沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊15號煤與3號煤儲層物性及產(chǎn)氣差異研究

沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊15號煤與3號煤儲層物性及產(chǎn)氣差異研究

張聰，李夢溪，馮樹仁，胡秋嘉，喬茂坡，吳定泉，于家盛，李可心(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西長治046000)沁水盆地南部是我國煤層氣勘探開發(fā)投入工程量最多、研究程度最高、產(chǎn)量最大的盆地[1-6]，也是我國煤層氣勘探開發(fā)最有潛力的盆地之一。鄭莊區(qū)塊是沁水盆地南部的重點開發(fā)區(qū)塊，也是近年來沁水盆地南部主要的上產(chǎn)區(qū)塊。山西組3號煤與太原組15號煤是本區(qū)主力產(chǎn)層，但15號煤層由于煤層厚度薄，且區(qū)域展布變化大，早期試采產(chǎn)水量高、效果差等原因[7]，影響了其勘探開發(fā)進(jìn)程。2016年在鄭莊西南部投產(chǎn)4口雙層(3號、15號煤層)合采井，單井產(chǎn)量達(dá)到4000m3/d[6]，明顯高于周邊單采3號煤層的單井平均日產(chǎn)氣1500m3，表明3號、15號煤層合采是未來本區(qū)塊內(nèi)煤層氣開發(fā)的重要方式[6,8]。通過精細(xì)構(gòu)造解釋、優(yōu)化儲層評價及工藝技術(shù)進(jìn)步，2019年，鄭莊區(qū)塊西南部一口15號煤套管壓裂水平井產(chǎn)氣量突破10000m3/d，表明15號煤層作為鄭莊區(qū)塊開發(fā)接替目的層是可行的。因此，基于3號煤層特征的基礎(chǔ)上開展15號煤儲層特征的研究，對于下步勘探開發(fā)選區(qū)具有理論意義。筆者在前人對沁水盆地南部15號煤層研究的基礎(chǔ)上[9-16]，重點從煤層厚度、含氣性、滲透率及煤體結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行15號煤層與3號煤層對比分析，找出其分布差異和原因，并劃分15號煤煤層氣的勘探開發(fā)有利區(qū)，將對鄭莊區(qū)塊15號煤煤層氣勘探開發(fā)實踐提供指導(dǎo)，也為相似區(qū)塊的煤層氣勘探開發(fā)提供借鑒。1地質(zhì)概況鄭莊區(qū)塊主體位于山西省沁水縣境內(nèi)，構(gòu)造上位于沁水盆地南部，整體為向西北傾斜的馬蹄形構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷層以高角度正斷層為主，逆斷層零星分布。寺頭斷層位于區(qū)塊東部，是研究區(qū)內(nèi)最大的斷層，為一高角度正斷層，斷層方向自東向西方向由SN向NE向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；后城腰斷層位于區(qū)塊東南部，是研究區(qū)內(nèi)第二大斷層，認(rèn)為該斷層是寺頭斷層的伴生斷層，方向為NE?SW。區(qū)內(nèi)地層傾角5o～15o，褶皺構(gòu)造方向以NE為主；西南部構(gòu)造簡單，褶皺不發(fā)育，斷層以大斷層為主；向北褶皺逐漸發(fā)育，主要以擠壓型構(gòu)造為主；再向東北方向斷層發(fā)育較多，構(gòu)造復(fù)雜。研究區(qū)主要含煤地層為上石炭統(tǒng)–下二疊統(tǒng)太原組及下二疊統(tǒng)山西組，山西組沉積屬于陸表海淺水三角洲沉積體系，主要沉積微相為分流河道、分流間灣和沼澤；太原組沉積環(huán)境變化相對較大，可分為三角洲相、障壁海岸相及碳酸鹽臺地相[17-19]。2煤儲層特征對比分析2.1厚度3號煤層全區(qū)橫向展布穩(wěn)定，厚度為5～8m，平均6m，平面變化不大。15號煤層厚度介于2～9m，平均不足4m，厚度分布不穩(wěn)定；南部厚度較薄，基本在2～3.5m；往北厚度逐漸增加，最厚處達(dá)到9.2m，但平面厚度變化較大(圖1)。圖1鄭莊區(qū)塊3號、15號煤層厚度疊合Fig.1SuperpositiondiagramofNo.3andNo.15coalthicknessinZhengzhuangBlock2.2含氣量3號煤層含氣量一般在13～31m3/t，由南向北逐漸增加，局部受到復(fù)雜構(gòu)造、斷層影響，含氣量低于10m3/t。15號煤層含氣量一般在10～29m3/t，平面分布與3號煤層有相似的分布特點，隨埋深增加由南向北逐漸增加。對比而言，在研究區(qū)南部，15號煤層含氣量高于3號煤，而北部15號煤層含氣量變化較大(圖2)。圖2鄭莊區(qū)塊3號、15號煤層含氣量疊合Fig.2SuperpositionmapofNo.3andNo.15coalgascontentinZhengzhuangBlock2.3煤巖煤質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)特征從宏觀煤巖結(jié)構(gòu)來看，3號、15號煤層的宏觀煤巖組分都以亮煤為主，其次為暗煤，鏡煤和絲炭較少。從顯微組分來看，15號煤層鏡質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)在65.4%～94.7%，平均為81.2%，惰質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)在5.3%～34.6%，平均為18.8%；3號煤層鏡質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)在60.8%～92.7%，平均為71.8%，惰質(zhì)組分體積分?jǐn)?shù)在7.3%～39.2%，平均為28.3%；比較來講15號煤層鏡質(zhì)組分含量較高。從工業(yè)分析來看，15號煤層灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.18%～22.98%，平均為15.6%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.66%～1.7%，平均為1.09%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.70%～9.32%，平均為7.16%；3號煤層灰分9.23%～28.72%，平均為14.05%，水分0.8%～1.87%，平均為1.24%，揮發(fā)分5.44%～10.84%，平均為7.45%；兩煤層相差不大。從煤體結(jié)構(gòu)來講，3號、15號煤層的煤體結(jié)構(gòu)均以原生?碎裂煤為主，僅在斷裂發(fā)育區(qū)碎粒煤發(fā)育，糜棱煤基本不發(fā)育。2.4吸附性煤對甲烷吸附性通常采用Langmuir方程來描述。煤的吸附特征在計算煤層氣的臨界解吸壓力、含氣飽和度及煤層氣開發(fā)難易程度等方面應(yīng)用較廣[13]。統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，15號煤層的Langmuir體積為35.7～47.2m3/t，平均為41.3m3/t，Langmuir壓力為1.9～3.7MPa，平均為2.6MPa，3號煤層的Langmuir體積為26.6～48.5m3/t，平均為36.5m3/t，Langmuir壓力為1.97～3.93MPa，平均為2.87MPa。15號、3號煤層的Langmuir體積和壓力值相近且都比較大，表明兩煤層均具有強的吸附能力。3號煤層吸附時間在1.8～27d，平均為12d，15號煤吸附時間為2.3～14.2d，平均6d，相比較而言，15號煤層更容易解吸。孟艷軍等[20]定義解吸速率，反映煤層解吸效率的快慢，研究區(qū)15號煤解吸效率普遍高于3號煤。2.5孔滲特征2.5.1孔裂隙性壓汞測試孔隙率結(jié)果顯示，沁水盆地南部15號煤層孔隙率為2.25%～10.9%，平均5.17%，與3號煤層孔隙率3.08%～8.8%，平均為4.53%，基本相當(dāng)[10]。煤層裂隙特別是煤層割理的發(fā)育情況對儲層滲透性影響較大，后期的礦物充填對煤儲層滲透性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[21-22]。借助宏觀觀察及光學(xué)顯微鏡觀察，15號煤層面割理密度平均為12條/5cm，端割理為5.8條/5cm，3號煤層面割理密度為9條/5cm，端割理為5.9條/5cm；15號煤層顯微裂隙密度為4.3～12條/cm，平均7.1條/cm，3號煤層為2～9.5條/cm，平均為6.2條/cm；對比來講15號煤層宏觀割理裂隙、顯微裂隙整體較3號煤層發(fā)育。進(jìn)一步掃描電鏡觀察(圖3)，15號煤層顯微裂隙次生裂隙發(fā)育，局部多見充填物，裂隙閉合度較高，以方解石為主，黏土礦物次之。圖3鄭莊區(qū)塊3號、15號煤層掃描電鏡Fig.3ScanningelectronmicroscopeimagesofNo.3andNo.15coalrocksinZhengzhuangBlock2.5.2滲透性滲透率是衡量煤層氣開發(fā)的重要指標(biāo)之一。通過對研究區(qū)19口井試井滲透率數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)：3號煤層的滲透率(0.011～0.43)×10?3μm2，平均為0.1×10?3μm2；15號煤層的滲透率為(0.012～3.13)×10?3μm2，平均為0.79×10?3μm2。從平面上看，15號煤層在西南部、中北部存在局部高滲區(qū)域(圖4)。圖4鄭莊區(qū)塊3號、15號煤儲層滲透率疊合Fig.4SuperpositiondiagramofNo.3andNo.15coalpermeabilityinZhengzhuangBlock2.6頂?shù)装鍘r性根據(jù)鉆井、測井資料，3號煤層頂?shù)装宥嘁苑凵百|(zhì)泥巖為主，頂?shù)装宸馍w性較好；15號煤層頂板以K2灰?guī)r覆蓋，底板以粉砂質(zhì)泥巖為主，封蓋性較好，但頂板灰?guī)r局部含水[7,23]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)電性特征可以指征頂板灰?guī)r的含水性，電阻率越小，含水性越強；自然電位負(fù)異常越大，含水性越強，如圖5所示。圖515號煤層頂板灰?guī)r電阻率、自然電位負(fù)異常與日產(chǎn)水關(guān)系Fig.5Relationshipbetweenresistivity,negativespontaneouspotentialanomalyanddailywaterproductionofNo.15coalrooflimestone利用頂板灰?guī)r自然電位負(fù)異常值、電阻率值及自然伽馬值與含水性關(guān)系進(jìn)行綜合判斷，15號煤層頂板灰?guī)r富水程度如圖6所示。圖6鄭莊區(qū)塊15號煤層頂板灰?guī)r富水程度分布Fig.6DistributionofwaterabandunceofNo.15coalrooflimestoneinZhengzhuangBlock3儲層差異特征分析以往研究發(fā)現(xiàn)[24-26]，沁水盆地南部決定3號煤層富集高產(chǎn)的主控因素有煤層厚度、含氣量、滲透性、煤體結(jié)構(gòu)、埋深等。對比研究區(qū)3號、15號煤儲層發(fā)現(xiàn)，煤層厚度、含氣量、滲透性、吸附特征及頂?shù)装搴源嬖谝欢ǔ潭鹊牟町?，造成儲層差異的主因是沉積環(huán)境和構(gòu)造影響程度。3.1影響因素3.1.1沉積環(huán)境山西組3號煤層和太原組15號煤層沉積環(huán)境相差較大[17-19]。3號煤層形成于靠陸地一側(cè)，為下三角洲平原分流間灣環(huán)境，泥炭堆積速率與可容空間增長速率較快，因此，3號煤層厚度較大且相對穩(wěn)定分布；同時由于在弱還原環(huán)境下形成，3號煤層中鏡質(zhì)組含量相對較低，惰質(zhì)組含量相對較高。15號煤層則形成于靠海一側(cè)，為障壁?潟湖成煤環(huán)境，泥炭堆積速率與可容空間增加速率較慢，再加上水體較深，不利于泥炭沼澤的發(fā)育，造成15號煤層厚度平面分布差異較大[15]；此外，較深水體下的強還原環(huán)境，造成15號煤層鏡質(zhì)組含量高于3號煤層，相應(yīng)的惰質(zhì)組相對較低?；曳之a(chǎn)率是煤中礦物質(zhì)含量的指示，也與礦物種類有關(guān)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，如圖7所示，15號煤吸附時間與灰分產(chǎn)率呈明顯負(fù)相關(guān)，而3號煤層該相關(guān)性不明顯。濱海平原環(huán)境下形成的15號煤層頂板以灰?guī)r為主，受到濱海相沉積環(huán)境及灰?guī)r頂板淋濾共同作用，導(dǎo)致15號煤層中礦物含量較多；礦物的大量存在會降低煤儲層的吸附性能[27]。圖73號、15號煤層吸附時間與灰分產(chǎn)率關(guān)系Fig.7RelationshipbetweenadsorptiontimeandashyieldofNo.3andNo.15coal3.1.2地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造對煤儲層的影響主要表現(xiàn)在對含氣量和滲透性的影響。全區(qū)來講，3號、15號煤層所在的區(qū)域構(gòu)造具有一定的繼承性，即3號煤層構(gòu)造與15號煤層相似，整體呈現(xiàn)馬蹄形，向北靠近盆地中心，含氣量由南向北呈上升趨勢，如圖2所示。局部地層受到后期構(gòu)造作用造成強烈變形，導(dǎo)致斷層發(fā)育，破壞煤層氣的保存條件，造成含氣量下降；由于后期斷裂構(gòu)造對15號煤層的破壞程度較3號煤層更嚴(yán)重，造成3號煤層和15號煤層含氣量局部規(guī)律的差異。圖8中AA是一條貫穿鄭莊區(qū)塊南北的地震剖面，A—A剖面上對應(yīng)井的3號和15號煤層含氣量分布。從圖中可以看出，南部15號煤層含氣量高于3號煤層，但是在區(qū)塊中北部出現(xiàn)15號煤層含氣量低于3號煤層。這是由于南部構(gòu)造相對簡單，隨著埋深的增加，煤層含氣量逐漸增加，15號煤層較3號煤層深100m左右，因此，15號煤層含氣量相對較高；中北部受到強烈的構(gòu)造變形，15號煤層附近斷層發(fā)育，但該類斷層斷距較小，未影響至3號煤層，造成15號煤層保存條件變差，含氣量下降，而3號煤層未受影響。圖8AA地震剖面及對應(yīng)位置含氣量Fig.8AAseismicprofileandgascontentatthecorrespondinglocation通常來講，構(gòu)造變形會引起局部裂隙相對發(fā)育，尤其斷層發(fā)育區(qū)裂隙通常極發(fā)育。研究區(qū)東部臨近寺頭斷層、后城腰斷層，次級斷層發(fā)育，同樣的裂隙也較為發(fā)育。中北部構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，曲率較大，裂隙較南部發(fā)育。3.2儲層差異對開發(fā)影響15號煤層厚度較薄(通常2～5m)，但含氣量較高，具備高產(chǎn)資源基礎(chǔ)。研究區(qū)15號煤層厚度變化較大，南部煤層厚度2～4m，但含氣量最高可達(dá)29m3/t，彌補了因厚度不足造成難以持續(xù)高產(chǎn)的資源基礎(chǔ)問題；北部煤層厚度逐漸增厚，最厚處可達(dá)9.2m，除局部保存條件變差外，含氣量普遍大于24m3/t。15號煤層埋深較大，但鏡質(zhì)組含量高，微裂隙更發(fā)育，滲透性反而變好。一般來講，15號煤層相比較3號煤層埋深增加100m左右，受到壓實作用滲透性會變差；但15號煤層鏡質(zhì)組含量高，微裂隙更加發(fā)育，儲層物性變好(圖4)。煤層縱向非均質(zhì)性較強[10]，本文將縱向上鏡質(zhì)組含量高、煤質(zhì)好、灰分低的煤巖分層定義為優(yōu)質(zhì)層；優(yōu)質(zhì)層厚度越大，表明儲層的生氣潛力和物性越好。自然伽馬測井響應(yīng)值與煤層的灰分、黏土含量都具有正相關(guān)關(guān)系，可定量表征優(yōu)質(zhì)層的煤質(zhì)特征；研究區(qū)生產(chǎn)實踐表明，自然伽馬值低于60API，單采15號煤層產(chǎn)量具備日產(chǎn)氣量1000m3以上產(chǎn)氣能力。局部頂板灰?guī)r水動力變強，影響15號煤層排水降壓。生產(chǎn)實踐表明，15號煤層頂板灰?guī)r含水性整體較弱，有利于煤層排水降壓；局部區(qū)域受到斷裂構(gòu)造影響溝通含水層，頂板強富水性增強，煤層降壓難度增加，產(chǎn)水差異大成為影響15號煤煤層氣開發(fā)的重要因素。415號煤層的煤層氣有利區(qū)及產(chǎn)氣特征4.1有利區(qū)劃分根據(jù)15號煤儲層發(fā)育分布規(guī)律，結(jié)合含氣性、滲透性、煤體結(jié)構(gòu)等參數(shù)，采用層次分析法、地質(zhì)綜合評價技術(shù)[25,28]，劃分鄭莊區(qū)塊15號煤煤層氣開發(fā)有利區(qū)，如圖9所示。圖9鄭莊區(qū)塊15號煤層氣開發(fā)有利區(qū)劃分Fig.9FavorableareadivisionofNo.15CBMdevelopmentinZhengzhuangBlockI類單元含氣量大于18m3/t，滲透率大于0.2×10?3μm2，原生?碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，優(yōu)質(zhì)層厚度普遍大于2m，頂板灰?guī)r含水性弱，主要分布在區(qū)內(nèi)西南部、東南部局部以及中北部零星分布；其中西南部15號煤層厚度雖然較薄(厚度2～3m)，但含氣性、滲透性較好，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，是該區(qū)15號煤層氣開發(fā)“甜點區(qū)”。Ⅱ類單元含氣量大于18m3/t，滲透率(0.01～0.4)×10?3μm2，原生?碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，優(yōu)質(zhì)層厚度0.5～2m，頂板灰?guī)r含水性中等，主要分布在研究區(qū)中、北部。Ⅲ類單元含氣量小于18m3/t，滲透率多小于0.1×10?3μm2，局部滲透率極大，超過2×10?3μm2，以碎粒煤為主，局部可見糜棱煤，優(yōu)質(zhì)層不發(fā)育，頂板灰?guī)r含水性普遍較強，主要分布于寺頭斷層帶以及北部斷層發(fā)育區(qū)。4.2開發(fā)效果研究區(qū)15號煤層整體具備較好資源基礎(chǔ)，局部儲層非均質(zhì)性變強。根據(jù)儲層發(fā)育分布規(guī)律部署試采井，優(yōu)化工程技術(shù)適應(yīng)15號煤煤層氣開發(fā)[6]，生產(chǎn)應(yīng)用效果顯著，有效提高了單井產(chǎn)量。1)Ⅰ類單元15號煤層含氣量較高，儲層物性較好，直井合采、壓裂水平井均可獲得效益開發(fā)。Z139井位于構(gòu)造平緩位置，2012年投產(chǎn)時單采3號煤，解吸壓力2.9MPa，最高日產(chǎn)氣1300m3，日產(chǎn)水0.5m3，穩(wěn)產(chǎn)64d后產(chǎn)量緩慢遞減。2019年8月暫封3號煤，壓裂15號煤，投產(chǎn)時同時打開3號、15號煤進(jìn)行合采，如圖10a所示，解吸壓力3.8MPa，較3號煤單采時解吸壓力明顯上升；單井產(chǎn)量明顯提升，最高日產(chǎn)氣達(dá)到3400m3，產(chǎn)量翻倍，穩(wěn)產(chǎn)氣量3000m3/d。圖10單井排采曲線Fig.10Singlewelldrainageproductioncurve由于該類型15號煤層厚度較薄，易受到煤層起伏及傾角變化影響導(dǎo)致水平井鉆進(jìn)極易鉆出層，成井難度變大；再加上煤層埋深較淺(600～800m)，鉆至水平段后鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴(yán)重，造成井眼調(diào)整困難[6,23,29]，常規(guī)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井精度不夠，難以滿足15號煤層氣開發(fā)需要。研究區(qū)研發(fā)適用于煤層氣井的近鉆頭成像伽馬方位技術(shù)，通過在鉆頭與螺桿之間增加近鉆頭測量短節(jié)并配備無線接收短節(jié)等工具，使得近鉆頭伽馬測量點距離鉆頭頂部達(dá)到0.5m距離，滿足了快速追蹤煤層的造斜率要求，使得鉆頭在2～3m厚的煤層中水平井成功率100%，煤層鉆遇率接近90%，為薄煤層的高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。Z76井組共8口井，位于構(gòu)造平緩區(qū)，其中3號煤水平井3口，15號煤水平井4口。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)，3號煤層埋深在460m左右，解吸壓力2.0MPa，穩(wěn)產(chǎn)氣量平均5600m3/d，穩(wěn)產(chǎn)期180d左右，井底流壓0.1MPa；4口15號煤水平井，煤層埋深超過540m，解吸壓力2.9MPa，穩(wěn)產(chǎn)氣量平均10000m3/d，截至2021年12月30日，4口井的井底流壓平均1.35MPa，仍具備較強的穩(wěn)產(chǎn)能力。表1Z76水平井組生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總Table1SummaryofproductiondataofZ76horizontalwellgroup整體來說，Ⅰ類單元內(nèi)15號煤產(chǎn)氣特征總體表現(xiàn)為“見套壓快、上產(chǎn)速度快、日產(chǎn)水量小”的特點。直井單采15號煤層氣產(chǎn)能2000m3/d，套管壓裂水平井產(chǎn)能大于10000m3/d。2)Ⅱ類單元套管壓裂水平井獲得高產(chǎn)早期Ⅱ類單元15號煤層直井試采單井最高日產(chǎn)氣量500m3，產(chǎn)水量相對較高，部分生產(chǎn)井日產(chǎn)水量超過20m3，試采效果差異大。2017年，在研究區(qū)北部投產(chǎn)3個直井合采井組，最高日產(chǎn)氣量可達(dá)2000m3，但產(chǎn)量快速下降至1000m3/d以下，無穩(wěn)產(chǎn)期，