晋城无烟煤地区煤层气储层区域差异及不同区域特征

李仰民 王生维 李梦溪 胡秋嘉 刘春春

(1. 中国石油华北油田煤层气勘探开发分公司, 山西 048000; 2. 中国地质大学 (武汉) 资源学院, 湖北 430074)

1 引言

煤储层特征是地面煤层气开发阶段实施各种技术措施的最重要对象, 是制定煤层气开发方案、选择开发技术的重要依据。从目前煤层气勘探开发来看, 煤层气直井的施工方案大同小异, 由于对煤层气藏本身认识不清, 在方案制定时目标不明确, 通过对煤层气储层区域差异及不同区域的特征进行研究, 可以对煤层气开发井的开发方案提供一定的参考依据, 对当前煤层气开发井的效率有一定提高。

随着我国煤层气产业化生产, 对于煤层气藏的认识不断完善, 但对煤层气藏的定义也不尽相同,最早李明潮等[1](1996) 、钱凯等[2](1997) 、张新民等[3](2002) 、王红岩等[4]、宋岩等[5]、王生维等[6]均对煤层气藏的概念下过定义。基于这些定义, 不同的学者对煤层气藏的分类也做了不同的归纳。

但煤层气属于典型的残存资源, 成煤物质沉积之后, 经过复杂的泥炭化、煤化作用, 生成大量的甲烷气, 并吸附在煤的孔隙内表面。之后, 受到构造破坏、地史时期的地下水流动以及氧化作用, 吸附在煤中的部分甲烷气被逸散。当今, 只有保存下来的相对富集的区域才具有开发价值。

常规油气对“藏”有着明确的定义和界限, 煤层气藏是一个借用常规天然气的概念, 煤层气本身很难找到“藏”的条件, 借用同一个概念来表述不同的事物有些不妥, 建议在研究过程中不用此概念。

本文从煤储层本身出发, 通过对比煤储层的渗透性和含气饱和度, 参考已有部分井的排采相关资料, 将晋城地区煤层气储层区划分为四类： 富集高渗煤层气储层区域、高饱和度低渗透煤层气区域、高渗透率低饱和度煤层气区域和低渗透率中低饱和度煤层气区域。下面就各类煤层气储层区域从渗透性和含气性两个方面逐一论述。

2 各类煤层气储层区域的差异及特征

2．1 富集高渗煤层气储层区域的特征

这种区域的煤储层常常发育在远离断层地带,但是其受到明显的构造微破裂作用[6]的影响, 煤储层大裂隙系统适度发育[7], 煤储层的渗透率比较高。该煤层气储层区域的含气量总体上较高, 含气饱和度为饱和或者接近饱和, 典型的例子就是潘庄区块的大部分区域。

2．1．1 煤储层大裂隙系统发育特征

该区域的煤储层的大裂隙系统发育特征是外生节理发育, 表现在外生节理线密度一般可为0．5～1 条/m, 外生节理在煤储层垂向上大部分发育, 特别是煤储层的中上部更为发育, 其中98%以上的外生节理仅仅发育在煤层内部, 仅有极少数外生节理延伸接近或者达到了煤层顶板, 但是几乎没有外生节理穿透顶底板围岩。该类外生节理在几乎不破坏煤层气保存条件的同时, 有效地将煤储层内部的气胀节理与内生裂隙联通, 提高了煤层气储层的渗透性。发育适中的煤储层大裂隙系统在提高煤储层渗透率的同时, 基本没有破坏煤层气的保存条件,发育该类大裂隙系统的煤储层一般具有中高渗透率, 平均在3md 左右。发育该类煤储层大裂隙系统的典型区块是潘庄区块大部分区域 (图1) 。

2．1．2 含气性特征

富集高渗区煤层气储层区域, 其含气性较好,其含气量平均在20m3/t 以上 (图2) , 含气饱和度在89%以上, 整体上接近饱和, 就煤层气产出来说, 有较好的“物质”基础。

2．2 高饱和度低渗透煤层气储层区域的特征

图1 潘庄区块2314 工作面3#煤储层大裂隙系统图

图2 潘庄区块3#煤层含气量等值线图

这种区域的煤储层常常发育在远离断层地带,由于没有受到明显的构造微破裂作用, 煤储层大裂隙系统欠发育, 外生节理不仅线密度低, 而且仅发育在煤层的中上部。煤储层的渗透率比较低。该煤层气储层区域的含气量总体上较高, 含气饱和度为饱和或者过饱和, 典型的例子就是潘庄区块的深部区域。

2．2．1 煤储层大裂隙系统发育特征

该区域的煤储层的大裂隙系统发育最显著的特征是外生节理几乎不发育, 表现在外生节理仅发育在3#煤层的中上部, 节理的线密度低, 一般为1条/2m 或者更稀疏。外生节理与气胀节理和内生裂隙之间缺少有效的联通。外生节理几乎没有提高煤储层的渗透率, 对煤层气的保存没有任何破坏。发育该类大裂隙系统的煤储层具有一般具有较低的渗透率, 其渗透率一般小于1md (图3) 。发育该类煤储层大裂隙系统的典型区块是潘庄区块的深部区域, 位于潘庄区块的东部, 其深度较西部平均大100m 左右。

2．2．2 含气性特征

高饱和度低渗透煤层气储层区域, 其含气性也较好, 其含气量平均也在20m3/t 以上 (图2) , 含气饱和度在89%以上, 整体上接近饱和, 就煤层气产出来说, 有较好的“物质”基础, 但其渗透性稍差, 不利于煤层气的产出。

2．3 高渗透率低饱和度煤层气储层区域的特征

这种区域的煤储层常常发育在靠近断层带附近, 断层导致煤储层大裂隙系统异常发育, 因此煤层内部除了发育有导通性良好的小断层以外, 外生节理系统也异常发育。煤储层内的大裂缝系统充填严重。该煤层气储层区域的含气量总体上异常低(不排除断层间极少数点有较高的含气量) , 含气饱和度特别低, 典型的例子就是赵庄区块的大部分区域。

2．3．1 煤储层大裂隙系统发育特征

该区域的煤储层的大裂隙系统发育的特征是外生节理异常发育。集中体现在外生节理线密度高,一般可以达到2～5 条/m, 大部分外生节理密集成带发育, 部分外生节理已经延伸到了煤层顶板内部, 特别是泥岩或者粉沙质泥岩顶板内部。尽管顶板的外生节理线密度远不如煤层中的高, 但是从顶板节理缝中的充填物推断, 这些节理已经对煤层气的保存造成了破坏, 这一点可以从相应的煤层含气量测定值得到验证。外生节理的发育在提高渗透率的同时破坏了煤层气的基本保存条件, 发育该类大裂隙系统的煤储层具有较高的渗透率, 依据赵庄区块3#煤储层大裂隙系统发育特征, 该储层的渗透率可以达到10md 以上, 通常也在5md 以上。发育该类煤储层大裂隙系统的典型区块是离樊庄比较近的赵庄区块 (图4) 。成庄区块的局部地段也具有上述特征。

图3 潘庄区块寺河矿2303 工作面3#煤储层大裂隙系统发育特征图

图4 赵庄区块1303 工作面3#煤储层大裂隙系统发育特征图

2．3．2 含气性特征

高渗透率低饱和度煤层气储层区域, 其含气性较差, 其含气量一般低于14m3/t (图5) , 含气饱和度小于30%, 整体上为严重欠饱和, 就煤层气产出来说, 其“物质”基础较差, 属于先天不足型, 煤层气井没有高产的潜力。

2．4 特低渗透率中低饱和度煤层气储层区域的特征

这种区域的煤储层常常发育在断层带内部, 断层除导致煤储层大裂隙系统异常发育外, 煤层内部的大部分断层与外生节理内部均不同程度地发育有煤粉或者煤粉带。由于煤粉的存在, 煤储层内的大裂缝系统的渗透率严重下降。该类储层的含气量总体变化比较大, 表现在很短的距离内 (几米到十几米范围内) 就发生明显的变化。含气饱和度总体也比较低。该类煤储层在空间上所占比例比较小。这种类型的煤层气储层区域主要发生在煤质较软, 破碎严重, 易产生煤粉的地带, 晋城赵庄矿部分区域就是这种类型的煤层气储层区域。由于该类煤层气储层区域, 渗透性和含气性两个先决条件均不满足, 一般认为其不具备煤层气勘探开发的条件。

图5 赵庄区块局部3#煤层含气量等值线图

3 不同类型煤层气藏的煤层气开发策略

煤储层是地面煤层气开发阶段实施各种技术措施的最重要对象, 是制定煤层气开发方案、选择开发技术的的重要依据, 通过对煤储层和产能的研究对不同区域的煤层气开发技术提以下建议。

3．1 富集高渗煤层气储层区域的煤层气井

由于其天然裂隙较为发育, 本身渗透性好, 加之含气饱和度高, 故这类煤层气井压裂相对简单,即使加大规模, 其产能变化也不会明显, 从经济上讲, 建议进行小规模压裂即可。对于这类区域应当注意的是, 防止发生人为原因而导致的煤层气产量上不来的现象, 比如在钻井过程中, 应当注意防止钻井对煤层进行污染; 在排采过程中, 应当注意发生储层机动现象。

3．2 高饱和度低渗透煤层气储层区域的煤层气井

由于其天然裂隙差, 本身渗透性不好, 但其含气饱和度高, 煤层气开采的潜力较大, 是煤层气勘探开发的重要对象, 建议在这类区域开采时加大压裂液量进行大规模压裂和多次压裂相结合, 以期达到较好的压裂效果, 提高储层渗透率, 达到增产的目的。

3．3 高渗透率低饱和度煤层气储层区域的煤层气井

尽管其天然裂缝好, 渗透率高, 但是其含气饱和度低, 煤层气单井产量一般不高, 多小于800m3/d, 且其产水量大, 一般需要长时间排采,故其开发效果不好, 建议对这类区域应适当减小投资。

3．4 低渗透率中低饱和度煤层气储层区域

在空间上所占比例比较小, 这种类型的煤层气藏主要发生在煤质较软, 破碎严重, 易产生煤粉地带, 晋城赵庄矿部分区域就是这种类型的煤储层。由于该类区域, 渗透性和含气性两个先决条件均不满足, 一般认为其不具备煤层气开发价值。

4 结论

4．1 煤层气与常规天然气本质上的不同

煤层气的载体煤层本身物性上存在很强的非均质性, 煤层横向上的非均质性表现的更加明显, 常规油气对藏有着明确的定义和界限, 煤层气藏是一个借用常规天然气的概念, 煤层气本身很难找到“藏”的条件, 借用同一个概念来表述不同的事物有些不妥, 所以本文建议在煤层气研究时不引用煤层气藏的概念。有必要对晋城无烟煤地区煤层气储层区域差异及不同区域的特征进行细致的研究, 以便于更好的为煤层气开发服务, 为煤层气井的施工提供更加准确的依据。

4．2 综合煤储层渗透性和含气性两个因素

从煤层气开发角度, 识别出晋城地区有四种代表性的煤层气储层区域： 富集高渗煤层气储层区域、高饱和度低渗透煤层气区域、高渗透率低饱和度煤层气区域和低渗透率中低饱和度煤层气区域。这种分析不同区域的煤储层的差异和特征, 对煤层气开发有着重要的指导作用。

4．3 通过煤层气藏的划分

认为富集高渗煤层气区域和高饱和度低渗透煤层气区域为煤层气开发的主要对象, 煤层气开发时就优先考虑。富集高渗煤层气区域本身渗透性和含气性等天然条件就好, 适合煤层气的开发; 高饱和度低渗透煤层气区域尽管本身渗透性差, 但其含气性高, 有较大的开发潜力, 其渗透性可以通过人工干预得到改善, 认为开采时加大压裂液量进行大规模压裂, 可以达到较好的压裂效果, 提高储层渗透率, 最后达到较理想的工业气流。

4．4 对于高渗透率低饱和度

煤层气区域和低渗透率中低饱和度煤层气区域进行煤层气开发不理想。这两类气藏其含气量均较低, 一般小于＜14m3/t , “物质”基础差, 在煤层气开发时, 应滞后考虑。

4．5 针对煤层气储层区域差异及不同区域的特征

在制定煤层气井施工方案时, 有着明确的目的性。比如针对富集高渗煤层气区域和高饱和度低渗透煤层气区域, 应采取不同的压裂方案, 前者, 天然渗透性好, 在压裂改造上, 要求可以放低一些,毕竟人工造缝同天然裂缝相比相差较大; 但是后者由于天然渗透性差, 可以适当加大压裂规模, 以期达到较好的渗透率, 产出可观的煤层气流。

[1] 张新民, 庄军, 张遂安等．中国煤层气地质与资源评价 [M] ．北京： 科学出版社, 2002．

[2] 王红岩, 刘洪林, 赵庆波等．煤层气富集成藏规律[M] ．北京： 石油工业出版社2005, 42- 45．

[3] 宋岩, 柳少波, 洪峰．煤层气成藏地质条件及气藏类型, 煤层气成藏机制及经济开采理论基础 [M] ．北京： 科学出版社2005, 1- 9．

[4] 王生维, 章泽军, 乌效鸣等．晋城煤层气藏成藏机制[J] ．地球科学- 中国地质大学学报, 2008, 33(6) ： 807- 812．

[5] 王生维, 陈钟惠, 张明等．煤储层岩石物理与煤层气勘探选区- 以华北若干煤区为例 [M] ．武汉： 中国地质大学出版社, 1997．