沁水盆地北部15#煤层欠压主控因素分析

杨红军，张遂安，孙延明，赵文，王千玮

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石油大学（北京）气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中国石油大学（北京）煤层气研究中心，北京102249）

沁水盆地北部15#煤层欠压主控因素分析

杨红军1，2，3，张遂安1，2，3，孙延明1，2，3，赵文1，2，3，王千玮1，2，3

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石油大学（北京）气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中国石油大学（北京）煤层气研究中心，北京102249）

由于沁水盆地北部15#煤储层欠压较严重而导致煤层气开发过程中排水降压难度大的情况，为了进一步认清煤储层条件，依托本区现有的地质勘探成果与煤层气开发资料，对15#煤储层欠压的主控因素进行了分析。结果表明：煤系沉积以后上覆地层长期的抬升和剥蚀，构造演化后期的拉张型应力以及煤系发育的陷落柱致使地层应力释放和煤层气逸散，煤系富水性差且各含水层间水动力联系弱、干旱气候和地形地貌不利于降水补给是造成沁水盆地北部15#煤储层压力普遍偏低的主要原因。

煤层气；欠压因素；构造抬升；拉张应力；陷落柱；水文

0引言

沁水盆地北部阳泉矿区位于新华夏系沁水凹陷东北边缘，东依太行隆起，北靠五台隆起。该区是我国最大的无烟煤产地之一，煤炭资源和煤层气资源丰富，自1996年开始，中国煤田地质总局、中联煤层气公司等单位先后在此进行煤层气勘探开发，目前在寿阳区块己施工数百口煤层气井［1-4］。该区主要的含煤地层为石炭系太原组及二叠系山西组［5］，煤系厚度180 m左右，共含煤16层，其中主采3#、12#、15#三个煤层，6#、8#、9#煤层局部可采，煤质均为变质程度较高的无烟煤。其中，上主采煤层3#煤层在山西组上部，K8砂岩下20～30 m，全区煤层厚度0～4.75 m，煤层不稳定；下主煤层15#煤层位于太原组下部，K2下为其直接顶板，煤厚2.00～11.06 m，全区稳定可采。目前，本区的煤层气开发主要集中在储层条件较好的15#煤层。但是，从开采效果来看，由于该地区15#煤层属于典型的低压储层，已投产的多数煤层气井产气情况并未达到预期目标。

煤储层压力是指作用于煤孔隙、裂隙内流体上的压力，是煤层气运移、产出的动力。在一定的封闭条件下，储层压力的大小通常以压力水头（液注）高度表示；储层压力梯度则指从井口到测试层段中点算起的单位深度的压力数值［6-8］。作为煤层能量的具体表现形式之一，煤储层压力常用来评价煤层气藏产气能力。煤层气主要以吸附态形式存在于煤层，在开采过程中，储层压力降至临界压力以下时，吸附态的煤层气便开始解吸出来。储层压力越低，煤层气生产过程中排水降压难度越大，反之则排水降压越容易，所以煤储层欠压无疑增加了煤层气的开采难度［9-13］。为进一步认识该区煤储层条件，找出影响煤层气井产能的深层次原因，有必要系统研究煤储层欠压成因。

1 15号煤储层压力特征

根据煤层气储层压力梯度，将煤层气储层压力梯度为0.93～10.30 MPa/100m的储层称为常压储层，储层压力梯度低于0.93 MPa/100m的储层称为欠压（低压）储层［6］。

统计沁水盆地北部各区块煤田钻孔、煤层气参数井试井实测的相关数据，该区15#煤层埋深普遍在500～800 m，储层压力为1.57～4.85 MPa，平均为3.38 MPa，储层压力梯度为0.27～0.91 MPa/100m，平均为0.49 MPa/100m。整体上欠压较严重（表1）。

表1　沁水盆地北部15#煤储层压力数据Table 1 Pressure data of coal No.15 reservoir in northern Qinshui Bain

2地质背景

沁水盆地北部煤系沉积后，历经印支、燕山和喜山三次构造运动改造。印支期，受侯马-沁水-济源东西走向为中心的凹陷控制，以持续沉降为主，沉积了厚达数千米的三叠系河湖相碎屑岩，厚度由北向南增厚。三叠纪末的印支运动，使华北地台逐渐解体，沁水盆地开始整体抬升，遭受风化剥蚀。燕山期沁水盆地构造运动最为强烈，在北西-南东向挤压应力作用下，石炭系、二叠系及三叠系等地层随山西隆起的上升而抬升、褶皱，形成了轴向近南北的复式向斜，局部断裂、抬升并遭受剥蚀。喜山期受鄂尔多斯盆地东缘走滑拉张应力场作用，在山西隆起区产生北西-南东向拉张应力，发育了山西地堑系，沁水盆地内形成了榆次-介休一带的晋中断陷，沉积了上千米的新近系、第四系陆相碎屑岩，其它地区石炭系、二叠系和三叠系等地层继续遭受剥蚀，并在北部和东南部因拉张而形成北东向正断裂，致使沁水盆地定型于现今状态［14-17］。

3煤储层欠压原因

3.1上覆地层的抬升和剥蚀

沁水盆地内下古生界及前寒武系地层与华北地区类似，其中巨厚的前寒武系，包括太古界和元古界，是华北地台盖层的古老基底；寒武系为一套海相碳酸岩沉积地层，厚215～415 m，奥陶系仅发育下统和中统下部地层，上部缺失志留系和泥盆系，石炭-二叠系为本区主要含煤地层。沁水煤田含煤地层主要是上石炭统太原组和下二叠统山西组，是在奥陶系古风化壳之上发育的一套近海、海陆交互相含煤沉积。本区煤系形成以后，沉积埋藏大致分为5个阶段：

①煤系形成之初至二叠纪末，盆地基底缓慢沉降；

②三叠纪时期，本区地壳快速沉降；

③早侏罗世，地层开始抬升剥蚀；

④中侏罗世，沁水盆地重新进入缓慢沉降阶段；

⑤晚侏罗世至现今，本区持续抬升剥蚀，尤其是晚白垩世起，煤系抬升加快，其上覆地层遭受严重剥蚀，石炭二叠系煤层埋深不断变浅，煤层气藏不断遭受破坏。

由沉积埋藏史可以看出，从本区煤系形成到三叠纪末，地壳处于沉降状态，之后，除了在侏罗纪中期又发生短暂沉降外，其它漫长地质时代盆地地壳一直处于抬升剥蚀状态，导致现今本区15#煤层埋深普遍在800 m左右，甚至更浅。抬升剥蚀会产生两方面效应：一方面，地层抬升导致地下水向下倾方向泄漏，水位下降，造成静水柱压力降低；另一方面，地层被剥蚀，煤层埋深变浅，地层温度降低，致使孔隙内流体体积收缩，造成孔隙压力减小。以上两个效应都会引起储层压力下降［18-20］。

3.2拉张型应力

构造应力可直接影响煤储层孔隙空间内流体压力的大小。现代构造应力的性质决定着储层压力的大小，一般认为处于挤压构造应力场背景中的煤储层，其压力值往往偏大，压力梯度偏高；而处于拉张型构造应力场中的煤储层，其压力值偏小，压力梯度也偏低［21］。

区域构造应力条件是影响割理裂隙发育的客观条件［22］，自燕山晚期以来，沁水盆地北部主要以拉张应力为主。在喜马拉雅期，区内受鄂尔多斯盆地东缘走滑拉张应力场作用，盆地由挤压体制转为引张体制（NW-SE向），盆地西部、北部的断裂广泛发育，形成晋中、临汾地堑系。该时期，强烈的拉张应力在本区形成了大量的NE向正断层，且有利于煤层割理、裂隙的开启及张性裂隙的生成，从而导致煤层应力释放，煤层气逸散，最终导致储层压力降低。

3.3陷落柱发育

煤田勘探及煤矿开采实践都表明，沁水盆地北部岩溶陷落柱非常发育［23］。据不完全通统计，仅沁水盆地北缘阳泉矿区的6个矿在采掘过程中就揭露742个陷落柱，分布密度达22～44个/km2。

根据陷落柱塌陷程度不同，可分为通天柱、半截柱及下伏柱3种［24］（图1）。

图1　塌陷程度不同的陷落柱Figure 1 Subsided columns with different degrees of collapse

①通天柱：柱口出露地表，上覆地层全部塌陷。

②半截柱：柱内下部地层塌陷（包含煤层），上部地层依然如故。

③下伏柱：只限于现成陷落柱的基础地层塌陷，在沁水盆地即为奥陶系灰岩塌陷。

沁水盆地北部发育的陷落柱，严重破坏了煤层的完整性，对煤层气的保存也有不同程度的影响。在众多类型的陷落柱中，对煤储层影响较大的是通天柱和半截柱。通天柱内岩层极度破碎，煤层陷落消失，煤储层泄压，煤层气向上运移散失，造成煤储层低含气、低饱和。半截柱会使煤层的顶底板沟通，导致煤储层应力释放，同时煤层气虽不能直接逸散到大气中，但会被地下水携带走而散失。总之，煤系中的陷落柱存在是对煤层封闭性的破坏［25］，陷落柱附近煤层通常由于应力释放而泄压，煤层气也会运移散失，造成煤储层低含气、低饱和，进而加剧煤储层压力的减小。

3.4水文地质条件

水文地质条件不仅影响着煤层气的保存和运移，而且直接影响着煤储层压力的高低与分布［26］。沁水盆地北部煤系主要含水层有太原组灰岩含水层（K2灰岩、K3灰岩、K4灰岩）、山西组砂岩含水层，研究区煤矿太原组主要含水层的抽水试验结果（表2，表3）表明，各含水层单位涌水量很小，随着抽水时间的延长，各含水层水位均逐渐下降，且抽水后的恢复水位一般低于抽水前的静水位，部分钻孔甚至存在短时间被抽干的现象。说明本区煤系富水性弱，煤系各含水层之间没有形成有效的水力联系，且同其他含水层联系微弱，缺乏有效补给，煤系静水柱压力减小，导致煤储层压力降低［27］。

表2　太原组含水层抽水试验结果Table 2 Pumping test results of Taiyuan Formation aquifers

表3　山西组含水层抽水试验结果Table 3 Pumping test results of Shanxi Formation aquifers

3.5地面补给条件差

沁水盆地北部地处山西黄土高原东部，属半干旱大陆性气候。气候干燥，昼夜温差大，年平均气温7.4℃，最低气温为-26.2℃，最高气温为35.7℃。年平均降水量476.7 mm，其中7、8两个月占全年降水量的45%，年蒸发量1 755.8 mm。蒸发量是降水量的3～4倍，会造成地下水水位不断下降，静水柱压力降低自然导致煤储层压力减小。

另外，本区为低山、丘陵地貌，低山多基岩裸露，风化严重，黄土仅残存山巅或山坡，植被稀少。黄土冲沟发育，多呈U字型或V字型，树枝状展布（图2）。因此，该区地形地貌使得地表径流条件好，不利于大气降水的入渗补给。在降水量原本远小于蒸发量的情况下，势必加剧地下水位下降，进而减小煤系上覆地层静水柱压力，降低储层压力。

图2　沁水盆地北部地形地貌Figure 2 Topographic features of northern Qinshui Basin

4结论

沁水盆地15#煤层整体欠压较严重，系统分析其成因有如下几点：

①本区石炭二叠系煤层沉积以后，煤系及其上覆地层经历了长期的抬升和剥蚀；

②成煤后期构造演化以拉张应力为主，有利于煤层割理、裂隙的开启及张性裂隙的生成，造成煤层应力释放，煤层气逸散；

③沁水盆地北部陷落柱极其发育，陷落柱附近煤层通常由于应力释放而泄压，以及煤层气运移散失，造成煤储层低含气、低饱和；

④煤系富水性差，各含水层水动力联系弱，缺乏有效补给；

⑤地面补给条件差：气候干旱和不利于入渗补给的地形地貌。

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Analysis of Main Controlling Factors of Coal No.15 Underpressure in Northern Qinshui Basin

Yang Hongjun1，2，3，Zhang Suian1，2，3，Sun Yanming1，2，3，Zhao Wen1，2，3and Wang Qianwei1，2，3
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249；2.Ministry of Education Gas Energy Exploitation and Utilization Engineering Research Center，CUPB，Beijing 102249；3.CBM research Center，CUPB，Beijing 102249）

Since the coal No.15 in northern Qinshui Basin is serious underpressure and caused difficult water drainage and depressurization during CBM exploitation process，to get a clear understanding of coal reservoir condition，based on available geological exploration results and CBM exploitation data in the area，carried out analysis of main controlling factors of coal No.15 underpressure.The result has shown that after coal measures strata deposited，overlying strata long-term uplifted and denuded，tectonic evolution later stage tensile stress and subsided columns developed in coal measures strata caused release of stress and CBM dissipated；together with poor water yield property of coal measures strata，and weak hydrodynamic relation between aquifers，arid climate and topographic features not advantageous to precipitation recharge are main causations caused coal No.15 reservoir general underpressure in northern Qinshui Basin.

CBM；underpressure factor；structural uplift；tensile stress；subsided column；hydrology

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.06

1674-1803（2016）09-0026-04

国家科技重大专项基金资助项目（2011ZX05034-003）

杨红军（1988—），男，回族，河南遂平人，硕士研究生。

2016-04-26

责任编辑：宋博辇