沁水盆地成莊區(qū)塊煤層氣成藏優(yōu)勢及富集高產(chǎn)主控地質(zhì)因素

王 勃，姚紅星，王紅娜，趙 洋，李夢溪，胡秋嘉，樊梅榮，楊春莉

(1.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局 信息研究院，北京，100029； 2.中國石油 華北油田分公司，河北 任丘 062550；3.中國石油 東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州，072750； 4.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州，221116；5.中國石油集團 科學技術(shù)研究院有限公司，河北 廊坊 065007)

成莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，含氣面積為33 km2，煤層氣資源量為80×108m3。該區(qū)塊自2010年投入開發(fā)，開發(fā)層位為山西組3#煤層，累計鉆開發(fā)直井80余口，水平井2口，無論是直井還是水平井，均見工業(yè)氣流，目前日產(chǎn)氣量約為30×104m3。直井平均單井日產(chǎn)氣約為3 000 m3，2口水平井日產(chǎn)氣超過10 000 m3。成為中國高煤階煤層氣勘探開發(fā)成效最好的區(qū)塊之一。同時，前人針對沁水盆地開展了卓有成效的研究，普遍性的觀點認為含氣量與滲透率的耦合作用控制著煤層氣的富集高產(chǎn)[1]；含氣量受氣源、構(gòu)造、水動力及頂?shù)装鍡l件控制，滲透率受地應(yīng)力控制[2-9]。在以上研究的基礎(chǔ)上，基于“煤層氣富集不一定高產(chǎn)，高產(chǎn)區(qū)一定位于富集區(qū)”這一辨證觀點[10]；孔滲性變好主要原因在于：巖漿活動的高溫環(huán)境，一方面導致煤層微觀、宏觀孔隙的數(shù)量增多，另一方面煤層生氣量大，存在于煤基質(zhì)中的游離氣產(chǎn)生向外突破的壓力，促進了裂隙的形成[11-13]。本文以前人研究為基礎(chǔ)，利用物理模擬實驗、數(shù)值模擬及大量生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)，探討了成莊區(qū)塊煤層氣富集、高產(chǎn)主控因素的控氣作用機理，揭示該區(qū)富集、高產(chǎn)主控因素控氣的特殊性，以期指導相似地質(zhì)條件區(qū)塊的優(yōu)選及下步開發(fā)。

1 煤層氣成藏優(yōu)勢

1.1 煤層氣以有機熱成因為主，含氣量高

表1 成莊區(qū)塊煤層氣組分及同位素測試結(jié)果Table 1 CBM composition and isotope test results of the Chengzhuang Block

煤層氣組分及同位素測試結(jié)果表明(表1)，成莊區(qū)塊煤層氣以烴類氣體為主，其中甲烷體積分數(shù)最高，為23.34%～96.35%；非烴含量主要為N2和CO2，其中N2體積分數(shù)在2.56%～73.16%，CO2體積分數(shù)在0.22%～3.77%；重烴體積分數(shù)低，為0～0.04%，為典型的干氣。

實驗室實測數(shù)據(jù)表明，甲烷碳同位素值(δ13C)介于-35.6‰～-29.1‰，集中在-33‰～-29‰；甲烷氫同位素(δD)介于-183‰～-164‰，集中在-180‰～-170‰(表1)。根據(jù)W.J.Whiticar等[14-15]提出的利用甲烷碳、氫同位素值鑒別不同類型生物氣的圖版，該區(qū)塊煤層氣成因為有機熱成因氣。

現(xiàn)今的煤層含氣量分布來看，3#煤層含氣量介于9.61～27.42 m3/t，平均為19.82 m3/t，含氣量呈現(xiàn)中部高、西部及東部低的特點。

1.2 煤層構(gòu)造簡單，單層厚度大，展布穩(wěn)定

成莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，與相鄰的鄭莊、樊莊區(qū)塊比較，構(gòu)造簡單，總體呈東高西低的單斜構(gòu)造，地層傾角平均為5.13°～5.62°，中部發(fā)育寬緩向斜，斷層不發(fā)育，適合于規(guī)模開發(fā)。

該區(qū)煤層展布具有華北地區(qū)高煤階煤儲層展布的典型特點，即“煤層單層厚度大、橫向分布穩(wěn)定”。該區(qū)3#和15#煤層全區(qū)分布穩(wěn)定，煤層厚度分別介于5.0～6.0 m和3.0～4.0 m，為煤層氣勘探開發(fā)的有利儲層。

1.3 煤層埋深淺，孔滲性好，裂隙系統(tǒng)發(fā)育，且連通性好，利于煤層氣的產(chǎn)出

成莊區(qū)塊3#和15#煤層埋深較淺，總體小于700 m，受區(qū)域構(gòu)造和地形地貌的綜合控制，埋深呈現(xiàn)出“中部深、東西部淺”的分布規(guī)律。以3#煤層為例，其埋深分布為240～610 m，平均為440 m；中部相對較深，為500～610 m，西部和東部埋深較淺，為240～500 m。

煤層氣作為非常規(guī)油氣資源之一，具有與頁巖、致密砂巖等儲層致密低滲的共性[16-18]。通過試井滲透率與埋深相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，埋深300 m以淺的區(qū)域滲透率可達2×10-3μm2以上，300～500 m的區(qū)塊滲透率約為(1～2)×10-3μm2，埋深500 m以深的區(qū)塊滲透率約為(0.6～1)×10-3μm2[19]。

實驗室測試、現(xiàn)場試井解釋及巖心描述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明，該區(qū)3#煤層孔隙度介于4.07%～6.66%，平均為5.80%，滲透率介于(0.61～6.31)×10-3μm2，平均為2.67×10-3μm2，滲透率較高(表2)。主裂縫密度介于1.8～15.4條/cm，次裂隙密度介于2.5～10.6條/cm，表明煤層裂隙系統(tǒng)發(fā)育，且連通性好。

表2 成莊區(qū)塊煤儲層孔滲測試成果Table 2 The porosity and permeability test results of the Chengzhuang Block

綜合分析表明，成莊區(qū)塊平均滲透率可達1.5×10-3μm2，同時裂隙系統(tǒng)發(fā)育較好，利于煤層氣的產(chǎn)出。

1.4 直接頂?shù)装迥鄮r發(fā)育，利于煤層氣保存

成莊區(qū)塊3#煤層之上發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)的區(qū)域性泥巖蓋層，厚度為20～40 m，封蓋能力強[20-23]。3#煤層直接頂?shù)装逡曰液谏⑸罨疑鄮r和碳質(zhì)泥巖為主，局部為粉-細砂巖，厚度為2.10～18.80 m，直接頂?shù)装搴圆?，為良好的封蓋層[24-25]，利于煤層氣保存(表3)。

表3 3#煤層頂?shù)装鍘r性及含氣量統(tǒng)計Table 3 The roof and floor lithology and gas content of 3# coal reservoir,Chengzhuang Block

2 煤層產(chǎn)氣特征

為了查明該區(qū)高產(chǎn)主控因素，首先需分析該區(qū)的煤層產(chǎn)氣特征。鑒于成莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)方式以直井為主，本文著重討論該區(qū)塊煤層氣直井的產(chǎn)氣特征。通過對80余口煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，將煤層氣井分為高產(chǎn)井(平均日產(chǎn)氣量>3 000 m3)、中產(chǎn)井(1 500～3 000 m3)、低產(chǎn)井(<1 500 m3)等3種類型，其中高、中、低產(chǎn)氣井分別占47%,29%及24%。

2.1 高產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征

高產(chǎn)氣井的生產(chǎn)特征為：見氣早，平均見氣時間53 d；達產(chǎn)時間短，平均700 d以內(nèi)可達到產(chǎn)量峰值，峰值產(chǎn)量高，介于4 000～15 000 m3/d， 平均為9 000 m3/d；之后穩(wěn)產(chǎn)，氣量平均可達3 000 m3/d以上，氣量平均值介于 4 000～7 000 m3/d的井占高產(chǎn)井總井數(shù)的90%，穩(wěn)產(chǎn)時間較短，一般在1～2 a左右；之后出現(xiàn)遞減，年遞減率約14%。整體上采收率高，平均為44%，預計最終采收率可達71%。以C-7井為例，該井2009年12月投產(chǎn)，49 d后見氣，160 d產(chǎn)量達到2 000 m3/d，產(chǎn)量峰值8 691 m3/d，之后產(chǎn)量穩(wěn)定在7 000 m3/d左右，穩(wěn)產(chǎn)550 d之后開始遞減(圖1a)，年遞減率為13.4%，累產(chǎn)氣12.56×106m3，采出程度高，達到49.4%，預計該井的最終采收率為75%(圖2)。

2.2 中產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征

中產(chǎn)氣井與高產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征的差異性為：達產(chǎn)時間較長，達到產(chǎn)量峰值的時間平均為860 d；峰值產(chǎn)氣量較低，多介于2 000～4 000 m3/d左右；穩(wěn)產(chǎn)時間較長，可達3～4 a，穩(wěn)產(chǎn)氣量介于1 500～3 000 m3/d；采收率較低，目前平均為20%，預計最終采收率可達42%。以C-2井為例，該井于2009年11月投產(chǎn)，2d后見氣，722 d達到產(chǎn)量高峰2 210 m3/d，之后進入穩(wěn)產(chǎn)階段，產(chǎn)量穩(wěn)定在1 700～1 900 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)900 d之后開始緩慢遞減(圖1b)，目前累產(chǎn)氣達到1.95×106m3，采出程度達到13.6%，預計最終采收率為44.2%(圖2)。

2.3低產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征

低產(chǎn)氣井的顯著特征為：早期產(chǎn)氣量上升到峰值后下降到某一產(chǎn)量，峰值產(chǎn)量低，介于1 500～3 500 m3/d；之后長期處于低水平穩(wěn)產(chǎn)，穩(wěn)產(chǎn)氣量平均為1 000 m3/d左右，一般穩(wěn)產(chǎn)時間在4 a以上，目前未出現(xiàn)遞減；達產(chǎn)率較低，占36%，采收率低，目前平均12%，預計最終采收率可達27%。以C-3井為例，該井2010年1月投產(chǎn)，56 d后見氣，120 d達到峰值產(chǎn)量3 200 m3/d，之后產(chǎn)量下降并穩(wěn)定在950 m3/d(圖1c)，已持續(xù)4.5 a，并具有長期低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)趨勢，目前累產(chǎn)氣達到1.79×106m3，采出程度達到12.5%，預計最終采收率為29.3%(圖2)。

圖1 成莊區(qū)典型井排采曲線Fig.1 Draining and production curve for typical wells in the Chengzhuang Blocka.C-7井;b.C-2井;c.C-3井

圖2 成莊區(qū)塊典型井生產(chǎn)曲線及產(chǎn)氣量預測Fig.2 The production curve and prediction of typical wells in the Chengzhuang Block

3 煤層氣富集高產(chǎn)控制因素

3.1 富集控制因素

3.1.1 構(gòu)造熱事件提高生氣能力，改善了物性，利于氣藏富集

前人研究表明，沁水盆地晚侏羅世-早白堊世發(fā)生構(gòu)造熱事件，引起二次生烴，即“疊加生烴”或“疊加成氣”[26]，其累計生氣量達359.10 m3/t[27]，為成莊區(qū)塊提供了豐富的氣源。同時，構(gòu)造熱事件產(chǎn)生的高溫、高壓的環(huán)境提高了煤層的吸附能力，改善了儲層物性[11]，利于煤層氣后期成藏富集。為了進一步評價構(gòu)造熱事件控氣作用，筆者開展了生烴模擬實驗，其原理是通過溫度來補償時間對生烴過程的影響。根據(jù)成莊區(qū)塊煤層演化史分析，確定實驗溫度從250 ℃逐漸升到500 ℃。并利用核磁共振來測試樣品的孔隙度和滲透率。實驗結(jié)果表明，隨模擬溫度的升高，孔隙度和滲透率整體呈上升趨勢，溫度上升到500 ℃時，孔隙度從最初的1.33%達到8%，滲透率從最初的0達到4.5×10-3μm2(圖3)。核磁測試結(jié)果也是這一觀點的很好例證，即“隨著溫度的升高，T2譜始終保持三峰特征，微孔峰下降，逐漸以中-大孔為主峰。溫度升高，會使得煤巖中孔比例逐漸增加，大孔比例微降，可動流體飽和度呈波動增大趨勢”(圖4)。

3.1.2 封蓋條件與水動力共同控制富集程度

圖3 成莊區(qū)塊煤層孔隙度、滲透率隨溫度變化曲線Fig.3 The porosity and permeability vs. temperature curve in the Chengzhuang Block

圖4 成莊區(qū)塊不同模擬溫度下煤巖T2譜分布Fig.4 The coal T2 spectrum distribution at various simulation temperatures in the Chengzhuang Block

結(jié)合大量的鉆井資料及產(chǎn)出水資料分析，并借鑒前人的研究方法[8-9]，認為研究區(qū)區(qū)域性泥巖蓋層發(fā)育，而且直接頂、底板巖性組合均為厚層泥巖，屬于最優(yōu)勢組合；利用本文1.4中直接頂板泥巖厚度與3#煤層含氣量的統(tǒng)計分析，表明直接頂板泥巖厚度與含氣量有較為明顯的正相關(guān)性：直接頂板厚度小于6m的區(qū)域含氣量一般小于22 m3/t，直接頂板厚度大于10 m的區(qū)域含氣量一般大于25 m3/t(表3)。通過對煤層產(chǎn)出水的分析，認為成莊區(qū)塊折算等水位高差小，水動力徑流強度弱，為滯流區(qū)或弱徑流區(qū)，從水動力分區(qū)與3#煤層含氣量綜合評價圖可以看出(圖5)，總體上，封蓋條件與水動力處于最優(yōu)配置，十分有利于煤層氣的保存與富集。

3.2 高產(chǎn)控制因素

通過對高產(chǎn)控制因素的分析，認為該區(qū)高產(chǎn)受構(gòu)造、煤層厚度、射孔厚度、增產(chǎn)措施及排采技術(shù)等因素影響[28]外，最為顯著的地質(zhì)控制因素為地應(yīng)力分布與煤礦卸壓的控制，為此，筆者著重討論這兩個因素對高產(chǎn)的控制作用。

3.2.1 處于淺部張性低地應(yīng)力發(fā)育區(qū)，儲層可改造性好引起高產(chǎn)

現(xiàn)今地應(yīng)力場分析主要基于水力壓裂法，即分析壓裂過程中破壞壓力、閉合壓力，計算和確定巖體內(nèi)各主應(yīng)力的大小，最后結(jié)合側(cè)壓系數(shù)分析應(yīng)力環(huán)境。側(cè)壓系數(shù)的計算公式[29]如下：

(1)

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)；σhmax為最大水平主應(yīng)力，MPa；σhmix為最小水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂向應(yīng)力，MPa。

圖5 成莊區(qū)塊水動力分區(qū)與3#煤含氣量綜合評價Fig.5 The comprehensive evaluation of hydrodynamic zonation and coal reservoir 3# gas content in the Chengzhuang Block

井號深度/m破裂壓力/MPa閉合壓力/MPa最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPa垂向應(yīng)力/MPa側(cè)壓系數(shù)裂縫半長/m產(chǎn)氣量/(m3·d-1)C7311 355 565 117 675 118 410 7678 27330C33289 108 956 498 646 497 810 9776 55429C79441 509 118 0211 528 0211 920 8273 42765C12457 6512 299 5812 869 5812 360 9167 93003C40568 9813 5210 4913 2510 4915 360 7763 1982C70547 8311 749 9813 729 9814 790 8065 61575C76573 8814 2711 7416 2111 7415 490 9062 31210C97562 2517 8112 2814 4012 2815 180 8857 61481C23267 004 343 675 013 677 210 6076 32226C46535 1515 5812 0716 2912 0714 450 9864 5890

經(jīng)筆者計算，成莊區(qū)塊側(cè)壓系數(shù)介于0.60～0.98，平均值為0.84，呈現(xiàn)伸張帶應(yīng)力的特征，整體上地應(yīng)力水平較低，有利于壓裂裂縫的延伸。根據(jù)壓裂模擬分析和產(chǎn)氣特征分析顯示，裂縫半長一般在57.6～78.2 m(表4)，裂縫半長越長越容易高產(chǎn)，裂縫半長超過70 m的井平均日產(chǎn)氣量可達4 438 m3/d。

3.2.1 處于煤礦卸壓區(qū)，地應(yīng)力得以釋放引起高產(chǎn)

成莊區(qū)塊淺部煤礦的開采煤層氣儲層物性有一定的改造作用，煤礦采空區(qū)應(yīng)力釋放效應(yīng)可以有效改善區(qū)域應(yīng)力環(huán)境，減小儲層有效應(yīng)力，改善滲透性。根據(jù)ABAQUS軟件應(yīng)力場模擬結(jié)果，認為地應(yīng)力在距采空區(qū)1 000 m左右水平應(yīng)力開始有明顯變化：距采空區(qū)700 m時下降5%，400 m時下降10%，200 m時下降15%。

卸壓區(qū)生產(chǎn)井產(chǎn)氣動態(tài)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，受有效應(yīng)力降低影響，單井日產(chǎn)氣量升高約5 000～10 000 m3/d。以C1井為例，該井距離煤礦工作面600 m，投產(chǎn)60 d后初產(chǎn)約6 000 m3/d，后不斷升高至15 674 m3/d，產(chǎn)氣效果良好，現(xiàn)仍穩(wěn)產(chǎn)在6 000 m3/d，說明地應(yīng)力釋放引起滲透改善，利于煤層氣取得高產(chǎn)，同時也具有本文2.1中論述的高產(chǎn)井的產(chǎn)氣特征。

4 結(jié)論

1) 成莊區(qū)塊煤層氣藏以有機熱成因氣為主，具有煤層構(gòu)造簡單、展布穩(wěn)定、含氣量高、埋深淺、裂隙連通性好且滲透率較高、頂?shù)装宸馍w性能好等成藏優(yōu)勢。

2) 高、中、低產(chǎn)氣井分別占47%，29%及24%，其中，高產(chǎn)氣井具有“見氣早、達產(chǎn)時間短、峰值產(chǎn)量高、穩(wěn)產(chǎn)時間較短及整體上采收率高”等生產(chǎn)特征。

3) 構(gòu)造熱事件一方面引起的二次生烴是成莊煤層氣藏的主要氣源；另一方面異常高溫導致煤層微觀、宏觀孔隙的數(shù)量增多，同時存在于煤基質(zhì)中的游離氣產(chǎn)生向外突破的壓力，促進了裂隙的形成，改善了煤儲層物性；加之水動力與封蓋條件的有效匹配，利于煤層氣富集。

4) 淺部張性低地應(yīng)力發(fā)育區(qū)的儲層可改造性好與煤礦卸壓區(qū)應(yīng)力釋放區(qū)改善滲透性的有效疊加，使得成莊區(qū)塊儲層改造效果好，煤層氣易高產(chǎn)。

參 考 文 獻

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