准噶尔盆地东部地区煤层气储层特征

杨曙光 田继军

(1.新疆煤田地质局煤层气研发中心,新疆 830009;2.新疆大学地质与勘查工程学院,新疆 830046)

准噶尔盆地东部区北邻卡拉麦里山,南接博格达山,包括石树沟凹陷、石钱滩凹陷、梧桐窝子凹陷和沙奇凸起等,区内侏罗系煤层发育,准东煤田煤炭探明储量达2136亿t,为目前我国最大的整装煤田。虽然煤炭储量非常丰富,但受理论上低阶煤含气量较低认识的限制,针对准东煤层气研究总体比较薄弱,对准东煤田煤层气研究基本上采用准南地区资料类比推测;煤层气资源的预测也主要是采用煤炭资源成果来预测。存在地质勘探程度低,煤储层地质研究不够充分,开采技术不完善等,制约了对该区煤层气资源潜力的评价。

本文根据煤田及油田最新钻探的煤层气参数井,从煤储层特征角度分析入手,根据煤储层的孔隙分布特征、渗透性及对甲烷的吸附能力等特征分析准东煤田煤层气的储集性能,优选有利区带,为今后准东煤田煤层气研究及勘探开发提供可靠的基础资料和技术依据。

1 主要含煤地层及沉积环境

准东含煤岩系的沉积相主要为冲积扇 (湿地/旱地/半旱地扇)相、扇三角洲、辫状河、曲流河、(辫状河/曲流河)三角洲、湖沼及水下 (浊积)扇相几种类型。

准噶尔盆地主体的下沉速度和沉积速度基本保持平衡。在早、中侏罗世的不同沉积时段大体可分为3个相区：冲积扇相区、河流相区和湖泊相区。八道湾组沉积时,准东地区主要为滨湖相区和冲积扇相区分布,在北部紧靠卡拉麦里山为河流相区分布。西山窑组沉积时,研究区主要为滨湖相区、河流相区分布。八道湾组和西山窑组沉积时的岩相古地理面貌十分相似,在这两个沉积阶段内,湖盆水体很浅,湖泊三角洲体系发育,为稳定的、大面积的泥炭沼泽的形成创造了极为有利的环境,并最终导致优质煤层的形成。而两套煤系之间的三工河组沉积时,却主要是大面积的湖泊相 (尤其是深湖泊相和较深湖相)沉积,不利于含煤岩系的形成。

表1 准东及邻近地区西山窑组煤层孔隙度分布简表

2 煤储层特征

2.1 煤层的孔隙特征

准东地区煤的变质程度较低,分析该区煤储层的孔隙特征十分重要,有利于探讨该区煤层气储集、扩散和运移。

本次收集了准东及邻近地区压汞法测得的西山窑组煤层孔隙资料 (表 1),孔隙度 4.33%～27.46%,平均15.38%;中值半径0.0375～0.320μm,平均 0.144μm。大孔 (＞ 1000nm) 占8.38%～43.4%,中孔 (1000～100nm)占17.36%～40.87%,大孔和中孔平均54.56%,小-微孔(＜100nm)占45.45%。可见西山窑组煤中孔隙主要还是以中孔、大孔为主,其次是小-微孔。

2.2 煤的吸附特征

煤层的吸附性能决定了煤层气的赋存状态和储集能力。等温吸附试验 (图1、2)表明,研究区内不同区块煤层的吸附能力有所差异,五彩湾矿区的空气干燥基Langmuir体积最大,为11.2m3/t,其次为研究区中部北山煤窑和大井地区,空气干燥基Langmuir体积分别为9.12m3/t、8.0m3/t;东部老君庙矿区空气干燥基Langmuir体积为6.83m3/t,西部沙帐地区沙煤1井空气干燥基Langmuir体积仅为1.76m3/t,可见准东地区西山窑组煤层吸附量远小于准南地区;Langmuir体积也总体明显低于我国其他地区相同煤级煤,表明研究区煤的吸附能力偏低。

煤的吸附量与Langmuir压力大小有关,Langmuir压力越小,吸附量越大,煤层甲烷的储存量也越大。煤变质程度越低,Langmuir压力越大,我国褐煤、长焰煤、气煤Langmuir压力平均分别为8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等温吸附测试结果得知：北山煤窑、老君庙与我国其他地区Langmuir压力大小相近,五彩湾则远高于我国其他地区同煤级煤的Langmuir压力值,沙帐地区和大井地区则偏低。

2.3 煤储层渗透率

煤储层的渗透性是煤层气勘探与开发最关键的问题之一。其影响因素非常复杂,主要包括孔隙、裂隙、煤级、煤岩类型、原地应力与埋深等。煤层气勘探开发中,渗透率的获取方法,主要是通过注入/压降试井方法获得。鉴于准东地区煤层气勘探现状,主要分析研究区及邻区实测渗透率的分布。依据有限资料的统计,准东及邻近地区西山窑组煤储层渗透率变化比较大,其渗透率测值变化0.05×10-3μm2～8.67 ×10-3μm2, 充分体现了煤储层非均质性的特征。其中,木垒地区渗透率最高,达8.67×10-3μm2;而大井地区的渗透率最低,为0.05×10-3μm2。我国低煤级煤储层渗透率一般在0.02×10-3μm2～0.6 ×10-3μm2,准东及邻近地区渗透率相对国内其它低煤级区域较高,但与美国粉河盆地煤层渗透率 10×10-3μm2～1000×10-3μm2相比,准东地区渗透率仍然较低。

图1 沙煤1井等温吸附曲线

图2 研究区西山窑组煤的等温吸附曲线

2.4 储层温度

储层温度是煤层气解吸吸附能力的敏感性参数,直接影响到煤层气的储存和产出。从储气角度分析,温度高,则煤的吸附能力降低,煤层的储气能力呈下降趋势;而从开发角度讲,温度越高,煤中甲烷解吸能力越强,有利于煤层气产出。

准噶尔盆地地温随埋深增加而升高,地温梯度集中在 2.3～3.3℃/100m,平均地温梯度约2.25℃/100m,东部地温梯度在2.4℃/100m左右,五彩湾彩参1井所测地温梯度为2.5℃/100m,大井地区煤层气井试井所测储层温度为29℃。

2.5 储层压力

煤层压力是指煤层孔隙中的流体 (气、水)压力,直接决定着煤层对甲烷的吸附和解吸能力,是影响煤层气开发的重要参数。同时,储层压力也是流体从煤中裂隙流向井筒的能量,当降低煤储层压力,煤孔隙中吸附的气体就开始解吸,向裂隙方向扩散,在压力差作用下从裂隙向井筒流动。在气井排采时,煤储层压力越高,越容易降压排采,越有利于煤层气开发。

根据先前研究可知,准东地区储层压力表现为南部高、中部平、北部低的格局;南部煤系地层压力在1600m左右即出现超压。准东区块大井地区煤层气井试井所测西山窑组煤层储层压力为7.92MPa,储层压力梯度为1.08MPa/100m。根据有限的油田探井测试结果而计算的储层压力梯度为0.79～1.22MPa/100m(表2),研究区中部压力正常,西南部较高,西部较浅处较低,深部较高;储层压力随埋深增大而增加趋势明显。

3 下一步勘探部署建议

准东地区煤田勘探及煤层气勘探程度都不是很高。煤炭勘探程度极不均衡,研究区中部,煤田勘探程度较高,但目前仅有一口煤层气参数井。研究区东部,仅在北端老君庙地区进行了煤田勘探及开采,煤层气尚未进行过勘探工作。研究区西部,在东缘五彩湾、帐南西地区及东北段芦草沟地区进行了煤田勘探及开采,西段基本没有进行煤田勘探工作;在西部南段帐南西地区,有一口煤层气参数井,也仅是做了采样解吸测试工作,未进行试井工程。

表2 研究区石油钻孔储层压力测试结果统计表

针对研究区目前煤炭和煤层气勘探现状,建议今后分阶段分地区进行煤层气勘探。中部煤炭勘探程度较高,可依据的基础资料较多,因此可在所选择的勘探有利区块首先进行煤层气勘探试验,可部署1～2口测试井进行测试,经过测试,确认该井具备勘探潜力的情况下,进行压裂及排采试验;如果试验效果好,可在该井附近部署更多的煤层气井,形成井组或井网,进行井组煤层气生产试验。

研究区西部、东部由于煤炭勘探程度低,可作为次一级煤层气试验地区,在本次优选的较有利区部署煤层气试验井。研究区南部可随着今后煤炭勘探程度的提高,进行后续跟踪研究。

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