山西沁水盆地柿庄北地区煤层气潜力

2010-12-16黄晓明闫冰夷熊德华王文化

中国煤层气 2010年5期

黄晓明孙强闫冰夷熊德华王文化

(中联煤层气有限责任公司, 北京 100011)

柿庄北煤层气区块大部分位于山西省长治市长子县境内[1], 区块面积374．92km2, 地质构造上属于沁水含煤盆地东南缘。本次调查工作则主要集中在该区块南部涵盖了长子县、沁水县和高平市的174km2范围。包括本区在内的整个柿庄地区一直是煤层气勘探开发的热点地区, 也是目前我国煤层气勘探开发投入较大、研究程度较高的地区之一[2]。通过持续不断的勘探投入, 邻近柿庄南区块的煤层气商业开采已初具规模并获得了枣园区的储量认证。各种方式的煤层气钻井和生产试验井组全面铺开。井组日产气量稳定在10000～15000m3左右。部分直井的单井日产量长期稳定在2000 ～3000m3, 水平井的单井日产量稳定在5000 ～10000m3。依托储量控制区, 中联公司加快了整个柿庄地区的煤层气勘探开发的步伐, 就柿庄北南部地区的174km2范围而言; 截至目前已完成二维地震104．7km, 实施了3 口煤层气参数+ 生产试验井。并对X1井的3#煤层采取了压裂增产措施, 实施了为期6 个月的排采试验, 日产气量最高为860m3, 一般为500m3左右。通过以上工作我们获得了该地区包括构造、地层, 煤储层及煤层气生产特性等十分精细的地质信息和各项数据。通过体积法计算的煤层气资源量为402．93 亿m3, 根据地质类比法估算的资源量更高, 可达473．16 亿m3, 这是因为类比参照区的勘探程度高、资料丰富、部分参数略好于本区。

1 构造发育特征

沁水盆地位于华北地台中部, 是介于太行山和吕梁山之间的一个近南北走向的构造盆地。该盆地先后经历了印支期、燕山期和喜山期构造运动, 褶皱、断裂构造均较为发育, 构造线多为NE- NNE走向。柿庄北地区位于沁水盆地中南部, 构造位置靠近盆地东南翼, 地层展布总体平缓, 倾向NWW。煤层埋深自东向西逐渐加大, 深度范围一般在800～1600m。构造以走向NNE 的褶皱和断裂为主, 总体表现为简单平缓的低幅度褶曲和走向延伸不大的正断层。

研究区范围的现今构造主要为燕山期和喜山运动的产物。燕山期：本区处于弱拉张与强挤压交替的应力状态, 主要表现为NW- SE 方向的近水平应力场, 华北板块南北边缘的两条造山带再次经受造山作用, 我国东部的构造发展逐步置于太平洋板块的控制之下, 区域上产生了指向NW- NWW 方向的水平挤压应力, 本区在水平挤压应力的作用下,伴随着地壳褶皱抬升而形成NNE 向次级短轴波状褶皱。喜山期：在以NW- SE 拉张应力的作用下,本区沿着已有的裂隙面断裂构造得到进一步发展,形成了本区以NE 向正断层为主的构造轮廓。根据地震地质解释成果, 本区发育一组走向NNE 的规模不等的短轴褶曲构造, 大断层相对不发育且无逆断层, 断层落差一般小于50m。地层倾角一般小于6°, 局部受构造影响最高可达15°。

本区石炭- 二叠系含煤地层沉积稳定, 岩性组合及地球物理特征明显, 标志层及煤层与其上、下岩层的物性差异较大, 因此沉积界面具有较强的波阻抗。

在浅部二叠系及三叠系非煤系地层中, 厚度较大的砂岩也能产生较为明显的反射波, 如上石盒子底部K10砂岩, 上石盒子组K12砂岩、K14砂岩等,它们的共同特点是反射强度及连续性变化频繁, 极不稳定, 反映出河道砂摇摆不定的沉积相变特征。

地震勘探结果表明 (图1) ; 本区地质构造以褶曲为主, 断裂系统不发育, 偶见陷落柱, 总体表现为一个西倾的单斜构造。影响全区煤层形态的主要构造是位于区块中央并纵贯南北的一个向斜构造, 其轴向NNE, 幅度210m, 两翼不对称。以此向斜为界, 向斜西翼地层及构造较复杂, 在以西1km 条带内地层倾角较大, 最大可达15°, 低幅度褶曲及断层发育, 煤层起伏较大。向斜东翼构造简单, 倾角较小, 呈SE 向缓慢抬升, 仅有局部的小幅度起伏, 倾角一般小于5°。

图1 柿庄北地区地震勘探成果图

3#煤层底板标高最大约为350m, 位于本区东南角, 最小标高约为- 350m, 位于区内中央向斜的核部, 煤层主要是NWW 倾, 埋深随煤层倾向总体呈变深趋势, 最浅约830m, 最深达1600m 以上,地表标高的变化对煤层埋深的影响也比较明显。

15#煤层底板标高最大约为250m, 亦位于本区的东南部, 最小标高约为- 540m, 位于区内中央向斜的核部, 煤层主要是NWW 倾向, 埋深随煤层倾向总体呈变深趋势, 局部达1700m 以上。15#煤层位于3#煤层下部90～110m 范围, 形态与3#煤层基本一致, 且层间距变化不大。

由于本区地质构造简单, 因此依据地震资料对褶曲和断层等常规构造, 以及非常规构造陷落柱等的识别并不复杂。

对于褶曲和断层的识别主要依据同相轴的变化来确定。基于时间剖面在资料处理时均已校正到了同一基准面上, 一般情况下, 地震时间剖面上反射波的起伏形态基本上可以定性地反映出地层的起伏形态。同相轴拱起则表示背斜, 同相轴下凹则表示向斜。对于断层的识别则视断点落差的不同而表现出不同的地震反射特征。落差比较大的断层表现为典型的反射波同相轴错断, 落差比较小的断层, 尤其是落差小于半个波长的断层, 则一般表现为反射波同相轴扭曲、振幅突变等。

陷落柱作为一种特殊地质体决定了它在地震剖面上表现形式的特殊性。较大陷落柱在水平叠加剖面上的表现特征为：反射波同相轴在小范围内消失或错断, 并伴生一些小断层, 在陷落点处产生绕射波及延迟绕射波, 错断点之间波形较杂乱, 在柱顶处, 可产生柱顶绕射波。直径较小的陷落柱主要表现为在水平叠加剖面上同相轴能量变弱以及延迟绕射波的出现。陷落柱是在一定的地质及水动力条件下, 可溶性岩石溶解形成了空洞, 致使上覆沉积地层向下塌陷而形成的一种特殊地质构造。

图2 柿庄北地区X2 井实钻地层剖面

本区大断层不发育, 共识别断点37 个, 其中落差介于10～50m 的断层只有6 个, 断层多发育于褶曲的翼部。全区解释褶曲27 个, 背斜13 个, 向斜14 个, 其中构造幅度大于等于100m 的有6 个控制本区构造形态的是位于中部贯穿南北的中央向斜, 其西侧有一个8km 左右宽的台地, 台地上向、背斜相间出现, 东侧则为一宽缓的单斜, 并在此背景上发育有次一级的小型褶曲。构造走向基本以NE、NNE 为主。靠近区块南边, 在中央向斜两侧各发育有一个幅度较大的褶曲构造 (图2) , 西部为NEE 走向的短轴向斜, 东部为NW- SE 走向的背斜。在本区所有地震测线上共发现5 个陷落柱,主要分布在中央向斜的东、西两侧。陷落柱的出现使煤层的连续性受到破坏, 使水文地质条件复杂化, 对煤层气的富集也会产生负面影响。

本区煤层埋深总体由东向西变深, 中部受褶皱影响有较大变化。控煤构造的富气性, 取决于构造的渗透性和封闭性, 区内主要构造形迹以褶曲为主, 断裂和陷落柱并不发育, 所以有利于煤层气的富集和保存。

2 地层发育特征

研究区的地理范围在北纬35°58′00″～36°02′30″之间。如果按照北纬35°线为界[4], 本区在地层区划上刚好位于中、南华北地层分区的交界处, 两区岩石特征的差异主要表现在石盒子组地层。中区的石盒子组地层为河流、三角洲相沉积, 一般不含煤, 而南区的石盒子组为三角洲和多重障壁体系域, 含多层可采煤层。本区的地层发育特征基本符合中华北地层分区的特点, 煤系地层的发育特征是本文论述的重点, 地层划分见图2。

在华北聚煤区范围内依据岩性组合及含煤性,通常把石炭系太原组地层划分为三个岩性段, 即晋祠段、毛儿沟段和东大窑段。把二叠系山西组地层划分为两个岩性段, 即北岔沟段和下石村段。在沁水盆地的生产实践中, 太原西山标准剖面是地层划分的主要依据, 但本区石炭- 二叠系煤系地层岩性组合及煤层发育特征与西山剖面还是存在一定的差异。本文不做岩性亚段细分, 仅根据区域性的重要标志层将K0(相当于畔沟灰岩) 标志层至K5(相当于东大窑灰岩) 标志层之间的一套由灰岩、碎屑岩及煤层组成的海相多旋回台地及障壁体系交替复合沉积的地层划分为太原组。将K7(相当于北岔沟砂岩) 标志层至K8(相当于骆驼脖子砂岩) 标志层之间的一套由砂岩、暗色泥岩及煤层互层组成的河流- 三角洲相及湖泊- 沼泽相沉积地层划分为山西组 (图3) 。

(1) 中石炭统本溪组C2b

本区本溪组地层平行不整合覆于中奥陶统峰峰组 (O2f) 深灰色灰岩之上, 是以下古生界侵蚀面为基底, 沉积的第一套上古生界海相砂、泥岩地层层序, 局部夹灰岩沉积, 顶界为畔沟灰岩 (K0) 。本区煤层气钻井揭露的本溪组地层厚度为12～16m。

本溪组下部地层为深灰色铝土质泥岩, 向上由灰黑色泥岩及粉砂岩互层组成。粉砂岩为灰黑色,厚层状, 具有黄铁矿结核, 裂隙发育, 方解石及泥质充填。本溪组上部地层为深灰色灰岩和灰黑色泥岩、砂质泥岩组成, 含植物化石。K0灰岩可以作为进入本溪组地层的标志层, 岩性为深灰色, 中厚- 薄片状, 隐晶质结构, 含方解石脉, 具少量黄铁矿结核, 不规则裂隙发育, 泥质及方解石充填, 硅质半充填。尽管岩石特征明显, 且分布较稳定, 但由于厚度较薄, 电性特征不明显, 局部甚至缺失,如北部的X4井区。

(2) 上石炭统太原组C3t

太原组地层是在本溪组地层基础上形成的一套海相滨岸- 潮坪及泻湖等障壁体系域沉积层序, 主要由灰- 浅灰色砂岩、深灰色粉砂岩、砂质泥岩、黑色泥岩、煤和深灰色灰岩组成。含灰岩5～6 层,煤10 余层, 其中可采和局部可采煤层2～3 层。太原组地层厚度在本区分布稳定, 钻井揭露为91～112m。

太原组下部地层主要由深灰色细- 粉砂岩, 灰黑色泥岩和煤层组成, 具黄铁矿结核和丰富的动、植物化石。局部夹有灰岩薄层, 深灰色, 致密坚硬, 应该与太原西山地区的“吴家峪灰岩”相当,一般不足1m。太原组底砂岩晋祠砂岩 (K1) 在本区不发育, 取而代之的是泥岩和粉砂质泥岩互层,呈黑- 深灰色薄层状, 水平纹理发育, 裂隙发育,岩芯破碎。电性曲线表现为低电阻率, 高自然电位及高自然伽玛尖峰的特点, 一般高于150API。本区15#煤层发育, 厚度为2．15～6．75m, 黑色块状,中部为粉末状, 具多层夹矸, 组分以半亮煤- 半暗型煤为主, 镜煤次之, 金属光泽, 垂直裂隙发育,位于本段顶部, 有时包含14#煤层。电性特征表现为低伽玛, 低密度和高电阻率曲线。

太原组中、上部地层主要由泥质灰岩- 灰岩、泥岩、泥质粉砂岩和薄煤层互层组成。泥岩为黑色薄层状, 含腕足类化石、少量黄铁矿和白云母碎片, 岩芯破碎, 裂隙发育, 钙质充填。粉砂岩亦为灰黑色薄层状, 具平行层理, 泥质含量较高。这种砂、泥岩薄层间互的岩性组合在电性特征上表现为锯齿状中高伽玛曲线和高自然电位及中高电阻率的特点。K2、K3、K4、K5等灰岩标志层在本区十分发育, 单层厚度可达3～8m, 为灰- 深灰色, 中厚层状。下部灰岩 (K2- K3) 为泥晶结构, 含丰富的生物碎屑, 裂隙发育, 相当于“庙沟灰岩- 毛儿沟灰岩”。中部灰岩 (K4, 斜道灰岩) 为深灰色生物碎屑灰岩, 质纯, 隐晶质结构, 含方解石脉, 向上含少量黄铁矿, 具裂隙, 钙质充填。顶部K5灰岩为灰- 深灰色含生物碎屑微晶灰岩, 含腕足类化石, 偶见陆源碎屑混入物, 因此将该灰岩顶作为太原组和上覆地层山西组的地层分界。灰岩标志层的电性特征十分明显, 表现为箱状的高电阻和低伽玛特点, 横向分布稳定, 可以作为进入太原组的标志地层。

(3) 下二叠统山西组P1s

进入二叠纪, 本区海水逐渐退出。山西组是在太原组海相地层层序之上沉积的一套海陆交互相、水下分流河道、三角洲平原和湖泊- 沼泽相含煤地层, 主要由灰- 浅灰色砂岩, 灰黑色粉砂岩, 灰黑色- 黑色泥岩和煤层组成, 含煤3～4 层, 地层厚度稳定, 钻井揭露为56～59m, 底部以K7细砂岩为标志层与下伏太原组整合接触, 局部冲刷接触。

山西组下部地层主要由一套薄- 中厚层状细砂岩, 泥质粉砂岩, 泥岩和煤层组成。表现为碎屑颗粒由粗到细, 最后到煤的沉积旋特征。底部K7标志层为粉- 细砂岩, 灰- 灰白色, 成分以石英为主, 长石次之, 颗粒呈次棱角状, 分选中等, 含少量暗色矿物, 泥质胶结。电测曲线以低伽玛, 低自然电位和高电阻率为显著特征。顶部3#煤层全区发育稳定, 厚度为5．65～6．6m, 黑色块状, 含薄层夹矸1～2 层, 组分以亮煤- 镜煤为主, 少量暗煤, 玻璃- 半金属光泽, 较硬, 具垂直节理, 阶梯状断口, 有黄铁矿斑点。电性特征表现为明显的低伽玛, 低密度, 较低的自然电位和高电阻率曲线特征。

山西组上部地层由黑色炭质泥岩、砂质泥岩、灰色砂、泥岩、泥质粉砂岩及煤线互层组成。泥岩中常夹有砂质条带, 微裂隙发育, 方解石充填, 具斜层理, 断口较平, 见植物茎化石, 具滑面, 岩芯破碎。炭质泥岩质较纯, 炭质均匀分布, 较硬, 吸水性、可塑性差, 污手, 底见少量的煤屑, 岩芯出筒时破碎较严重。浅灰色细砂岩, 成份以石英为主、长石次之, 颗粒呈次磨圆- 棱角状, 分选较好- 中等, 见少量白云母碎片, 偶见暗色矿物, 致密, 泥质胶结, 具斜层理构造, 垂直裂隙发育, 方解石充填。薄煤层, 厚度小于0．5m, 黑色块状,阶梯状断口, 平滑, 内生裂隙较发育, 亮煤为主夹少量镜煤, 玻璃- 半金属光泽, 较硬, 染手。本段电性曲线总体平缓, 自然伽玛值较高, 从山西组3#煤层到石盒子组底砂岩骆驼脖子砂岩 (K8) 之间, 在本区包含了两个小的沉积旋, 钻井揭露的沉积地层厚度为20～30m。

二叠纪中、晚期以后本区不再遭受海侵, 并以K8(骆驼脖子砂岩) 标志层为底界, 全面进入陆相沉积环境。K8标志层为浅灰色细砂岩, 成分以石英为主, 长石次之, 颗粒呈次棱角- 棱角状, 分选中等, 偶见暗色矿物及白云母, 泥质胶结, 岩性致密。

表1 柿庄北地区煤层气井主要目的煤层基本数据表

3 煤储层及煤层气资源量

(1) 煤层、顶底板及煤岩特征

山西组3#煤层地震解释煤层厚度在4～6m 左右, 平均厚5．82m。钻井揭露厚度为5．65～6．6m(表1) , 一般含1～2 层夹矸。顶板主要由泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩等致密岩层组成, 局部为细、中粒砂岩, 垂直裂隙发育, 方解石充填。底板多为泥岩和粉砂岩。3#煤层镜质组含量74．9%～77．9%, 平均 76．4%, 惰质组含量 22．4% ～25．1%, 平均23．75%, 壳质组含量甚微, 无机组分含量为16．0%～22．5%, 平均19．25%。X1井3#煤取芯样品实验室分析结果表明, 其宏观煤岩类型以暗煤为主, 次为亮煤 (这与前述钻井取芯的表观描述有较大出入) , 颜色及条纹为黑灰色, 光泽暗淡, 中、上部煤样间夹镜煤线理条带, 呈碎块- 柱状, 断口多为参差状、棱角状, 外生裂隙不发育,内生裂隙5～8 条/5cm, 下部呈粉末状, 无法看到裂隙。

太原组15#煤层地震解释煤层厚度在4～6．6m之间变化, 平均厚5．3m。钻井揭露厚度为2．15～6．75m, 分布稳定, 含多层夹矸, 因含硫较高, 俗称“臭煤”。煤层的伪顶多为薄层碳质泥岩、泥岩与含钙泥岩, K2灰岩常为其直接顶板。底板主要为泥岩、碳质泥岩。15#煤层镜质组含量62．4%～77．3%, 平均71．85%, 惰质组含量 22．7%～37．6%, 平均30．5%, 壳质组含量甚微, 无机物含量14．3%～15．7%, 平均15%。样品分析表明15#煤的颜色为黑灰色, 光泽较暗淡, 以暗煤为主, 次为亮煤, 煤样呈粉末状、碎块状和柱状, 断口参差状, 内生裂隙5～10 条/5cm。

3#煤和15#煤的煤质特征在空间上的变化规律不明显, 均属于中- 低灰份、低挥发份及高固定碳煤, 原煤灰份分别为3#： 8．7%～11．15%, 15#：9．74%～12．59%。干燥无灰基挥发份分别为3#：10．44%～25．06%, 15#： 11．15%～21．01%。固定碳含量分别为 3#： 66．87% ～81．77%, 15#：69．05%～80．13%。根据X1井煤样化验结果, 煤层的真密度分别为3#： 1．46～1．47cm, 15#： 1．46～1．50cm。视密度为3#： 1．39 ～1．40cm, 15#：1．39～1．40cm。根据真密度和视密度值换算的煤孔隙度分别为3#： 4．76%～4．79%, 15#： 4．67%～4．79%。煤变质程度高, 为无烟煤阶段, Ro 值分别为3#： 2．63%～2．74%, 15#： 2．62%～2．69%之间。

本区水文地质条件简单, 地下水径流缓慢, 趋于并靠近滞流带, 有利于煤层气的保存。测井解释X1井3#煤层顶板为泥岩, 厚度1．05m, 含水性弱,渗透性差; 底板为泥岩, 厚度1．50m。中厚层状,含水性弱, 渗透性差。15#煤层顶板为泥质砂岩,厚度2．90m, 含水性弱, 渗透性差; 底板为泥岩,厚度1．40m, 含水性弱, 渗透性差。

(2) 煤储层、含气性及等温吸附特征

注入压降测试结果表明： X2井3#煤层储层渗透率为0．46md, 储层压力为6．14MPa, 煤层埋深1070m, 压力梯度为0．59MPa/100m, 低于正常压力。15#煤储层压力为6．25MPa, 压力梯度为0．44MPa/100m, 亦表现为低压异常。较低的储层压力降低了本区煤储层的含气饱和度, 并在一定程度上影响了煤层气井 (如X1井) 的排采效率。本区3#煤层平均储层温度为24 ℃左右, 15#煤层平均储层温度为27 ℃左右。X2井3#煤层的埋深在本区已钻煤层气井中是最深的, 其储层温度为31．1 ℃, 地温梯度为2．9 ℃/100m, 相对周边地区属于正常- 偏高的地温场, 有利于煤层气的解吸,而且埋深弥补了地层能量不足。

煤解吸测试 (图3) 结果表明： X1井3#煤含气量为15．05～21．27m3/t , 平均17．70m3/t (其中甲烷17．43m3/t) 。15#煤含气量为10．63～13．56m3/t ,平均11．97m3/t (其中甲烷11．81m3/t) 。两组煤样的气体组分分析结果表明：气体成分中甲烷占比大于98．5%, 氮气含量小于1．2%, 二氧化碳和重烃加起来占比不足0．5%。X2井3#煤含气量为13．77～21．40m3/t , 平均18．87m3/t; 15#煤含气量为11．73～19．55m3/t , 平均16．84m3/t。X4井3#煤含气量为6．46～19．41m3/t , 平均11．07m3/t; 15#煤含气量为4．48～11．19m3/t , 平均8．23m3/t。总体来看本区含气量较高, 且南部高于北部, 3#煤层高于15#煤层, 这与邻区柿庄南的情况相反[2]。

X1井煤取芯样品等温吸附实验结果表明： 3#煤的原煤饱和吸附量 (VL) 为33．12m3/t , 干燥无灰基的饱和吸附量为37．89m3/t。15#煤的原煤饱和吸附量 (VL) 为31．77m3/t , 干燥无灰基的饱和吸附量为36．45m3/t , 表明煤层具有比较强的储气能力, 3#煤略好于15#煤。Langmuir 压力中等, 3#煤为2．17MPa, 15#煤为2．03MPa, 煤层气解吸条件尚好。从图4 可以看出, X1井3#煤层的临界解吸压力高于15#煤层, 为2．0MPa, 含气饱和度为55%, 具有较好的产气能力。15#煤层的临界解吸压力偏低, 为1．1MPa, 含气饱和度为41%, 煤层气可采性比3#煤差。本区煤储层的含气饱和度总体不高, 这可能是受本区早期煤层抬升和后期张性构造作用, 而导致煤层气散失的结果。尽管如此,本区实测煤层气含气量仍高于我国其他煤层气区块的平均水平。

(3) 煤层气资源量

本文采用体积法和地质类比法计算了柿庄北区块煤层气资源量, 计算结果分别为： 402．93 亿m3和473．16 亿m3。各项计算参数均来源于本区地震、钻井和分析测试的实际数据, 地质类比参照区域为南部邻区的枣园储量区。体积法的计算结果小于类比法是因为本区勘探程度相对较低, 各项参数的选取趋于保守。同时也说明枣园储量区煤层气地质勘探程度高, 资料丰富, 部分参数优于本区。计算方法参照了雪佛龙公司的油气资源评估程序[5], 主要计算参数包括：煤储层分布面积、煤层厚度、煤视密度和煤层气含气量, 并按各项参数实测数据的分布特征, 计算了三个级别可靠程度的煤层气资源量。计算结果分别为： P10： 644．34 亿m3、P50：402．93 亿m3和P90： 237．18 亿m3。