構(gòu)造模式與煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)系——以晉城煤區(qū)為例

摘 要

摘要：隨著山西省晉城煤層氣區(qū)煤層氣商業(yè)化開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤層氣井積累的數(shù)據(jù)越來越豐富，為研究不同構(gòu)造模式下煤層氣井的產(chǎn)能提供了充足的數(shù)據(jù)支持。為了分析各種構(gòu)造模式
摘要：隨著山西省晉城煤層氣區(qū)煤層氣商業(yè)化開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤層氣井積累的數(shù)據(jù)越來越豐富，為研究不同構(gòu)造模式下煤層氣井的產(chǎn)能提供了充足的數(shù)據(jù)支持。為了分析各種構(gòu)造模式對(duì)煤層氣井作業(yè)的影響及其與產(chǎn)能的關(guān)系，將該區(qū)構(gòu)造模式大致分為斷層構(gòu)造、褶皺構(gòu)造和陷落柱構(gòu)造3類，結(jié)合煤層氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，對(duì)不同構(gòu)造模式下煤層氣井的產(chǎn)能情況進(jìn)行了總結(jié)；最后，分析了煤層氣水平井與小構(gòu)造的關(guān)系，提出了水平井布井的基本原則，即水平井排采井筒應(yīng)位于構(gòu)造低部位。
關(guān)鍵詞：樊莊區(qū)塊；構(gòu)造模式；煤層氣；氣井產(chǎn)能；斷層；褶皺；陷落柱；水平井；煤層水
    進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造背景分析、區(qū)塊構(gòu)造模式分析和賦氣構(gòu)造類型分析，是研究煤層氣賦存、產(chǎn)出規(guī)律的一種有效手段[1]。過去對(duì)構(gòu)造和煤層氣之間的關(guān)系研究較多[2～3]，但由于煤層氣井的生產(chǎn)參數(shù)有限，大多只進(jìn)行了理論分析。隨著晉城煤層氣區(qū)煤層氣商業(yè)化開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤層氣井積累的數(shù)據(jù)越來越豐富，為研究不同構(gòu)造模式下煤層氣井的產(chǎn)能提供了充足的數(shù)據(jù)支持。為此，筆者將該區(qū)構(gòu)造模式大致分為3類，即斷層構(gòu)造、褶皺構(gòu)造和陷落柱構(gòu)造，并逐一分析各種構(gòu)造模式對(duì)煤層氣井作業(yè)的影響以及與產(chǎn)能的關(guān)系。
1 3種構(gòu)造模式對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響
1.1 斷層構(gòu)造
    斷層構(gòu)造在改變煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)和滲透性的同時(shí)，也對(duì)煤層氣藏的封閉保存和產(chǎn)出條件造成影響，具體表現(xiàn)在：①將已經(jīng)發(fā)育成熟的較大煤層氣藏破壞分解成很小的煤層氣包，這里有斷層對(duì)煤層氣藏切割開放的作用[4]，也有將煤層氣藏內(nèi)部的儲(chǔ)層破壞，導(dǎo)致煤粉增加，滲透性嚴(yán)重下降2個(gè)主要方面；②如果斷層密集，上述2種作用同時(shí)存在且作用強(qiáng)烈的話，可導(dǎo)致整個(gè)煤層氣藏幾乎完全被分解破壞；③斷層構(gòu)造對(duì)煤儲(chǔ)層大裂隙系統(tǒng)的控制作用[5]。
1.1.1斷層構(gòu)造對(duì)煤層氣井的影響
    其影響表現(xiàn)在：①對(duì)水平井鉆進(jìn)的影響，最突出的就是壓鉆、卡鉆；②對(duì)直井鉆進(jìn)的影響，煤層附近擴(kuò)孔比較嚴(yán)重，將來固井后的水泥厚度增大現(xiàn)象嚴(yán)重，目前的射孔工藝很難射穿此種類型的水泥環(huán)；③對(duì)壓裂的影響，壓裂難以操作，砂子主要集中堆積在井筒附近，壓裂效果很差；④對(duì)排采的影響，除導(dǎo)致煤粉多，操作困難，事故多等方面外，煤粉的堵塞還導(dǎo)致滲透率嚴(yán)重降低，煤層氣產(chǎn)量上不去。
1.1.2斷層與煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)系
樊莊區(qū)塊斷層比較發(fā)育，但對(duì)含氣量變化影響不大，含氣量總體變化為西北高，東南低，呈帶狀分布。區(qū)塊內(nèi)斷層一方面起封堵作用，有利于煤層氣的保存；另一方面提高了其影響范圍內(nèi)煤儲(chǔ)層的滲透性，有利于煤層氣的產(chǎn)出。區(qū)塊內(nèi)G6-10、G7-11、G7-13、G8-9、HX1-8、HX2-6、HX4-10井等7口高產(chǎn)井均分布在斷層附近，且主要分布在煤層的上盤，可能與斷層上盤中裂隙發(fā)育較好有關(guān)，較有利于煤層氣的產(chǎn)出(圖1)。
 

1.2 褶皺構(gòu)造
1.2.1背斜部位
    由于其張力作用，該部位裂隙較發(fā)育，不利于煤層氣保存，含氣量相對(duì)較低，但煤儲(chǔ)層連通性很好，其游離氣相對(duì)較多。另外，該部位煤儲(chǔ)層中水的流動(dòng)趨勢(shì)類似于地下水流動(dòng)的“補(bǔ)給區(qū)”。在排采過程中，如果煤層與頂、底板中的水力聯(lián)系很弱，補(bǔ)給會(huì)很不及時(shí)，儲(chǔ)層中的水幾乎處于“滯流”狀態(tài)，只需要排出少量的水，就能達(dá)到較大面積降壓的效果。因此，其儲(chǔ)層壓力下降較快，達(dá)到最高產(chǎn)氣量所需時(shí)間較短[6～8]。因此，盡管煤儲(chǔ)層的連通性很好，但由于含氣量不高，該部位的煤層氣井穩(wěn)定產(chǎn)氣量一般不高，多在800～1200m3/d，產(chǎn)水量下降也快(圖2)。

    樊莊區(qū)塊內(nèi)，G12-9、G11-8、G10-9井等煤層氣井位于背斜近核部，排采100d左右開始產(chǎn)氣，但產(chǎn)氣量不高，多穩(wěn)定在800m3/d，產(chǎn)水量下降也較快，排采約180d后基本不產(chǎn)水，累積產(chǎn)水量約635.5m3，僅略大于煤層氣壓裂過程中注入的壓裂液量(圖2)。
1.2.2向斜部位
    由于壓實(shí)作用，該部位裂隙不發(fā)育，其儲(chǔ)層中水的流動(dòng)類似于地下水流動(dòng)的“排泄區(qū)”。在排水采氣過程中，接受來自翼部儲(chǔ)層中水的補(bǔ)給，因其處于“排泄區(qū)”，儲(chǔ)層中水匯集于此，排水強(qiáng)度最大，產(chǎn)水量很大，壓降漏斗卻很小[6～8]。因此，向斜部位的煤儲(chǔ)層盡管含氣量相對(duì)較高，但連通性較差，煤層氣井穩(wěn)定產(chǎn)氣量一般不高，多在800～1200m3/a，產(chǎn)水量較大。樊莊區(qū)塊內(nèi)HG24-3、HG23-4井等煤層氣井位于向斜核部位置，產(chǎn)氣量低且不穩(wěn)定；HG23-4井產(chǎn)水量相對(duì)較大，排采近200d后，產(chǎn)水量約1.7m3/a(圖3)。
1.2.3構(gòu)造翼部
    該部位裂隙發(fā)育適中，煤儲(chǔ)層連通性較好，其儲(chǔ)層中水的流動(dòng)趨勢(shì)類似于地下水流動(dòng)的“承壓區(qū)”。在排水采氣過程中，會(huì)接受來自背斜部位儲(chǔ)層中水的補(bǔ)給，水動(dòng)力作用較強(qiáng)，但因其處于翼部，煤儲(chǔ)層中的水又向向斜部位流動(dòng)，使其排水降壓比較容易，其壓降效果取決于補(bǔ)給水與排泄水的差值[6～8]。
因此，在這一部位，含氣量和煤儲(chǔ)層的連通性達(dá)到一種較為理想的搭配，其煤層氣井的穩(wěn)定產(chǎn)氣量一般較好，多在4500m3/d左右，產(chǎn)水量也介于上述2種位置之間(圖4)。樊莊區(qū)塊內(nèi)，G6-10、G7-11井等高產(chǎn)煤層氣井均在這種翼部位置。
 

1.3 陷落柱構(gòu)造
    陷落柱對(duì)煤層氣井的排采不利，表現(xiàn)在：①陷落柱導(dǎo)致煤層缺失，以致有些煤層氣井未見煤層；②由于煤層填充的上層巖石還未重新壓實(shí)，裂隙發(fā)育，造成煤層氣的散失，故陷落柱影響范圍內(nèi)，煤層氣含量降低，含氣飽和度減??；③陷落柱煤層段如果膠結(jié)不好，可能溝通上覆砂巖含水層，對(duì)煤層氣井后期排采不利。因此，在煤層氣井井位部署時(shí)，一定要考慮陷落柱的影響，至少要離開陷落柱200m。
    該區(qū)鄭莊區(qū)塊內(nèi)發(fā)育大量的陷落柱，小的直徑約10m，大的直徑達(dá)500m，陷落柱是由于奧陶系石灰?guī)r溶蝕塌陷形成的。該區(qū)奧陶系主要由中、下馬家溝組及峰峰組組成，含水層主要為馬家溝組，屬海相穩(wěn)定型沉積，出露于研究區(qū)東側(cè)，富水性較強(qiáng)。在太行山西翼，中奧陶統(tǒng)總厚度超過1000m；石灰?guī)r大面積出露形成補(bǔ)給區(qū)，受水面積廣。如果巖溶空洞達(dá)到一定程度，在構(gòu)造應(yīng)力和上覆地層重力共同作用下，可形成落差大于70m的陷落高度。
陷落柱對(duì)煤層以及煤層底板破壞程度較大，其周圍煤巖層中伴隨許多裂隙及小型斷層，成為溝通奧陶系石灰?guī)r溶裂隙水與煤層巷道的良好通道(圖5)。
 

2 構(gòu)造與煤層氣水平井產(chǎn)能的關(guān)系
2.1 “鍋底”構(gòu)造發(fā)育部位
    該部位的水平井部署見圖6-a，其分支布置在“鍋蓋”的翼部，井筒布置在“鍋底”部位，相當(dāng)于煤層水排泄區(qū)，利于煤層水的排采，盡管前期產(chǎn)氣效果欠佳，但排采到一定階段，這類水平井產(chǎn)氣效果較好。樊莊區(qū)塊內(nèi)FZP02-2井就位于這一部位，目前產(chǎn)氣效果較好。
2.2 “鍋蓋”構(gòu)造發(fā)育部位
    該部位的水平井部署見圖6-b，其分支也布置在“鍋蓋”的翼部，但其井筒在“鍋蓋”部位，相當(dāng)于煤層水的補(bǔ)給區(qū)，不利于煤層水的排采。這類水平井前期產(chǎn)氣時(shí)間較短，衰減也快，不能很好地達(dá)到儲(chǔ)層降壓的目的，對(duì)后期排采不利。樊莊區(qū)塊內(nèi)FZP01井組、FZP03井組布置在這種構(gòu)造部位，不利于煤層水的排采，預(yù)計(jì)其產(chǎn)氣效果也不會(huì)太好。
3 結(jié)論與建議
    1) 樊莊區(qū)塊斷層比較發(fā)育，一方面斷層起封堵作用，有利于煤層氣的保存；另一方面提高了其影響范圍內(nèi)煤儲(chǔ)層的滲透性，利于煤層氣的產(chǎn)出。在水文地質(zhì)條件、煤階等地質(zhì)條件相近的前提下，煤儲(chǔ)層的背斜、向斜部位的煤層氣井，穩(wěn)定產(chǎn)氣量一般都不高，多介于800～1200m3/a，而在煤儲(chǔ)層的冀部位置，由于含氣量和煤儲(chǔ)層的連通性形成較為理想的搭配，其煤層氣井穩(wěn)定產(chǎn)氣量一般較好，多在4500m3/d左右，產(chǎn)水量也介于背斜、向斜位置的煤層氣井產(chǎn)水量之間。
    2) 陷落柱不利于煤層氣藏的封閉保存，其影響范圍內(nèi)，煤層氣含量降低，含氣飽和度減小。因此，在煤層氣開發(fā)過程中，要注意陷落柱對(duì)煤層氣井的影響。
    3) 對(duì)于“鍋底”構(gòu)造發(fā)育部位的水平井部署，其井筒部位相當(dāng)于煤層水的排泄區(qū)，有利于煤層水的排采，盡管前期可能產(chǎn)氣效果欠佳，但排采到一定階段，這類水平井產(chǎn)氣效果較好；而對(duì)于“鍋蓋”構(gòu)造發(fā)育部位的水平井部署，其井筒部位相當(dāng)于煤層水的補(bǔ)給區(qū)，不利于煤層水的排采，這類水平井，前期可能開始產(chǎn)氣時(shí)間較短，但衰減也快，不能很好地達(dá)到儲(chǔ)層降壓的目的，對(duì)后期排采不利。
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(本文作者：李夢(mèng)溪1，2 劉慶昌3 張建國1 王立龍11.中國石油山西煤層氣分公司；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)；3.中國石油華北油田公司)