高海拔地區(qū)高階煤層氣富集與高產(chǎn)主控因素分析

高海拔地區(qū)高階煤層氣富集與高產(chǎn)主控因素分析

沁水盆地是中國第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)進(jìn)步的煤礦生產(chǎn)基地。截至2013年底,沁水盆地共鉆煤層氣井8000余口,累計(jì)探明儲(chǔ)量3800余億立方米,年產(chǎn)量25×108m3。雖然取得了重大進(jìn)展,但是存在煤層氣探明率低、產(chǎn)能到位率低等問題。因此,需要開展煤層氣富集高產(chǎn)的主控因素研究,以指導(dǎo)煤層氣的高效勘探開發(fā)。前人對(duì)此進(jìn)行了不斷的探討,取得了豐碩的研究成果[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],指導(dǎo)并推動(dòng)了沁水盆地煤層氣的勘探開發(fā)進(jìn)程。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明,煤層氣富集不一定高產(chǎn),高產(chǎn)區(qū)一定是位于富集區(qū),煤層氣富集、高產(chǎn)是煤層氣地質(zhì)理論評(píng)價(jià)的兩個(gè)不同階段。筆者利用最新的勘探開發(fā)和研究成果,綜合分析了沁水盆地煤層氣富集、高產(chǎn)的主控因素,并預(yù)測(cè)了富集、高產(chǎn)區(qū),以指導(dǎo)煤層氣下步的勘探開發(fā)。1煤巖顯微裂隙類型沁水盆地南部面積約1×104km2,主要含煤層系為太原組和山西組,目前煤層氣開發(fā)主要目的層為山西組3#煤層。3#煤層以亮煤為主,鏡煤次之,宏觀上表現(xiàn)為半亮―光亮煤,微觀上以鏡質(zhì)組為主。煤巖變質(zhì)程度較高,普遍達(dá)到貧煤―無煙煤階段,鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max)主要介于2.0%~4.0%。研究區(qū)內(nèi)煤巖顯微裂隙、微孔和小孔非常發(fā)育,中孔和大孔發(fā)育差,孔隙類型呈雙峰分布。滲透率分布的非均質(zhì)性較強(qiáng),3#煤層試井滲透率差別比較顯著,例如樊莊區(qū)塊介于0.02~2.00mD,平均為0.49mD;鄭莊區(qū)塊介于0.01~2.96mD,平均0.112mD;柿莊區(qū)塊最大滲透率為3.18mD,最小僅為0.02mD。2富管理因素2.1煤層特征與煤層富集的關(guān)系在前人研究的基礎(chǔ)上,通過對(duì)研究區(qū)大量的鉆井、測(cè)井及煤層氣井測(cè)試資料的對(duì)比分析,認(rèn)為煤層展布和頂、底板巖性特征是影響煤層氣富集的重要因素。煤層在空間上分布的穩(wěn)定性及厚度直接影響著生成煤層氣的物質(zhì)基礎(chǔ),而煤層頂、底板巖性的封蓋能力則控制著煤層氣的保存條件。2.1.1間灣相與間地沁水盆地南部山西組沉積期發(fā)育三角洲沉積體系,主要包括三角洲平原分流河道間漫灘、分流間灣以及前緣河口壩3種沉積環(huán)境。其中,以分流間灣相分布最為廣泛,且由于其水體深度適中,其上的泥炭沼澤發(fā)育較好,形成的煤儲(chǔ)層厚度較大,結(jié)構(gòu)簡單,3#煤層厚度一般介于4~8m;分流河道間漫灘沼澤主要分布于故縣—安澤一線以西的地區(qū),由于水體動(dòng)蕩或水體深度不利于泥炭沼澤的持續(xù)發(fā)育,所形成的煤層不穩(wěn)定,3#煤層厚度一般小于5m;三角洲前緣河口壩主要位于研究區(qū)東南部,分布范圍較小,3#煤層厚度一般介于3~6m(圖1)。2.1.2地質(zhì)環(huán)境3#煤層頂、底板整體以封蓋能力強(qiáng)的泥巖為主,其次為砂質(zhì)泥巖,砂巖只在部分地區(qū)零星分布。直接頂、底板泥巖最發(fā)育的馬必北―鄭莊區(qū)塊、樊莊―潘莊區(qū)塊以及沁南―夏店區(qū)塊,整體以三角洲平原分流間灣環(huán)境為主,3#煤層含氣量一般都大于15m3/t,最高可達(dá)30m3/t;位于沁水一帶的馬必南區(qū)塊3#煤層底板中三角洲前緣河口壩砂巖比較發(fā)育,含氣量較低,一般介于6~20m3/t;北部沁源區(qū)塊以三角洲平原分流河道間漫灘環(huán)境為主,3#煤層頂板以砂質(zhì)泥巖最為發(fā)育,分流河道砂巖零星分布,整體上封蓋能力較好,煤層含氣量一般介于8~22m3/t(圖2)。2.2地下水水動(dòng)力分區(qū)地下水動(dòng)力場(chǎng)是影響含氣量分布的重要因素,滯流區(qū)或弱徑流區(qū)富氣,強(qiáng)徑流區(qū)的含氣量一般較低。同一系統(tǒng)的水動(dòng)力分區(qū)內(nèi),低勢(shì)區(qū)的含氣量較高勢(shì)區(qū)大,其原因?yàn)樗畡?dòng)力的流動(dòng)方向是從高勢(shì)區(qū)流向低勢(shì)區(qū),高勢(shì)區(qū)由于地下水交替活躍,水溶解作用易造成煤層氣的散失,而在低勢(shì)區(qū)由于水的承壓作用,煤層氣不易解吸。煤層氣井鉆穿煤系地層后,地下水涌入井中,并繼續(xù)上升到一定高度便穩(wěn)定下來,此時(shí)的水位為測(cè)壓水位,測(cè)壓水位可以很好地反映出地下水的水動(dòng)力狀態(tài)。初始動(dòng)液面是煤層氣井排采之前井口至穩(wěn)定水位之間的高差,井口海拔與初始動(dòng)液面之差即為該井位置煤系地層的測(cè)壓水位。以樊莊區(qū)塊為例,根據(jù)該區(qū)128口煤層氣井的初始動(dòng)液面和井口海拔數(shù)據(jù)計(jì)算了相應(yīng)的測(cè)壓水位,并在平面成圖。根據(jù)水位在區(qū)域上由高到低的變化趨勢(shì)并結(jié)合水離子成分的變化規(guī)律,劃分出強(qiáng)徑流區(qū)、弱徑流區(qū)和滯流區(qū)3個(gè)水動(dòng)力分區(qū)。從水動(dòng)力分區(qū)與3#煤含氣量的對(duì)應(yīng)關(guān)系來看(圖3),東部強(qiáng)徑流區(qū)水位大于580m,水的離子總毫克當(dāng)量數(shù)較低,即地下水礦化度較低,主要離子成分為HCO3-和Na++K+,含氣量基本上小于10m3/t,含氣飽和度小于50%;西部和南部的部分地區(qū)為滯流區(qū),水位小于520m,水化學(xué)特征表現(xiàn)為總離子毫克當(dāng)量數(shù)較高以及Cl-含量明顯增加,含氣量一般大于20m3/t,局部在26m3/t以上,含氣飽和度大于80%;中部弱徑流區(qū)分布范圍較大,自東向西水位逐漸減小,水化學(xué)特征介于強(qiáng)徑流區(qū)與滯流區(qū)之間,含氣量自東向西呈逐漸增大的趨勢(shì),總體上大于18m3/t。2.3氣藏成藏模式煤層氣成藏以后(特別是在煤層經(jīng)過生氣高峰期后),盆地中絕大多數(shù)地區(qū)都經(jīng)歷了構(gòu)造回返抬升演化階段,現(xiàn)今煤層氣富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化對(duì)煤層氣保持和破壞的綜合疊加結(jié)果。在對(duì)樊莊區(qū)塊構(gòu)造精細(xì)解釋的基礎(chǔ)上,結(jié)合該區(qū)的煤層氣成藏演化過程,對(duì)該區(qū)煤層氣的富集構(gòu)造模式進(jìn)行了分類,分為原生型、調(diào)整型和改造型3種富集模式。構(gòu)造調(diào)整強(qiáng)弱控制著煤層氣的保存條件,構(gòu)造調(diào)整越弱,氣藏的保存條件越好,煤層受溫壓控制下的吸附能力越強(qiáng),越利于煤層氣的富集。原生型煤層氣藏主要形成于燕山早期,在該區(qū)表現(xiàn)為NNE向構(gòu)造和近EW向構(gòu)造(圖4),以南部的TL007背斜及中部蒲池南背斜為代表,煤層氣成藏富集后期,氣藏基本上沒有被改造。如TL007背斜位于成莊區(qū)塊西部,走向近NE,形成于燕山早期。在其后地質(zhì)歷史時(shí)期中受寺頭—后城腰走滑斷裂帶的保護(hù),氣藏基本上沒有顯著變化,主力煤層含氣量較高,TL007井3#煤層實(shí)測(cè)含氣量為20.08m3/t。調(diào)整型煤層氣藏至少包括燕山期、喜馬拉雅早期2期成藏。該氣藏燕山期的成藏模式與原生型氣藏相同,在喜馬拉雅早期NE—SW向擠壓作用下,燕山期NE—SW向褶皺遭受改造,但改造程度弱,繼承了原生氣藏的大部分成藏優(yōu)勢(shì)。煤層氣藏的規(guī)模主要取決于新一輪構(gòu)造變形疊加后氣藏的規(guī)模。樊莊區(qū)塊的固縣北背斜及TL006西背斜屬于該類氣藏。如固縣北背斜位于固縣背斜南高點(diǎn),喜馬拉雅期受寺頭左旋走滑斷層的影響,在燕山期NE—SW向褶皺背景上疊加了新的一期構(gòu)造變形,局部走向調(diào)整為NNW向(圖5),煤層氣藏未遭受明顯的破壞,主力煤層含氣量高,3#煤層含氣量總體上介于22~26m3/t,煤層氣單井平均產(chǎn)氣量約3000m3/d。由以上的分析可知,構(gòu)造未調(diào)整或調(diào)整弱的原生型和調(diào)整型煤層氣藏都是有利的煤層氣藏富集模式,而煤層氣成藏后期構(gòu)造破壞嚴(yán)重的改造型煤層氣藏則不利于煤層氣的保存。樊莊區(qū)塊中部的玉溪背斜以及東部的樊莊背斜為典型的改造型煤層氣藏(圖6),如玉溪背斜在喜馬拉雅早期NE—SW向擠壓作用下,并受寺頭斷層影響,燕山期NE—SW向褶皺遭受改造,調(diào)整為NNW向,受斷層切割影響,造成煤層氣大量散失,3#煤層含氣量小于14m3/t,煤層氣單井平均日產(chǎn)氣量約幾百立方米。2.4原生—富集區(qū)預(yù)測(cè)根據(jù)前述煤層氣富集主控因素分析,認(rèn)為構(gòu)造未調(diào)整或調(diào)整弱、地下水動(dòng)力場(chǎng)滯流區(qū)—弱徑流區(qū)以及煤層頂、底板泥巖發(fā)育為有利的煤層氣富集條件。以此為依據(jù),結(jié)合幾個(gè)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)塊的地質(zhì)類比,并對(duì)沁水盆地南部進(jìn)行綜合分析,預(yù)測(cè)出沁源—安澤、沁南—夏店、馬必—鄭莊以及柿莊—潘莊4個(gè)煤層氣富集區(qū)帶(圖7)。沁源—安澤富集區(qū),山西組沉積期發(fā)育三角洲平原分流河道間漫灘—分流間灣相,頂、底板巖性以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主;褶皺走向主體為NNE向,局部遭受喜馬拉雅期NE—SW向的擠壓作用調(diào)整為NNW向,但整體上仍保留了燕山期的構(gòu)造形跡特征,為原生—調(diào)整型構(gòu)造模式;處于地下水動(dòng)力場(chǎng)弱徑流區(qū),較有利于煤層氣富集成藏。沁南—夏店富集區(qū),山西組沉積期發(fā)育三角洲平原分流間灣相,頂、底板巖性為封蓋性最好的泥巖;褶皺走向主要為近NS—NNE向,局部為NNW向,為調(diào)整型構(gòu)造模式;處于地下水動(dòng)力場(chǎng)滯流區(qū)—弱徑流區(qū),有利于煤層氣的富集成藏。馬必—鄭莊富集區(qū),山西組沉積期為三角洲平原分流河道間漫灘—分流間灣相,頂、底板巖性以泥巖為主,局部為砂質(zhì)泥巖;褶皺走向?yàn)镹E—NNE向,為燕山期NW—SE向擠壓作用形成,且基本未受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的調(diào)整和改造,為原生型構(gòu)造模式;處于地下水動(dòng)力場(chǎng)滯流區(qū),有利于煤層氣的保存。柿莊—潘莊富集區(qū),山西組沉積期主要為三角洲平原分流河道間漫灘—分流間灣相,南部地區(qū)還發(fā)育三角洲前緣河口壩相,頂板巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖,底板以泥巖為主;褶皺走向以NE—NNE向?yàn)橹?局部受喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響調(diào)整為NNW向,為原生—調(diào)整型構(gòu)造模式;為地下水弱徑流—滯流區(qū),有利于煤層氣的保存。3高產(chǎn)主要控制因素3.1煤層覆巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)滲透率是影響煤層氣可采性及煤層氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一,埋深通過對(duì)地應(yīng)力的影響控制著煤儲(chǔ)層滲透率的大小。煤層是一種典型的雙重介質(zhì)、雙孔隙度的儲(chǔ)層,由于煤層本身塑性較強(qiáng),地應(yīng)力增大使煤體被壓縮,導(dǎo)致基質(zhì)壓縮、基質(zhì)滲透率降低;而裂隙孔隙度則是決定煤層滲透性的關(guān)鍵因素,在地應(yīng)力作用下,當(dāng)煤儲(chǔ)層主要裂隙的割理面法向力為壓應(yīng)力時(shí),裂隙被壓縮變形,壁距減小甚至封閉,會(huì)導(dǎo)致煤層滲透性變差。3.1.1從產(chǎn)井分布的角度分析淺部地區(qū)由于地應(yīng)力作用較弱,處于伸張帶,煤層滲透率較高。對(duì)沁水盆地南部不同區(qū)塊主力煤層試井滲透率與煤層埋深的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),煤層滲透率具有隨埋深增大而遞減的趨勢(shì),并根據(jù)滲透率大小劃分出高滲、中滲、低滲及致密4個(gè)帶(圖8)。高滲帶一般位于煤層埋深600m以淺的地區(qū),滲透率大于1mD,同時(shí)也為高產(chǎn)井分布區(qū),煤層氣井單井產(chǎn)氣量大于3000m3/d。中滲帶一般位于煤層埋深450~800m的地區(qū),滲透率介于0.1~1mD,單井產(chǎn)氣量大于2000m3/d。通過高滲帶與中滲帶的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)煤層埋深450m以淺的地區(qū)都為高滲煤儲(chǔ)層分布區(qū),因此可把450m以淺的地區(qū)視為低地應(yīng)力控制下的原生煤儲(chǔ)層高滲帶,而450m以深地區(qū)的高滲煤儲(chǔ)層可視為裂隙發(fā)育的較低地應(yīng)力控制下的次生型高滲帶。低滲帶分布范圍較廣,一般位于埋深大于600m的地區(qū),滲透率介于0.01~0.1mD,單井產(chǎn)氣量小于2000m3/d。以樊莊—潘莊地區(qū)3#煤層為例,單井產(chǎn)量大于2000m3/d的高產(chǎn)井只分布于煤層埋深小于600m的中—高滲區(qū)。南部潘莊區(qū)塊3#煤層埋深小于450m,為煤儲(chǔ)層原生高滲帶及中滲帶分布區(qū),單井產(chǎn)量大于2000m3/d;中北部樊莊區(qū)塊3#煤層埋深大于500m,為煤儲(chǔ)層中滲帶及低滲帶分布區(qū),與潘莊區(qū)塊相比單井產(chǎn)氣量明顯偏低,總體上介于1000~2000m3/d(圖9)。3.1.2煤儲(chǔ)層采出導(dǎo)率的提高雖然在一般情況下,隨著埋深增加,受地應(yīng)力增大的影響,煤層滲透率減小,但并不意味著深部的煤層氣就無法開采,因?yàn)樯畈康拿簝?chǔ)層裂隙發(fā)育帶有利于滲透率的改善,煤層氣井同樣可獲得高產(chǎn)。因此,尋找煤儲(chǔ)層的裂隙發(fā)育帶對(duì)深部煤層氣的開發(fā)具有十分重要的意義。利用測(cè)井技術(shù)可以方便高效地識(shí)別出煤儲(chǔ)層的裂隙發(fā)育特征,在井徑(CAL)測(cè)井曲線上表現(xiàn)為井徑擴(kuò)大,在雙側(cè)向視電阻率曲線上表現(xiàn)為深、淺側(cè)向電阻率值高(大于8000Ω·m),正幅度差值大。深、淺側(cè)向電阻率值越高,正幅度差越大,表明煤層裂隙厚度越大,煤層氣井易高產(chǎn)。鄭莊區(qū)塊鄭試60井3#煤層埋深約1300m,其深側(cè)向電阻率值(RD)高達(dá)25190Ω·m,正幅度差值為2921Ω·m(圖10),相應(yīng)的煤層裂隙厚度為4.2m,有效地改造了煤層的滲透率,單井產(chǎn)氣量達(dá)到2000m3/d。鄭試64井3#煤層埋深約1200m,其深側(cè)向電阻率值(RD)為5202Ω·m,正幅度差值為1200Ω·m(圖11),相應(yīng)的煤層裂隙厚度僅為1.75m,不利于煤層滲透率的改善,單井產(chǎn)氣量也只達(dá)到100m3/d。3.2局部結(jié)構(gòu)的影響3.2.1構(gòu)造部位對(duì)產(chǎn)氣的影響早期煤層埋藏深,生氣條件好,后期處于構(gòu)造抬升部位的煤層埋藏相對(duì)淺,壓實(shí)作用較弱,未發(fā)生顯著的構(gòu)造變形,原生氣藏得以保存,且地應(yīng)力較低,次生割理發(fā)育,滲透性好;在上覆有利蓋層條件下的滯水環(huán)境中煤層割理裂隙尚未礦化,煤層氣藏未被水打開;兩翼又是烴類供給的指向區(qū),易形成高含氣量、高飽和、高滲的富集高產(chǎn)區(qū)。樊莊區(qū)塊穩(wěn)定產(chǎn)氣量大于4000m3/d的高產(chǎn)直井一般分布于局部寬緩的構(gòu)造高部位,蒲南1-3井達(dá)到8000m3/d;FzP02-3井、FzP04-3井及FzP04-5井等水平井產(chǎn)氣量大于20000m3/d,FzP04-5井高達(dá)50000m3/d(圖12)。通過樊莊區(qū)塊樊4井組不同構(gòu)造部位水平井產(chǎn)氣特征的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),3#煤底板海拔高度大于220m的FzP04-3井和FzP04-5井,位于構(gòu)造高部位,產(chǎn)氣量大于20000m3/d;而3#煤底板海拔高度小于210m的FzP04-1井、FzP04-2井和FzP04-4井,位于構(gòu)造低部位,產(chǎn)氣量都小于10000m3/d(表1)。3.2.2低地應(yīng)力地區(qū)煤質(zhì)地層和采出工氣區(qū)域上斜坡是盆地受構(gòu)造擠壓或地殼不均勻抬升作用的結(jié)果,因其構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)集中,構(gòu)造變形相對(duì)明顯而區(qū)別于盆地向斜軸部區(qū)域。以潘莊區(qū)塊為例,該區(qū)塊整體上為一個(gè)西傾的單斜構(gòu)造,發(fā)育次級(jí)褶皺構(gòu)造,斷層極少,煤層埋深較淺,多在600m以淺,主體埋深260~320m(圖13),且位于低地應(yīng)力分布區(qū),煤滲透率介于1.6~3.6mD,因此煤層氣高產(chǎn)特征明顯,多分支水平井單井產(chǎn)氣(2.0~10)×104m3/d(PZP01-2定向羽狀水平井煤層進(jìn)尺4919m,單井產(chǎn)氣10×104m3/d)。3.3不含量向葉、不含煤儲(chǔ)層、未埋深區(qū)域的地層在地應(yīng)力(埋深)、煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育及局部構(gòu)造等煤層氣高產(chǎn)主控因素分析及前期富集區(qū)優(yōu)選的基礎(chǔ)上,依據(jù)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)塊的地質(zhì)條件類比,預(yù)測(cè)了安澤、夏店南部、馬必南部、鄭莊南部、樊莊中北部和樊莊南部—潘莊6個(gè)煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)(圖14)。安澤高產(chǎn)區(qū)構(gòu)造位置處于NE傾向的斜坡帶上,埋深介于600~800m,雖然屬于中—高地應(yīng)力分布區(qū),但由于其構(gòu)造位置有利且煤儲(chǔ)層割理裂隙較為發(fā)育,可視作潛在的煤層氣高產(chǎn)區(qū)。夏店南部高產(chǎn)區(qū)的構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)NEE傾向的寬緩斜坡帶,埋深總體介于600~800m,同樣屬于中—高地應(yīng)力分布區(qū),但由于斷層非常發(fā)育,導(dǎo)致煤儲(chǔ)層中斷層