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圣胡安和粉河盆地煤层气系统

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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1圣胡安、粉河盆地煤层气系统、资源量、产能及实例分析Walter B. Ayers Jr杨晓宁翻译摘要自 1930 年以来,阿巴拉契亚盆地的煤层气就已经具有商业产能,而圣胡安(San Juan)盆地在 1950 以来也具有商业产能。然而,具有巨大 经济意义的煤层气资源被认识是在上世纪七十年代到八十年代早期,当时美国国家矿产局、美国能源部、美国天然气研究院共同合作钻探了一批直井,证明了煤层气的商业产能。上世纪八十年代后期到九十年代早期,得益于特殊的燃油课税扣除政策,煤层气的勘探和开发拓展开来。到 2000 年煤层气占美国天然气总储量的 8.8%(15.7 万亿立方英尺),并且占年度 产气量的 9.2%(1.38 万亿立方英尺)。从 1989 年—2000 年,美国累计产煤层 气 9.63 万亿立方英尺。今天,煤 层气开发已经在全美国的 12 个盆地展开,并且,全世界范围都开展了煤层 气勘探工作。煤层气具有自生自储的性质,从成因上来说,包含有热成因、运移 热成因、生物成因和混合成因类型。煤层气首先是以吸附状态储存在煤基质的微孔隙中的,其次是以自由状态储存在微孔隙和裂缝中,或者溶解在水中。控制煤 层气资源量和产能的关键因素是;热成熟度、煤素质成份、气的含量、煤 层厚度、裂缝密度、地层压力、渗透性、埋藏史、水文环境等。在美国和世界其他地区的煤层气田,这些参数的变化非常大。在 2000 年,圣胡安(San Juan)盆地占美国煤层气产量的 80%以上,这个盆地蕴含有巨大的煤层气资源量。Fruitland 富集区已经产 煤层气大于 7 万亿立方英尺。这里展示 Fruitland 煤 层气系统和它的关键要素与粉河盆地( Power River 2basin)Fort Union 煤层气资源对比。Fort Union 煤层气资源是在美国开发最快的煤层气资源之一,它的产量从 1997 年的 140 亿立方英尺逐步上升到 2000 年的1473 亿立方英尺,占当时美国煤层气产量的 10.7%。到 2001 年产气量达到 2447亿立方英尺。对比 Fruitland 和 Fort Union 两个区块含油气系统之间差异,较好的阐述了煤层气含气系统关键要素的对比。煤层气的勘探历史煤层气是一种快速达到成熟的能源,快速增加的经济效果和对未来美国能源供应的重要意义使得煤层气的勘探开发快速地在许多盆地中展开。本文的目的是:①简要回 顾煤层气生 产的历史;② 描述煤层 气系统的关键要素;③回顾Fruitland 和 Fort Union 地层的地质环境和两种不同 类型煤层气的开发实践过程;④总结 国际上煤 层气资源和勘探开 发活动及美国煤 层气生产、 储备和资源量。过去 70 年来,在美国东部地区已经有少量的煤层气商业生产(Price and Headlee,1943; Patchen 等, 1991),事 实上,根据预测和详细的描述,Price and Headlee 在 60 多年前的 1943 年就描述了煤层气在工业上的商业潜力。在美国西部的圣胡安盆地煤层气的生产开始于 40 年以前(Dugan and Williams,1988; Hale and Firth,1988; Harr,1988)。在东部和西部地区早期的煤层气勘探是在浅层的偶然性目标伴随着不成功的测试或者深部枯竭的地层。大多数煤层气井由于很少有储层改善或者没有增产措施其采收率和采气量都是很低的。在过去 20 多来,由于技术的进步和有利于天然气政策的颁布,美国的煤层气工业有力突飞猛进的发展:①美国国家矿务局采用了先 进的地下煤矿煤层气3脱气收集技术,预防矿井爆炸;②1970 年代 OPEC 石油禁运导致国家出台税收鼓励政策,激励开发非常规气资源;③美国能源部、天然气研究院及其他公共部门开展公共设施研究和技术开发;④操作公司进行调查 研究,尤其是阿莫科公司(现在是 BP Amoco)开展的有关研究和测试项目的成功,使得煤层气的勘探真正地始于 1970 年代的后期,阿莫科公司历史上的 Chan 1 号井于 1977 年钻探在圣胡安盆地。同年,由 USX 公司和美国矿产局钻探的一口垂直井煤层气脱气项目成功启动在黑勇士盆地的 Oak Grove 气田。到 1980 年代的中后期,煤层气的勘探在美国的数个州的盆地展开,并且在圣胡安盆地和黑勇士盆地开展了煤层气勘探和建立产能(Ayers et al,1991a;Pashin et al,1991)。早期的煤层甲烷气勘探模式强调煤层气热成因的重要性(即在圣胡安盆地和黑勇士盆地勘探期间)。然而,在后来的五年期间 ,由于粉河盆地 low-rankFort Union 煤层生物气的成功开发,导致了在石油体系框架内的煤层气的勘探开发的概念发生了改变。煤层气勘探方法得到的改善加上气价的提高,导致煤层气勘探在 1999 年开始复苏并获得了大量储量,到 2002 年,煤 层气的生 产井有 20000 多口井,分布在美国相连的许多州的多达十二个盆地中(见图 1),东部和中部大陆产气层位位于上石炭统地层,而西部地区的盆地产气层位为白垩系和下三叠统。4煤层气系统的定义含油气系统的描述(Magoon 和 Dow,1994)提供了一个规范评价商业油气集聚的方法。一个含油气系统是只包括一套有效的烃源岩和所有与油气相关的要素:涉及所有地质单元和从烃类生成到聚集直至到现在储存的整个过程。常规含油气系统的关键要素是源岩、储层和盖层,同等重要的是地质过程和在这些过程中作用在岩石上的时间周期。这些过程包括烃类的生成、运移(包括运移通道的形成)、圈闭形成和烃类聚集。煤层气系统的源岩、气成因、运移路径、贮存和圈闭机制不同于常规含油气系统。烃源岩和运移大多数煤层气具有自源储层(自生自储),然而,煤层气层既包括自源气也有运移气或者是生物气、混合气(D.D.Rice, 1993;Scott et al,1995a,b)。在煤 层中的气是自源气的情况下,运移气是不能出现的。然而,其它情况下煤 层圈闭的气(吸附气)可以是运移来自于别的气源岩,或者是在煤 层夹水层界面附近的煤层可以吸附微生物产生的气(次生生物气)。热成因煤层气的化学组分和煤层气的量取决于煤质素的组分、热成熟度、灰5质含量和盖层的完整性。术语;煤层甲烷气的使用已经被大家所接受,在很多地区它适当地描述了煤层气的组分,这里气体中甲烷的组分含量要大于 98%。然而,其它地区煤层气中含有具有重要意义的较重的烃类组分(主要是乙烷气),二氧化碳、或者是氮气;因此,更适合使用“煤层气” 这个一般的术语(Scott,1993)。由于煤层气可以含有自源热成因、运移热成因或者生物气,可以使用一种更复杂的事件图来确定关键要素(Magoon and Dow,1994)(见图 1 和 5)。在煤层气系统中, 还有其它另外的常 见事件,例如上部地层 的被剥失和地层温度的冷却导致储层含气不饱和,从而 导致烃类系统产生生物气及生物降解气维持流体压力的演化。气的储存和储层性质尽管,一些煤层气是以可动气体储藏在天然裂缝中、夹层中或者以溶解气储藏在夹层和孔隙水中,但大多数煤层气是吸附在煤层基质有机质的表面上。影响煤层对气的储存能力的因素有热成熟度(煤阶)、湿度(水份)、气体的化学组分和压力。煤 层储层具有常压或者非常压状态,在常 压下生 产煤层气(小于 1200 米)煤层储层可以比典型砂岩储层储存更多的吸附气,这些气可以储存在原始孔隙中,饱含气煤的产气量高于原始产气量。 对于原始气没有达到饱和的煤层气的解吸附生产,生产压力必须降低到原始地层压力之下(图 2),因此, 这样的煤夹层是饱含水的,必须减压除水而是煤层解吸附产气(图 3),开始时储层主要产水或少量(或没有)商业气,由于持 续的减压过程产生气从邻近的煤基质中的反吸附作用,使得气体从煤层基质 中以达西渗流方式(当水存在时则是两项流动)渗出到邻近的节理或裂缝中流出井筒。解吸附的煤层气从煤基质附近到节理裂缝中的过程产生了气体的浓缩梯度,并且在煤基质中的气扩散到节理裂缝中,这样稀6释了煤层机制中气的浓度。随着时间的过去,水的 产量下降、气 产量上升,这个常见的现象称为负倾斜(图 3a),通常,煤层气井产气量的衰减率比常规储层的衰减率是低很多的,因此,煤层储层可以提供长时间稳定的产气量,并且 对平衡储量更迅速。盖层和圈闭在煤层气系统中对于维持地层压力、保 证气的解吸附逸出来 说盖层是必要的。尽管在煤层气系 统中可以存在常规圈闭(它们的存在不是必要的),对 于吸附在微孔表面上的吸附气来说,气和水产生的重力分异是非常次要的。世界上大多数生产的煤层气井位于盆地的向斜中,气体被吸附是由于流体(水)压力造成的,例如圣胡安盆地 Fruitland 煤层气富集区。然而,一些构造、地层、复合圈 闭的存在可能会提高 Fruitland 煤层气富集区的产量,下面的章节将会介绍这些情7况。在黑沃里尔盆地(Black Warrior basin)一个相类似的向斜盆地的煤层气富集“甜点”已被勘探绘制成 图(Ellard et al,1992; Pashin and Groshong,1998 )。裂缝、渗透率和地层压力对于煤层气的含量来说,煤层的渗透性能甚至是更重要,就商业生产而言,煤基质的渗透率是太低的,在煤层中流体的流动是通过天然裂缝或者夹层(图 4)。煤层的节理是成系统的,正交于裂缝系统,通常正交于层系,它 们形成与煤化期间。并且,面节 理(主节理)方位反映了它们形成期间 存在的远源压力场(Nikelsen and van Hough,1967; Laubach et al,1998)。构造的、煤化后期的裂缝也可能存在。节理渗透率是由裂缝密度、 缝隙宽 度、开放程度、 长度、连通性等因素控制的。而这些因素分 别又由煤阶、煤 质量(灰 质含量)、煤 质素含量、煤层单层厚度、构造变形、矿化程度和地层压力等控制( Ammosow and Eremin,1963;Close,1993;Laubach et al,1998)。当存在生物气时,节理的存在可以具有多种用途;运移微生物到煤-水界面处、大规模的微生物气沿着地下水通道流动、煤层气生产期间传 送水和气到井筒中。面节理(主节理)比次要的连接节理(短而不清楚的解理面 butt cleat)更具有连续性,它可以导致渗透率的各向异性(非均质性)和储层的椭圆形排泄模式(图 4,Koenig,1989,1991)。由于煤层具有很强的可压缩性,原始地层压力可以影响储层的渗透性和产气能力(图 3b,5)(Enever,1987;McKee et al.,1988;Ellard,1997)。通常,渗透率随着埋藏深度增加(上覆地层压力增加)而降低,结果导致美国大部分地区的煤层气产自于小于 4000 英尺深度(1200 米)的地层,这样储层中具有很高的地层压力,因此,煤 层气储层的渗透性具有典型的随深度增加而降低的负斜率。由于增加了有效的地层压力导致节理和裂缝脱水(图 3b)(Ellard et al.,1992)。具8有图 3 所示性质的井可以生产出相等于气体生成的总量的气,但是,图 3a 所示这样的井的生产周期较短。另外一种情况是,超压的自流井可以减少地层有效的压力和提高煤层的渗透率。然而,理论上脱去水的煤层应该增加有效压力,使得节理缝闭合,但是,这种情况仅仅会在高压地区会出现(Ellard et al,1992;Sparks et al.,1993),事实上,实验研究已经证明煤基质收缩导致甲烷和二氧化碳解吸附,导致节理缝加宽(Levine,1993,1996; Pallmer and Mansoori,1996;Mavor,1997)。在一些盆地对于煤层气的渗透率来所说,构造力是一种具有重要意义的应力,尤其是裂缝的方位和产状(垂直、水平或者复合的)。储层单元(Reseroir Compartments)煤层储层质量在整个是具有较大的变化,可能的油气聚集区或者“ 甜点 ”一般少于盆地产气面积的 10%。一个经济的煤层气项目需要同时具备若干有利的地质因素,也要具有可操作的环境条件。勘探开发煤层气的关键是认识储层内部具有相同性质的储集单元。包括气体含量、渗透9率、含水情况和气体组分。同样重要的, 对于项目适当的地面基 础设施的支持,确定有效的储量和生产速率也是必要的(例如,水和气的处理是必要的)。在这些关键因素中,控制煤层气项目经济效益的是煤层厚度和分布范围、热成熟渗透率、有效渗透率总厚度、煤层深度、煤层中的水量和水处理的质量、水 处理成本及排放环境要求,还有市场准入等。本文回顾 Fruitland 和 Fort Union 煤层气远景,它们代表了美国煤层气体系,同时,也可能代表世界煤层气。圣胡安盆地 Fruitland 地层圈闭(见图 1)聚集了热成熟型气和生物气,它们的化学组分有较大的变化。Fruitland 地层在世界范围就是巨大型的煤层气藏,很好地展示了 Fruitland 煤层气富集区。粉盒盆地的 Fort Union 地层 是美国最有利煤层气远景区之一。尽管事实上煤是热成熟和低浓度生物气,但聚集了巨大量的气储存在厚层的、高渗透率的煤层中。圣胡安盆地 Fruitland 煤层气系统Fruitland 煤层气开发历史圣胡安盆地白垩系 Fruitland 和 Menefee组地层具有丰富的煤层气,但煤层气的产出全部来自于 Fruitland组地层(见图 1,6)。煤层气的开发始于上世纪的五十年代初期,当时的井是沿着圣胡安盆地北部的 Ignacio 背斜钻探的()见图 7),这些井裸眼完成,在 Fruitland 地层钻遇砂岩、泥岩和煤层,并钻遇下伏Pictured Cliffs 砂岩。 这些井后来由于地层水的上升而放弃(Harr,1988)。圣胡安 Phillips 32-7 单元 Fruitland 6-17 井于 1953 年在 Ignacio 背斜的南部钻探,到 1988 年,已经从 Fruitland组地层裸眼井段 产气 13.6亿立方英尺(38.5 百万立方米),并且没有出现产气率下降的趋势,储层压力也没有降低(Hale 和 Firth,1988)。在上世纪七十年代的早期,在圣胡安盆地西南部钻探了10大量的浅井,在 Fruitland组和 Pictured Cliffs组砂岩段裸眼完井,两组底层混合采气(Dugan 和 Williams,1988)。最重要的是上世纪七十年代中期促进了圣胡安盆地煤层气工业化的实现。在美国矿务局煤层气脱气试验成功并遍及全美国后,Amoco 公司开始大力开展包括圣胡安盆地在内的煤层气勘探项目(Waller,1992 年)。1979 年,Amoco 公司在 Cedar Hill 气田完成了 Amoco Chan 1 号井的钻探和 Fruitland组煤层气的测试,项目测试的成功超出了预期效果,这样,他们开始了煤层气的工业开发工作(Decker 等,1988 年;Waller, 1992 年)。由于 Amoco 公司成功的激励和第 29 条课税扣除政策的鼓励,更多的独立操作者开始在全盆地进行煤层气勘探。在上世纪八十年代后期,美国天然气研究院提供资金进行研究,决定控制(管理)圣胡安、黑沃里尔和北阿帕拉契盆地的煤层气勘探和开发。圣胡安盆地的勘探研究分为三个大的阶段和几个小阶段,具有明显的煤层气组分差异和生产特征(图 8)。在这些阶段中,具有很高的生产煤层气的有利地区。到第 29 条课税扣除政策的最后期限(1992 年 12 月 31 日),在圣胡安盆地已经钻探了数千口煤层气井,圣胡安盆地的 Fruitland组煤层气有利区的勘探已经描绘清楚。勘探模型已被进一步发展。此 时,全美国乃至全世界的勘探者都沿用 Fruitland组煤层气的勘探模式。11上白垩统 Fruitland组是全世界煤层气勘探开发的先导者。仅 1999 年,圣胡安盆地大约生产煤层气 10060亿立方英尺或每天生产 27.5亿立方英尺,占美国总产气量的 80%。累计产 煤层气达到令人吃惊的 7 万亿立方英尺。在开始的1998 年煤层气储量就达到了 7.8 万亿立方英尺,Fruitland 煤层气聚集区是个巨大的连续聚集类型的煤层气藏。根据当时的定义,储量大于 1 万亿立方英尺的气藏即为特大气藏。1213地质结构、地层和沉积体系在晚白垩世期间,圣胡安盆地位于西部内陆海道的西部边缘地区,白垩纪沉积海岸线向东北方向进积,形成了海相沉积(Lewis 页岩)、滨岸沉积(Pictured Cliffs 砂岩)和陆相沉积物(Fruitland 组地层)(见图 6)。Pictured Cliffs组是属于滨岸沉积环境的单层和混合砂层及多个砂岩体组成的沉积体,它是由障壁滩平原相和浪控三角洲沉积体系为主形成的进积和加积地层(图 9)。Fruitland组煤层是由向陆地方向的海岸平原相沉积环境所沉积的泥炭层形成的,并被 Pictured Cliffs组滨岸砂岩覆盖。向东北部地区,存在 单层指状煤层尖灭在同时代的障壁后沉积中。在 Fruitland组地层中,沿着古地层走向(西北-东南向)指状交错的煤层中具有东北向趋势的河道充填砂岩和泛滥水道沉积。Fruitland组地层被 Kirtland页岩所覆盖,除了盆地东南部是由 Ojo Alamo 砂岩不整合覆盖外,Kirtland 页岩是 Fruitland组地层的盖层(Ayers 等,1994)。14Fruitland组煤层的净厚度最大 15-21 米,呈西北走向广阔的带状分布,障壁后煤沥青体占盆地北部的三分之一(图 10)。典型代表是;该地区的一口裸眼井钻遇 6-12层煤层,最大单层 厚度 6-9 米,在盆地的北部, 长条状下倾的沼泽相煤层沉积呈西南方向展布,到古斜坡上部的西南地区 Fruitland组出露区。沼泽煤层的平均厚度 1.8 米,最大 单层厚度 3 米(Ayers 等,1994)。构造背景圣胡安盆地是个对称型的拉腊米构造盆地,它形成与晚白垩世和早始新世时期(80-40 百万年)(图 7)(Kelley,1955;Berry,1959)。在渐新世的盆地区域 扩张时期,在盆地的北部伴随着火山岩喷发形成了圣胡安火山岩区的盆地基底,形成火山岩岩墙、岩脉等。由于频繁的火山岩事件使盆地具有很高的 热流动、伴随着地下水的运动形成热对流,在盆地的北部形成了异常高的热成熟度(图 11)(Bond,1984;Meissner,1984;Clarkson 和 Reiter,1988;Scott 等 1994a)。中新15世开始区域隆起一直到现今,产生渐新统火山岩和火山碎屑岩的剥蚀,并且使Pictured Cliffs 砂岩和 Fruitland 地层暴露,形成了大气水沿着盆地北部的Hogback单斜地层再充注(图 7)(Kaiser 等,1991a;1994)。由于构造枢纽线的形成(同时形成了流体流动障碍),使盆地南部的单斜地层与盆地的底形成尖灭,构造枢纽线的海拔高度约为 762 米(图 7)。煤层和煤层气成因、组分和资源在圣胡安盆地南部的中部,Fruitland 组煤层组分是由 80%的煤质体、5.2%的壳质煤素质和 14.1%的惰性煤素质组成(Close 等,1997)。Fruitland 煤层的灰份含量 10~30%,而且,通常超过 20%。在盆地的南部煤层中水份的含量平均为10%,而盆地的北部地区煤 层水的含量平均为 2%(Roybal 等,1985;Fassett,1988)。在圣胡安盆地北部的三分之一地区,Fruitland 组煤阶具有高挥发的 A 型沥青质(图 11),或者是煤层具有高煤阶。这样,它 们处在热生气的窗口。在构造格局和煤化模型关系上指示了热成熟度主要是同造山期的。然而,盆地的北部地区可能经历了后期的构造反转(对比图 7 和图 11;Scott 等,1994a)。在盆地的北部地区,热成熟煤的镜质体反射率大于 0.78%、无灰份气含量通常远远大于 9cm3/g,并且,在油气富集区通常超过 15.6cm3/g。在圣胡16安盆地南部地区的三分之二地区,热成熟度较低,在 0.65%以下, Fruitland组煤成气的含量是 4.79 cm3/g,或者以下。在热成因气充注到煤中后,盆地开始抬升,几千英尺的上覆地层被剥蚀,Fruitland组煤层冷却,导 致煤层的吸附能力与相对应的温度不匹配,这种冷却事件产生了煤层气的不饱和。在盆地的北部边缘地区出露了地层倒转的煤层,大气水的侵入和压力的作用, 为煤层提供了微生物,并产生了二氧化碳和次生的生物甲烷气再次饱和的煤层。同位素研究证明次生的生物甲烷气很重要的比例,可以占 Fruitland组煤层气组分的 15-30%(Scott 等,1991,1994b)。Fruitland组煤层气储量是 43-45 万亿立方英尺(1.22-1.39 万亿立方米),或者从 400-4200 英尺深度之间具有 2230亿吨煤(Kelso 等,1988;Ayers 和Ambrose,1990;Ayers 等 1994)盆地的北部地区储量和资源都是最大的,煤层厚度达,储 量也大。向西北方向煤层具有热成熟度增加和超压的趋势。在 这一地区煤层气资源是每平方英里具有 150-300亿立方英尺(图 12)(Ayers 和Ambrose,1990; Ayers 等 1994)。煤层气产能和煤层渗透率在 Fruitland组煤层中存在两类节理缝系统,其中主要的一种为北-北东向,另外一种为北西向(图 13)(Tremain 等,1994),沿着盆地的西北边缘出现煤层甲烷气发17育区、发育两种节理缝,可能存在高渗透率和高产能区(Laubach and Tremain,1994b; Tremain 等,1994)。在科 罗拉多高原现代构造压力是向外延伸的,并且没有形成对煤层渗透率的负面影响(Zoback and Zoback,1980,1989;Wong and Humphrey,1989 ; Laubach and Tremain,1994a)。在圣胡安盆地的产区 Fruitland组煤层渗透率是 5-60md;60 毫达西是油气远景区内最大的渗透率。水文条件Fruitland组地层水的充注主要发生在圣胡安盆地北部边缘地层的抬升,低的降雨量、较 差的地层蓄水量、侵蚀作用及地层低部位的出露限制了大气水沿着盆地其它部位进行充注(Kaiser 等,1991a;1994)。Fruitland 组地层具有异常的井水压力,相对应的井水压力梯度为 0.433psi/ft,盆地北部地区的中部是超压区,北西向的厚层煤 层也是超压的,盆地其它大部地区则是欠压地层(图1814)。在 Fruitland组地层的超压是水动力起因,盆地北部煤层的自喷井就是例证。超压和欠压的转换带出现在沿着盆地的构造枢纽线上,与变陡的构造等高线走向相一致(图 14),煤层呈南西向尖灭(图 10)(Kaiser 等,1994)。新 鲜的、低氯离子的大气水出现在盆地西北部边缘的淡水注入地区,并渗入到较远的盆地中,指示了水动力流动系统(图 15)(Kaiser 等,1991a)。水化学边界在低氯离子的碳酸氢钠型和高氯离子的氯化钠型水之间(图 15),与区域压力、等趋势线和沉积相边界相一致,所有这些都沿着盆地构造枢纽线出现(Kaiser 等,1994)。产能分析/储层特征圣胡安盆地的煤层带通常呈连续分布,在测井曲线和地震剖面上可以识别,但是,断层、尖灭和侵蚀消蚀作用往往导致储层的流 动单元分隔。在 Fruitland组地质和水动力的相互作用下,形成了三个产煤层气区的区域(图 8,表 1),区域 1 是超压区盆地北部中心区;区域 2 是盆地西部区,为泄水的欠压区;区域 3为盆地的南部和东部区域,也是欠压区, 储层数据显 示为低渗透性和有限的煤层产气(图 8,表 1)。圣胡安盆地 Fruitland组地层有大于 3100 口井,大多数 产气能力是来自于煤层气富集区(区域 1)的大约 600 口井(图 8)。区域 1; 在神湖岸盆地中,区域 1 煤层甲烷气资源和产能是最大的,煤层厚19度、侧向分布、高阶煤沉积具有高的地层压力和较高的煤层气含量,煤 层气的干燥系数大于 0.97,而且,二氧化碳含量在 3-12%(图 16,17),具有较低的热值。煤层气的同位素分析和产水说明,在盆地北部地区的气是原生热成因和运移热成因及生物气的混合体(D.D.Rice 等,1988;Hanson,1990)。把区域 1进一步划分成 1A,1B,1C 三个区域(图 8),区域上具有超 压性质 的自喷井,区域 1 的井原始产能一般每天可以产 16-48 立方米的水,通常,在盆地西北部边缘地区接近大气水充注区(1B 区域)和 Fruitland 富集区(1A 区域,图 18 )的井产水量最大(Cox等,1993;Scott 等,1997)。Fruitland 组煤层水主要为碳酸氢钠,低氯离子水,具有中等-高的固体含量(Kaiser 等,1994)。 1992 年,在经过 10-12 年的煤层气开发后,盆地北部边缘地区的井平均日产水量是 40 立方米,平均日产水量向盆地方向减少,产水量趋势和根据势能趋势与氯离子含量图推测的流动趋势相类似(图 14,15)。1A 区,煤 层气富集区,大约 9 英里宽(14km),40 英里长(64km)(见图 7,8,19;表 1),它包含了盆地最具有煤层气产能的 600 多口井,个别井的最高产气量达到每天 6 百万立方英尺20(Kaiser 等,1991b;Palmer 等, 1993),生产五年后,来自于超压地区煤层气富集区的累计产量每口井为 4-80 亿立方英尺,平均累计产量为每口井 24 亿立方英尺(Boyer 等,2000;Boyer and Zuber,2001)。Fruitland组煤层有些井具有 70-120亿立方英尺的储量(Williams,2001),煤层气富集区的产气层深度在 762-1098 米之间。Fruitland 组煤层气富集区气的组分是由原生热成因气(自源气)、次生生物气和运移热成因气组成(Scott 等,1994b),由生物成因及运移热成因产生的气导致煤层再饱和,从而影响天然气的体积;更重要的是,它影响由于降压作用所产生的原始气量(图 20)。1B 和 1C 区的井( 1B,1C, 2 和 3)产气量在 50-500 百万立方英尺(1.4-20 百万立方米)/每天,圣胡安盆地所有非煤层气富集区的井累计产气量为 50-700 百万立方英尺,平均累计产量为 200 百万立方英尺(5.7 百万立方米)(Boyer 等,2000)。1B区位于盆地北部和西北部侧翼地区(图 7,8),随着距露头区距离的增加产水量减少(图 18)。裂缝渗透率随着断层和褶皱的位置和盆地底部变化增大(图 7)。1C区是有一个扁平的等势面构成的区域,具有内部相互连通的水动力系统和均一的储层压力(图 8)。21区域 2;区域 2 煤层井(图 8,表 1)典型的产量在 30-500 百万立方英尺/天,同许 多在 1Bh 和 1C 中的井类似,但是区域 2 的井产少量水或不产水(Kaiser 等,1991b,Kaiser and Ayer, 1994),水型为氯化钠型,固体物质 含量为 14000-42000mg/L。区域 2 五年的累计产气量为每口井 50-700 百万立方英尺,平均为 200 百万立方英尺(Boyer 等, 2000),区域 2 全区的井五年的累计产气量超过 10 亿立方英尺。区域 2 中,Fruitland 组煤层气储层为欠压层,但个别 区除外,煤 层气化学组分 为湿-干气(干燥系数为0.89-0.98)(图 16),且含有 1.5%的二氧化碳(图 17 )(Scott 等,1991,1994b)。22区域 3区域 3 是盆地的南部和西部地层压力低于静水压力的地区(图 8,表 1)。煤层是属于高挥发性 B沥青煤,而且,气含量通常少于 4.7 立方厘米/克,煤层 气在这一地区的活性(活动能力)是有限的,而且早期的较差的测试结 果显示储层的物性较差。例如,天然气研究院的研究项目,在 Mesa FC Federal 12 井的钻杆测试渗透率仅为 0.004md(Pratt 等,1992 )。完井作业Fruitland组煤钻井完井通常在 229-1098 米深度之间,典型的煤层储层呈负的生产斜率(图 3a),煤层钻井和完井方法往往随着钻井的阶段、操作特别是所处盆地的地质条件、水动力环境不同而采取不同的完井方式(Clark and Hemler,1988;Palmer 等,1993;Schraufnagel,1993)。早期的井是裸眼完井,生 产方式是采用 Fruitland组煤层和其下伏的 Pictured Cliffs 砂岩储层混合开采(Dugan and Williams,1988)。今天,Fruitland 组煤钻井的完井方式有两种,一种是裸眼完井,另外是采用下套管封住 1-3 煤层组中的煤层和裂缝段(图 21 )。在 1985 年裸眼完井由 Meridian(Burlington Resources)开 发的是最有效的煤层气集聚区(区域 1A)。相比之下在盆地的其他地区的裂缝发育区压裂后也是更有效的23(Palmer 等,1993;Kelso,1994;Logan,1994;Young 等,1994;Khodaverdian 等,1996)。煤层气富集区内裸眼的井,其 产能每天为 1-6 百万立方英尺,而非煤 层气富集区内的井压裂后产能为 5 万-50 万立方英尺(Palmer 等,1993)。在Fruitland组至少钻探了 2 口水平井(Logan,1988;Palmer 等,1993),尽管技 术上是成功的,但是这些水平井显然没有能提供与成本相对应的增加的产量(Palmer 等,1993;)。针对煤层气有许多种完井方法;包括无砂水驱和扩大井眼,都具有好的效果,还有一些涉及煤层与流体敏感性的完井方法。气体的压缩处理煤层气需要进行压缩和一些必要的处理,煤层气井生产时是在相对低压力下进行的, 这样有利于气体的解吸附作用而提高产量,因此,取决于管 线的压力,需要进行一级和更多级别的气体压缩。煤层气处理可以从脱水到除去二氧化碳等一系列程序。二氧化碳是一种腐蚀性、且低热值的气体,它的存在增加了煤层气的处理成本。圣胡安盆地北部的大部分地区,Fruitland组煤层气二氧化碳的含量超过 3%,而在煤层气富集区,二氧化碳的含量为 6~13%,或者更高(见图 17)。多组份气体模型说明了Fruitland组煤层气中二氧化碳的百分比是随着地层降压和生产程度而增加的(Scott,1993)。典型的二氧化碳去除是在中心气处理装置中进行的,并排放到大气中。然而,更具有指导性和环保性的方案,是由 Burlington Resources 和24Alberta Research Council设计的,为了提高生产能力和更加环保,将脱出的二氧化碳气体重新注入到地层中去,这样可以替换地层中的甲烷气体和维持储层压力(S.H.Stevens 等,1999;ARC,2002)。Fort Union组煤层气系统Fort Union 煤层气生产历史26粉河盆地 Fort Union组(古新世)含有巨大的、厚层的、分布广泛的煤层气能源(图 1、图 22 )。Fort Union组煤层气的存在,在十年前就已由勘探得知。在粉河盆地的 Ranchers,近一个世纪前就在浅水井发现了煤层气。特别是位于区域在充注流向上的水井气显示明显(Olive,1957;Choate 等,1984)。在上世 纪七十年代,浅钻井评估煤层气资源在煤层和邻近的砂岩中发现了超压和井喷现象(Hobbs,1978)。另外,在上世纪八十年代,在砂岩和邻近的煤层发现了几个小气田(Randall,1989;Peck,1999)。这些发现得益于信贷制度第 29 章,在上世 纪八十年代后期和上世纪九十年代早期,几个小的独立开发的煤层气项目在在盆地东部边缘地区展开,但结果各异。再者, 测试结果表明,较深的煤层产水丰富,少量气或无气产出。许多公司认为,由于煤 层埋深较浅、热成熟度低、含有低浓度的甲烷(<2.2cm 3/g)、具有高渗透厚层、大多数水 层具有低压性质(Peck,1999),因此,该地区的煤层气资源具有较小的商业潜力。的确,早期的煤脱水和开 发最佳完井地质条件的选择都是困难的。早期成功的项目,是那些在低压地区的矿井表面附近,存在与小的构造高部位的煤层气帽(图 23)。然而,到 1997 年,由于煤矿长期排水的结果,煤层气操作者在增加产气率和储量方面及圈闭资源量方面有了新认识。27今天,在美国就大量的已钻井来说, Fort Union 煤层气是最具有活力的天然气资源。在粉河盆地过去的十年中,煤层气井从 54 口增加到 8167 口,其中3655 口井钻于 2001 年(WOGCC,2002),在当前的资源圈闭中,有许多是有效的项目,覆盖的总面积大于 2 百万英亩。开 发初期是围绕着盆地的东部和北部边缘的大气水向煤层渗入的地区进行的(图 24),煤层气开发成功的关键是;圈闭资源区要具备持续的渗水煤层的存在、合适的完井方法和输气管线配套设备的存在及市场的进入(Peck,1999)。构造和沉积环境粉河盆地是一个非对称的拉腊米造山运动期形成的前陆盆地(图 25),盆地东侧地层倾角 1-2 度,向西倾斜;盆地西侧地层倾角为 5-25 度。盆地面积 25800 平方英里(66822 平方公里)。含煤的 Fort Union组地层出露在盆地的边缘地区,在盆地中心地区被始新世含煤的 Wasatch组地层覆盖。广泛分布的、厚层的Fort Union组煤层,目前,已知存在两种沉积(模式)相;湖相三角洲沉积环境(Ayers and Kaiser,1984; Ayers,1986a)认为,在古新28世期间湖水占居粉河盆地中心地区,盆地被来自于舌河组(Tongue River Member)的河流三角洲沉积体系所充填,其间夹有 Lebo页岩层(Lebo Shale Member)。厚层、广泛分布的泥炭(煤)沉积形成了广阔的三角洲平原,并可 见透镜装的来自于碎屑流的砂体。这些厚层的煤层沿着古地层(北南)走向方向分布 48公里左右,并尖灭于三角洲沉积中心。在古斜坡 倾向方向上(西)分布 24 公里。在分流和尖灭之前,河流三角洲沉积相中夹有 Lebo 湖相泥岩。根据河流沉积模式(Flores 和 Hamley,1984;Flores,1986),厚层舌状河流煤层沉积在河漫滩沼泽相的边缘到东北流向的曲流河沉积体系中,煤层中的分支体则是属于河道的天然堤微相。煤和煤层气的成因、资源及组分舌河组(Tongue River Member)发育煤层 2-24层,侧向延伸数十公里,厚度30 米,局部可达 91 米(见图 26),单层厚度可达 18 米厚的煤层出现在两个向北倾向的地区,一个是沿着盆地的东部边缘地区,另一个是盆地的中心地区(图 27)。在这两个煤层带内部,单层 煤层常常延伸 48 公里以上(Ayers 和Kaiser,1984;Ayers,1986b)。不同的煤 层带可以在露 头区和 610 米以下的井中存在,Fort Union组在 915 米以上的煤资源量是 1.1 万亿吨(表1;Ayers,1986b)。在 2001 年,怀俄明州使得美国生 产煤的产量达 352 百万吨,这些煤基本产于粉河盆地。29Fort Union组煤热成熟度,即镜质体反射率小于0.4%,煤 阶为从次烟煤 C-B;Fort Union组煤具有较低的灰分,平均小于 5%,分布范围在 4-10
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