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沁水盆地南部煤层气富集高产主控地质因素

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沁水 盆地 南部 煤层气 富集 高产 主控 地质 因素
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第35卷第6期2014年11月石 油 学 报5 2253—2697(2014)06—1070—10 0.7623/1406004沁水盆地南部煤层 售官 、.国 集高产主控地质因素孙粉锦1 王 勃1’2 李梦溪3 梁宏斌3(1中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊065007;2中国地质大学能源学院北京 100083;3.中国石油华北油田公司河北任丘062552)摘要:沁水盆地南部以高阶煤储层为主,煤层气勘探与开发资料丰富。利用这些数据资料,采用层次分析、构造解析及盆地分析等方法,分层次探讨了高阶煤层气富集、高产的主控因素及其控气作用机理。研究表明,构造调整、水动力分区及顶、底板岩性分布等控制着煤层气的富集。顶、底板泥岩发育区、水动力滞流区、弱径流区以及构造调整弱或末调整区控制煤层气富集,预测了沁源 安泽、沁南 夏店、马必 郑庄以及柿庄~潘庄4个煤层气富集区。渗透率、构造部位控制煤层气高产,富集区的局部构造高部位埋深较浅的原生高渗带、深部裂隙发育带煤层气易高产,预测了安泽、夏店南部、马必南部、郑庄南部、樊庄中北部和樊庄南部一潘庄6个煤层气高产区。关键词:煤层气;富集高产;构造;顶、底板;水动力中图分类号: 文献标识码:or of in 01'2 .65007,. 00083,.62552,in BM on we on BM in he oI of li—of BM in BM is in BM he BM is by n be as in in ix BM ey 至2013年底,沁水盆地共钻煤层气井8 000余口,累计探明储量3 800余亿立方米,年产量25X 108然取得了重大进展,但是存在煤层气探明率低、产能到位率低等问题。因此,需要开展煤层气富集高产的主控因素研究,以指导煤层气的高效勘探开发。前人对此进行了不断的探讨,取得了丰硕的研究成果。1。1 5I,指导并推动了沁水盆地煤层气的勘探开发进程。大量的生产实践表明,煤层气富集不一定高基金项目第一作者通信作者产,高产区一定是位于富集区,煤层气富集、高产是煤层气地质理论评价的两个不同阶段。笔者利用最新的勘探开发和研究成果,综合分析了沁水盆地煤层气富集、高产的主控因素,并预测了富集、高产区,以指导煤层气下步的勘探开发。1煤储层特征沁水盆地南部面积约1×104要含煤层系为太原组和山西组,目前煤层气开发主要目的层为山国家重大科技专项“大型油气田及煤层气开发”(201101101、201106)资助。孙粉锦,男,1967年9月生,1989年获浙江大学地质学专业学士学位,现任中国石油勘探开发研究院廊坊分院煤层气勘探开发研究所所长、高级工程师,从事煤层气勘探开发综合研究及管理工作。,男,1979年10月生,2003年获中国矿业大学学士学位,2为中国石油勘探开发研究院廊坊分院工程师。粉锦等:沁水盆地南部煤层气富集高产主控地质因素西组3#煤层。3#煤层以亮煤为主,镜煤次之,宏观上表现为半亮一光亮煤,微观上以镜质组为主。煤岩变质程度较高,普遍达到贫煤一无烟煤阶段,镜质组最大反射率(R。…。)主要介于2.o%~4.o%。研究区内煤岩显微裂隙、微孔和小孑孔和大孔发育差,孔隙类型呈双峰分布[1…。渗透率分布的非均质性较强,3#煤层试井渗透率差别比较显著,例如樊庄区块介于0.02~2.00均为0.49庄区块介于0.01~2.96 均0.1 12 庄区块最大渗透率为3.18小仅为0.02富集主控因素2.1沉积控气在前人研究¨7。2”一的基础上,通过对研究区大量的钻井、测井及煤层气井测试资料的对比分析,认为煤层展布和顶、底板岩性特征是影响煤层气富集的重要因素。煤层在空间上分布的稳定性及厚度直接影响着生成煤层气的物质基础,而煤层顶、底板岩性的封盖能力则控制着煤层气的保存条件。2.1.1 沉积作用对煤层展布的控制作用沁水盆地南部山西组沉积期发育三角洲沉积体系,主要包括三角洲平原分流河道间漫滩、分流间湾以及前缘河口坝3种沉积环境。其中,以分流间湾相分布最为广泛,且由于其水体深度适中,其上的泥炭沼泽发育较好,形成的煤储层厚度较大,结构简单,3#煤层厚度一般介于4~8 m;分流河道间漫滩沼泽主要分布于故县一安泽一线以西的地区,由于水体动荡或水体深度不利于泥炭沼泽的持续发育,所形成的煤层不稳定,3#煤层厚度一般小于5 m;三角洲前缘河口坝主要位于研究区东南部,分布范围较小,3#煤层厚度一般介于3~6m(图1)。2.1.2沉积体系对煤层顶、底板的控制作用3#煤层顶、底板整体以封盖能力强的泥岩为主,其次为砂质泥岩,砂岩只在部分地区零星分布。直接顶、底板泥岩最发育的马必北一郑庄区块、樊庄一潘庄区块以及沁南一夏店区块,整体以三角洲平原分流间湾环境为主,3#煤层含气量一般都大于15 m3/t,最高可达30 m3/t;位于沁水一带的马必南区块3#煤层底板中三角洲前缘河口坝砂岩比较发育,含气量较低,一般介于6~20m3/t;北部沁源区块以三角洲平原分流河道间漫滩环境为主,3#煤层顶板以砂质泥岩最为发育,分流河道砂岩零星分布,整体上封盖能力较好,煤层含气量一般介于8~22 m3/t(图2)。图1沁南地区山西组沉积环境与3#煤层厚度分布 #县 安泽 长子 沁水 马必 郑庄 固县 端氏镇匦圆圆堑亟匝囹匝翊塑圃圜亘囹三角溯平原分流 三角洲平原 三角洲平原分漉 l 三角洲平原t.-*●I ———10■P‘卜-—H P● 刊河道遵滩 分流问湾 缘河口坝I 前缘河口坝 分流同湾一般欹优势组合 次优势一比势组合 一般一不利组合 次优势一优势组合 优势组合苗: 苗: 葛: :百! :苗:口 口 嚣: U 匝泥宥砂岩 3#烽 3,1·l‘÷}图2沁南地区3#煤层顶、底板岩性及含气量分布 # 学 报 2014年第35卷2.2水动力控气地下水动力场是影响含气量分布的重要因素,滞流区或弱径流区富气,强径流区的含气量一般较低。同一系统的水动力分区内,低势区的含气量较高势区大,其原因为水动力的流动方向是从高势区流向低势区,高势区由于地下水交替活跃,水溶解作用易造成煤层气的散失,而在低势区由于水的承压作用,煤层气不易解吸[2…。煤层气井钻穿煤系地层后,地下水涌入井中,并继续上升到一定高度便稳定下来,此时的水位为测压水位,测压水位可以很好地反映出地下水的水动力状态[2 2’2 3|。初始动液面是煤层气井排采之前井口至稳定水位之间的高差,井口海拔与初始动液面之差即为该井位置煤系地层的测压水位。以樊庄区块为例,根据该区128口煤层气井的初始动液面和井口海拔数据计算了相应的测压水位,并在平面成图。根据水位在区域上由高到低的变化趋势并结合水离子成分的变化规律,划分出强径流区、弱径流区和滞流区3个水动力分区。从水动力分区与3#煤含气量的对应关系来看(图3),东部强径流区水位大于580 m,水的离子总毫克当量数较低,即地下水矿化度较低,主要离子成分为K+,含气量基本上小于10 t,含气饱和度小于50%;西部和南部的部分地区为滞流区,水位小于520m,水化学特征表现为总离子毫克当量数较高以及气量一般大于201t,局部在26 气饱和度大于80%;中部弱径流区分布范围较大,自东向西水位逐渐减小,水化学特征介于强径流区与滞流区之间,含气量自东向西呈逐渐增大的趋势,总体上大于18m3/t。团 口 圆 口 团水动力分区界限地下水流向 含气量等值线/t 1) 断层 测压水位等值线/化学及3#煤含气量综合评价 of #构造调整煤层气成藏以后(特别是在煤层经过生气高峰期后),盆地中绝大多数地区都经历了构造回返抬升演化阶段,现今煤层气富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化对煤层气保持和破坏的综合叠加结果囱]。在对樊庄区块构造精细解释的基础上,结合该区的煤层气成藏演化过程,对该区煤层气的富集构造模式进行了分类,分为原生型、调整型和改造型3种富集模式‘2“。万方数据第6期 孙粉锦等:沁水盆地南部煤层气富集高产主控地质因素构造调整强弱控制着煤层气的保存条件,构造调整越弱,气藏的保存条件越好,煤层受温压控制下的吸附能力越强,越利于煤层气的富集。原生型煤层气藏主要形成于燕山早期,在该区表现为4),以南部的层气成藏富集后期,气藏基本上没有被改造。如向近成于燕山早期。在其后地质历史时期中受寺头一后城腰走滑断裂带的保护,气藏基本上没有显著变化,主力煤层含气量较高,层实测含气量为20.08m3/t。(a)b)蒲池南背斜园 园 曰 口3#煤层底板等高线/m 3#煤层含气量/{m’t。。) 井位和井名 煤层气藏图4沁南地区樊庄区块原生型煤层气藏(据文献[25]修改) 驰5])调整型煤层气藏至少包括燕山期、喜马拉雅早期2期成藏。该气藏燕山期的成藏模式与原生型气藏相同,在喜马拉雅早期山期肛改造程度弱,继承了原生气藏的大部分成藏优势。煤层气藏的规模主要取决于新一轮构造变形叠加后气藏的规模。樊庄区块的固县北背斜及固县北背斜位于固县背斜南高点,喜马拉雅期受寺头左旋走滑断层的影响,在燕山期肛部走向调整为5),煤层气藏未遭受明显的破坏,主力煤层含气量高,3#煤层含气量总体上介于22~26m3/t,煤层气单井平均产气量约3000m3/d。(a)固县北背斜 团 田3#煤层底板等高线/m 3#煤层含气量/(m3.t“】(b)圆圈 口断层 地名 井位和井名 堞层气藏图5沁南地区樊庄区块调整型煤层气藏(据文献改)s .53)万方数据石 油 学 报 2014年第35卷由以上的分析可知,构造未调整或调整弱的原生型和调整型煤层气藏都是有利的煤层气藏富集模式,而煤层气成藏后期构造破坏严重的改造型煤层气藏则不利于煤层气的保存。樊庄区块中部的玉溪背斜以及东部的樊庄背斜为典型的改造型煤层气藏(图6),如玉溪背斜在喜马拉雅早期受寺头断层影响,燕山期整为断层切割影响,造成煤层气大量散失,3#煤层含气量小于14 m3/t,煤层气单井平均日产气量约几百立方米。a)五溪背钭 (h)樊庄背斜医盈医j[] 圈 口3#煤屋属扳等岛线/m 1#罐90’n,:f l 断崖 ”t.4’文献改) 25])2.4富集区预测根据前述煤层气富集主控因素分析,认为构造未调整或调整弱、地下水动力场滞流区弱径流区以及煤层顶、底板泥岩发育为有利的煤层气富集条件。以此为依据,结合几个重点开发区块的地质类比,并对沁水盆地南部进行综合分析,预测出沁源一安泽、沁南夏店、马必郑庄以及柿庄一潘庄4个煤层气富集区带(图7)。沁源安泽富集区,山西组沉积期发育三角洲平原分流河道间漫滩 分流间湾相,顶、底板岩性以泥岩和砂质泥岩为主;褶皱走向主体为部遭受喜马拉雅期NE 整体上仍保留了燕山期的构造形迹特征,为原生调整型构造模式;处于地下水动力场弱径流区,较有利于煤层气富集成藏。沁南一夏店富集区,山西组沉积期发育三角洲平原分流间湾相,顶、底板岩性为封盖性最好的泥岩;褶皱走向主要为近部为调整型构造模式;处于地下水动力场滞流区一弱径流区,有利于煤层气的富集成藏。马必一郑庄富集区,山西组沉积期为三角洲平原分流河道间漫滩一分流间湾相,顶、底板岩性以泥岩为主,局部为砂质泥岩;褶皱走向为燕山期基本未受后期构造运动的调整和改造,为原生型构造模式;处于地下水动力场滞流图7沁水盆地南部3#煤煤层气富集区带预测 of #in 粉锦等:沁水盆地南部煤层气富集高产主控地质因素区,有利于煤层气的保存。柿庄一潘庄富集区,山西组沉积期主要为三角洲平原分流河道间漫滩一分流间湾相,南部地区还发育三角洲前缘河口坝相,顶板岩性为泥岩和砂质泥岩,底板以泥岩为主;褶皱走向以部受喜马拉雅期构造运动的影响调整为原生一调整型构造模式;为地下水弱径流一滞流区,有利于煤层气的保存。3高产主控因素3.1渗透率的影响渗透率是影响煤层气可采性及煤层气井产量的关键因素之一,埋深通过对地应力的影响控制着煤储层渗透率的大小。26。煤层是一种典型的双重介质、双孔隙度的储层,由于煤层本身塑性较强,地应力增大使煤体被压缩,导致基质压缩、基质渗透率降低;而裂隙孔隙度则是决定煤层渗透性的关键因素,在地应力作用下,当煤储层主要裂隙的割理面法向力为压应力时,裂隙被压缩变形,壁距减小甚至封闭,会导致煤层渗透性变差。3.1.1 浅部低地应力区易高产浅部地区由于地应力作用较弱,处于伸张带,煤层渗透率较高一!“!“。对沁水盆地南部不同区块主力煤层试井渗透率与煤层埋深的统计分析发现,煤层渗透率具有随埋深增大而递减的趋势,并根据渗透率大小划分出高渗、中渗、低渗及致密4个带(图8)。得透串/m【}图8沁南地区煤储层渗透率与埋深关系 透率大于1 时也为高产井分布区,煤层气井单井产气量大于3 000m3/d。中渗带一般位于煤层埋深450~800透率介于0.1~l 井产气量大于2 000 m3/d。通过高渗带与中渗带的对比分析,发现煤层埋深450 此可把450 450渗带分布范围较广,一般位于埋深大于600透率介于0.()1~(J.1 单井产气量小于2000m3/d。以樊庄一潘庄地区3#煤层为例,单井产量大于2000 m3/部潘庄区块3#煤层埋深小于450 m,为煤储层原生高渗带及中渗带分布区,单井产量大于2000m3/d;中北部樊庄区块3#煤层埋深大于500m,为煤储层中渗带及低渗带分布区,与潘庄区块相比单井产气量明显偏低,总体上介于1 000~2 000m3/d(图9)。田[][][] 囵地、。i 曝}l 1#踺埋谦/… n】’d。)图9樊庄一潘庄地区3#煤层埋深与产气量关系 #.2 深部煤层裂隙发育带易高产虽然在一般情况下,随着埋深增加,受地应力增大的影响,煤层渗透率减小,但并不意味着深部的煤层气就无法开采,因为深部的煤储层裂隙发育带有利于渗万方数据石 油 学 报 2014年第35卷透率的改善,煤层气井同样可获得高产。因此,寻找煤储层的裂隙发育带对深部煤层气的开发具有十分重要的意义。利用测井技术可以方便高效地识别出煤储层的裂隙发育特征,在井径(井曲线上表现为井径扩大,在双侧向视电阻率曲线上表现为深、浅侧向电阻率值高(大于8 000Q·m),正幅度差值大。深、浅侧向电阻率值越高,正幅度差越大,表明煤层裂隙厚度越大,煤层气井易高产。郑庄区块郑试60井3#煤层埋深约1 300m,其深侧向电阻率值(达25 190 Q·幅度差值为2921 Q·m(图10),相应的煤层裂隙厚度为4.2m,有效地改造了煤层的渗透率,单井产气量达到2 000 m3/d。郑试64井3#煤层埋深约1 200深侧向电阻率值(5 202Q·幅度差值为1 200Q·m(图11),相应的煤层裂隙厚度仅为1.75 利于煤层渗透率的改善,单井产气量也只达到100 m3/d。自然伽马/ 浅侧向/o——28 度/m 岩性剖面 深侧向/(n.m)10 1800 280001 330—、一一一‘1 340、、——图0 An 早昌:咖扩{80浅侧向/(n m)深度/m 岩性剖面 0——5 000深侧向/(n·m)0 5000l 240一声l 250一月份图12樊庄区块构造高部位采气曲线2 of 井井—._井固8同131—3井+浦南1—3井、华尧15粉锦等:沁水盆地南部煤层气富集高产主控地质因素的井、井和井,位于构造低部位,产气量都小于10000m3/d(表1)。表1樊庄区块樊4井组多分支水平井产气特征 .2 富集区的上斜坡高产条件优越上斜坡是盆地受构造挤压或地壳不均匀抬升作用的结果,因其构造应力相对集中,构造变形相对明显而区别于盆地向斜轴部区域。以潘庄区块为例,该区块整体上为一个西倾的单斜构造,发育次级褶皱构造,断层极少,煤层埋深较浅,多在600 体埋深260~320 m(图13),且位于低地应力分布区,煤渗透率介于1.6~3.6此煤层气高产特征明显,多分支水平井单井产气(2.0~10)×104m3/d(定向羽状水平井煤层进尺4 919 m,单井产气10x 104m3/d)。0:::中石炭统一下二叠统太原组,:文献13 83 33.3高产区分布在地应力(埋深)、煤储层裂隙发育及局部构造等煤层气高产主控因素分析及前期富集区优选的基础上,依据重点开发区块的地质条件类比,预测了安泽、夏店南部、马必南部、郑庄南部、樊庄中北部和樊庄南部一潘庄6个煤层气富集高产区(图14)。安泽高产区构造位置处于深介于600~800 m,虽然属于中一高地应力分布区,但由于其构造位置有利且煤储层割理裂隙较为发育,可视作潜在的煤层气高产区。夏店南部高产区的构造形态为一个深总体介于600~800 m,同样属于中一高地应力分布区,但由于断层非常发育,导致煤储层中断层派生的构造裂隙也非常发育,有利于煤层渗透性的改善,煤层气易高产。马必南部高产区位于于局部宽缓的构造高部位,埋深400~800m,原生割理较发育,试井渗透率最高可达1.1 庄南部高产区同样位于深400~800 m,由于靠近后城腰断层和寺头断层,煤储层中构造裂隙发育,渗透性较好。樊庄中北部和樊庄南部一潘庄2个高产区埋深小于600m,地应力较低,属于中一高渗煤储层分布区。田园1博埋舄。鼠口县、镇3群煤露头断层 富集区高产区摊/n, ’1200800一l 000 000~1 200图14沁水盆地南部3#煤煤层气富集高产区预测4 BM in 方数据1078 石 油 学 报 21)14年第35卷4结 论沉积作用控制着煤层展布和顶、底板岩性特征,其中三角洲平原分流问湾环境发育的煤层厚度大、分布稳定,且顶、底板为封盖性好的泥岩,最利于煤层气的富集。地下水动力场是影响煤层含气量分布的重要因素,滞流区和弱径流区富气,而补给区和强径流区煤层气易散失。构造调整强弱控制着煤层气的保存条件,构造调整越弱,气藏的保存条件越好,煤层受温压控制下的吸附能力越强,越利于煤层气的富集。在对沁水盆地南部沉积、水动力和构造条件综合分析的基础上,预测出沁南 夏店、马必 郑庄、柿庄 潘庄以及沁源 安泽4个煤层气富集区带。煤层气富集和煤储层渗透率是影响煤层气高产的2个重要因素,3#煤层埋深小于450煤储层原生高渗带,而深部的裂隙发育带也有利于煤储层渗透率的改善。局部宽缓的构造高部位以及上斜坡等地带在煤层气富集和高渗条件的良好配置下利于煤层气高产。在对研究区富集、高渗及局部构造条件综合分析的基础上,预测了安泽、马必南部、郑庄南部、樊庄南部潘庄、樊庄中北部和夏店南部6个煤层气富集高产区。[1][2][3]5]参 考 文 献饶孟余,钟建华.杨陆武,等.无烟煤煤层气成藏与产气机理研究 以沁水盆地无烟煤为例[J].石油学报,20(14,25(4):23 28.。et in ].004,25(4):23—28.秦勇,申建,王宝文,等.深部煤层气成藏效应及其耦合关系[J].石油学报,201 2,33(1):48 54.et of ].e—01 2,33(1):48—54.孑庆波,孙粉锦,等.煤层气高产富集规律及开采特征研究新进展[J].天然气地球科学,2()1 1,22(4):738 746.e@n,et ew .].01 1,22(4):738 746.李五忠,陈刚,孙斌,等.大宁吉县地区煤层气成藏条件及富集规律[J].天然气地球科学,201 1,22(2):352 360.in,et ].01 1,22(2):352 360.王红岩,李景明.中国高变质无烟煤煤层气成藏特征及优势[J].天然气,2005.I(1):6I 64.A ][7][8][9][1()][1I][121[13][1 4][I 5]].005.1(1):61—64.桂宝林.六盘水地区煤层气地质特征及富集高产控制因素[J].石油学报,1 999,20(3):3of . 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