水力封堵型煤层气藏类型及地质意义

才思斯 许 浩 汤达祯 赵俊龙 彭己君 孟金落 于明杰

(中国地质大学 (北京)能源学院,北京 100083)

煤层气藏是一种重要的非常规天然气藏。目前对水力封堵型煤层气藏类型划分的研究还很少。本文通过对大量资料分析研究,制定专门针对水力封堵型煤层气藏的分类方案。期望有效的分类能够对以后的开发生产提供科学依据。

1 水力封堵型煤层气藏方案

水力封堵型煤层气藏是指除了受其它地质边界控制外,煤层气的运移、富集还受地下水的封堵或驱动控制的煤层气藏。

根据煤层气藏单一截面边界的水力封堵特点,结合煤层气藏构造和岩性特征将其分为两大类六小型 (表 1)。

Ⅰ构造类：

结合水力封堵型煤层气藏区域构造特征可分为：①单斜型水力封堵煤层气藏;②向斜型水力封堵煤层气藏;③断层型水力封堵煤层气藏。

Ⅱ复合类：

根据煤层气藏不同封堵条件可分为：①水力封堵—物性型煤层气藏;②水力封堵—岩性型煤层气藏;③水力封堵—断层型煤层气藏。

表1 水力封堵型煤层气藏分类表

2 构造型水力封堵煤层气藏

2.1 单斜型水力封堵煤层气藏

单斜型水力封堵煤层气藏是指在单斜构造中,由于地下水的封堵或驱动控制对煤层气进行的封藏作用,使煤层气富集的一种形式 (表1)。典型单斜型水力封堵煤层气藏实例为鄂尔多斯盆地东缘柳林地区。

柳林地区位于鄂尔多斯盆地东部,东边以离石断裂为界,为一南北走向的西倾单斜构造,西部边界为地下水力封堵边界。地下水运移到深部滞留区,没有明显边界。

单斜型水力封堵煤层气藏,地下水运动方向单一,即由上层补给区沿岩层倾斜向下由浅部向深部运动,煤层气逸散方向与地下水运动方向相反则煤层气能够被封堵。以上柳林地区很好的符合单斜水力封堵。此外,晋城矿区的东区和西区均属于单斜水力封堵煤层气藏类型。

2.2 向斜型水力封堵煤层气藏

向斜型水力封堵煤层气藏是指在向斜构造中,两侧由于地下水的封堵或驱动控制对煤层气进行了封藏作用 (表1)。结合不同向斜地质条件具体实例会有不同情况,例如,沁水盆地为典型复式向斜型水力封堵煤层气藏,而开滦矿区为不对称向斜型水力封堵煤层气藏。

以开滦矿区为例,开平向斜为一不对称向斜,因为西北翼露头高而东南翼低,造成地下水由西北翼补给,向东南翼排泄。因此,西北翼地下水径流方向与煤层气顺层运移方向相反,有利于煤层气成藏;东南翼水流方向与煤层气运移方向相同,造成煤层气逸散。这是向斜西北翼马家沟井田和唐山井田煤层含气量高的原因之一。

大量资料表明,地下水带动煤层气向下流动,在向斜轴部富气,若水流流速缓慢并且流动方向与煤层气运移方向相反,这种条件下有利于封堵煤层气,相反,可能会导致煤层气逸散。理论和实践研究表明,向斜为煤层气富集的主要构造控制因素。

2.3 断层型水力封堵煤层气藏

断层型水力封堵煤层气藏指的是开放断层位于地下水的补给区,能够对煤层气进行封堵成藏,有利于煤层气的保存的水力边界。典型实例如美国的犹他州中东部[10](图1)。

如图1可以看出,在犹他州中东部地区地下水沿Joe′s Valley断层接受地面补给向下流动,并沿两侧含水层和煤层运移,有效地封堵煤层气藏。

研究断层型水力封堵煤层气藏首先要确定开放性断层与地下水的关系,若断层位于补给区一般能够封堵煤层气并成藏,若位于排泄区易造成煤层气的散失,如河东煤田的柳林地区。

图1 犹他州中东部Ferron砂岩段水力系统示意图(据Anna[10],2003)

3 复合型水力封堵煤层气藏

3.1 水力封堵-物性型煤层气藏

水力封堵-物性型煤层气藏是指物性对于煤层气的封堵起到了主导作用,同时与水力结合形成的一种煤层气富集类型 (表1)。典型实例为美国的圣胡安盆地煤层气藏。

圣胡安盆地的盆地水文地质条件对煤层气成分的影响是十分明显的。物性封堵的原理是煤体在构造应力作用下破碎为糜棱煤,物性变差,排驱压力增大,对煤层气的扩散运移起到阻止作用[11]。圣胡安盆地浅层地下水携带煤层气聚集成藏,是典型的水力封堵-物性型煤层气藏 (图2)。

图2 圣胡安盆地水力封堵-物性边界示意图(据宋岩[11],2010)

此种类型的水力封堵煤层气藏在封堵中受到了物性变化的影响,在配合了一定的构造组合之后,有利于煤层气的封闭,进而易形成煤层气藏的富集。

3.2 水力封堵-岩性型煤层气藏

在盆地深部方向由于岩相的变化形成深部的煤层气的运移阻挡,而在煤层上倾方向则由水力动力形成封堵,从而形成煤层气的富集 (表1)。典型的岩性-水动力封堵煤层气藏如铁法盆地 (图3)和粉河盆地。

图3 铁法盆地煤层气富集模式图

铁法盆地浅部水动力强,但由于下部煤层气与上方地下水的相向运动减弱水的流动能力形成滞留区。煤层与近缘沉积呈指状交叉,短距离内由厚变薄形成煤层尖灭阻止煤层气散失。

粉河盆地顶部主要受网络状渗滤形成的水力封堵,侧向上和底板主要为岩性封闭,且部分煤层向盆地内部尖灭于页岩当中。在盆地浅部地下水深部循环逐渐变缓,形成地下水滞留区,煤层气受到煤层尖灭的运移阻挡利于煤层气的保存。

此类水力封堵型煤层气藏主要受地下水滞留区的封堵作用,又因为煤层岩性的变化阻挡气体的运移,利于煤层气聚集成藏。

3.3 水力封堵-断层型煤层气藏

水力封堵-断层型煤层气藏是指一侧为地下水封堵,滞留区边界的另一侧为封闭断层的煤层气藏(表1)。典型实例为沁水南盆地西部地区。

沁南煤层气藏的西部边界为封闭性的寺头断层,北部由于地表降雨入渗微弱形成滞流区。寺头断层对其东西两个煤层气藏的水文地质条件、构造格局和煤层气的赋存都具有明显的控制作用。

水力封堵-断层型煤层气藏中煤层气的富集程度主要由地下水的运动方向和封闭性断层性质决定。地下水由浅部向深部运移时,封闭性的断层边界减弱水动力形成滞留区。这种条件下,顺煤层流动的地下水,不仅起到了阻止煤层气散失的作用,而且由于新增静水压力的存在,在一定程度上增加了储层压力,使煤储层吸附更多的煤层气[13]。

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