恩洪矿区煤储层特征、含气特征及勘探开发建议

1. 恩洪矿区煤储层特征、含气特征及勘探开发建议

张金波1,2 吴财芳1,2
项目资助:国家“973”煤层气项目(2009CB219605)、国家科技重大专项项目(2011ZX05034)、国家自然科学基金重点项目(40730422)及青年科学基金项目(40802032)资助。
作者简介:张金波,1987年生,男,河北南宫人,中国矿业大学资源与地球科学学院在读硕士研究生,研究方向煤层气与瓦斯地质。Tel:18795426212,Email:xiaopo688@126.com
(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221008;
2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008)
摘要:通过对恩洪矿区地质背景、煤储层特征、煤层气赋存特征及控气地质因素的研究,发现该区500~1000m深度煤层煤体结构、孔隙类型、顶底板岩性等条件均有助于煤层气的吸附和保存,但同时也存在渗透率低、储层压力低、煤层非均质性强烈等不利因素。主要煤层平均含气量均大于8m3/t,含气量受埋深和构造控制最为明显,盖层、煤阶、煤厚、水文地质等其他条件对煤层气富集也较为有利。综合考虑,认为该区煤层气开发前景良好,但渗透性差、构造条件复杂是最主要的不利因素。应探索以套管压裂完井和极短半径水平井为主的开发方式,配合高能气体压裂、“虚拟产层”等其他增产措施进行煤层气开发试验。
关键词:恩洪矿区 煤层气 控气因素 含气量 勘探开发
Characteristics of Coal Reserviors and Gas-bearing Property in the Enhong Mining District and Suggestions for Exploration and Development
ZHANG Jinbo1, 2 WU Caifang1,2
(1.The school of Resources and Earth science China University of mining and Technology, Xuzhou 221008, Jiangsu. China 2.Key Laboratory of Coalbed Methene Resources and Reservoir for- mation, Xuzhou 221008, Jiangsu, China)
Abstract: After studying the geological background, characteristics of coal reservoirs, accumulation of CBM and controlling factors of geology in Enhong Mining District, we found that in the depth range of 500-1000 m, some conditions such as coal structure, pore types, roof and floor lithologies and so on, are helpful for the ad- sorption and preservation of CBM.But there are also low permeability, low reservoir pressure, strong heterogeneity of coal and other negative factors.Average gas content of the main coal seams is greater than 8 m3/t.Depth and tectonic are the most obvious controlling factors for CBM.Other conditions, such as cap rock, coal rank, coal thickness and hydrogeology and so on, are also favorable for CBM's enrichment.Generally speaking, there is a good prospect for developing CBM in this area.But the poor permeability and complex tectonic conditions may be the most important negative factors.We should explore sleeve fracturing completion wells and short-radius horizon- tal wells as the main development method and combine with other stimulation measures, such as high-energy gas fracturing,"virtual zones concept and so on, to do our development test for CBM.
Keywords: Enhong Mining District, CBM, gas controlling factors, gas content, exploration and development.
恩洪矿区位于云南省东部曲靖市境内,全区呈北东-南西向带状展布,长53km,宽9~20km,面积620km2,其中含煤面积485km2。含煤地层为晚古生界上二叠统宣威组(P2x),2000m以浅煤层气资源量为612.9亿m3,其中82%以上的煤层气资源埋深浅于1000m,具有较好的煤层气开发前景(邓明国等,2004)。
前人已对该区盆地构造特征、煤层气成藏条件、有利区块筛选等方面进行了研究(邓明国等,2004;王朝栋等,2004;桂宝林,2004),认为恩洪矿区是滇东黔西地区煤层气勘探开发的有利区块之一(桂宝林,2004)。本文在对恩洪矿区煤层气赋存特征研究的基础上,进一步探讨了适合该区的煤层气勘探开发方式,以期为该区煤层气开发提供思路。
1 地质背景
1.1 构造及应力特点
恩洪矿区位于扬子板块康滇古陆东缘,主体为一轴向北北东—近南北向的大型复向斜构造,其间密集展布次级向、背斜褶皱构造,自西向东依次为恩洪复向斜、牛头山复背斜、平关-大坪复向斜。轴向近南北向,皆向北倾伏,向南跷起,延长15~30km,展布面积数十至数百km2。向斜核部出露最新地层为中三叠统关岭组(T2g)或下三叠统永宁镇组(T1y),背斜轴部最老地层为上二叠统峨眉山玄武岩组(P2/β)或下二叠统茅口组(P1m),两翼地层倾角一般10°~30°。压扭性、张扭性和走向断层非常发育,主干断裂为:富源—弥勒大断裂、平关—阿岗大断裂、弥勒—师宗断裂。主干断裂周围呈“入”字型派生一系列小断层或共轭次级断裂,全区应力场表现为明显的拉张性和张扭性(桂宝林,2004),如图1所示。
1.2 煤层沉积特征
晚二叠世成煤期,古特提斯洋壳持续向东俯冲,康滇古陆持续上升为剥蚀区,滇东地区位于板块内川、黔、滇断坳沉积区西缘。以甘洛-小江南北向古断裂线为西缘沉积边界,在“西隆东降”的跷板式机制控制下,东盘持续下沉,形成了现今以一套河流三角洲沉积体系为主的含煤岩系,该地层总厚205~335m,平均厚250m;含煤18~73层,总厚15.99~67.68m,平均32m;可采煤层8~20层,一般11~13层,可采厚度10~31m,平均18m(杨松等,2010)。
1.3 水文地质特征
该区处于高原山区,以中低山为主,是典型的喀斯特地貌区。地形切割较强烈,沟谷发育,排泄条件较好。煤系及上覆地层下三叠统卡以头组(T1k)、下三叠统飞仙关组(T1f)和下伏地层上二叠统峨眉山玄武岩组(P2β)富水性弱;下三叠统永宁镇组(T1y)及中三叠统关岭组(T2g)以灰岩为主,岩熔裂隙较发育,富水性较强,但与煤系地层之间有数百米的隔水层或弱含水层相隔,对煤系地层影响较小。受岩性控制,断层带富水性和导水性均较弱。浅部风化带单位涌水量(q)0.0104~0.0899l/s·m,一般低于0.05l/s·m,对煤层气保存较为有利。
总体看,各水文地质单元地下水力联系不强,水文地质条件属简单类型。煤系地层等多为裂隙弱含水层,地下水的补、径、排局限于浅部(垂深50m)。

图1 恩洪矿区构造纲要图(邓明国,2000)

1.4 煤岩及煤质特征
该区宏观煤岩类型以半亮和半暗型煤为主,暗淡型煤次之。煤岩显微组分在75%~89%之间。其中以镜质组为主,占58%~82%,惰质组次之,占10%~35%,半镜质组较少,占4%~11%,壳质组含量极微。煤体结构以原生结构为主,一般为均一、似均一状、条带状,以中、细条带状为主,次为线理状。
各煤层原煤平均灰分16%~29%,垂向上以下部(恩21煤以下)及上部(恩7-1煤以上)煤层灰分较高,而中部煤层灰分较低。平面上由南东向北西方向灰分增高。各煤层原煤全硫含量一般0.50%~6.80%,平均0.16%~5.30%,属特低硫-高硫煤。垂向上为煤系中部较低,上部、特别下部煤层偏高。平面上总体自东南(海)向西北(陆)方向降低,与灰分呈正或负相关关系,如图2所示。

图2 恩洪矿区煤的灰分、全硫含量变化曲线图

镜质组反射率平均在1.278%~1.699%之间,以焦煤一瘦煤为主。受深成变质作用和岩浆热变质作用控制,垂向随煤层层位变老煤级升高,平面上各煤层有由矿区西北向东南方向变质程度增高的分带规律,但在矿区东侧靠近主干断裂的扒弓、宽塘一带有变化幅度增大的趋势。
2 煤储层特征
2.1 孔裂隙特征
煤层孔裂隙发育直接影响煤层渗透率,是决定煤层气运移和产出的主要因素之一。煤层裂隙可以分为:微裂隙、内生裂隙(割理)、外生裂隙三种类型。其中割理对煤层渗透率贡献最大,割理又可分为面割理和端割理两种,前者较后者延伸更远,连续性更强。对恩洪矿区矿井煤层观察发现,面割理宽度0.1~1.0mm,长度20~85mm,端割理宽度0.05~0.45mm,长度1.5~5.4mm,表明该区煤层内生裂隙发育,割理的开启性较好(聂俊丽等,2007)。
煤层孔隙是吸附气的储集场所,既是决定煤层含气性的关键因素,又是煤层气渗流的通道。依据对该区部分煤矿的实测数据,该区孔隙度介于0.7%~4.4%之间,平均为2.8%,孔隙度较低。以微孔和过渡孔为主,占总孔容的63.8%,占总比表面积的98%以上。表明煤体吸附能力较强,有利于煤层气的储集,但不利于煤层气的扩散和渗流(杨松等,2010)。
2.2 储层压力
目前还没有关于该矿区煤层气参数井的试井压力资料,根据水头高度资料换算,矿区内煤储层压力在0.255~2.002MPa之间,压力梯度在4.412~8.920kPa/m之间,属于低压—超低压储层状态。但从实测资料来看该区浅部实际含气量往往大于理论含气量,甚至在部分富气带中存在超压储层,表明该地区储层非均质性强烈,储层压力的分布情况和控制因素还有待于进一步研究。
2.3 渗透性
2004年,云南煤田地质局与中联煤层气公司合作曾在恩洪矿区南部施工了两口煤层气参数井。从所得试井数据来看,EH-01井9#和16#煤层渗透率分别为0.016mD和0.0045mD,EH-02井9#,16#,21#煤层渗透率分别为0.011mD,0.013mD,0.056mD(赵有洲等,2004)。煤层渗透性较差,16#煤层两井所得渗透率相差一个数量级,表现出强烈的非均质性。随埋深增加,渗透率反而增大,根据取芯资料推测可能是煤体结构变化所致。9#,16#煤层受构造破坏严重,多出现糜棱煤结构;下部煤层煤体结构较上部完整,以原生结构、碎裂结构为主,故渗透性较好。
3 含气性及控气因素
3.1 含气性
该区煤层气含量较高,且随埋深增加而增加。9#煤层甲烷含量3.72~14.54m3/t(干燥无灰基,即可燃基;下同);平均为8.68m3/t。16#煤层甲烷含量为3.92~21.98m3/t,平均为10.20m3/t。21#煤层甲烷含量为4.50~16.36m3/t,平均为10.69m3/t。除甲烷外还含有少量的CO2,N2以及重烃气(表1)。
表1 恩洪矿区部分煤层含气量及气体成分统计表


从平面上看,该区煤层气分布明显受向斜、背斜褶皱构造控制,一般自向斜两翼向轴部随埋深增加,甲烷含量增高,两者呈“对数型”相关关系。含气量等值线的分布与煤层底板等高线走向基本一致(图3)。

图3 恩洪矿区9号煤层含气量等值线图

从垂向上看,自上而下按其成分不同,可分为三个带(聂俊丽等,2007):
(1)氮气带:N2≥70%,CO2≤20%,CH4≤10%,煤层埋深一般约0~100m。
(2)氮气-甲烷带:N243/g),埋深100~140m。
(3)甲烷带:CH4≥70%,一般埋深>140m。
3.2 控气因素
3.2.1 埋藏深度
埋深可对煤层气富集起到两方面的影响:一是随着煤层埋深加大储层压力增大,煤对
甲烷的吸附能力增强,但两者并非简单的线性关系,在浅部煤层,甲烷含量随埋深而变化的梯度较大,越往深部埋深对煤层气含量的影响程度越小。二是随埋深增大煤层气的保存条件逐渐变好。浅部煤层往往由于遭受风化剥蚀,而使煤层气一般在140m以浅,甲烷含量随深度变浅而减少。不同地质背景下瓦斯风化带的深度也不一样,如与恩洪矿区毗邻的老厂矿区,风化带最大深度可达600m以上,而恩洪矿区清水沟井田,由于其上倾方有断层隔挡,风化带深度仅为50~80m。
仅从埋深因素考虑,恩洪矿区开发煤层气的深度一般以250~1000m为宜,小于250m难以完全避开风氧化带影响,1000m以下的深部煤层由于渗透率极低,煤层气开采难度很大。
3.2.2 构造地质条件
构造地质条件对含气性的影响是很复杂的问题,该区在喜山运动后,前形成的含煤盆地遭到破坏,形成一些以向斜或复向斜构造为主的不连续褶皱和部分断块,背斜较少,对煤层气的保存有利。
资料研究表明,该区煤层气含量在随埋深变大而增高总趋势背景下,富气构造部位一般在次级褶曲及断裂带的高点部位,即煤层气含量有自向斜轴部向翼部增高的趋势;富集带出现在封闭型断裂交汇处及背斜核部、或地垒断块上,如老书桌井田、清水沟井田东部的9号煤层含气量>11m3/t的几个高值区。此外,在一些小型背斜和张裂带,特别在煤层受挤压、构造裂隙发育、煤层突然增厚地段,瓦斯涌出量成倍增高,形成“瓦斯包”,而在较大规模张性断裂带附近,因开启性裂缝发育,使气散失,含气量异常降低。
总之,构造的渗透性和封闭性决定了煤层气是富集还是逸散。无论是向斜、背斜、或是单斜、断层,渗透性较差者,煤层气的逸失或运移程度差,富气部位受埋深控制较明显,富气区易集中在向斜轴部和单斜向下转弯处;渗透性较好时,有利于煤层气运移,在封闭性好构造高点处,形成局部富集区,如顶部无开启性断裂的次级背斜轴部、封闭型的断块高处等特定构造部位。
3.2.3 煤变质程度
煤层含气量随煤阶增加呈急剧增高→缓慢增高→急剧增高→急剧降低的阶段性演化特征(傅雪海等,2007)。该区煤阶以中煤级的焦煤、瘦煤为主,正处于煤化作用出现第二次跃变的阶段,含气性随煤阶缓慢增加。煤体孔隙率和孔比表面积进一步增大,生气作用和吸附能力较强,有利于煤层气的富集。煤级分布有明显的规律性,自西北向东南煤级升高,垂向上各煤层层位越老变质程度越高(易同生,2007)。
3.2.4 煤层厚度
恩洪矿区具有典型的多煤层特征,且以薄煤层一中厚煤层为主,单层厚度一般不超过5m。煤层之间的夹层岩性以泥岩、砂质泥岩为主。开采时可将距离较近的煤层看作一个煤层组(易同生,2007),这样做有两个优点:一是累计厚度变大,增加了煤层气的可开采量。二是煤层之间以砂、泥岩为主的夹层可以对各开采层起到很好的支撑作用,也便于保持煤层压力和增加封闭性。对储层进行强化时可对一个煤层组进行统一处理,也可根据“虚拟产层”概念直接对煤层组中间的夹层进行压裂,可能会收到更好的效果。
3.2.5 煤层顶底板和盖层
煤层顶底板岩性和裂隙发育情况对煤层含气量影响很大。与砂岩和灰岩相比,泥岩、砂质泥岩对煤层封闭作用强,有利于煤层气的保存;断层或顶底板裂缝发育的煤层含气量远低于断层或顶底板裂缝不发育的煤层。据该区的统计,同一煤层和岩性相似的顶底板,有张性断裂切割和无断层切割两种情况,后者煤层含气量为前者的3~12倍。
该区上二叠统含煤地层主要依靠泥质岩和泥质粉砂岩类作盖层,下伏地层为厚近几百米的峨眉山玄武岩,煤层气保存条件良好。
3.2.6 水文地质条件
按岩性、岩溶裂隙发育程度及富水性,该矿所处地区自下而上可划分出6套含水层,但各层之间水力联系不大。浅部露头区为裂隙潜水,地下水交替强烈,但受地层岩性影响,垂深一般在50m以内,在向向斜深部径流过程中逐渐过渡为弱裂隙承压水。
水文地质资料显示,该区中段南部的老书桌井田、清水沟井田、中部南端勘查区地下水条件良好,地下水由两翼向向斜核部运移,对煤层气形成了水力封堵作用,含气量较高。此外,7井田和9井田的承压水区也有利于煤层气的保存。
4 勘探开发建议
4.1 勘探方向
作为滇东黔西煤层气富集区的重要组成部分,前人已对恩洪矿区的煤层气资源评价及勘探方向做了大量工作。桂宝林等曾从煤层气系统的角度对滇东黔西含煤盆地进行了深入研究,认为恩洪矿区是滇东地区煤层气勘探开发的重点试验区。
综合考虑该区地质条件、资源赋存状况、储层物性条件、交通及市场条件等诸多因素,认为老书桌井田、中段南部普查区、7井田、清水沟井田(东部)、9井田、10井田及大坪普查区是恩洪矿区煤层气勘探开发的最优区块(聂俊丽等,2007)。
4.2 开发建议
该区目前还处于勘探及试验阶段,只有为数不多的参数井和生产试验井,尚未实现大规模的商业开发。根据已掌握的矿区资料,结合我国其他地区的成功经验,可为今后该区煤层气开发提出以下建议:
(1)该区煤层含气量高,资源丰度大,但煤层众多,单层厚度不大,因此需考虑采用适合多煤层开采的钻完井方式,配合适当的储层强化措施和增产改造措施。根据国内外的生产实践经验,套管压裂完井方法和极短半径水平井均适合在多煤层环境下开采煤层气,应作为该区煤层气的主要开发方式。在局部地应力较小、煤体强度高、渗透性好的地区也可以探索裸眼完井开发方式,但需特别注意风险性。多分支水平井技术适合在单一厚煤层中应用,且有一定钻井难度,不建议在该区煤层气开发中大规模应用。
(2)该区地质构造条件复杂,拉张性、张扭性小断层极为发育,浅部煤层所受构造运动改造强烈,构造煤较发育,渗透性差,且位于瓦斯风化带之上,含气量低,因此不适合开采煤层气;而较深部煤层(500~1000m)煤体结构以原生或碎裂结构为主,渗透性相对较好,含气量高,地应力小,适合煤层气的开采。
(3)与晋城相比,该区煤级较低,煤体强度小,吸水性强且吸水后容易变软。因此,其他地区应用较多的水力加砂压裂完井技术在该区的适用性还有待于进一步研究。根据中联煤层气公司此前的气井压裂结果显示(王建中,2010),产气效果不佳,应考虑采用高能气体压裂、“虚拟储层”等其他增产措施来提高煤层气开发的成功率。
5 结论
(1)总体来看,恩洪矿区煤层顶底板封盖能力好,煤层孔隙吸附能力强,水文地质条件简单,地下水沿两翼向向斜核部运移,对煤层甲烷有水力封堵作用。虽然受构造条件复杂所限,煤层非均质性强烈,渗透性差,但含气量、渗透率、煤体结构均与埋深呈正相关关系,因此适合在500~1000m的煤层中开采煤层气。
(2)埋深和构造条件是控制该区含气量的两个主要因素。煤层气含量在随埋深增大而增高总趋势背景下,受构造条件的控制作用明显,在封闭条件好的地区富集,在封闭条件差的地区逸散。水文地质条件、顶底板岩性、煤体吸附能力也是影响该区含气量的重要因素。
(3)该区煤储层非均质性强、渗透性差、煤体强度小,煤层厚度小且层数众多。从开发风险和投资成本方面考虑,不宜采用裸眼完井方式和多分支水平井方式开采煤层气。套管压裂完井和极短半径水平井对煤储层适应能力较强,适合作为该区开采煤层气的主要开发方式。
参考文献
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