水力封堵型煤層氣藏類型及地質(zhì)意義

才思斯 許 浩 湯達(dá)禎 趙俊龍 彭己君 孟金落 于明杰

(中國地質(zhì)大學(xué) (北京)能源學(xué)院,北京 100083)

煤層氣藏是一種重要的非常規(guī)天然氣藏。目前對水力封堵型煤層氣藏類型劃分的研究還很少。本文通過對大量資料分析研究,制定專門針對水力封堵型煤層氣藏的分類方案。期望有效的分類能夠?qū)σ院蟮拈_發(fā)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 水力封堵型煤層氣藏方案

水力封堵型煤層氣藏是指除了受其它地質(zhì)邊界控制外,煤層氣的運(yùn)移、富集還受地下水的封堵或驅(qū)動控制的煤層氣藏。

根據(jù)煤層氣藏單一截面邊界的水力封堵特點(diǎn),結(jié)合煤層氣藏構(gòu)造和巖性特征將其分為兩大類六小型 (表 1)。

Ⅰ構(gòu)造類：

結(jié)合水力封堵型煤層氣藏區(qū)域構(gòu)造特征可分為：①單斜型水力封堵煤層氣藏;②向斜型水力封堵煤層氣藏;③斷層型水力封堵煤層氣藏。

Ⅱ復(fù)合類：

根據(jù)煤層氣藏不同封堵條件可分為：①水力封堵—物性型煤層氣藏;②水力封堵—巖性型煤層氣藏;③水力封堵—斷層型煤層氣藏。

表1 水力封堵型煤層氣藏分類表

2 構(gòu)造型水力封堵煤層氣藏

2.1 單斜型水力封堵煤層氣藏

單斜型水力封堵煤層氣藏是指在單斜構(gòu)造中,由于地下水的封堵或驅(qū)動控制對煤層氣進(jìn)行的封藏作用,使煤層氣富集的一種形式 (表1)。典型單斜型水力封堵煤層氣藏實(shí)例為鄂爾多斯盆地東緣柳林地區(qū)。

柳林地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部,東邊以離石斷裂為界,為一南北走向的西傾單斜構(gòu)造,西部邊界為地下水力封堵邊界。地下水運(yùn)移到深部滯留區(qū),沒有明顯邊界。

單斜型水力封堵煤層氣藏,地下水運(yùn)動方向單一,即由上層補(bǔ)給區(qū)沿巖層傾斜向下由淺部向深部運(yùn)動,煤層氣逸散方向與地下水運(yùn)動方向相反則煤層氣能夠被封堵。以上柳林地區(qū)很好的符合單斜水力封堵。此外,晉城礦區(qū)的東區(qū)和西區(qū)均屬于單斜水力封堵煤層氣藏類型。

2.2 向斜型水力封堵煤層氣藏

向斜型水力封堵煤層氣藏是指在向斜構(gòu)造中,兩側(cè)由于地下水的封堵或驅(qū)動控制對煤層氣進(jìn)行了封藏作用 (表1)。結(jié)合不同向斜地質(zhì)條件具體實(shí)例會有不同情況,例如,沁水盆地為典型復(fù)式向斜型水力封堵煤層氣藏,而開灤礦區(qū)為不對稱向斜型水力封堵煤層氣藏。

以開灤礦區(qū)為例,開平向斜為一不對稱向斜,因為西北翼露頭高而東南翼低,造成地下水由西北翼補(bǔ)給,向東南翼排泄。因此,西北翼地下水徑流方向與煤層氣順層運(yùn)移方向相反,有利于煤層氣成藏;東南翼水流方向與煤層氣運(yùn)移方向相同,造成煤層氣逸散。這是向斜西北翼馬家溝井田和唐山井田煤層含氣量高的原因之一。

大量資料表明,地下水帶動煤層氣向下流動,在向斜軸部富氣,若水流流速緩慢并且流動方向與煤層氣運(yùn)移方向相反,這種條件下有利于封堵煤層氣,相反,可能會導(dǎo)致煤層氣逸散。理論和實(shí)踐研究表明,向斜為煤層氣富集的主要構(gòu)造控制因素。

2.3 斷層型水力封堵煤層氣藏

斷層型水力封堵煤層氣藏指的是開放斷層位于地下水的補(bǔ)給區(qū),能夠?qū)γ簩託膺M(jìn)行封堵成藏,有利于煤層氣的保存的水力邊界。典型實(shí)例如美國的猶他州中東部[10](圖1)。

如圖1可以看出,在猶他州中東部地區(qū)地下水沿Joe′s Valley斷層接受地面補(bǔ)給向下流動,并沿兩側(cè)含水層和煤層運(yùn)移,有效地封堵煤層氣藏。

研究斷層型水力封堵煤層氣藏首先要確定開放性斷層與地下水的關(guān)系,若斷層位于補(bǔ)給區(qū)一般能夠封堵煤層氣并成藏,若位于排泄區(qū)易造成煤層氣的散失,如河?xùn)|煤田的柳林地區(qū)。

圖1 猶他州中東部Ferron砂巖段水力系統(tǒng)示意圖(據(jù)Anna[10],2003)

3 復(fù)合型水力封堵煤層氣藏

3.1 水力封堵-物性型煤層氣藏

水力封堵-物性型煤層氣藏是指物性對于煤層氣的封堵起到了主導(dǎo)作用,同時與水力結(jié)合形成的一種煤層氣富集類型 (表1)。典型實(shí)例為美國的圣胡安盆地煤層氣藏。

圣胡安盆地的盆地水文地質(zhì)條件對煤層氣成分的影響是十分明顯的。物性封堵的原理是煤體在構(gòu)造應(yīng)力作用下破碎為糜棱煤,物性變差,排驅(qū)壓力增大,對煤層氣的擴(kuò)散運(yùn)移起到阻止作用[11]。圣胡安盆地淺層地下水?dāng)y帶煤層氣聚集成藏,是典型的水力封堵-物性型煤層氣藏 (圖2)。

圖2 圣胡安盆地水力封堵-物性邊界示意圖(據(jù)宋巖[11],2010)

此種類型的水力封堵煤層氣藏在封堵中受到了物性變化的影響,在配合了一定的構(gòu)造組合之后,有利于煤層氣的封閉,進(jìn)而易形成煤層氣藏的富集。

3.2 水力封堵-巖性型煤層氣藏

在盆地深部方向由于巖相的變化形成深部的煤層氣的運(yùn)移阻擋,而在煤層上傾方向則由水力動力形成封堵,從而形成煤層氣的富集 (表1)。典型的巖性-水動力封堵煤層氣藏如鐵法盆地 (圖3)和粉河盆地。

圖3 鐵法盆地煤層氣富集模式圖

鐵法盆地淺部水動力強(qiáng),但由于下部煤層氣與上方地下水的相向運(yùn)動減弱水的流動能力形成滯留區(qū)。煤層與近緣沉積呈指狀交叉,短距離內(nèi)由厚變薄形成煤層尖滅阻止煤層氣散失。

粉河盆地頂部主要受網(wǎng)絡(luò)狀滲濾形成的水力封堵,側(cè)向上和底板主要為巖性封閉,且部分煤層向盆地內(nèi)部尖滅于頁巖當(dāng)中。在盆地淺部地下水深部循環(huán)逐漸變緩,形成地下水滯留區(qū),煤層氣受到煤層尖滅的運(yùn)移阻擋利于煤層氣的保存。

此類水力封堵型煤層氣藏主要受地下水滯留區(qū)的封堵作用,又因為煤層巖性的變化阻擋氣體的運(yùn)移,利于煤層氣聚集成藏。

3.3 水力封堵-斷層型煤層氣藏

水力封堵-斷層型煤層氣藏是指一側(cè)為地下水封堵,滯留區(qū)邊界的另一側(cè)為封閉斷層的煤層氣藏(表1)。典型實(shí)例為沁水南盆地西部地區(qū)。

沁南煤層氣藏的西部邊界為封閉性的寺頭斷層,北部由于地表降雨入滲微弱形成滯流區(qū)。寺頭斷層對其東西兩個煤層氣藏的水文地質(zhì)條件、構(gòu)造格局和煤層氣的賦存都具有明顯的控制作用。

水力封堵-斷層型煤層氣藏中煤層氣的富集程度主要由地下水的運(yùn)動方向和封閉性斷層性質(zhì)決定。地下水由淺部向深部運(yùn)移時,封閉性的斷層邊界減弱水動力形成滯留區(qū)。這種條件下,順煤層流動的地下水,不僅起到了阻止煤層氣散失的作用,而且由于新增靜水壓力的存在,在一定程度上增加了儲層壓力,使煤儲層吸附更多的煤層氣[13]。

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