楊克兵 王海潮 王 君 陳輝娜 符 康

中國(guó)石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院

沁南盆地成莊區(qū)塊高煤階煤層氣高產(chǎn)主控因素

楊克兵 王海潮 王 君 陳輝娜 符 康

中國(guó)石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院

我國(guó)聚煤盆地形成演化歷史復(fù)雜，后期構(gòu)造破壞嚴(yán)重，高煤階煤儲(chǔ)層更是多階段演化和多熱源疊加變質(zhì)作用明顯，使得煤層氣儲(chǔ)層物性具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，單井產(chǎn)量普遍較低，煤層氣開采難度大。已有研究成果主要對(duì)構(gòu)造、沉積、水動(dòng)力等控氣作用進(jìn)行了分析，不能有效解決生產(chǎn)中存在的煤層氣探明率低、產(chǎn)能到位率低等難題。以華北油田沁南煤層氣田成莊區(qū)塊高產(chǎn)井的動(dòng)、靜態(tài)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合沁南氣田其他區(qū)塊煤層氣的開發(fā)特點(diǎn)，對(duì)高產(chǎn)共性特征進(jìn)行分析，認(rèn)為煤儲(chǔ)層微裂隙發(fā)育、滲透率高是煤儲(chǔ)層高產(chǎn)的主要原因，煤儲(chǔ)層富含游離氣是高產(chǎn)的重要原因，其他因素如厚度、含氣量、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力等為局部影響因素。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：成莊區(qū)塊煤層氣屬于沉積控氣，煤層排烴時(shí)期的煤儲(chǔ)層封堵條件是煤層氣井高產(chǎn)的主控因素。當(dāng)煤層封堵條件好時(shí)，既有助于改善煤儲(chǔ)層的物性，又使得煤儲(chǔ)層富含游離氣，為氣藏的高產(chǎn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該觀點(diǎn)不僅為煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊選區(qū)評(píng)價(jià)提供了地質(zhì)依據(jù)，而且對(duì)致密油氣藏的甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)也具有參考作用。

沁南盆地高煤階煤層氣高產(chǎn)井主控因素排烴期封堵條件

自20世紀(jì)90年代初，我國(guó)開展地面煤層氣勘探和開發(fā)以來，經(jīng)過短時(shí)間就成功實(shí)現(xiàn)了高煤階、中低滲透煤的煤層氣開發(fā)，打破了國(guó)外高煤階儲(chǔ)層是煤層氣開發(fā)禁區(qū)的理論[1-2]。我國(guó)煤層氣資源量豐富，埋深2 000 m以淺的煤層氣資源總量達(dá)36.8×1012m3，僅次于俄羅斯和加拿大，居世界第三位。由于我國(guó)的聚煤盆地形成演化歷史復(fù)雜，后期構(gòu)造破壞嚴(yán)重，盆地原型及構(gòu)造樣式多變，導(dǎo)致煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊形成規(guī)律難以把握[3-5]。而且我國(guó)的高煤階煤儲(chǔ)層多階段演化和多熱源疊加變質(zhì)作用明顯，使得煤層氣儲(chǔ)層物性具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，單井產(chǎn)量普遍較低，煤層氣的開采難度大[6-9]。因此，研究煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊的地質(zhì)控制因素及分析煤層氣藏的開發(fā)潛力，對(duì)于尋找煤層氣高效開發(fā)區(qū)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)煤層氣已進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段，對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)的原因進(jìn)行了大量的分析和研究。王紅巖等認(rèn)為煤層氣富集成藏必須具備6個(gè)條件，即資源、生成、物性、保存、解吸和地層壓力等條件[10]；孔祥文等認(rèn)為：煤層氣高產(chǎn)富集基本條件是三控論，即封蓋層控制含氣量、應(yīng)力場(chǎng)控制滲透率、構(gòu)造體和煤體控制富集帶[11]；孫粉錦等認(rèn)為沉積形成煤層氣富集帶，地下水動(dòng)力條件影響富集帶的分布，構(gòu)造作用強(qiáng)弱控制著煤層氣的保存條件[12]；其他對(duì)煤層氣富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)可歸結(jié)為構(gòu)造控氣、沉積控氣等[13-16]。從這些研究成果看，主要是對(duì)構(gòu)造、沉積、水動(dòng)力的控氣作用進(jìn)行了分析，還不能有效的解決生產(chǎn)中存在的煤層氣探明率低、產(chǎn)能到位率低等問題。由于所提出的煤層氣高產(chǎn)影響因素較多，增加了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的難度。可以看出，在地質(zhì)方面，對(duì)煤層氣高產(chǎn)主控因素的研究還需要解決如下問題：①煤層氣井高產(chǎn)的共性特點(diǎn)是什么？②是否有產(chǎn)生這些共性的合理原因。因此，通過研究華北油田沁南煤層氣田成莊區(qū)塊已投產(chǎn)高產(chǎn)井區(qū)塊的共性特征，找出煤儲(chǔ)層高產(chǎn)的主要控制因素，為煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊優(yōu)選提供地質(zhì)依據(jù)。

1 成莊區(qū)塊高產(chǎn)井特點(diǎn)

成莊區(qū)塊位于沁水盆地樊莊區(qū)塊南部，共有煤層氣井87口，其中直井84口，水平井3口；煤礦影響井4口。區(qū)塊日產(chǎn)氣30×104m3左右，平均單井日產(chǎn)氣4 170 m3。其中7口井日產(chǎn)氣大于10 000 m3，16口井日產(chǎn)氣5 000～10 000 m3，日產(chǎn)氣大于5 000 m3的井占總開井?dāng)?shù)20%。目前沁南煤層氣田開井約1 500口，其中6.25%的高產(chǎn)井產(chǎn)量占?xì)馓锟偖a(chǎn)量的12.5%，是開發(fā)效益最好的井區(qū)。

1.1 高產(chǎn)井生產(chǎn)初期沒有單獨(dú)排水期，排采曲線為單駝峰曲線

典型煤層吸附氣排采曲線，具有雙駝峰曲線特征，剛開始以排水降壓為主。它分為排水降壓階段，穩(wěn)定解吸階段及遞減解吸階段。其中，排水降壓階段產(chǎn)氣有一個(gè)小高峰和后面穩(wěn)定解吸階段的產(chǎn)氣高峰合稱雙駝峰曲線（圖1）。

成莊區(qū)塊生產(chǎn)井排采初期就有氣產(chǎn)量，沒有單獨(dú)的排水期，產(chǎn)水量較低或不產(chǎn)水，以排氣降壓為主。其排采曲線一般為單駝峰曲線，與典型煤層吸附氣排采曲線有明顯區(qū)別（圖2）。

圖1 典型雙駝峰煤層吸附氣排采曲線圖

圖2 成莊井煤層氣排采曲線特征圖

1.2 實(shí)際累計(jì)產(chǎn)氣量大于理論累計(jì)產(chǎn)氣量

以DS-021井為例，離該井最近的兩口井井距不到300 m，其中，與DS-027井的井距約290 m，與DS-033井的井距約180 m。按300 m井距計(jì)算，DS-021井采收半徑為150 m，煤層厚度約5 m，密度為1.35 g/cm3含氣量為16 m3/t，理論計(jì)算該井煤層吸附氣儲(chǔ)量為763×104m3，按采收率50%計(jì)算，DS-021井可采氣量約382×104m3。即使按飽含氣狀態(tài)，含氣量取30 m3/t，采收率按70%計(jì)算，DS-021井可采氣量不過1 001× 104m3。目前，DS-021井已累計(jì)產(chǎn)氣量710.18×104m3，日產(chǎn)氣10 281 m3，日產(chǎn)水0。氣井按照目前的趨勢(shì)生產(chǎn)，累計(jì)產(chǎn)氣量將遠(yuǎn)大于理論產(chǎn)氣量?？梢?，成莊區(qū)塊煤層富含游離氣，對(duì)煤層氣僅計(jì)算吸附氣儲(chǔ)量，將會(huì)造成儲(chǔ)量的嚴(yán)重低估。

1.3 煤層裂縫發(fā)育、物性好

成莊區(qū)塊煤巖實(shí)驗(yàn)分析資料表明，煤巖裂縫發(fā)育（圖3），達(dá)到35條/m2，滲透率較高，介于0.6～3.8 mD，而樊莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層滲透率一般小于0.3 mD。成莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層物性好、滲透率高有利于煤層氣的排采。

1.4 煤層含氣飽和度高

成莊區(qū)塊煤層含氣量并不很高，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值介于4～16 m3/t；產(chǎn)能較低的樊莊區(qū)塊煤層含氣量實(shí)驗(yàn)測(cè)量值平均為22 m3/t，遠(yuǎn)高于成莊區(qū)塊。初步分析認(rèn)為成莊區(qū)塊煤儲(chǔ)層富含游離氣，含氣飽和度高導(dǎo)致吸附氣含氣量偏低。成莊區(qū)塊巖心分析含氣飽和度一般大于90%。

圖3 成莊區(qū)塊3號(hào)煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征圖

1.5 蓋層厚度大，質(zhì)量高，保存條件好

成莊區(qū)塊煤層埋藏淺，埋深介于240～350 m；樊莊區(qū)塊煤層埋深409～750 m，平均為525 m。成莊區(qū)塊煤層埋藏不如樊莊煤層埋藏適中，但成莊區(qū)塊煤層頂板巖性以泥巖為主，厚度大（平均＞40 m），密閉性好。因而煤層氣具有較好的保存條件，這是成莊區(qū)塊煤層氣高產(chǎn)的重要地質(zhì)因素。

綜合研究表明，成莊區(qū)塊煤層氣高產(chǎn)的原因可歸納為3方面：①煤儲(chǔ)層孔隙度大，滲透率高，比樊莊區(qū)塊要好得多；②煤儲(chǔ)層富含游離氣；③煤儲(chǔ)層保存條件好。因此，煤儲(chǔ)層裂隙和節(jié)理的發(fā)育程度高只是高產(chǎn)的一個(gè)原因。另一原因是煤儲(chǔ)層富含游離氣。正常飽含吸附氣的煤儲(chǔ)層其生產(chǎn)能力只是一般產(chǎn)能井是因?yàn)槠浜坞x氣較低。高產(chǎn)的本質(zhì)是煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育程度高及含有豐富的游離氣。

因此，通過研究沁南成莊井區(qū)高產(chǎn)井的共性特征，認(rèn)為煤儲(chǔ)層物性參數(shù)孔隙度、滲透率的高低與煤儲(chǔ)層高產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性最好，是高產(chǎn)煤儲(chǔ)層的共性。其他因素如厚度、含氣量、煤組分、構(gòu)造位置、水動(dòng)力、斷層等僅在局部產(chǎn)生影響，沒有普遍性，不是煤層氣高產(chǎn)的共性。其次，煤儲(chǔ)層含有豐富的游離氣，也是煤儲(chǔ)層高產(chǎn)的另一共性。一般認(rèn)為，煤層氣盡管為吸附氣藏，但由于排烴時(shí)的壓差控制，即所謂的突破壓力，除了吸附氣排不出去外，仍有部分游離氣也排不出去。即：煤層排烴末期所產(chǎn)氣體除部分變?yōu)槲綒馔?，還有一部分游離氣與煤儲(chǔ)層共存。因此，煤儲(chǔ)層除吸附氣外一般都含有游離氣，只是高產(chǎn)井的煤儲(chǔ)層中的含游離氣量更高。

2 煤層氣高產(chǎn)成因及主控因素

2.1 煤層氣高產(chǎn)的成因

煤層氣藏作為源儲(chǔ)一體的非常規(guī)油氣藏的一部分——吸附氣氣藏，形成后的煤層氣藏在地下其吸附氣幾乎不存在運(yùn)移、再聚集等情況，后續(xù)條件的變化（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力等）對(duì)其影響是極其有限的。如斷層對(duì)煤層氣區(qū)塊的影響，沁水盆地南部區(qū)塊的排采證明，有影響的井是鉆遇的煤層正經(jīng)過斷層或離斷層非常近的井（50 m以內(nèi)），離斷層超過60 m布井，該井的產(chǎn)能已經(jīng)不受斷層影響了。再如后續(xù)構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致煤儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫，盡管改善了煤儲(chǔ)層物性。由于煤儲(chǔ)層物性變好之后，導(dǎo)致部分吸附氣解析為游離氣，如果煤層保存條件不好，則有散失的可能。即使煤層保存條件好，但當(dāng)時(shí)煤層已不再排烴生氣，氣的總量沒有增加，因而對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)量的增加也有限?？梢哉f，構(gòu)造活動(dòng)對(duì)煤層氣區(qū)塊產(chǎn)能的影響是局部的、有限的。再如水動(dòng)力環(huán)境對(duì)煤層氣區(qū)塊產(chǎn)能的影響，由于煤儲(chǔ)層孔隙小，滲透性差，不是地下水流動(dòng)的通道。因而地下水活動(dòng)本身對(duì)煤儲(chǔ)層含氣量是沒什么影響的，但它可通過上下頂?shù)装宓纳皫r對(duì)煤儲(chǔ)層的含氣量造成影響。由于上下頂?shù)装宓纳皫r是沉積形成的，它在煤層氣成藏的時(shí)候就對(duì)煤層氣造成不利的的后果了（導(dǎo)致煤儲(chǔ)層含氣量低，儲(chǔ)層物性差），后續(xù)的水動(dòng)力環(huán)境只不過是保持這種狀態(tài)，它運(yùn)走吸附氣的能力很小。其他如陷落柱、煤層結(jié)構(gòu)等對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響也是局部因素。因此，后續(xù)構(gòu)造活動(dòng)等的變化對(duì)已形成煤層氣藏的煤儲(chǔ)層產(chǎn)量的影響較小，不是煤儲(chǔ)層高、低產(chǎn)的主要原因。

綜上所述，煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊是先天形成的。即煤層氣藏形成時(shí)就決定了各區(qū)塊產(chǎn)能的大小。煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊的成因是沉積環(huán)境所決定的，是沉積控氣，其他構(gòu)造、水動(dòng)力等的變化只是產(chǎn)生局部影響。

2.2 煤層氣高產(chǎn)的成藏主控因素

從煤儲(chǔ)層產(chǎn)能影響因素看，煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊是沉積環(huán)境所決定的，屬于先天成因，后續(xù)構(gòu)造活動(dòng)等的變化對(duì)其影響較小。因此，可從煤層氣的成藏過程分析其高產(chǎn)主控因素。油氣的成藏包括6個(gè)方面：生、儲(chǔ)、蓋、圈、運(yùn)、保。煤層氣的成藏過程相對(duì)簡(jiǎn)單，由于煤層氣源儲(chǔ)一體，所以儲(chǔ)、圈、運(yùn)等過程可以不考慮，只考慮生、蓋、保就行，其中蓋層和保存條件對(duì)煤儲(chǔ)層來說是同一個(gè)問題。因此，研究煤層氣的成藏過程只需要研究“生和?！?。“生”不僅指煤巖作為烴源巖的生烴能力，還包括煤巖生烴時(shí)期的具體過程?！氨！辈粌H指煤巖的封蓋以及后續(xù)保存條件，還包括煤巖生烴時(shí)的封堵條件。

姚艷斌等對(duì)煤儲(chǔ)層物性以及沉積環(huán)境的研究表明[15，18-23]，沁南區(qū)塊煤儲(chǔ)層裂隙較發(fā)育的主要原因是當(dāng)煤層排烴（產(chǎn)氣）時(shí)，由于煤層上下封堵條件好，所產(chǎn)氣排不出去或排出困難時(shí)，烴類氣體的瞬間積聚形成高壓流體單元后突然破裂而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層形成微裂隙，并不取決于后續(xù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造以及應(yīng)力變化的控制。它充分說明，由于封堵條件好，使得煤儲(chǔ)層孔隙度變大，微裂隙發(fā)育，不僅煤儲(chǔ)層物性好，而且所產(chǎn)生的部分游離氣也排不出去，被封在煤儲(chǔ)層里。一般產(chǎn)能儲(chǔ)層由于煤層封堵效果差，所產(chǎn)烴類氣體不會(huì)有大量的瞬間積聚形成高壓而導(dǎo)致煤儲(chǔ)層形成微裂隙，只有形成少量微裂隙的條件。低產(chǎn)層的煤層封堵效果更差，煤儲(chǔ)層物性也差。

綜上表明，煤層氣高產(chǎn)成藏主控因素是煤層排烴（產(chǎn)氣）時(shí)期煤儲(chǔ)層的封堵條件。其他如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力環(huán)境變化等，都不是煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊形成的主控因素，只在局部對(duì)煤層氣產(chǎn)能產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

1）沁南氣田成莊區(qū)塊煤層氣藏既含有吸附氣，也富含游離氣。單井生產(chǎn)能力大小取決于煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育程度及其游離氣含量多少。

2）煤層氣高產(chǎn)的形成決定于先天的地質(zhì)條件，后續(xù)條件的變化（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水動(dòng)力等）對(duì)其影響較小，屬于沉積控氣。

3）煤層排烴時(shí)期的煤儲(chǔ)層的封堵條件是形成煤層氣高產(chǎn)的主控因素。煤層封堵條件好，煤層排烴所產(chǎn)氣排出困難，瞬間積聚形成高壓流體單元，致使煤層破裂形成微裂隙，改善了煤儲(chǔ)層物性，同時(shí)富含游離氣，表現(xiàn)出區(qū)塊（井）產(chǎn)氣量高。

4）煤氣層主控因素形成機(jī)理適用于其他源儲(chǔ)一體的致密油氣藏，對(duì)致密油氣藏“甜點(diǎn)區(qū)”的選區(qū)評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。

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（修改回稿日期 2016-07-07 編輯 陳古明）

國(guó)家重大油氣專項(xiàng)“煤系地層游離氣富集規(guī)律與分布研究”（編號(hào)：2011ZX05033－04）。

楊克兵,1967年生，高級(jí)工程師；主要從事測(cè)井及油氣地質(zhì)綜合研究工作。地址：（062552）河北省任丘市華北石油研究院海外中心勘探室。電話：15832700826。E-mail:yjy_yangkeb@petrochina.com.cn