彬长矿区的沉积相对煤层气直井施工质量影响

2019-03-23李来新马东民王东东张治仓

中国煤层气 2019年6期

邵凯李来新马东民王东东张治仓王谦

(1.陕西省煤层气开发利用有限公司,陕西 710119;2.陕西彬长新泰能源有限公司，陕西 715300；3.西安科技大学，陕西 710054；4.山东科技大学，山东 266590)

1 概况

彬长矿区位于陕西省咸阳市的长武县和彬州市境内(图1)，属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的西南缘，构造格架为一波状起伏的单斜构造,主体构造为师家店向斜，地层倾角较小，一般3°～5°，矿区内发育小型断层，断层落差以5m以下为主，构造总体较为简单,地层的发育主要受原始沉积作用影响。研究区的煤炭资源丰富，煤炭资源储量达50亿t，煤层气的储量亦相当可观，约为73亿m3。自2009年至今，由陕西省煤层气开发利用有限公司主导共实施煤层气井(组)70余口，单井的最高产气量为30323.78m3/天(水平井)，直井最高达3043m3/天，日总产气量为5万m3左右。

图1 研究区位置图

该区域内煤层气工程的实施能对于西北地区白垩系低煤阶地区的煤层气开发起到一定的推进作用。但是在煤层气直井施工过程中，遇到的钻井井身质量问题、固井质量问题、压裂施工中压裂效果不理想的问题，较为严重的影响了煤层气井的工程质量和后续的煤层气生产，出现了部分直井产气量较低的情况。探讨该地区煤层气井的施工过程和地质条件的关系，成为该地区煤层气开发亟待解决的问题。鉴于区域内构造较为稳定，本次研究以分析沉积相对煤层气直井的施工质量影响为主要研究对象。

2 沉积相类型及地层分析

煤层气井的钻遇地层从下到上依次为：三叠系胡家村组，侏罗系安定组，直罗组，延安组，富县组，白垩系洛河组，宜君组。根据钻遇过程的地质、录井、测井、岩心等资料(图2)，以及前人对该地区的地层与沉积相分析，总结出彬长矿区的岩性特征及沉积相的如下(图3)：

上三叠统胡家村组：岩性为灰～深灰色泥岩、粉砂岩夹灰绿色中厚层状中细粒长石砂岩，煤层气直井的钻孔多未见底，地层上为富县组的晚期，此时盆地的活动已经趋于稳定，砂岩的分选好，胶结致密，在本地区水平层理及波状层理较为发育，主要表现为三角洲沉积相的三角洲前缘沉积亚相。

下侏罗统富县组：岩性为灰～灰绿色及紫杂色泥岩，粉砂岩，含铝质，松软，厚度平均10m左右，具有水平层理，底部常含三叠系砂质泥岩角砾，与下伏三叠系不整合接触。属曲流河沉积相，河漫滩沉积微相在区域内较为常见。

图2 彬长矿区侏罗-白垩系沉积相综合柱图

图3 (a)4号煤层段；(b)4-1号煤层段及煤层段上部的砂岩段(平行层理,波状发育发育)；(c)洛河组的冲积扇沉积相和辫状河沉积相；(d)洛河组中的石膏段

中侏罗统延安组：为本区主要的煤和煤层气富集地层。岩性下部为灰褐色铝土质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩，团块状，含黄铁矿、菱铁矿鲕粒及植物根系化石，构成4号煤层底板，其上为巨厚煤层，编号4煤层(见图3a)，4煤层上为浅灰～深灰色泥岩、砂质泥岩，具水平层理，富含植物化石；含局部可采煤层3层，编号4上、4上-1、4上-2煤(见图3b)，平均厚度80m左右。上部的岩性为灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩夹炭质泥岩，底部为一层较厚的砂岩与下段为界，顶部呈现紫杂色。局部地段含煤1层，编号3煤。与下伏富县组呈整合接触。主要为三角洲沉积相，其中煤层主要发育在三角洲平原上，当时盆地的构造相对稳定，外界碎屑物影响较小，温暖潮湿的气候有利于当时的成煤植物，主要为蕨类植物和裸子植物的生长，在三角洲平原的分流间湾环境中,泥炭堆积速率与可容空间的增长速率相平衡,促成了彬长矿区的厚煤层的形成。

中侏罗统直罗组：上部为紫红色的，紫灰色的砂质泥岩，夹杂紫灰色的细类砂岩；下部为灰白色的细粒砂岩为主，夹杂紫灰色的砂质泥岩，平均28m，与延安组不整合接触。沉积物具有正韵律特征和泥包砂沉积特征，可以识别出“二元结构”(图3)，发育交错层理、槽状交错层理，为曲流河沉积，河道和天然堤交替发育。

中侏罗统安定组：岩性为紫红色、棕红色砂质泥岩、粉细砂岩夹浅青灰色的砂质泥岩，青灰色中砂岩，平均80m，与直罗组呈假整合接触。可以识别出两个正旋回，分别对应两套三角洲沉积相，均发育三角洲前缘和前三角洲沉积相。

下白垩统宜君组：岩性为紫灰色、浅紫红色巨厚层状中-粗砾岩夹含砾粗砂岩透镜体。砾石成分主要为花岗岩、片麻岩为主，分选差，次圆状，平均厚度为20m，与下伏安定组为不整合接触。以冲积扇沉积为主，部分钻孔可以识别出完成的扇根、扇中、扇缘亚相。

下白垩统洛河组：顶部为紫红色中粒长石砂岩夹粗砾岩，上部以紫红-浅棕红色粗砾岩为主，夹杂杂色的粉砂岩，泥岩，一般厚60～80m，呈现辫状河“砂包泥”的特征，为典型辫状河沉积相。下部为棕红色细—中粒长石石英砂岩，长石砂岩夹中厚层状中-粗粒岩及暗棕色薄层泥岩，岩性的分选较差，混杂砾岩，呈叠瓦状。一般厚70～100m。是区内主要含水层，具大型交错层理，砾岩分选性差，与下伏宜君组为整合接触。下部岩性的粒序表现为明显的从粗到细的扇三角洲沉积(见图3c、d)。

3 沉积相对施工质量的影响分析

煤层气的钻井施工主要分为钻井、测井、固井、压裂等工序，以往的施工数据显示，煤层气直井中存在的问题主要为钻井质量、固井质量和压裂施工工程质量问题。

3.1 钻井质量

煤层气钻井对井身质量要求较高，对井斜、井径扩大率、全角变化率等有严格的规定。

卡钻问题：彬长矿区的煤层气直井卡钻主要层位在洛河组。从沉积环境分析，该段属于辫状河、冲积扇和扇三角洲沉积(见图2，图3c)；其沉积物结构松散，沉积构造发育，导致钻井液失水，形成较厚的泥饼，造成井眼缩径导致卡钻。同时洛河组中有黏土类矿物，特别是石膏段发育(图3d)，该类型的矿物具有遇水膨胀的特性，也会导致在钻井过程中造成缩径导致卡钻。钻遇到该段时间，应当调整钻井液性能，控制钻井液的失水量，优化钻井参数等办法。

井斜问题：煤层气井的井斜会影响到后续的固井、压裂、排采等环节，井斜严重的井无法进行后续施工。地质原因是引起井斜的一个重要原因，研究区的地层受到印支运动，燕山期运动的影响，在区域上有3个不整合面，分别为宜君组与安定组之间，安定组与延安组之间，富县组与胡家村组之间。不整合面的上下岩层的岩性、地层倾角、层状结构等会发生变化，如白垩系的宜君组和下伏的侏罗系的安定组之间存在不整合面，岩性上从砾岩到泥质粉砂岩的变化，地层倾角也发生变化，会引起井斜问题。

3.2 固井质量

较为容易出现固井质量问题的层位除了煤层段漏失外，主要集中在洛河组中下部，宜君组以及安定组的中部和下部，直罗组的下部。洛河组的中下部和宜君组在研究区的沉积相主要为冲积扇沉积，在本地区主要为一套厚层的砾岩，有冲积扇典型的筛状沉积，孔隙度较大,透水性较好。安定组的中部和下部主要为三角洲平原沉积相中的分流河道微相上；该沉积相在直罗组的下部也有发育(见图2)。分流河道的在岩性在研究区以中砂岩沉积为主，部分地区夹杂粗砂岩和细砂岩互层，胶结较为松散，孔隙较为发育。

反映在固井施工中，煤层段、冲积扇的沉积物以及河道沉积物在胶结性、失水性、渗透性、裂隙发育等方面与其他沉积相有较大差异。这些性质会导致固井水泥浆中的水分更容易渗透入岩层或煤层段，水泥难以充分水化，进而导致水泥胶结不好或者环空的现象，影响固井质量。在施工中应该注意在这些层位的固井水泥和沉积相特征的配伍，或者采用变密度固井的办法，从而提高固井质量。

相比钻井而言，不仅在冲积扇，辫状河，扇三角洲沉积相上会出现固井问题，在三角洲沉积体系的分流河道段也会出现固井问题，主要原因是由于固井时的水泥浆压力(一般为8～10MPa)，水泥浆密度较之钻井液的压力和密度更大，更容易失水，产生微裂隙,导致水泥浆回返不及时，污染煤储层和影响固井质量。

3.3 压裂施工工程质量

煤层气压裂的目的在于尽可能形成较长的裂缝，增加煤层气的解析面积。在同等的水力压裂施工设备和强度下，含煤段的沉积相变化会导致压裂施工的裂缝分布不同。

下面以本地区的两口煤层气井DFS-74井和DFS-153井水力压裂为例进行说明(图4)。研究区的煤层主要发育在延安组的三角洲沉积的间湾沼泽环境，在一些较为稳定的地区，沼泽环境受分流河道的影响较小，为厚煤层聚集提供良好的堆积场所。但是曲流河三角洲的发育容易受到河流作用控制，致使分流河道和河口坝较为发育，对煤层的厚度和煤体结构造成了一定的破坏性影响。

图4 大佛寺矿区煤层气段沉积对压裂效果影响分析图

DFS-74井附近的成煤沉积环境更为稳定，煤层段发育较要好于DFS-153井区域的煤层。对于压裂施工而言，煤层的杨氏模量，抗剪强度比砂岩和泥岩低，在煤层气井的水力压裂中更容易形成较宽的裂缝在水平上进行延伸。因此DFS-74井的压裂效果更为明显，左右裂缝分支均比DFS-153井的裂缝更长。

从目前的排采情况来看，DFS-74井拥有较长的压裂缝隙和更稳定的煤层沉积，其产气量为630m3/d，要明显高于DFS-153井的130m3/d，验证了沉积相的分布对煤层气井赋存以及压裂效果的影响。表明沉积相分析是后续压裂工作中需要重点考虑的因素，需要依据沉积相中的岩性特征和结构变化选区适当的压裂参数，如上述153井应当适当考虑增加非煤层段的射孔或者增大压裂的强度，从而保证压裂缝隙的延长。