李曙光，王成旺，王紅娜，王玉斌，徐鳳銀，郭智棟，劉新偉

(1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710082；4.中油油氣勘探軟件國家工程研究中心有限公司，北京 100080)

我國淺層中高階煤煤層氣產(chǎn)業(yè)初見規(guī)模，已建成了沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩大產(chǎn)業(yè)基地。深層煤層氣則是我國下一步煤層氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域[1-3]。根據(jù)自然資源部最新一輪全國油氣資源評價成果，全國埋深1 500～2000 m 煤層氣資源為11.93×1012m3，占總量的32.4%，2 000 m 以深煤層氣資源尚未開展系統(tǒng)評價。國內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)多集中在中淺層，隨著勘探開發(fā)的不斷深入，可供規(guī)模效益開發(fā)的區(qū)塊越來越少[4-6]。2019 年前，業(yè)界在新疆白家海、山西臨興、陜西榆林等區(qū)塊的埋深大于2000 m 的深層煤層氣試采，但采用常規(guī)煤層/致密氣儲層壓裂工藝，均未取得突破。

鄂爾多斯盆地蘊藏著豐富的石油、煤和天然氣資源，在“減煤、穩(wěn)油、增氣”的碳達(dá)峰碳中和時代，開展深層煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)具有重要的戰(zhàn)略意義。中石油煤層氣有限責(zé)任公司從2019 年以來，經(jīng)過近3 年技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場試驗，在埋深大于2000 m 的深層煤層氣勘探獲得重大突破，累計探明地質(zhì)儲量1 121 億m3，成為國內(nèi)首個千億方級別深層煤層氣田，試采井產(chǎn)氣量差異較大，直井日產(chǎn)量1 000～5 000 m3均有，壓裂返排階段點火可燃，投產(chǎn)就見套壓，與淺層煤層氣差異大，富含游離氣但深層煤層氣成藏特征尚不明確，勘探開發(fā)有利區(qū)評價指標(biāo)及方法尚未見到相關(guān)的文獻(xiàn)報道，而有利區(qū)的評價是下一步效益勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。據(jù)此，筆者重點探討大寧–吉縣區(qū)塊埋深大于2 000 m 的深層煤層氣成藏特征及有利區(qū)優(yōu)選，以期為該區(qū)勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 煤儲層基本地質(zhì)及排采特征

大寧–吉縣區(qū)塊位于山西省境內(nèi)，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東南緣晉西撓褶帶南段，北鄰永和，南接鄉(xiāng)寧，東至呂梁山脈，西鄰黃河，整體構(gòu)造特征為走向NNE、向NW 緩傾的單斜構(gòu)造[7-8](圖1)。太原組8 號煤層，傾角0.34°～0.46°，高程?920～?1 320 m，斷層不發(fā)育，埋深800～2 800 m(圖2)。

圖1 研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖Fig.1 Location and stratigraphic column of the study area

圖2 Inline 237 地震剖面Fig.2 Inline 237 seismic profile

太原組8 號煤層平均厚度7.8 m，以亮煤和半暗煤為主。鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)62.02%，惰質(zhì)組19.41%，礦物質(zhì)18.57%，鏡質(zhì)體隨機反射率Rran平均2.47%。8 號煤層滲透率多介于(0.053～0.054)×10?3μm2。深層煤層含氣量20～35 m3/t，中淺層約為12 m3/t；深層煤儲層壓力平均20 MPa(表1)。由表1 可知，區(qū)塊埋深大于2 000 m 的深層與埋深小于1 500 m 的中淺層相比，深層煤儲層具有“煤層厚度較大、含氣量高、割理裂隙發(fā)育、原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育”等有利開發(fā)條件。同時存在“埋藏深度大、基質(zhì)滲透率低”不利條件。盡管滲透率較低，但壓裂改造后單井日產(chǎn)氣量增幅明顯。

表1 吉縣中淺層與深層煤儲層特征對比Table 1 Comparison of middle-shallow and deep coal reservoirs in Jixian

研究區(qū)內(nèi)目前共試采了10 余口井，通過生產(chǎn)分析具有以下生產(chǎn)特征：(1) 壓后放噴點火可燃，火焰高度可達(dá)8～9 m，投產(chǎn)后部分井開井就有套壓，日產(chǎn)氣量上升快，平均54 d 日產(chǎn)氣量可達(dá)到1 500 m3以上，東部中淺層煤層氣平均見套壓時間為9 個月；(2) 臨界解吸壓力高、臨儲比高，深淺層差異大深層煤層氣井臨界解吸壓力平均18.91 MPa，臨儲比0.93～1；東部淺層臨界解吸壓力7.5 MPa，臨儲比0.7；(3) 日產(chǎn)水量普遍偏小，產(chǎn)水量3～13 m3/d，普遍小于3 m3/d；(4) 部分水平井可自噴生產(chǎn)，JS-01 井，水平段長度1 000 m，壓裂11 段，總共用液30 857 m3，總加砂量3 823 m3，目前光套管自噴生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量9.5 萬m3，套壓4.5 MPa，為國內(nèi)深層煤層氣單井日產(chǎn)氣量最高井。

2 深層煤層氣成藏賦存特征

2.1 生烴潛力

結(jié)合前人埋藏史及熱演化史研究方法[9-13]，采用petroMod2012 軟件，恢復(fù)了大寧–吉縣區(qū)塊埋藏史、熱演化史(圖3)。大吉區(qū)塊太原組8 號煤在地質(zhì)歷史時期鄂爾多斯盆地東緣共有兩個成藏期，第一期成藏時間為早侏羅世?中侏羅世，煤巖進(jìn)入早成熟期并開始生烴；第二期成藏時間為晚侏羅世?早白堊世，在燕山運動中期異常古地?zé)釄鲎饔孟?，煤的熱演化速度加快，地層溫度達(dá)到120～140℃，生成大量煤層氣，是區(qū)塊煤層氣形成的關(guān)鍵時期，是主要生氣期。

圖3 研究區(qū)8 號煤埋藏史及吸附史Fig.3 Burial history and adsorption history of No.8 coal in the study area

在馬行陟等[11]2014 年建立的煤儲層吸附能力演化歷史定量恢復(fù)的基礎(chǔ)上，通過修正參數(shù)建立了本區(qū)的吸附演化模型：

式中：V為壓力p時煤層氣吸附量，m3/t；p為不同地質(zhì)歷史時期地層壓力，為鏡質(zhì)體隨機反射率；t*=t/℃，t為地層溫度，℃。

根據(jù)地質(zhì)演化各階段的地質(zhì)特征和建立的吸附演化模型，恢復(fù)了大寧–吉區(qū)塊吸附演化史(圖3)。研究區(qū)晚石炭世?早二疊世末期為主要成煤階段，煤儲層熱演化程度低，生烴量小，且地層溫度高，不利于煤層氣吸附，吸附量小。晚三疊世?早白堊世，煤層從生烴門限演化為高成熟階段，生成大量煤層氣，但是受溫度影響，吸附量依然比較低，推測主要以游離態(tài)賦存。從晚白堊世到新近紀(jì)，構(gòu)造抬升，煤層埋深變淺、壓力降低，溫壓達(dá)到煤層氣臨界吸附狀態(tài)，煤層氣逐步達(dá)到吸附飽和，游離氣賦存于微孔及裂隙中(圖3)。

2.2 儲存條件

宏觀煤巖描述及掃描電鏡表明(圖4)，研究區(qū)煤巖的裂隙類型主要為張性裂隙、剪性裂隙，其中張性裂隙寬度為5～10 μm；剪性裂隙寬度較小，約0.5 μm；原生裂隙寬度約為10 μm，部分被充填，充填物主要由碳酸鹽巖礦物填充組成。

圖4 煤層孔裂隙發(fā)育掃描電鏡圖Fig.4 SEM images showing pore and fracture development in coal

不同成因的孔隙特征是反映煤層氣富集、擴散的直接體現(xiàn)，研究區(qū)煤樣在掃描電鏡觀察下能夠發(fā)現(xiàn)到組織孔、胞腔孔、氣孔、晶間孔和溶蝕孔的發(fā)育。組織孔孔徑大小為100～200 nm，部分組織孔被2 μm 的裂隙連通；胞腔孔均勻分布，部分被黏土礦物填充；鏡下可以觀察到氣孔密集分布，呈圓形，能夠形成直徑200 nm 左右的氣孔窩；晶間孔是在煤中保存完整的礦物質(zhì)晶體間發(fā)育；溶蝕孔，大小和形態(tài)各異，彼此連通性較差。納米級的無機孔與有機孔廣泛發(fā)育，部分被碳酸鹽巖礦物填充。

通過核磁及壓汞表明，深層煤儲層具有“微孔、小孔”發(fā)育的特點(圖5)，核磁孔隙率一般在6%～10%，孔隙連通性差，50%以上為孤立的孔隙，具備游離氣賦存的微觀儲層條件。

圖5 Dj20 壓汞孔隙分布頻率Fig.5 Distribution frequency of mercury injection pores in well Dj20

2.3 頂?shù)装宸馍w能力

深層煤層頂板為灰?guī)r，底板以暗色泥巖為主，頂?shù)装宸馍w能力好，有利于游離氣保存。頂?shù)装褰M合類型主要有灰?guī)r?煤層?泥巖、灰?guī)r?煤層?泥巖?煤層?泥巖2 種組合類型，緊鄰頂板的灰?guī)r厚度2～7 m，全區(qū)分布穩(wěn)定。區(qū)塊北部由于8 號煤層分叉，8-1 號煤層薄，8-2 號煤層距離頂板灰?guī)r較遠(yuǎn)，一般0.5～2 m，直接底板泥巖發(fā)育，厚度主要集中在2～14 m，部分區(qū)域底板為砂巖(圖6)。

圖6 煤層及頂?shù)装褰M合類型Fig.6 Combination type of coal seam and roof and floor

區(qū)塊水動力條件弱，試采井日產(chǎn)水量3～13 m3，普遍小于3 m3。地層水總礦化度40 000～320 000 mg/L，礦化度大，主要以承壓水為主，水型為CaCl2，有利于煤層氣的保存(表2)。

表2 研究區(qū)地層水礦化度Table 2 Salinity of formation water in the study area

2.4 成藏賦存特征

深層煤層氣具有“廣覆式生烴、高含氣、低含水、高飽和、高壓束縛游離氣與吸附氣共存”的賦存特征。研究區(qū)深層煤儲層全區(qū)發(fā)育，分布連續(xù)穩(wěn)定，鏡質(zhì)體隨機反射率Rran高達(dá)2.5%～2.7%，當(dāng)Rran≤3%時，熱演化程度越高，吸附甲烷的生氣量及吸附量就越大，具有全區(qū)廣覆生烴條件。研究區(qū)張性裂隙、剪性裂隙、組織孔、胞腔孔、氣孔、晶間孔和溶蝕孔的發(fā)育，埋藏深度大，地層壓力高，在溫度65 ℃，地層壓力22 MPa 條件下，甲烷的密度為127.28 kg/m3，游離氣以高壓壓縮氣狀態(tài)賦存于微裂隙及微孔中，吸附氣主要在孔隙內(nèi)煤基質(zhì)表面吸附。通過實鉆取心含氣量測試可知：大寧–吉縣區(qū)塊深層煤層僅解吸氣量平均達(dá)25.8 m3/t、區(qū)塊淺層含氣量約為11.86 m3/t(表3)、韓城含氣量9.7～11.23 m3/t、保德2～11 m3/t、臨興地區(qū)平均11.7 m3/t，通過對比國內(nèi)各區(qū)塊含氣量表明，深層煤層具有高含氣特征。通過等溫吸附測試表明，深層煤層含氣飽和度87%～100%，中淺層為49.41%～82.5%，深層煤層氣具備高飽和吸附特征。

表3 大寧?吉縣區(qū)塊深層與淺層煤含氣量、含氣飽和度對比Table 3 Comparison of deep and shallow coal gas content and gas saturation in Daning-Jixian Block

深層煤儲層富含游離氣，有以下5 個方面的證據(jù)：(1) 研究區(qū)試采井壓后放噴點火可燃，火焰高度可達(dá)8～9 m，與致密氣、頁巖氣壓后放噴特征相似，淺層煤層氣壓后沒有此特征。(2) 生產(chǎn)特征也表明深層煤儲層富含游離氣：投產(chǎn)后超過80%的井開井就有套壓，日產(chǎn)氣量上升快，平均54 d 日產(chǎn)氣量可達(dá)到1 500 m3以上。部分井可自噴生產(chǎn)，DJ17-1 井采用連續(xù)油管自攜液生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量可達(dá)8 000 m3，JS-01 光套管自噴生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量9.5 萬m3；直井生產(chǎn)3～4 個月，累產(chǎn)氣達(dá)到30～50 萬m3時，產(chǎn)氣量陡降至一定水平后穩(wěn)定生產(chǎn)，如DJ-9 井生產(chǎn)最高日產(chǎn)氣量達(dá)到6 900 m3、累產(chǎn)氣達(dá)到35.6 萬m3后，日產(chǎn)氣量快速下降至4 500 m3穩(wěn)定生產(chǎn)(圖7)。(3) 保壓取心測試結(jié)果表明游離氣含量達(dá)到10%～30%，DJ-P20 井 8 號煤保壓取心測試表明，甲烷碳同位素變輕，與純吸附氣的變化趨勢相反；與游離吸附共產(chǎn)的頁巖氣同位素波動變化類似[14-16]，8 號煤為?30.7‰～?33.1‰,平均?32.6‰。游離氣輕，放氣早期游離氣先排出，甲烷同位素總體呈現(xiàn)變輕趨勢(圖8)。(4) DJ22-1V 井8 號煤樣品實測解吸氣量接近飽和吸附量，采用USBM 方法結(jié)算結(jié)果證實游離氣占比22%～34%，DJ22-1V 井常規(guī)鉆桿取心，提鉆桿時間長達(dá)6 h 以上，該井8-5 樣品深度2 137.61 m，實測解吸氣量(Q2)高達(dá)23.5 m3/t；60℃實測等溫吸附曲線計算飽和吸附量為25.16 m3/t；損失6 個小時以上，沒有游離氣不足以支撐高解吸氣量(圖9)。(5) 通過核磁測試表明孔隙中游離氣含氣飽和度達(dá)到31.5%～59.98%(表4)。

表4 大寧?吉縣區(qū)塊煤巖柱樣核磁共振測試結(jié)果Table 4 Nuclear magnetic resonance test results of coal and rock cores

圖7 DJ-9 排采曲線Fig.7 DJ-9 drainage production curves

圖8 DJ-P20 井8 號煤碳同位素變化曲線Fig.8 Carbon isotope variation curve of No.8 coal in well DJ-P20

圖9 DJ22-1V 井等溫吸附曲線Fig.9 Isothermal adsorption curves from well DJ22-1V

3 開發(fā)有利區(qū)綜合評價

建立埋深大于2 000 m 的深層煤儲層“地質(zhì)?工程”雙甜點評價體系，可有效解決深層煤層氣開發(fā)有利區(qū)評價及優(yōu)選的難題。在常規(guī)煤層氣甜點評價指標(biāo)“煤巖宏觀組分、煤層厚度、構(gòu)造特征、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)、含氣量、資源豐度”基礎(chǔ)上[17-20]，將氣測峰值、錄井顯示引入作為地質(zhì)甜點評價指標(biāo)，引入頂?shù)装鍘r性煤層與頂?shù)装甯魧討?yīng)力差、頂?shù)装宕嘈灾笖?shù)、可行性、可改造性等6 項工程甜點指標(biāo)，建立了“地質(zhì)–工程”甜點區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表5)，為深層煤層氣先導(dǎo)試驗區(qū)的優(yōu)選提供技術(shù)支撐。

表5 深層煤層氣“地質(zhì)?工程”甜點區(qū)劃分指標(biāo)Table 5 Classification index of deep CBM “geological-engineering” sweet spots

對研究區(qū)內(nèi)各井進(jìn)行動靜態(tài)數(shù)據(jù)處理和分析的基礎(chǔ)上，基于表5“地質(zhì)–工程”甜點區(qū)劃分指標(biāo)，編繪了大寧–吉縣區(qū)塊“地質(zhì)–工程”甜點區(qū)分布圖，如圖10所示。由圖中可知，地質(zhì)–工程Ⅰ類甜點區(qū)位于研究區(qū)的西北部，地質(zhì)Ⅱ類工程Ⅱ類甜點區(qū)位于研究的中部，地質(zhì)Ⅱ類工程Ⅰ類甜點區(qū)位于研究區(qū)的東北部和南部。

圖10 大寧?吉縣區(qū)塊“地質(zhì)–工程”甜點區(qū)分布Fig.10 Distribution of geological-engineering sweep spots in Daning-Jixian Block

其中，JS-01 井是地質(zhì)?工程Ⅰ類甜點區(qū)內(nèi)以8 號煤為目的層的水平井，垂深2 200 m，完鉆井深3 601 m，水平段1 045 m，煤層鉆遇率90.72%。優(yōu)選11 級33 簇實施大規(guī)模體積壓裂，入井總液量3.1 萬m3，砂量3 820 m3，平均單級用液量2 818 m3，平均單級加砂量346 m3，最高單級加砂量421 m3。JS-01 井在排液階段，火焰高7～8 m，12 月4 日光套管生產(chǎn)，呈現(xiàn)出高產(chǎn)氣量(日產(chǎn)氣量9.4×103～9.7×103m3)、高套壓(4.5 MPa)、高攜液(日產(chǎn)液量216～230 m3)而且十分穩(wěn)定的良好生產(chǎn)態(tài)勢(圖11)。JS-01 井的高產(chǎn)，創(chuàng)造了國內(nèi)2 000 m 以深煤層氣產(chǎn)氣的最高紀(jì)錄，實現(xiàn)了我國深層煤層氣勘探的重大突破。

圖11 JS-01 排采曲線Fig.11 JS-01 drainage production curves

4 結(jié)論

a.大寧–吉縣區(qū)塊下二疊統(tǒng)太原組8 號煤宏觀煤巖成分以半亮煤和半暗煤為主，熱演化程度高，Rran平均2.47%，滲透率低，多介于(0.053～0.054)×10?3μm2，但含氣量較高，解吸氣量20～35 m3/t；具有“廣覆式生烴、高含氣、高飽和、高壓束縛游離氣與吸附氣共存”的賦存特征；煤層氣主要以高壓束縛游離氣與吸附氣共同賦存，前者主要以高壓壓縮氣狀態(tài)賦存在孔裂隙中。

b.建立了埋深大于2 000 m 的深層煤儲層“地質(zhì)–工程”雙甜點評價體系，包括煤層厚度、構(gòu)造、含氣量、氣測峰值、錄井顯示、頂?shù)装鍘r性、煤層與頂?shù)装甯魧討?yīng)力差、頂?shù)装宕嘈灾笖?shù)、可壓指數(shù)、頂板封蓋指數(shù)、可改造性等12 項指標(biāo)?；谒⒌摹暗刭|(zhì)–工程”雙甜點評價體系，劃分出研究區(qū)3 類工程?地質(zhì)甜點區(qū)，地質(zhì)–工程Ⅰ類甜點區(qū)位于研究區(qū)的西北部，地質(zhì)–工程Ⅱ類甜點區(qū)位于研究的中部，地質(zhì)Ⅱ類–工程Ⅰ類甜點區(qū)位于研究區(qū)的東北部和南部。該評價體系解決了深層煤層氣開發(fā)有利區(qū)評價及優(yōu)選難題，可有效指導(dǎo)深層煤層氣先導(dǎo)試驗區(qū)優(yōu)選。

c.下一步建議深化深層煤層氣成藏機理及富集規(guī)律研究，評價有利區(qū)內(nèi)“黃金”靶區(qū)，指導(dǎo)深層煤層氣高效開發(fā)。