鄂爾多斯盆地神府南區(qū)深部煤層氣有利區(qū)預測

周龍剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

我國1200～2000 m 深部煤層氣資源量超1.6×1013m3，潛力巨大，是未來天然氣增儲上產的重要領域。前期在沁水、鄂爾多斯、滇東黔西、準噶爾等地區(qū)勘探獲得突破，展現了良好的開發(fā)前景[1-3]。壓裂改造是目前深部煤層氣動用的有效手段，因此地質評價需加強對壓裂工程地質條件的研究。中海油陸上神府南區(qū)前期以致密氣勘探為主，對煤層地質條件研究薄弱，制約深部煤層氣勘探開發(fā)，本文依托作者參與的“深部煤層氣開采地質制約因素研究”自研課題，對研究區(qū)資源條件、工程地質條件進行了梳理，預測地質工程一體化有利區(qū)，以期為該區(qū)深部煤層氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)地質概況

神府南區(qū)緊鄰神木市，構造上位于鄂爾多斯盆地東北部晉西撓折帶，地層自東向西呈單斜構造（圖1）。區(qū)域構造演化受華北克拉通整體控制，晚古生代以來經歷了海相向陸相沉積演變，下部本溪組～山西組發(fā)育穩(wěn)定的含煤地層[4]，其中8+9 號煤厚度巨大，是該區(qū)致密氣成藏的源巖和深部煤層氣勘探的主要目的層。

圖1 研究區(qū)煤層頂部構造圖

2 深部煤層氣資源條件

2.1 煤儲層基本特征

研究區(qū)8+9 號主力煤層形成于海陸過渡相泥坪低位沼澤沉積環(huán)境，煤層厚度介于7.4～15.8 m，平均厚度超10 m。巖心觀察宏觀煤巖類型以光亮煤和半亮煤為主，實驗分析有機顯微組分以鏡質組為主，惰質組、殼質組次之（表1），鏡質組最大反射率（Ro，max）介于1.1%～1.4%之間。工業(yè)分析實驗表明，區(qū)內煤巖內在水分含量低，以中低灰分煤為主（表2）。受強壓實及熱演化成巖作用共同影響，煤儲層孔滲物性較差，孔隙度一般<6%，基巖滲透率<0.1 mD，無自然產能。

表1 研究區(qū)8+9 號煤煤巖分析結果統計表

表2 煤巖工業(yè)分析結果統計表

2.2 保存條件

研究區(qū)8+9 號煤層埋深2000 m 左右，地層水礦化度高達50 000 mg/L 以上，以CaCl2型水為主[5]，顯示地下水為滯留環(huán)境。煤層氣保存主要受圍巖封蓋性影響，煤層上部太原組太2 段為三角洲沉積，發(fā)育水下分流河道及河道砂體，呈近南北向展布，主河道內砂體氣層發(fā)育，表明煤層生排烴進入砂巖，不利于煤層氣保存。平面上研究區(qū)西側太2 段砂體不發(fā)育（圖2），保存條件要優(yōu)于東部主河道發(fā)育區(qū)。

圖2 研究區(qū)太2 段砂體厚度等值線圖

2.3 資源條件

繩索取心測試研究區(qū)8+9 號煤含氣量介于7.94～21.13 m3/t，平均10.67 m3/t。等溫吸附實驗煤樣朗格繆爾（VL）介于7.4～15.92 m3/t，平均10.4 m3/t，顯示煤儲層過飽和。前人研究認為深部煤層游離氣含量較高，預測本區(qū)游離氣含量占比高達40%[6]，鄰區(qū)深部煤層氣探井壓后快速見氣也表明深部煤層氣高含游離氣，預示實際含氣量可能高于繩索取心實驗結果。依據煤層厚度、含氣量及密度估算研究區(qū)煤層氣資源，資源豐度介于1.7×108～3.3×108m2/km3（圖3），顯示良好勘探潛力。

圖3 研究區(qū)預測煤層氣資源豐度等值線圖

3 煤儲層工程地質條件

基于煤巖力學特性及壓裂理論，煤儲層壓裂工程地質條件包括煤體結構、煤巖力學參數、地應力、裂縫等影響壓裂裂縫起裂及擴展的因素。一般煤體結構越完整、巖石力學強度越高、脆性越大，則壓裂產生煤粉少，有利于凈壓力保持和壓裂縫的擴展及延伸。另外現場壓裂實驗表明：微裂縫發(fā)育不僅能改善煤儲層物性，還能有效降低裂縫起裂及擴展壓力，有利于壓裂施工順利進行。

3.1 煤體結構

巖心觀察顯示研究區(qū)煤體結構以原生結構為主，少量為碎裂煤，煤巖中發(fā)育內生裂隙，且以光亮型煤最為發(fā)育；碎裂煤多被密集的次生裂隙相互交切成碎塊，但碎塊之間基本沒有位移，且部分次生裂縫被方解石填充。以巖心資料分析測井曲線對煤體結構的響應，研究區(qū)從原生結構煤到碎粒結構煤，井徑逐漸擴大、深電阻率逐漸減小，測井解釋表明，區(qū)內煤巖煤體結構以原生結構為主（一般超過90%），構造煤不發(fā)育，一般見于煤層頂底板及夾矸附近。

3.2 巖石力學特征

巖石力學實驗顯示，研究區(qū)煤巖單軸抗壓強度平均<20 MPa，抗拉強度<1.5 MPa，彈性模量<1 GPa，與頂底板泥巖、粉砂-細砂巖相比呈現明顯的低密度、低抗壓、低抗拉、低彈性模量、高泊松比特征（表3）。煤儲層與頂底板巖石力學參數相差數倍，儲隔層應力差較大（一般>4 MPa），可有效阻止水力壓裂裂縫“擊穿”頂底板，將其限制于煤層之內。

表3 研究區(qū)煤巖及頂底板巖石力學參數對比

3.3 現今地應力特征

大量室內物模實驗及壓裂微地震監(jiān)測顯示，水力壓裂裂縫沿最大水平地應力方向延伸，水平主應力差系數越小壓裂裂縫越復雜。從區(qū)域應力場及成像測井資料分析，研究區(qū)現今應力以“近南北向拉張、東西向擠壓”為主。利用組合彈簧模型法利于測井資料計算單井地應力大小，結果顯示8+9 號主力煤層最小水平主應力介于38.2～45.2 MPa，最大水平主應力介于44.3～51.9 MPa。由于研究區(qū)構造簡單，煤層穩(wěn)定，水平主應力差系數變化較小，介于0.14～0.16，整體上有利于造復雜縫，增大壓裂波及體積，實現體積壓裂，獲得好的壓裂效果。

3.4 裂縫發(fā)育特征

8+9 煤層成藏演化過程中受印支、燕山、喜山三期構造運動影響，古構造應力場存在轉向，野外測量顯示研究區(qū)發(fā)育張性節(jié)理和剪切節(jié)理，節(jié)理走向以NW、NE 向最為發(fā)育。受多期構造應力場造縫及斷裂發(fā)育差異性影響，平面上裂縫發(fā)育存在不均一性，利用地震構造熵屬屬性預測顯示研究區(qū)8+9 號煤裂縫發(fā)育區(qū)呈條帶狀分布（圖4）。

圖4 研究區(qū)8+9 號煤層裂縫預測圖

4 一體化有利區(qū)預測

從成藏特征出發(fā)，考慮煤層厚度、含氣量及頂板巖性封蓋條件，在地質有利區(qū)的基礎上，結合煤體結構、力學參數、地應力及裂縫發(fā)育特征等工程地質條件，綜合預測顯示I 類有利區(qū)位于研究區(qū)西側，Ⅱ類主要位于東北側，是未來研究區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)有利目標（圖5）。

圖5 研究區(qū)深部煤層氣有利區(qū)預測圖

5 結論與建議

1）研究區(qū)深部煤層厚度大、地層壓力高、保存條件好，資源條件優(yōu)越；構造背景簡單，煤體結構完整，巖石力學、水平主應力差分布穩(wěn)定，存在裂縫發(fā)育帶。在地質有利區(qū)的基礎上，考慮深部煤儲層可壓裂性工程地質條件，預測適合壓裂改造的工程有利區(qū)是后續(xù)該區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)突破的重點。

2）研究區(qū)位于黃土地區(qū)，地表崎嶇不平，難于大規(guī)模打直井，考慮研究區(qū)煤層厚度大、分布穩(wěn)定，從地表、地下條件來看，以水平井、多分支水平井等復雜井型，結合頁巖油氣領域目前較成熟的長水平、多段多簇、體積壓裂、暫堵轉向等壓裂工藝是該區(qū)未來深部煤層氣規(guī)模動用的有效手段。