郑庄区块煤层气富集主控地质因素及开发前景分析

1. 郑庄区块煤层气富集主控地质因素及开发前景分析

李俊乾 刘大锰 姚艳斌 蔡益栋 张百忍
基金项目:国家科技重大专项课题34(2010ZX05034-001),国家重大基础研究计划课题(2009CB219604),国家自然科学基金项目(40972107),中石油创新基金资助(2010D-5006-0101)。
作者简介:李俊乾,博士研究生,矿产普查与勘探专业,主要从事煤层气勘探与开发研究。
Email:lijunqian1987@126.com;Tel:010-82320892
(中国地质大学北京能源学院 北京 100083)
摘要:寻找煤层气富集高产区是煤层气勘探开发过程中一项重要的工作,通过对煤层气富集成藏的规律及开发潜力进行分析,为煤层气有利开发区的优选提供依据。本文从沉积环境、水文地质条件及地质构造三个方面,对沁水盆地南部郑庄区块山西组3#和太原组15#煤层气富集规律进行了分析。结果表明:(1)区块内3#煤层顶板以厚层泥岩为主,15#煤层顶板为一大套碳酸盐岩沉积,两类顶板封盖性好,有利于煤层气保存;(2)区块位于滞水洼地附近,水力封闭作用有利于煤层气富集;(3)煤层气局部富集区主要受地质构造的控制,宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、活动性断层部位最不利聚气,总体上向斜部位要好于背斜部位。最后本文从煤储层参数角度,具体分析了该区块的开发前景。3#和15#煤层煤级高,含气量、含气饱和度较高,煤层较厚,煤层埋藏适中,储层压力接近或稍高于静水压力,均表明有利于煤层气的开发;而煤储层渗透率普遍较低,则是煤层气开发的主要瓶颈,统计表明,该区块渗透率大小主要受最小有效应力(最小主应力与储层压力之差)的影响。
关键词:郑庄 富集规律 沉积环境 地质构造 水文地质 渗透率
Primary Geologic Factors Controlling Coalbed Methane (CBM) Enrichment and CBM Development Potential in Zhengzhuang Block
LI Junqian LIU Dameng YAO Yanbin CAI Yidong ZHANG Bairen
(School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083)
Abstract: It is significant to find out the CBM enrichment area during the CBM exploration and develop- ment.It can help select favorable CBM target areas through studying the CBM enrichment regularity and its devel- opment potential.In the paper, the CBM enrichment regularity of the Shanxi Formation No.3 and the Taiyuan For- mation No.15 coal seams of the Zhenzhuang Block in northern Qinshui Basin were studied by analyzing sedimenta- ry environment, hydrogeology and geologic structure.Results show that: (1) in the study area, the thick mud- stone and carbonate rock are the major lithology of the roof plates of No.3 and 15 seams respectively.Both roof plates have a good sealing-capping property which are beneficial to preserve the CBM; (2) the study area locates near the center of stagnant water, where a CBM enrichment area is formed resulting from hydraulic sealing; (3) regional CBM enrichment is mainly controlled by geologic structure.The most favorable area for CBM enrichment locates at an anticline with steep wings; secondarily locates in the axial parts of the anticline and syncline with gentle wings; and the worst locates near the activities faults.On the whole, syncline is much more favorable than anticline in CBM enrichment.In the paper, the CBM development potential in the study area was also analyzed based on coal reservoir parameters.Results show that it is promising to develop CBM within No.3 and 15 coal seams because both seams are characterized by high metamorphic grade, high CBM content and gas saturation, thick seam, moderate coal burial depth and coal reservoir pressure is similar to (or higher than) hydrostatic pressure.However, the low coal reservoir permeability is a main unfavorable factor in CBM development.Statistical results show that the coal reservoir permeability is mainly affected by the difference between minimum principal stress and coal reservoir pressure.
Keywords: Zhengzhuang; enrichment regularity; sedimentary environment; geologic structure; hydrogeol- ogy; permeability
自20世纪80年代美国成功实现地面煤层气商业性开发以来,煤层气的勘探和开发越来越受到世界各主要产煤国的重视。煤层气的抽采利用不仅能缓解常规油气资源短缺带来的能源危机,而且对于煤矿安全生产以及保护环境都具有重要意义。我国煤层气资源丰富,据最新一轮全国煤层气资源评价结果(孙茂远等,2008),埋深2000以浅的煤层气资源总量达36.8×1012m3,仅次于俄罗斯和加拿大,居世界第三位。截至2008年,在沁水盆地南部已建成1.5亿m3产能的煤层气生产基地,成功实现了高煤级、中低渗透煤的煤层气开发,打破了国外高煤级储层是煤层气开发禁区的理论(高远文等,2008)。
虽然我国高煤级煤炭资源丰富(占总煤炭量29%),赋存煤层气资源量巨大(占总含气量15.42%),但开采难度较大,单井产量也通常较低。这是由于我国的聚煤盆地形成演化历史复杂,后期构造破坏严重,以及盆地原型及构造样式多变(孙茂远,2001;饶孟余等,2005),使得煤层气富集规律难以把握,而且我国的高煤级煤储层多阶段演化和多热源叠加变质作用明显(杨起,1999),使得我国煤层气藏的储层物性具有极强的非均质性,增加了煤层气的开采难度。因此,研究煤层气富集成藏的地质控制因素以及分析煤层气藏的开发潜力,对于寻找煤层气富集、高产高渗区具有重要现实意义。本文以沁南郑庄区块煤层气藏为研究目标,对这一问题进行了初步探讨分析。
1 区域背景及地质概况
郑庄区块位于晋城市西北约80km处,行政区划属于沁水县郑庄镇。1999年,中国石油华北油田公司在郑庄区块取得982.76km2的探矿权,并于2006年探明含气面积74km2;在2008年取得了135.2km2的采矿权;截至2009年,在该区块累计探明煤层气地质储量达到843亿m3,和毗邻的樊庄区块一起构成我国首个整装千亿立方米的煤层气田(探明地质储量为1152亿m3),具有广阔的商业开发前景。
郑庄区地块质构造上位于沁水盆地东南部的马蹄形斜坡构造背景之上,其东南及东部以寺头断裂带为界,区内以宽缓褶曲为主,局部发育小规模正断层(如图1)。区块内自下而上发育有奥陶系,石炭系中统本溪组、上统太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组,三叠系下统刘家沟组以及第四系等地层,其中山西组和太原组为主要含煤层段,发育多套煤层。山西组3#煤层和太原组15#煤层在沁水盆地南部广泛分布,为两个主力煤层,厚度较大且稳定可采,是煤层气勘探开发的主要目标层位。

图1 郑庄区块地质构造及3#煤层埋深等值线图

2 煤层气富集成藏的地质控制因素
2.1 沉积环境
结合前人研究(任海英,2004;邵龙义等,2006)及钻井剖面分析,郑庄区块15#煤层形成于太原组早期第一次特大型海侵之前,聚煤作用发生在泻湖被逐渐淤浅的滨岸沼泽之上,在稳定的构造背景下,聚煤作用持续时间较长,形成较厚的15#煤层(2.4~7.9m)。长期的海侵之后,在15#煤层之上沉积了10m左右的大套石灰岩。在太原组末期,海水开始退去,海陆交互相沉积转换为三角洲沉积体系,在下三角洲平原分流涧湾内发育了厚度较大的3#煤层(5.3~6.2m)。3#煤层顶板发育厚层分流涧湾泥岩,局部夹有分流河道砂体。
沉积环境控制着煤层气的储盖组合、煤层气储层的几何形态以及煤层厚度(王红岩等,2004),从而影响煤层气的赋存及三维空间分布特征。在不同沉积环境,煤储层围岩条件好坏各异,这直接影响着煤层气的保存。围岩条件的好坏主要取决于煤层顶底板岩性、厚度及其透气性。顶底板岩性越致密、厚度越大、透气性越弱,越有利于煤层气保存富集;反之则利于煤层气体向其他岩层扩散,使气体含量降低。如图2所示,在郑庄区块,3#煤层直接顶、底板均为厚达10多米的泥岩,由于泥岩具有气体排驱压力高、透气性弱的特点,因此对煤层气的封闭能力较好;15#煤层直接顶板为大套的石灰岩,虽然灰岩易受地下水溶蚀作用而使其透气性能增加,但溶蚀性灰岩常分布于构造变动强烈地段,而研究区内构造变形简单,石灰岩遭受溶蚀可能较弱。再加上该灰岩层厚度较大,因此对煤层的保存亦较为有利,但总体较3#煤层围岩封闭性差。

图2 郑庄区块3#和5#煤层顶底板岩性图

总之,在郑庄区块,稳定的沉积环境下发育厚度大、稳定性好(其中3#>15#)的两主力煤层,为煤层气大量储集提供了物质基础;同时,煤层顶、底板具有良好的封闭性能,保证了煤层气的有效保存富集。
2.2 水文地质条件
水文地质条件对煤层气的富集及运移起重要作用,影响煤层气的赋存和分布。通常,水文地质条件控气具有双重性,既可导致煤层气逸散,又能起到保存聚集煤层气的作用。叶建平等(2001)将水文地质控气作用概况为3种类型,即水力运移逸散作用、水力封闭作用和水力封堵作用,其中后两种类型有利于煤层气保存。傅雪海等(2007)在研究沁水盆地水文地质条件对煤层气富集的影响时,提出从盆缘到盆地中心依此出现水力封堵控气作用、水溶携带控气作用、径流逸散控气作用和水力封闭控气作用,最终导致盆缘煤层气含量低、斜坡带含量较高和盆地中心含量高的结果。
研究表明,沁水盆地南部地区山西组含水层主要由底部砂岩和3#煤层上部砂岩组成,两者之间没有水力联系,后者通过裂隙与3#煤层有一定的水力联系(傅雪海等,2007);15#煤层与顶板石灰岩没有水力联系。可见两煤层本身基本是独立的水动力系统,受其他含水岩层影响较弱,外部水动力对煤层气保存影响较小。
郑庄区块边界的寺头断裂,现今状态下属于一条封闭性断裂,导水、导气能力极差,是盆地内部的一个水文地质单元边界。山西组砂岩含水层和太原组灰岩含水层水位在寺头断层东侧附近达到最低值,是地层水的滞水洼地;位于寺头断裂西侧的郑庄及其附近地区,水位也较低,地下水径流强度也可能较弱,较有利于煤层气保存(王红岩等,2001;2004;傅雪海等,2007)。通常,地下水滞水地带也是矿化度较高区域,郑庄区块煤层水矿化度非常高(如表1),远高于弱径流区地层水矿化度(1823.61mg/L),由此推测郑庄区块亦位于地下水滞流区,地下水以静水压力的形式将煤层中的煤层气封闭起来,导致煤层含气量较高。
表1 郑庄区块煤层水矿化度 单位:mg/L


2.3 地质构造条件
构造作用是影响煤层气成藏最为重要和直接的因素,不仅控制着含煤盆地及含煤地层的形成和演化,而且控制着煤层气生成、聚集和产出过程的每一环节。在聚煤期,构造控制着煤系地层形成发育的特征,影响到煤层气的生成、储集和封盖能力;在聚煤期后,构造特征及其演化通过对构造变形和热历史的限定,不仅对煤层气的生、储、盖性能产生影响,而且直接控制了煤层气的运移、聚集和保存特征,从而决定着特定地区煤层气资源开发潜力的大小(秦勇,2003)。
在沁水盆地东南部(包括郑庄区块),煤层气成藏经历了三个演化阶段(王红岩等,2008;林晓英等,2010):第一阶段,三叠纪末期,煤层达到最大埋深,煤岩镜质组反射率达1.2%,此阶段为深成变质作用生气阶段,累计生烃量达到81.45m3/t;第二阶段,晚侏罗世开始至白垩纪末,地层开始抬升,但由于燕山中期的构造热事件影响,煤层长期处于异常高古地温阶段,引起二次生烃,累计生烃量大,可达359.10m3/t;第三阶段,喜山期的煤层气藏调整与改造,最终形成了现今格局。在第二阶段,由于异常热事件的影响,地层的抬升并没有破坏煤层气藏,反而增加了煤储层储集气体的能力。两次生烃作用为煤储层大量聚气提供物质基础。
在盆地形成演化过程中,郑庄区块受构造作用影响较弱,构造形迹相对简单。对煤层气富集具有控制作用的主要为寺头断层及区内局部背、向斜,在不同的构造部位煤层含气量具有明显差异。从图3上可以看出,在宽缓背斜部位有利聚气(如Js8井)、两翼较陡的向斜和背斜轴部(如Js5和Zs31井)均不利聚气、断层部位最不利聚气(如Zs39井),总体上向斜部位要好于背斜部位(如Js5>Zs31井)。

图3 区域地质构造与煤层含气量关系图

这主要包括以下几个方面的原因:(1)通常处于活动期的断层具有开放性,是气体运移的有利通道;而活动比较微弱或不活动的断层具有封闭性则有利于气体的保存。在煤层气成藏演化过程中,寺头断层在喜山晚期之前一直处于活动状态,具有强开放性,导致断层附近煤层气体沿断层大量逸散,煤层含气量极低。(2)两翼较陡的向、背斜,均为挤压应力下形成的地质构造。对于向斜,轴部煤层的底部及其底板岩层张性裂隙易于发育,部分煤层气扩散损失,而两翼部位则为煤层气富集区;对于背斜,轴部煤层含气量低则是由于煤层顶部及其顶板张性裂隙的发育,同时两翼部位有利于煤层气富集。总体而言,向斜要比背斜更有利于聚气。(3)宽缓背斜也是在挤压应力环境下形成的,属于局部小构造,亦为应力集中区,因此有利于煤层的吸附。
3 煤层气开发前景分析
煤层气有利开发区主要包括两层含义,它既是煤层气的富集区又是高产高渗区。在查明煤层气富集规律的基础上,寻找煤层气高产高渗区是实现煤层气大规模商业开发的关键。文章从煤储层参数角度,具体分析了郑庄区块3#和15#两主力煤层的开发潜力以及瓶颈问题。
煤层气在煤储层中的渗流特征与常规天然气差异很大,影响煤层气高产的因素复杂而多样,主要包括:煤层气含量、含气饱和度、煤层埋深、煤层厚度、煤级、煤储层渗透率、煤储层压力、临界解吸压力(娄剑青,2004;万玉金等,2005;陈振宏等,2009)以及煤体结构等。在研究区内,煤层气开发的有利储层参数主要包括以下几个方面:(1)煤储层含气性较好(表2),3#煤层平均含气量19.11m3/t、甲烷含量18.35m3/t、含气饱和度69.58%;15#煤层平均含气量16.30m3/t、甲烷含量15.42m3/t、含气饱和度62.80%。较高的含气量和含气饱和度是煤层气高产稳产的物质基础。(2)煤层埋藏适中,降低开采难度及开采成本,3#煤层埋藏深度512~1215m;15#煤层605~1310m。(3)煤层厚度较大,3#煤层厚度5.3~6.2m;15#煤层厚度2.4~7.9m。(4)煤变质演化程度高,最大镜质组反射率Ro,max=3.55%~3.98%,高变质程度使煤的吸附能力强,含气量高。(5)3#煤储层压力梯度接近于静水压力梯度;15#煤储层压力梯度略高于静水压力梯度。煤层气储层为常压或接近常压均有利于煤层气的开发。
表2 郑庄区块煤层含气性特征


注:下标ad代表空气干燥基。
在郑庄区块,开发煤层气存在的主要瓶颈问题是煤储层渗透率较低,平均低于1mD,其中3#煤层试井渗透率为0.013~0.430mD;15#煤层试井渗透率为0.022~0.920mD。通过镜下观察显微裂隙,两煤层均以B型(宽度>5μm,1mm5μm,长度>10mm)裂隙较少,裂隙密度较小,且连通性中等至差。裂隙不发育和连通性较差是导致煤储层渗透性差的主要原因。但两煤层的煤岩类型主要为光亮煤,煤体结构以原生结构和碎裂为主,这使得改善煤储层渗透能力成为可能。从煤层气开发的角度来讲,原生结构的煤体,裂隙虽然相对较少,但经过压裂后,煤层气容易抽放,属较好类型的煤体;碎裂结构的煤体,裂隙相对发育,抽放条件优越,属于极好的煤体类型。
表3 郑庄区块煤储层宏观和微观裂隙发育特征


另外从图4上可以看出,在郑庄区块煤储层渗透率主要受最小有效应力(最小主应力与储层压力之差)的影响,随着该应力的增加,渗透率值明显降低;但埋深和最小主应力对渗透率的影响不明显。因此,可以通过研究最小有效应力分布规律,在研究区低渗透率背景上寻找渗透率高值区,为选取煤层气高产高渗区提供科学依据。

图4 3#(a)及15#(b)煤层渗透率与应力、埋深关系图

4 结论
文章从沉积环境、水文地质条件和地质构造三个方面,分析了郑庄区块3#和15#煤层煤层气富集成藏的地质控制因素。结果表明:稳定的聚煤沉积环境和封闭的水动力系统是煤层气的保存的有利条件,而局部煤层气富集则受控于地质构造条件:在宽缓背斜部位有利聚气、两翼较陡的向斜和背斜轴部均不利聚气、断层部位最不利聚气,总体上向斜部位要好于背斜部位。另外,文章从储层参数角度分析了该区块煤层气的开发潜力。3#和15#煤层煤级高,含气量、含气饱和度较高,煤层较厚,煤层埋藏适中,储层压力接近或稍高于静水压力,均表明有利于煤层气的开发。然而该区块煤储层渗透率极低,使煤层气的商业开发增加了难度,但可以通过压裂等增产措施适当的改善煤储层,提高气产量。
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