的破壞性影響。

圖4 大佛寺礦區(qū)煤層氣段沉積對壓裂效果影響分析圖

DFS-74井附近的成煤沉積環(huán)境更為穩(wěn)定，煤層段發(fā)育較要好于DFS-153井區(qū)域的煤層。對于壓裂施工而言，煤層的楊氏模量，抗剪強度比砂巖和泥巖低，在煤層氣井的水力壓裂中更容易形成較寬的裂縫在水平上進行延伸。因此DFS-74井的壓裂效果更為明顯，左右裂縫分支均比DFS-153井的裂縫更長。

從目前的排采情況來看，DFS-74井擁有較長的壓裂縫隙和更穩(wěn)定的煤層沉積，其產(chǎn)氣量為630m3/d，要明顯高于DFS-153井的130m3/d，驗證了沉積相的分布對煤層氣井賦存以及壓裂效果的影響。表明沉積相分析是后續(xù)壓裂工作中需要重點考慮的因素，需要依據(jù)沉積相中的巖性特征和結構變化選區(qū)適當?shù)膲毫褏?shù)，如上述153井應當適當考慮增加非煤層段的射孔或者增大壓裂的強度，從而保證壓裂縫隙的延長。

4 結論

(1)彬長礦區(qū)煤層氣井鉆遇地層為陸相沉積環(huán)境，有辮狀河、曲流河、曲流河三角洲、沖積扇、扇三角洲、湖泊6種沉積相，煤層主要形成于曲流河三角洲的分流間灣相。

(2)鉆遇地層的沉積相(如巖相、厚度、結構變化、粒序特征以及成巖作用等)均會對煤層氣鉆井的井斜、井徑、固井等井身質(zhì)量產(chǎn)生影響，進而影響煤層氣井的壓裂效果和產(chǎn)氣能力。

(3)沉積相為沖積扇、辮狀河、扇三角洲沉積相的層位較容易發(fā)生鉆井液漏失以及黏土礦物發(fā)育的層位易導致卡鉆問題；地層的不整合處較容易產(chǎn)生井斜問題；固井段的問題多集中在煤層段、河流相和沖積扇相、三角洲的分流河道微相發(fā)育的層位；煤層段以及上下巖層沉積相特征會影響到煤層氣的富集以及壓裂效果。