煤層群煤系多套含氣系統(tǒng)特征及其合采效果
——以鐵法盆地阜新組為例

黃華州,桑樹勛,3,畢彩芹,胡碩,孫元濤,周文兵,張化軍

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008

2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116

3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇徐州 221008

4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029

5.遼寧鐵法能源有限責(zé)任公司，遼寧鐵嶺 112700

0 引言

煤系地層煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣的含氣系統(tǒng)及其疊層成藏特征是近年來疊置含氣系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1]。多套含煤層氣系統(tǒng)的研究主要集中于晚古生代石炭二疊紀(jì)的煤系地層[2-4]。我國(guó)具有工業(yè)開發(fā)價(jià)值的煤層氣賦存在晚古生代的石炭二疊系、中生代的侏羅系、白堊系下統(tǒng)、新生代的古近系等多個(gè)煤系[5]。中生代及其以后形成的煤系地層，往往以厚含煤段的形式發(fā)育，以侏羅世、白堊世發(fā)育的煤層尤為典型，含煤段往往發(fā)育多個(gè)，單個(gè)含煤段厚度大，段內(nèi)煤層層數(shù)多，稱之為煤層群[6]；煤層群條件下，單煤層厚度變化大，單層對(duì)比困難，但部分含煤段發(fā)育穩(wěn)定，呈現(xiàn)出規(guī)律性的層序地層，含氣單元被粉砂巖、泥頁(yè)巖等封閉性較好的碎屑沉積巖隔開，垂向上形成了多套含煤層氣系統(tǒng)。這種疊置的多套含煤層氣系統(tǒng)，主要分布于東北、西北區(qū)[7]，如吐哈盆地[6]、鐵法盆地[8]、阜新盆地[9]、準(zhǔn)噶爾盆地南緣[10-11]等。以鐵法盆地為例，其含煤地層為白堊系下統(tǒng)阜新組上下兩個(gè)含煤段，上下含煤段內(nèi)煤層數(shù)量均可達(dá)40層以上，上下含煤段被平均厚度100 m左右的中部砂、泥巖段隔開，是典型的煤層群煤系多套含煤層氣系統(tǒng)發(fā)育區(qū)。單井分段壓裂合層開采是此類煤層氣藏的主要開發(fā)方式，合層開采層間矛盾影響了煤層氣井合采效果，鐵法盆地煤層群條件下的多套含氣系統(tǒng)特征造成了不同含煤段產(chǎn)能差異顯著[12]。查明各含氣系統(tǒng)開發(fā)地質(zhì)特征及其兼容性，是工程迫切需要解決的地質(zhì)理論問題。非常規(guī)油氣甜點(diǎn)段形成往往受控于區(qū)域性多種地質(zhì)事件沉積耦合[13]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化導(dǎo)致沉積基準(zhǔn)面和湖水面的周期性變化[14]，使得陸相斷陷聚煤盆地在不同演化階段形成了具有一定韻律的層序地層。但層序體系域的差異，影響了聚煤環(huán)境、特征、強(qiáng)度，也使得共生的巖石巖性差異性顯著。這種差異一方面影響了煤儲(chǔ)層含氣性、滲流能力，另一方面，含煤地層中低孔滲條件的隔水阻氣層的發(fā)育，分隔了煤層氣含氣單元[15]，垂向上形成了不同的含氣系統(tǒng)，而層序地層特征影響或控制了含氣系統(tǒng)劃分、含氣系統(tǒng)之間的溝通與聯(lián)系[4,16]。基于層序地層格架[17-18]、含氣單元及其分隔層的特征，來劃分含氣系統(tǒng)具有較好地質(zhì)理論依據(jù)。含氣系統(tǒng)滲流條件[19]和流體壓力特征差異[3,20]是合層開采層間干擾來源的關(guān)鍵，本文試圖從含氣系統(tǒng)劃分、各系統(tǒng)含氣性、滲流條件和流體壓力特征來探討煤層群條件下的多套含氣系統(tǒng)發(fā)育特征及其對(duì)煤層氣井合采的影響。

1 地質(zhì)背景與層序地層

鐵法盆地位于松遼盆地南緣，是一斷陷盆地，盆地內(nèi)部整體顯示為NNE向的向斜，呈現(xiàn)東緩西陡的不對(duì)稱形態(tài)。區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)區(qū)主要位于大興井田富煤帶，輪廓主要受向斜控制，向斜內(nèi)又被不同方向正斷層所切割，斷層不導(dǎo)水、不導(dǎo)氣(圖1)。區(qū)內(nèi)地層由老至新為太古界前震旦系、中生界的白堊系下統(tǒng)、新生界第四系。白堊系下統(tǒng)阜新組為本區(qū)主要含煤建造。本區(qū)阜新組自下而上發(fā)育四個(gè)沉積序列，每個(gè)沉積序列對(duì)應(yīng)一個(gè)沉積組合分段，四個(gè)沉積序列依次為：底部砂礫巖段，由扇泥石流沉積和礫質(zhì)河道沉積組成，垂向上總體向上變細(xì)，下部主要為粗碎屑沉積物，上部逐漸過渡為以砂巖為主，夾泥巖；下含煤段，三角洲沉積環(huán)境下，水下分流河道主要形成砂礫巖段，分流間灣或泥炭沼澤主要形成砂巖與煤層的交互層段，沉積微相的交替變換，在垂向上形成了四個(gè)沉積旋回，該段含煤60層左右，地層厚度平均250 m；中部砂泥巖段，湖泊沉積環(huán)境下，淺湖泥或?yàn)I湖砂壩形成了厚度大，膠結(jié)致密，厚度相對(duì)穩(wěn)定的(泥質(zhì))粉砂巖段，厚度平均60 m；上含煤段，分流間灣或泥炭沼澤與水下分流河道的交互發(fā)育，形成了煤層與砂巖的互層結(jié)構(gòu)，該段含煤50層左右，厚度平均150 m。為明確區(qū)內(nèi)垂向沉積序列上的共性，以區(qū)內(nèi)DT31井為例，劃分了阜新組的層序。層序Ⅰ，底界為盆地基底與底部砂礫巖的界面，頂界面為下含煤段中部的砂礫巖底部；層序Ⅱ，底界面為下含煤段中部的砂礫巖底部，頂界面為上含煤段中部粗砂巖底部；層序Ⅲ，底界面為上含煤段中部粗砂巖底部，頂界面為上含煤段之上的砂礫巖底部，界面之上主要為粗砂、砂礫巖，為辮狀河滯留沉積，該界面之下煤層偽頂、直接頂被辮狀河大范圍侵蝕，有時(shí)沖蝕煤層形成沖刷帶[21]。層序具三元結(jié)構(gòu)，由低水位體系域(LST)、水進(jìn)體系域(TST)、高水位體系域(HST)構(gòu)成(圖2)。

本區(qū)地層主要形成于陸相三角洲—湖泊沉積體系；區(qū)內(nèi)煤層主要形成于湖進(jìn)或高水位體系域的三角洲沉積環(huán)境，沉積亞相相對(duì)穩(wěn)定，煤層段厚度大，但沉積微相轉(zhuǎn)換相對(duì)頻繁，因此煤層多以厚度小、層數(shù)多的煤層群發(fā)育，且煤層群發(fā)育段被湖泊沉積環(huán)境下形成的致密碎屑沉積巖所分隔。三角洲前緣亞相下，含煤段內(nèi)的煤、泥巖、粉砂巖主要形成于分流間灣及泥炭沼澤，粗粒砂巖主要形成于水下分流河道，上下含煤段垂向上各顯示4個(gè)左右的沉積旋回(圖2)。中部砂巖段，主要是濱淺湖沉積環(huán)境下形成的粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，其低孔滲的特征及100 m左右的穩(wěn)定厚度，使其成為封閉性極好的阻水隔氣層。

2 含氣單元特征及含氣系統(tǒng)劃分

2.1 煤層分布特征

區(qū)內(nèi)煤層呈煤層群發(fā)育，具有單層煤厚度小，煤層層數(shù)多，煤層累計(jì)厚度大的特征。上含煤段，厚90.4 m，發(fā)育有48層煤，單層煤厚0.2～1.3 m，大部分煤層煤厚0.2～1.0 m，累計(jì)煤厚24.1 m。下含煤段，厚130.3 m，發(fā)育有64層煤，單層煤厚0.1～1.3 m，大部分煤層煤厚0.2～0.8 m，累計(jì)煤厚31.8 m。

2.2 含氣單元分布特征

研究區(qū)主要的含氣儲(chǔ)層為煤層，將煤層相對(duì)集中的煤層群劃分為一個(gè)含氣單元。按本區(qū)煤層群發(fā)育特征，以煤層之間間隔小于2.7 m為上限，可將阜新組上含煤段劃分為5個(gè)含氣單元，下含煤段分為7個(gè)含氣單元(表1)。煤厚小于1 m的單煤層含氣單元資源量有限，開發(fā)價(jià)值相對(duì)較低，在含氣單元?jiǎng)澐謺r(shí)，去除了煤厚小于1 m且距離鄰近含氣單元超過8 m的單煤層含氣單元。阜新組上含煤段共5個(gè)含氣單元，含氣單元厚度為2.7～18.1 m，各含氣單元煤層累厚1.9～8.0 m，含煤系數(shù)31.3%～69.6%，含氣單元彼此間隔3.3～5.7 m。阜新組下含煤段共7個(gè)含氣單元，含氣單元厚度為2.5～18.4 m，各含氣單元煤層累厚1.9～10.7 m，含煤系數(shù)24.9%～75.5%，含氣單元彼此間隔4.4～10.0 m。

圖1 鐵法盆地及研究井區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of Tiefa Basin and study area

就阜新組上下含煤段對(duì)比來看，上含煤段含氣單元累厚70.3 m，煤層累厚22.4 m，含煤系數(shù)31.9%；下含煤段含氣單元累厚114.0 m，煤層累厚30.7 m，含煤系數(shù)26.9%。造成下含煤段含煤系數(shù)較低的主要原因是下含煤段各含氣單元間隔相對(duì)較大，下含煤段D-Ⅳ距離上下鄰近含氣單元距離為12.8 m、8.7 m，D-Ⅶ距鄰近含氣單元距離為10.0 m。

U-Ⅰ含氣單元內(nèi)中部?jī)?chǔ)層的含氣量最高，靠近含氣單元頂?shù)捉缑?，?chǔ)層含氣量則逐漸降低(圖3)；垂向上煤層集中發(fā)育區(qū)中部的含氣量相對(duì)較高，該規(guī)律也見于黔西[20]、山西古交區(qū)塊[22]。在三角洲前緣的分流間灣和泥炭沼澤沉積環(huán)境下，U-Ⅰ含氣單元內(nèi)主要發(fā)育粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和厚度較大的煤層，利于煤層氣儲(chǔ)集，煤層氣不易擴(kuò)散運(yùn)移，因此含氣單元中部含氣量相對(duì)較高；靠近含氣單元頂?shù)捉缑?，則主要發(fā)育中砂—粗砂巖，利于煤層氣的擴(kuò)散運(yùn)移，因此含氣單元頂?shù)捉鐑?chǔ)層含氣量相對(duì)較低。以各含氣單元的平均含氣量與煤厚的乘積作為含氣單元資源豐度衡量指標(biāo)。各含氣單元的資源豐度與含氣量相關(guān)性較差(圖4)。三角洲前緣的分流間灣和泥炭沼澤沉積環(huán)境形成的煤層群含氣單元，含氣量變化較大，但煤厚變化更大，因此評(píng)價(jià)各含氣單元資源潛力，資源豐度更具代表性?？傮w來看，相對(duì)于低水位體系域和高水位體系域，湖進(jìn)體系域下，三角洲前緣的分流間灣和泥炭沼澤沉積環(huán)境形成的含氣單元資源豐度較大，如U-Ⅰ和D-Ⅲ。

圖2 DT31井阜新組含煤段巖性巖相、層序及含氣系統(tǒng)發(fā)育特征Fig.2 Lithology,lithofacies,stratigraphic sequence and gas-bearing system of coal-bearing section of the Fuxin Formation at well DT31

2.3 隔水阻氣層段及含氣系統(tǒng)劃分

陸相沉積環(huán)境下，致密的碎屑沉積巖如泥巖、粉砂巖封閉性好，可將其視為隔水阻氣層[6,15,23]，將煤、細(xì)砂巖、中砂巖、礫巖視為透水(含氣/水)層，即開放層。同一套含氣系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)發(fā)育統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)[1,24]，各含氣單元之間可實(shí)現(xiàn)流體的溝通，統(tǒng)一含氣系統(tǒng)受控于煤層之間分隔層中開放層所占的比例。被隔水阻氣層分隔的一個(gè)或多個(gè)含氣單元即可劃分為一套含氣系統(tǒng)。層序地層格架在一定程度上決定了煤層群條件下的分隔層及開放層的分布[4]，也影響了含氣系統(tǒng)的劃分。

表1 DT31井含氣單元特征Table 1 Properties of gas-containing units at well DT31

圖3 U-Ⅰ含氣單元含氣量隨埋深變化Fig.3 Changes in gas content with buried depth in gas-containing Unit U-Ⅰ

圖4 各含氣單元含氣量均值及資源豐度對(duì)比Fig.4 Comparison of average gas content and resource abundance in each gas-containing unit

本區(qū)上含煤段底部含氣單元U-Ⅴ與下含煤段頂部含氣單元D-Ⅰ之間間隔是中部砂巖段，湖進(jìn)體系域下濱淺湖沉積環(huán)境形成的粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，厚度大，達(dá)108.7 m，83%主要為隔水阻氣層，封閉性強(qiáng)，上下含煤段流體難以溝通，使得上下含煤段不屬于同一套含氣系統(tǒng)(表2)。因此湖進(jìn)體系域下，濱淺湖的淺湖泥或?yàn)I湖砂壩形成了厚度大且穩(wěn)定的隔水阻氣層，是研究區(qū)含氣系統(tǒng)劃分的關(guān)鍵層。

表2 阜新組上下含煤段分隔層特征Table 2 Characteristics of separation layers in the upper and lower coal-bearing sections,Fuxin Formation

上含煤段5個(gè)含氣單元之間，分隔層厚度較小，約3.3～5.7 m，開放層厚度占分隔層總厚度的66%～92%。在儲(chǔ)層壓裂后，各個(gè)含氣單元之間溝通的可能性高，上含煤段5個(gè)含氣單元可視為一套含氣系統(tǒng)，成為含氣系統(tǒng)a(表2)。下含煤段7個(gè)含氣單元之間，D-Ⅱ與D-Ⅲ分隔層厚度6.1 m，且分隔層中73%為阻水隔氣層，D-Ⅴ與D-Ⅵ之間分隔層厚度4.4 m，均為隔水阻氣層。據(jù)此，可將下含煤段分為三套含氣系統(tǒng)，含氣系統(tǒng)b，包含D-Ⅰ與D-Ⅱ含氣單元；含氣系統(tǒng)c，包括三個(gè)含氣單元，D-Ⅲ、D-Ⅳ、D-Ⅴ；含氣系統(tǒng)d，包括二個(gè)含氣單元D-Ⅵ與D-Ⅶ(表2)。四套含氣系統(tǒng)中，含氣系統(tǒng)a資源潛力最大，其次，按從大到小分別為含氣系統(tǒng)c、d、b(表3)。

表3 各含氣系統(tǒng)及其資源潛力Table 3 Resource potential of each gas-bearing system

3 含氣單元孔滲特征

3.1 含氣單元滲流孔隙發(fā)育特征

利用高壓汞注入法獲得了煤的孔隙特征。將孔隙分為大孔(>1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、過渡孔(10～100 nm)、微孔(<10 nm)，視中孔及大孔為滲流孔隙。

含氣系統(tǒng)a中U-I、U-III總孔容約(7.37×10-2～9.88×10-2)cm3/g；含氣系統(tǒng)c中D-III、D-V總孔容約(6.28×10-2～7.95×10-2)cm3/g；含氣系統(tǒng)d中D-Ⅶ總孔容5.62×10-2cm3/g。隨埋深增大，總孔容有逐漸降低的趨勢(shì)，總體而言，含氣系統(tǒng)a的平均總孔容較大(圖5)。

隨埋深增大，孔隙度也有逐漸降低的趨勢(shì)，含氣系統(tǒng)a的儲(chǔ)層平均孔隙度較大。含氣系統(tǒng)a中U-I、U-III孔隙度約8.25%～11.60%；含氣系統(tǒng)c中D-III、DV孔隙度約7.56%～8.98%；含氣系統(tǒng)d中D-Ⅶ孔隙度6.3%(圖5)。

含氣系統(tǒng)a中U-I、U-III滲流孔占總孔容的百分比約11.13%～27.4%；滲流孔孔容約0.90×10-2～2.37×10-2cm3/g；含氣系統(tǒng)c中D-III、D-V滲流孔占比9.24%～9.56%，滲 流 孔 孔 容 約0.58×10-2～0.76×10-2cm3/g；含氣系統(tǒng)d中D-Ⅶ滲流孔占比8.11%，滲流孔孔容0.46×10-2cm3/g。含氣系統(tǒng)a的滲流孔容明顯高于含氣系統(tǒng)c和d的，隨埋深增大，滲流孔孔容明顯降低(圖6)。

圖6 各含氣單元滲流孔孔容特征Fig.6 Percolation pore volume of each gas-containing unit

3.2 含氣單元裂隙及儲(chǔ)層滲流特征

采用國(guó)產(chǎn)HK-4型滲透率自動(dòng)測(cè)定儀，固定圍壓和孔隙壓力測(cè)試儲(chǔ)層的N2滲透率，獲得了DT31井U-I、D-III、D-IV、D-V四個(gè)含氣單元的儲(chǔ)層滲透率。含氣系統(tǒng)a中U-I滲透率為(0.20～1.28)×10-3μm2，含氣系統(tǒng)c中D-III、D-IV、D-V滲透率為(0.07～0.12)×10-3μm2，總體而言，含氣系統(tǒng)a儲(chǔ)層滲流能力明顯好于含氣系統(tǒng)c，隨著儲(chǔ)層深度的增加，儲(chǔ)層滲透率降低。含氣單元U-I內(nèi)，越靠近含氣單元中部，儲(chǔ)層滲流能力越高(圖7)。

圖7 各含氣單元滲透率Fig.7 Permeability of each gas-containing unit

DT31井含煤段全層段進(jìn)行煤巖心取樣，按每10 cm中發(fā)育裂隙條數(shù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)了割理發(fā)育密度。含氣系統(tǒng)a中U-I、U-III、U-IV的面割理發(fā)育密度約0.83～1.67條/cm，平均裂隙密度為1.22條/cm，裂隙充填度為10%左右；含氣系統(tǒng)c中D-III、D-IV、D-V面割理密度約0.54～1.40條/cm，平均裂隙密度為0.96條/cm，裂隙充填度為30%左右；含氣系統(tǒng)d中D-VI面割理密度1條/cm，裂隙充填度達(dá)40%左右。隨著埋深增大，裂隙充填程度加大，裂隙充填物主要為白色薄片狀或脈狀方解石。含氣系統(tǒng)a的裂隙發(fā)育條件總體要優(yōu)于含氣系統(tǒng)c及d，與儲(chǔ)層滲透率變化規(guī)律基本相符(圖8)。

圖8 各含氣單元裂隙密度Fig.8 Face cleat density of each gas-containing unit

3.3 含氣系統(tǒng)壓力特征分析

儲(chǔ)層壓力和臨界解吸壓力是鑒別統(tǒng)一含氣系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，統(tǒng)一含氣系統(tǒng)應(yīng)具有相近的壓力梯度[25]。DT31井作為上下含煤段分段壓裂合層排采井，下含煤段三套含氣系統(tǒng)之間分隔層厚度為4.4～6.1 m，儲(chǔ)層壓裂改造形成的垂向壓裂裂縫具備穿透分隔層能力，儲(chǔ)層改造具有連通三套含氣系統(tǒng)可能性。抽水工程試驗(yàn)結(jié)果表明其上含煤段(對(duì)應(yīng)含氣系統(tǒng)a)儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)井內(nèi)靜水液面深度為83 m(儲(chǔ)層埋深480 m)，儲(chǔ)層壓力為4.1 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為1.02 MPa/hm；下含煤段(對(duì)應(yīng)含氣系統(tǒng)b、c、d)儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)井內(nèi)靜水液面深度為148 m(儲(chǔ)層埋深755 m)，儲(chǔ)層壓力為6.2 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為0.83 MPa/hm。排采過程中，DT31井具有兩個(gè)明顯的解吸液面深度，第一個(gè)為液面深度223 m(儲(chǔ)層埋深462 m)，臨界壓力為2.4 MPa，臨界解吸壓力梯度為0.52 MPa/hm；第二個(gè)為液面深度379 m(儲(chǔ)層埋深502 m)，臨界解吸壓力為1.3 MPa，臨界解吸壓力梯度為0.25 MPa/hm。上下含煤段壓力梯度差異較大，證實(shí)DT31井上下含煤段不屬于統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。

儲(chǔ)層壓力對(duì)應(yīng)液面深度的差異，反映了儲(chǔ)層產(chǎn)水時(shí)間和供水能力的巨大差異。根據(jù)煤層氣井產(chǎn)水特征，排采時(shí)井內(nèi)液面降至儲(chǔ)層壓力對(duì)應(yīng)液面深度時(shí)，相應(yīng)儲(chǔ)層開始產(chǎn)水；上下含煤段儲(chǔ)層壓力的差異，會(huì)使上含煤段含氣系統(tǒng)對(duì)下含煤段的產(chǎn)水具有一定的抑制性，排采初期埋深較大的下含煤段會(huì)滯后產(chǎn)水。在儲(chǔ)層壓力對(duì)應(yīng)液面深度及臨界解吸壓力對(duì)應(yīng)液面深度之間，產(chǎn)層供水能力逐漸增大，在臨界解吸期間，產(chǎn)層供水能力變幅較大，在臨界解吸期之后，產(chǎn)層供水能力呈起伏式下降，產(chǎn)層供氣能力逐漸增強(qiáng)[8]。上下含煤段對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層壓力及臨界解吸壓力液面深度的不一致反映了上下含煤段內(nèi)煤層氣產(chǎn)層供水供氣的不同步，這種不同步會(huì)造成極大的層間干擾，進(jìn)而影響產(chǎn)能[8,12]。

4 多套含氣系統(tǒng)合采工程效果

區(qū)內(nèi)DT31、DT26、DT32井位鄰近，DT26和DT32建設(shè)于同一井場(chǎng)，DT26井產(chǎn)層為上含煤段(對(duì)應(yīng)含氣系統(tǒng)a)，DT32井產(chǎn)層為下含煤段(對(duì)應(yīng)含氣系統(tǒng)b、c、d)。DT31井為上、下含煤段合采井。DT31井產(chǎn)氣1 787天，累計(jì)產(chǎn)氣4.08×106m3，平均日產(chǎn)氣2 280 m3/d，平均日產(chǎn)水5.6 m3/d；DT26井產(chǎn)氣2 789天，累計(jì)產(chǎn)氣9.09×106m3，平均日產(chǎn)氣3 247 m3/d，平均日產(chǎn)水2.9 m3/d；DT32井產(chǎn)氣2 846天累計(jì)產(chǎn)氣3.84×106m3，平均日產(chǎn)氣1 349 m3/d，平均日產(chǎn)水2.7 m3/d(圖9)。上含煤段的產(chǎn)層貢獻(xiàn)率高于下含煤段，上、下含煤段產(chǎn)層貢獻(xiàn)率比值是2.4∶1。

上下含煤段合采井DT31井平均日產(chǎn)量?jī)H有上含煤段單采井DT26井的70%，單井累計(jì)產(chǎn)氣量?jī)H有上含煤段單采井的45%，煤層氣井生產(chǎn)效果說明合采存在較大的層間干擾。多套含氣系統(tǒng)合采具有地質(zhì)條件及閾值限制，條件或參數(shù)主要包括儲(chǔ)層壓力梯度、儲(chǔ)層臨界解吸壓力梯度、含氣系統(tǒng)分隔層厚度、合采含氣系統(tǒng)頂?shù)装迳疃炔町?、合采產(chǎn)層滲透率等[3,20]。滇東地區(qū)合采井合采層儲(chǔ)層壓力梯度差異系數(shù)控制在8%以內(nèi)[20]，DT31井合采層儲(chǔ)層壓力梯度系數(shù)為18%～22%；DT31井合采層頂?shù)装迳疃炔町愡_(dá)293 m，該值大于絕大部分地區(qū)合采產(chǎn)層的頂?shù)装迳疃乳g隔[3,20,26-27]；厚達(dá)108 m的中部砂巖段對(duì)上下含煤段形成有效分隔，形成了特征差異較大的含氣系統(tǒng)；多套含氣系統(tǒng)產(chǎn)水產(chǎn)氣的不同步，產(chǎn)生了較大的層間干擾作用；多種因素的綜合作用導(dǎo)致上下含煤段合采井生產(chǎn)效果欠佳。

上含煤段各個(gè)含氣單元之間主要由開放層分隔，使得上含煤段形成了一套流體壓力相對(duì)統(tǒng)一的含氣系統(tǒng)；同時(shí)上含煤段煤層氣資源豐度達(dá)113.7 m4/t，已高出沁水盆地南部的高產(chǎn)井產(chǎn)層資源豐度(99 m4/t)15%[8]，同時(shí)儲(chǔ)層孔隙度8.25%～11.60%，滲流孔容大，裂隙發(fā)育且填充度低；儲(chǔ)層富氣高滲特征使得上含煤段單采井煤層氣開發(fā)效果較好。

下含煤段含氣單元多于上含煤段，部分分隔層屬于隔水阻氣層，將下含煤段分割為三套疊置的含氣系統(tǒng)，但儲(chǔ)層壓裂改造具備連通三套含氣系統(tǒng)可能性，DT31井三套含氣系統(tǒng)內(nèi)各含氣單元之間最大分隔層厚度未超過12.8 m，推測(cè)下含煤段內(nèi)各含氣系統(tǒng)彼此干擾程度有限；儲(chǔ)層孔裂隙分析及滲流測(cè)試結(jié)果表明，埋深的增加，下含煤段各個(gè)含氣系統(tǒng)的儲(chǔ)層滲流孔容、裂隙發(fā)育情況、儲(chǔ)層滲透率降低趨勢(shì)明顯；DT32井平均日產(chǎn)水僅2.7 m3/d，也證實(shí)了儲(chǔ)層滲流能力低于上含煤段儲(chǔ)層；因此下含煤段煤層氣開發(fā)效果要弱于上含煤段。

圖9 阜新組上下含煤段分采及合采井產(chǎn)氣特征DT26產(chǎn)層為上含煤段，DT32產(chǎn)層為下含煤段，DT31產(chǎn)層為上、下含煤段Fig.9 Gas production characteristics of Fuxin Formation in Tiefa BasinUpper coal-bearing section is the princpal gas-producing formation in Well DT26.Lower coal-bearing section is the principal gas-producing formation in well DT32.Both upper and lower coal-bearing sections are the gas-producing formations in well DT31

5 結(jié)論

(1)鐵法盆地白堊系阜新組上含煤段5個(gè)含氣單元形成了一套統(tǒng)一的含氣系統(tǒng)，下含煤段7個(gè)含氣單元可劃分為三套含氣系統(tǒng)。煤層群煤系在湖進(jìn)體系域下，三角洲前緣的分流間灣和泥炭沼澤沉積環(huán)境形成的含氣單元資源豐度較大；湖進(jìn)體系域下，濱淺湖的淺湖泥或?yàn)I湖砂壩形成了厚度大且穩(wěn)定的隔水阻氣層，是研究區(qū)含氣系統(tǒng)劃分的關(guān)鍵層。

(2)隨埋深的增加，儲(chǔ)層孔隙度、平均滲流孔容、裂隙發(fā)育情況、儲(chǔ)層滲透率降低趨勢(shì)明顯；上下含煤段儲(chǔ)層壓力梯度、解吸壓力梯度差異大，煤層氣合采時(shí)上下含煤段儲(chǔ)層產(chǎn)出氣液具有不同步性；上下含煤段含氣系統(tǒng)儲(chǔ)層流體壓力和儲(chǔ)層滲流能力的差異，制約了上下含煤段含氣系統(tǒng)的合層開采。

(3)阜新組煤層氣合采效果由好到差是上含煤段合采、上下含煤段合采、下含煤段合采，上下含煤段多套含氣系統(tǒng)合采效果不佳。阜新組上含煤段獨(dú)立開發(fā)的效果最好，是由于其各個(gè)含氣單元彼此形成了一套兼容性較好含氣系統(tǒng)，同時(shí)其資源豐度最高，滲流孔容、裂隙密度較大，儲(chǔ)層的滲流能力最好。