沁水盆地成庄区块煤层气成藏优势及富集高产主控地质因素

王 勃，姚红星，王红娜，赵 洋，李梦溪，胡秋嘉，樊梅荣，杨春莉

(1.国家安全生产监督管理总局 信息研究院，北京，100029； 2.中国石油 华北油田分公司，河北 任丘 062550；3.中国石油 东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州，072750； 4.中国矿业大学，江苏 徐州，221116；5.中国石油集团 科学技术研究院有限公司，河北 廊坊 065007)

成庄区块位于沁水盆地东南部，含气面积为33 km2，煤层气资源量为80×108m3。该区块自2010年投入开发，开发层位为山西组3#煤层，累计钻开发直井80余口，水平井2口，无论是直井还是水平井，均见工业气流，目前日产气量约为30×104m3。直井平均单井日产气约为3 000 m3，2口水平井日产气超过10 000 m3。成为中国高煤阶煤层气勘探开发成效最好的区块之一。同时，前人针对沁水盆地开展了卓有成效的研究，普遍性的观点认为含气量与渗透率的耦合作用控制着煤层气的富集高产[1]；含气量受气源、构造、水动力及顶底板条件控制，渗透率受地应力控制[2-9]。在以上研究的基础上，基于“煤层气富集不一定高产，高产区一定位于富集区”这一辨证观点[10]；孔渗性变好主要原因在于：岩浆活动的高温环境，一方面导致煤层微观、宏观孔隙的数量增多，另一方面煤层生气量大，存在于煤基质中的游离气产生向外突破的压力，促进了裂隙的形成[11-13]。本文以前人研究为基础，利用物理模拟实验、数值模拟及大量生产实践数据，探讨了成庄区块煤层气富集、高产主控因素的控气作用机理，揭示该区富集、高产主控因素控气的特殊性，以期指导相似地质条件区块的优选及下步开发。

1 煤层气成藏优势

1.1 煤层气以有机热成因为主，含气量高

表1 成庄区块煤层气组分及同位素测试结果Table 1 CBM composition and isotope test results of the Chengzhuang Block

煤层气组分及同位素测试结果表明(表1)，成庄区块煤层气以烃类气体为主，其中甲烷体积分数最高，为23.34%～96.35%；非烃含量主要为N2和CO2，其中N2体积分数在2.56%～73.16%，CO2体积分数在0.22%～3.77%；重烃体积分数低，为0～0.04%，为典型的干气。

实验室实测数据表明，甲烷碳同位素值(δ13C)介于-35.6‰～-29.1‰，集中在-33‰～-29‰；甲烷氢同位素(δD)介于-183‰～-164‰，集中在-180‰～-170‰(表1)。根据W.J.Whiticar等[14-15]提出的利用甲烷碳、氢同位素值鉴别不同类型生物气的图版，该区块煤层气成因为有机热成因气。

现今的煤层含气量分布来看，3#煤层含气量介于9.61～27.42 m3/t，平均为19.82 m3/t，含气量呈现中部高、西部及东部低的特点。

1.2 煤层构造简单，单层厚度大，展布稳定

成庄区块位于沁水盆地东南部晋城斜坡带，与相邻的郑庄、樊庄区块比较，构造简单，总体呈东高西低的单斜构造，地层倾角平均为5.13°～5.62°，中部发育宽缓向斜，断层不发育，适合于规模开发。

该区煤层展布具有华北地区高煤阶煤储层展布的典型特点，即“煤层单层厚度大、横向分布稳定”。该区3#和15#煤层全区分布稳定，煤层厚度分别介于5.0～6.0 m和3.0～4.0 m，为煤层气勘探开发的有利储层。

1.3 煤层埋深浅，孔渗性好，裂隙系统发育，且连通性好，利于煤层气的产出

成庄区块3#和15#煤层埋深较浅，总体小于700 m，受区域构造和地形地貌的综合控制，埋深呈现出“中部深、东西部浅”的分布规律。以3#煤层为例，其埋深分布为240～610 m，平均为440 m；中部相对较深，为500～610 m，西部和东部埋深较浅，为240～500 m。

煤层气作为非常规油气资源之一，具有与页岩、致密砂岩等储层致密低渗的共性[16-18]。通过试井渗透率与埋深相关性分析发现，埋深300 m以浅的区域渗透率可达2×10-3μm2以上，300～500 m的区块渗透率约为(1～2)×10-3μm2，埋深500 m以深的区块渗透率约为(0.6～1)×10-3μm2[19]。

实验室测试、现场试井解释及岩心描述数据统计分析表明，该区3#煤层孔隙度介于4.07%～6.66%，平均为5.80%，渗透率介于(0.61～6.31)×10-3μm2，平均为2.67×10-3μm2，渗透率较高(表2)。主裂缝密度介于1.8～15.4条/cm，次裂隙密度介于2.5～10.6条/cm，表明煤层裂隙系统发育，且连通性好。

表2 成庄区块煤储层孔渗测试成果Table 2 The porosity and permeability test results of the Chengzhuang Block

综合分析表明，成庄区块平均渗透率可达1.5×10-3μm2，同时裂隙系统发育较好，利于煤层气的产出。

1.4 直接顶底板泥岩发育，利于煤层气保存

成庄区块3#煤层之上发育稳定、连续的区域性泥岩盖层，厚度为20～40 m，封盖能力强[20-23]。3#煤层直接顶底板以灰黑色、深灰色泥岩和碳质泥岩为主，局部为粉-细砂岩，厚度为2.10～18.80 m，直接顶底板含水性差，为良好的封盖层[24-25]，利于煤层气保存(表3)。

表3 3#煤层顶底板岩性及含气量统计Table 3 The roof and floor lithology and gas content of 3# coal reservoir,Chengzhuang Block

2 煤层产气特征

为了查明该区高产主控因素，首先需分析该区的煤层产气特征。鉴于成庄区块煤层气开发方式以直井为主，本文着重讨论该区块煤层气直井的产气特征。通过对80余口煤层气井生产数据的统计分析，将煤层气井分为高产井(平均日产气量>3 000 m3)、中产井(1 500～3 000 m3)、低产井(<1 500 m3)等3种类型，其中高、中、低产气井分别占47%,29%及24%。

2.1 高产气井生产特征

高产气井的生产特征为：见气早，平均见气时间53 d；达产时间短，平均700 d以内可达到产量峰值，峰值产量高，介于4 000～15 000 m3/d， 平均为9 000 m3/d；之后稳产，气量平均可达3 000 m3/d以上，气量平均值介于 4 000～7 000 m3/d的井占高产井总井数的90%，稳产时间较短，一般在1～2 a左右；之后出现递减，年递减率约14%。整体上采收率高，平均为44%，预计最终采收率可达71%。以C-7井为例，该井2009年12月投产，49 d后见气，160 d产量达到2 000 m3/d，产量峰值8 691 m3/d，之后产量稳定在7 000 m3/d左右，稳产550 d之后开始递减(图1a)，年递减率为13.4%，累产气12.56×106m3，采出程度高，达到49.4%，预计该井的最终采收率为75%(图2)。

2.2 中产气井生产特征

中产气井与高产气井生产特征的差异性为：达产时间较长，达到产量峰值的时间平均为860 d；峰值产气量较低，多介于2 000～4 000 m3/d左右；稳产时间较长，可达3～4 a，稳产气量介于1 500～3 000 m3/d；采收率较低，目前平均为20%，预计最终采收率可达42%。以C-2井为例，该井于2009年11月投产，2d后见气，722 d达到产量高峰2 210 m3/d，之后进入稳产阶段，产量稳定在1 700～1 900 m3/d，稳产900 d之后开始缓慢递减(图1b)，目前累产气达到1.95×106m3，采出程度达到13.6%，预计最终采收率为44.2%(图2)。

2.3低产气井生产特征

低产气井的显著特征为：早期产气量上升到峰值后下降到某一产量，峰值产量低，介于1 500～3 500 m3/d；之后长期处于低水平稳产，稳产气量平均为1 000 m3/d左右，一般稳产时间在4 a以上，目前未出现递减；达产率较低，占36%，采收率低，目前平均12%，预计最终采收率可达27%。以C-3井为例，该井2010年1月投产，56 d后见气，120 d达到峰值产量3 200 m3/d，之后产量下降并稳定在950 m3/d(图1c)，已持续4.5 a，并具有长期低产稳产趋势，目前累产气达到1.79×106m3，采出程度达到12.5%，预计最终采收率为29.3%(图2)。

图1 成庄区典型井排采曲线Fig.1 Draining and production curve for typical wells in the Chengzhuang Blocka.C-7井;b.C-2井;c.C-3井

图2 成庄区块典型井生产曲线及产气量预测Fig.2 The production curve and prediction of typical wells in the Chengzhuang Block

3 煤层气富集高产控制因素

3.1 富集控制因素

3.1.1 构造热事件提高生气能力，改善了物性，利于气藏富集

前人研究表明，沁水盆地晚侏罗世-早白垩世发生构造热事件，引起二次生烃，即“叠加生烃”或“叠加成气”[26]，其累计生气量达359.10 m3/t[27]，为成庄区块提供了丰富的气源。同时，构造热事件产生的高温、高压的环境提高了煤层的吸附能力，改善了储层物性[11]，利于煤层气后期成藏富集。为了进一步评价构造热事件控气作用，笔者开展了生烃模拟实验，其原理是通过温度来补偿时间对生烃过程的影响。根据成庄区块煤层演化史分析，确定实验温度从250 ℃逐渐升到500 ℃。并利用核磁共振来测试样品的孔隙度和渗透率。实验结果表明，随模拟温度的升高，孔隙度和渗透率整体呈上升趋势，温度上升到500 ℃时，孔隙度从最初的1.33%达到8%，渗透率从最初的0达到4.5×10-3μm2(图3)。核磁测试结果也是这一观点的很好例证，即“随着温度的升高，T2谱始终保持三峰特征，微孔峰下降，逐渐以中-大孔为主峰。温度升高，会使得煤岩中孔比例逐渐增加，大孔比例微降，可动流体饱和度呈波动增大趋势”(图4)。

3.1.2 封盖条件与水动力共同控制富集程度

图3 成庄区块煤层孔隙度、渗透率随温度变化曲线Fig.3 The porosity and permeability vs. temperature curve in the Chengzhuang Block

图4 成庄区块不同模拟温度下煤岩T2谱分布Fig.4 The coal T2 spectrum distribution at various simulation temperatures in the Chengzhuang Block

结合大量的钻井资料及产出水资料分析，并借鉴前人的研究方法[8-9]，认为研究区区域性泥岩盖层发育，而且直接顶、底板岩性组合均为厚层泥岩，属于最优势组合；利用本文1.4中直接顶板泥岩厚度与3#煤层含气量的统计分析，表明直接顶板泥岩厚度与含气量有较为明显的正相关性：直接顶板厚度小于6m的区域含气量一般小于22 m3/t，直接顶板厚度大于10 m的区域含气量一般大于25 m3/t(表3)。通过对煤层产出水的分析，认为成庄区块折算等水位高差小，水动力径流强度弱，为滞流区或弱径流区，从水动力分区与3#煤层含气量综合评价图可以看出(图5)，总体上，封盖条件与水动力处于最优配置，十分有利于煤层气的保存与富集。

3.2 高产控制因素

通过对高产控制因素的分析，认为该区高产受构造、煤层厚度、射孔厚度、增产措施及排采技术等因素影响[28]外，最为显著的地质控制因素为地应力分布与煤矿卸压的控制，为此，笔者着重讨论这两个因素对高产的控制作用。

3.2.1 处于浅部张性低地应力发育区，储层可改造性好引起高产

现今地应力场分析主要基于水力压裂法，即分析压裂过程中破坏压力、闭合压力，计算和确定岩体内各主应力的大小，最后结合侧压系数分析应力环境。侧压系数的计算公式[29]如下：

(1)

式中：λ为侧压系数；σhmax为最大水平主应力，MPa；σhmix为最小水平主应力，MPa；σv为垂向应力，MPa。

图5 成庄区块水动力分区与3#煤含气量综合评价Fig.5 The comprehensive evaluation of hydrodynamic zonation and coal reservoir 3# gas content in the Chengzhuang Block

井号深度/m破裂压力/MPa闭合压力/MPa最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa垂向应力/MPa侧压系数裂缝半长/m产气量/(m3·d-1)C7311 355 565 117 675 118 410 7678 27330C33289 108 956 498 646 497 810 9776 55429C79441 509 118 0211 528 0211 920 8273 42765C12457 6512 299 5812 869 5812 360 9167 93003C40568 9813 5210 4913 2510 4915 360 7763 1982C70547 8311 749 9813 729 9814 790 8065 61575C76573 8814 2711 7416 2111 7415 490 9062 31210C97562 2517 8112 2814 4012 2815 180 8857 61481C23267 004 343 675 013 677 210 6076 32226C46535 1515 5812 0716 2912 0714 450 9864 5890

经笔者计算，成庄区块侧压系数介于0.60～0.98，平均值为0.84，呈现伸张带应力的特征，整体上地应力水平较低，有利于压裂裂缝的延伸。根据压裂模拟分析和产气特征分析显示，裂缝半长一般在57.6～78.2 m(表4)，裂缝半长越长越容易高产，裂缝半长超过70 m的井平均日产气量可达4 438 m3/d。

3.2.1 处于煤矿卸压区，地应力得以释放引起高产

成庄区块浅部煤矿的开采煤层气储层物性有一定的改造作用，煤矿采空区应力释放效应可以有效改善区域应力环境，减小储层有效应力，改善渗透性。根据ABAQUS软件应力场模拟结果，认为地应力在距采空区1 000 m左右水平应力开始有明显变化：距采空区700 m时下降5%，400 m时下降10%，200 m时下降15%。

卸压区生产井产气动态统计分析发现，受有效应力降低影响，单井日产气量升高约5 000～10 000 m3/d。以C1井为例，该井距离煤矿工作面600 m，投产60 d后初产约6 000 m3/d，后不断升高至15 674 m3/d，产气效果良好，现仍稳产在6 000 m3/d，说明地应力释放引起渗透改善，利于煤层气取得高产，同时也具有本文2.1中论述的高产井的产气特征。

4 结论

1) 成庄区块煤层气藏以有机热成因气为主，具有煤层构造简单、展布稳定、含气量高、埋深浅、裂隙连通性好且渗透率较高、顶底板封盖性能好等成藏优势。

2) 高、中、低产气井分别占47%，29%及24%，其中，高产气井具有“见气早、达产时间短、峰值产量高、稳产时间较短及整体上采收率高”等生产特征。

3) 构造热事件一方面引起的二次生烃是成庄煤层气藏的主要气源；另一方面异常高温导致煤层微观、宏观孔隙的数量增多，同时存在于煤基质中的游离气产生向外突破的压力，促进了裂隙的形成，改善了煤储层物性；加之水动力与封盖条件的有效匹配，利于煤层气富集。

4) 浅部张性低地应力发育区的储层可改造性好与煤矿卸压区应力释放区改善渗透性的有效叠加，使得成庄区块储层改造效果好，煤层气易高产。

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