沁水盆地鄭莊區塊勘探現狀及試采效果分析

2010-12-16 07:40:52李夢溪張建國胡秋嘉劉國偉

中國煤層氣 2010年6期

李夢溪張建國胡秋嘉劉國偉余巍

(中國石油華北油田煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000)

山西沁水盆地是我國煤層研究與開發的熱點地區[1], 鄭莊區塊位于中石油沁水盆地鄭莊- 樊莊登記區塊西部, 是中石油煤層氣產能建設的主戰場之一。該區煤層氣勘探工作從1999 年開始, 目前已上交探明地質儲量約500×108m3。本文通過對該區地理環境、地質構造特征、資源概況、勘探現狀及試采情況進行論述, 著重對試采成果進行分析, 證實該區具有一定的煤層氣資源, 具備規模開發的條件。

1 地質概況

鄭莊區塊行政區劃位于沁水縣和陽城縣, 地表主要為丘陵山地, 海拔580～1300m, 溝谷發育。區塊構造位于沁水塊坳構造單元, 屬于沾尚- 武鄉- 陽城北北東向褶帶的南部, 以褶皺構造為特征。區內最大斷層是寺頭正斷層和后城腰正斷層。整體構造背景北低南高, 東南部受寺頭和后城腰斷層的影響, 形成一個較深斷槽區, 在區塊內形成兩洼一“隆”的構造格局, 在此格局上又疊加了一系列北東向相間展布的背、向斜褶皺構造。區內斷層、陷落柱發育, 目前地震勘探解釋的斷層162 條、疑似陷落柱119 個, 總體表現為東強西弱的特點, 分析認為主要受寺頭及后城腰斷層影響。

主要含煤地層為石炭系上統太原組、二疊系下統山西組, 目前主要勘探目的層為山西組3#煤層。其特點為：

(1) 煤層電性特征明顯, 縱向非均質性強。本區煤具有高電阻率、高聲波時差、低自然伽馬、低體積密度的特征, 煤層自上而下一般包括原生結構煤、夾矸與構造煤三段;

(2) 3#煤層厚度大、分布穩定, 但埋藏普遍較深; 本區3#煤層厚度在3．0～7．81m 之間。總體上呈西北和東南厚、中間薄的特點; 3#煤層埋深在300～1400m 之間, 大部分區域埋藏深度在500～1100m 之間。總體呈現北深南淺的變化趨勢;

(3) 3#煤以半亮煤為主, 總體呈現熱演化程度高、鏡質組反射率高的特點。區內3#煤層鏡質組最大反射率值介于2．5%～4．0%之間, 平均約為3．46%, 屬于無煙煤三號階段;

(4) 3#煤孔隙以微- 小孔為主, 割理較發育：區內3#煤層孔隙度0．65%～10．54%, 平均5．2%,即以微、小孔占絕對優勢, 大孔其次, 中孔的含量最少。割理主要存在兩組優勢發育方向, 第一組的走向大致在N33°～66°E 之間, 該組割理發育, 密度為27～120 條/m, 屬面割理; 第二組割理的走向大致在N42°～54°W 之間, 該組割理發育相對較弱,密度為24～60 條/m, 割理密度較小, 屬端割理,其發育長度受控于面割理。面割理與端割理常近于直角相交, 割理面的傾角普遍大于70°。割理寬度雖介于幾微米至幾百微米之間, 但大多處于緊閉狀態為方解石所充填, 并不利于煤儲層的滲透性;

(5) 3#煤儲層力學性質具有高彈性模量、低泊松比、高抗壓強度和抗拉強度的特征。區內3#煤儲層的抗壓強度 (飽和) 介于1．46～14．55MPa之間, 平均為6．63MPa, 抗壓強度 (干燥) 介于2．51～28．45MPa 之間, 平均為12．61MPa; 抗拉強度 (飽和) 介于0．06 ～1．20MPa 之間, 平均為0．37MPa, 抗拉強度 (干燥) 介于0．09～1．20MPa之間, 平均為0．61MPa; 彈性模量介于210 ～2330MPa 之間, 平均為1027．77MPa; 泊松比介于0．28～0．33 之間, 平均為0．32。與中、低階煤相比, 其基質收縮量相對較小, 但同時上覆靜巖壓力誘導的橫向應力和應變也相對小, 對煤儲層滲透率的影響是一個復雜過程;

(6) 儲層具有低壓低滲特征。試井結果顯示,本區3#煤地層壓力系數介于8．35～10．8KPa/m, 平均約為9．61KPa/m, 其值低于靜水壓力梯度9．79KPa/m[2], 與沁水盆地整體儲層壓力分布特征相一致[3], 即區塊內大部分區域屬于低壓煤儲層,部分區域為常壓煤儲層。原始滲透率0．013～0．43×10-3μm2,, 平均0．112×10-3μm2, 屬于超低滲透率儲層;

(7) 煤層含氣量高、局部變化大：本區3#煤含氣量值一般在 12m3/t 以上, 最高值達到37．64m3/t , 平均21．5m3/t , 局部受斷層、陷落柱等不利構造影響, 含氣量低。

2 勘探現狀

鄭莊區塊煤田勘探從1996 年開始, 主要以鉆探為主, 輔以二維淺層地震, 共完成煤田二維地震剖面16 條182．5km, 已鉆煤孔11 口, 孔距4 ～8km, 勘探程度為找煤- 普查, 煤炭儲量級別以D級為主; 煤層氣勘探工作從1999 年開始, 勘查面積982．764km2, 總體勘探歷程可分為四個階段：

(1) 1999～2005 年早期勘探階段：中國石油煤層氣勘探項目經理部鉆探晉試5、晉試6 兩口煤層氣探井, 試采獲工業氣流, 其中晉試5 井最高日產量3085m3, 晉試6 井2721m3。通過2 口井試采評價, 2002 年上交控制儲量911×108m3。

(2) 2006 年儲量評價階段：中國石油廊坊分院鉆探晉試7、晉試8、晉試9、晉試11、晉試12、晉試13 等6 口評價井。通過試采, 晉試7、晉試8、晉試11 等3 口井獲得工業氣流, 探明面積74．14km2, 儲量107．21×108m3。

(3) 2007～2008 年試采評價階段, 中國石油山西煤層氣勘探開發分公司先后鉆探鄭試14、鄭試15、鄭試19、鄭試27、鄭試30、鄭試31、鄭試38、鄭試39 等8 口評價井, 以及晉試5 - 1 等8 口試采井組, 2008 年2 月獲得煤層氣采礦權135km2。

(4) 2008～2009 年儲量升級階段：中國石油山西煤層氣勘探開發分公司在鄭莊區塊完成二維地震勘探958km, 并在位于區塊東部的東大井區新增評價井35 口, 對其中22 口井進行試采。通過試采,有16 口井獲得工業氣量, 探明煤層氣地質儲量384×108m3, 含氣面積229．36km2。

3 試采效果

截止到2010 年, 中石油在沁水盆地鄭莊區塊共試采評價井30 口, 主要分布在區塊的中部和東部, 試采層位主要為山西組3#煤, 試采深度486．80～1336．90m, 試采時間30～410 天。其中埋深小于1000m 的井21 口, 日產水量1．79～40．0m3,日產氣0～3583m3; 埋深大于1000m 的井9 口, 日產水量3．0～25．0m3, 日產氣0～3138m3, 整體試采效果較好。

3．1 埋深小于1000m 井試采分析

埋深小于1000m 的21 口井中, 有14 口井試采獲得工業氣流, 日產氣量1185～3583m3。該14 口井含氣量整體較高, 介于15 ～32．4m3/t , 平均25．04m3/t。其中鄭試27 井 (見圖1) 位于鄭莊區塊中南部, 埋深747．05m, 含氣量32．4m3/t , 采用活性水壓裂, 壓裂效果好, 試采天數408 天, 最高日產氣量3208m3, 穩定日產氣量2300m3。

圖1 鄭試27 井生產曲線

未獲得工業氣流的7 口井中, 有4 口受含氣量低的影響, 3 口受排采控制差、儲層傷害影響。其中鄭試35、鄭試43 等2 口井 (表1) , 由于所處構造位置位于斷層附近, 氣藏遭到破壞, 保存條件差, 含氣量低 (3．86～8．985m3/t) , 導致產氣效果不理想。

表1 氣成分分析結果

鄭試32 井、晉試12 井含氣量分別為13．68m3/t 和6．35m3/t , 含氣量偏低的主要原因是鄭試32 井位于陷落柱附近, 煤體結構差 (表2) , 夾矸位于煤層中部, 下部煤層煤質差, 導致生產過程中, 煤層實際有效貢獻厚度小, 產氣效果不理想; 晉試12 井煤質分析結果顯示, 灰份含量28%, 按我國煤巖灰分等級劃分[4], 屬于中等灰分煤, 而本區3#煤灰分平均含量13．24%, 屬于低等灰分煤, 該井煤質較差。

鄭試25、晉試9、晉試13 等3 口井煤層厚度5．2～6．8m, 含氣量均大于15m3/t , 介于高變質煤最佳開采含氣量范圍[5], 具備獲得工業氣量的物質基礎, 但由于試采過程中, 排采控制不合理, 為達到早見氣、早高產的目的, 采取快速排采的工作制度排采, 導致井底流壓迅速下降, 地層發生應力突變, 產生大量煤粉, 堵塞通道, 產水減少 (表3) ,壓降漏斗得不到充分的擴展, 供氣源受到了嚴重的限制, 影響試采效果。由此說明, 地質優選煤層氣富集區是獲得高產的基礎, 排采控制是獲得高產的手段。

表2 鄭試32 井測井解釋成果表

表3 鄭試25 等3 口井產水變化統計表

3．2 埋深大于1000m 直井試采分析

有學者認為埋深小于800m 是較為理想的煤層氣開發深度[6], 而當煤層深度大于1000m 時, 煤儲層的滲透性較差, 對煤層氣的開發不利[7]。在目前所采取壓力衰減法開發煤層氣過程中, 煤層氣開采深度很難突破1200m[8]。

2008～2009 年, 中國石油山西煤層氣勘探開發分公司在鄭莊北部埋深大于1000m 的位置, 試采評價井9 口, 有7 口井通過試采獲得工業氣量, 試采深度1006～1336．9m, 試采時間228～410 天, 日產氣量2097～3138m3, 日產水量3．0～10m3。

分析認為：受埋深影響, 儲層壓力高, 氣藏保存條件好。獲得工業氣量的7 口井甲烷濃度96．8～98．09%, 含氣量24．53～35．19m3/t , 平均30．5m3/t , 高于本區14 口埋深小于1000m 獲得工業氣流井的平均含氣量。通過煤質分析及顯微組分測定, 7口井灰分含量平均11．8%, 低于本區平均的13．24%, 煤的密度平均1．52g/cm3, 低于本區平均的1．54g/cm3, 鏡質組含量平均79%, 高于本區平均的72%。由此來看, 7 口井所對應區域的煤層具有鏡質組含量高、灰分含量低、密度低的特點, 顯示了對應區域沉積時煤巖物質組成成煤物質及沉積環境非常穩定, 為高質量的煤層發育提供了十分有利的條件, 同時煤中鏡質組含量高, 有利于煤層割理系統的發育, 使得對應區域煤層滲透性要好于相同埋藏深度的其它地區, 從而具有了較高的煤層氣產出能力。其中鄭試54 井位于鄭莊區塊北部, 埋深1039m, 含氣量31．71m3/t。常規測井和核磁測井顯示：頂底板砂泥比分別為0．57 和0．72, MPHE＜1%, 孔隙不發育, MPERM ＜0．0001, T2 譜單峰峰譜幅度低, 無可動水存在, 封堵性好 (見圖3) 。化驗分析測定顯示：鄭試54 井灰分含量10．81%,揮發分含量6．63%, 甲烷濃度97．69%, 鏡質組含量97．9%, 煤巖煤質好; 采用活性水壓裂, 試采天數410 天, 最高日產氣量3138m3, 穩定日產氣量2800m3(見圖4) 。