影響煤層氣井產能差異的主控地質因素分析
——以樊莊區塊北部為例

李 俊 崔新瑞 張 聰 張光波 袁延耿 李雪琴

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

不同區塊的煤層氣井生產特征不盡相同，甚至在同一區塊內，煤層氣井產能也有較大的差異。其中影響煤層氣井產氣量的主控因素也不相同，目前研究煤層氣產量的主控因素大都從地質、工程、排采三方面進行分析。例如張義等從地質因素(構造部位、斷層、陷落柱)、工程因素(鉆井工程、壓裂施工)、排采制度(套壓控制、排采速度)三個方面對沁水盆地煤層氣低產原因進行過詳細分析。本次研究區生產井在鉆井工程、壓裂工藝、排采技術方面并無明顯差異，后期產氣量卻呈現出較大差異，并具有區域性分布。分析認為其主控因素為地質因素，包括斷層、褶皺、埋深等對儲層含氣量、滲透率的綜合影響。關于構造和煤層氣產能的關系，多為區域研究和理論分析。例如梁宏斌等根據沁水盆地構造演化及樊莊區塊褶皺形成的力學機制，劃分出原生型煤層氣藏、調整型煤層氣藏、改造型煤層氣藏，并根據不同的氣藏特點，采取不同的開發策略；劉燕紅等根據地質條件的差異，引入了開發單元的概念來指導生產；劉會虎等也將沁南煤層氣田劃分為5個開發單元，并論述開發單元的分布受地質構造的影響最為顯著等。目前樊莊區塊的煤層氣開發經過了長期的生產實踐，需要分析的開發空間尺度勢必會不斷縮小，必須對煤層氣開發有利區重新厘定。本次在前人的研究基礎上，對構造發育的樊莊區塊北部進行詳細研究(見圖1)，把地質認識與生產實踐相結合，進一步細分開發單元，分析不同開發單元的產能主控地質因素，為研究小空間尺度內的煤層氣井產能主控因素提供一定的方法。

圖1 研究區構造位置圖

1 地質概況

沁水盆地位于華北地臺山西隆起之間，是近NE-NNE向的大型復式向斜，軸線大致位于榆社-沁縣-沁水一線，東西兩翼基本對稱，傾角4°左右，次級褶皺發育。樊莊區塊位于沁水盆地南部晉城馬蹄形斜坡帶上，西側緊鄰寺頭斷層，總體呈東南高，西北低的構造特征。樊莊區塊煤層氣資源豐富，目前開發煤層氣的主力煤層為山西組3號煤，埋深介于400～800m，總體上東深西淺，厚度5～6m，全區分布穩，含氣量較高，一般為23m3/t，在斷層附近，顯著降低，煤層結構簡單，一般在底部發育0.7m左右的構造煤。而樊莊區塊大斷層不甚發育，但小規模的斷裂構造卻廣泛分布，主要以北東或北西向正斷層為主。區塊南部和北部呈現出較明顯的地質差異性，總體上北部埋深大，含氣量高，滲透性差，斷層和褶皺的發育，對煤儲層含氣量、滲透率、壓裂均有較顯著的影響，最終導致產氣差異明顯。而南部構造平緩，埋深淺，總體產氣量較高。

2 構造對煤層氣井控制作用

結合樊莊區塊北部的構造及產氣特征，筆者將樊莊區塊北部構造模式分為2類，即斷層構造和褶皺構造。

2.1 斷層控制作用

斷裂構造對煤層氣產量的影響主要體現在斷層封閉性上。研究表明:一般正斷層多為開放型，封閉性較差而有利于氣體的逸散；逆斷層為壓性或壓扭性，封閉性較好，有利于氣體的保存。在構造演化過程中，有時斷層性質發生變化，對煤層氣的封閉性也隨之改變。

樊莊區塊斷裂較發育，以正斷層為主。在正斷層的形成過程中斷層面附近為一明顯的應力集中帶，所以，越靠近斷層，煤層變形破碎越明顯，裂隙越發育。在正斷層附近的煤層氣井多為低產氣井或高產水井，斷層對煤層的含氣性具有明顯的影響。低產氣主要因為斷層導致含氣量低，高產水主要因為斷層使煤層與含水層產生水力聯系，壓裂時，極易溝通含水層或天然裂隙，導致大量排水，但煤層中仍無法有效降壓。

2.2 褶皺控制作用

褶皺對煤層氣保存與煤層滲透性具有顯著的控制作用。在背斜軸部中和面以上和向斜軸部中和面以下，由于拉張應力作用，產生大量張性裂隙和正斷層(見圖2)，對滲透性起到改善作用，也會因應力快速釋放，形成低壓區，煤層氣發生逸散。當然，如果頂板為厚層泥巖，起到阻止煤層氣逸散作用，也會產生富集區，但也會形成部分游離氣。

圖2 褶皺構造應力性質示意圖

本次研究的樊莊北部的3號煤層，處于中和面以上，形成在背斜軸部煤巖滲透性好，但易逸散，而向斜軸部應力集中，含氣量高，但裂隙不發育，滲透性差的普遍規律。

3 研究區開發特征

通過對研究區191口煤層氣井的產水、產氣進行統計，做出日產水和日產氣分布散點圖(見圖3)，可以看出，不同區域產氣量呈明顯差異，產氣在0～5000m3，日產水量在0～30m3均有分布。但也呈現出較強的區域分布規律：中部產氣量高(1800m3/d)，產水量少(0.6m3/d)；西部產氣量低(200m3/d)，產水量高(3.8m3/d)；東部產氣量(900m3/d)和產水量(1.4m3/d)均處于中間水平。結合地質條件和以上開發特征，將研究區劃分為三類開發單元：Ⅰ類開發單元—中部井區，Ⅱ類開發單元—東部井區，Ⅲ類開發單元—西部井區。

圖3 不同井區產氣產水分布圖

通過對不同井區單井產水產氣進行統計，可以看出，高產井集中于中部，往往產水量較低；高產水井集中于西部和東部，往往產氣量較低。這種規律性和單井所處構造位置有關。

4 不同開發單元的主控地質因素

煤層氣井的產量是由多種因素綜合控制的結果，但對于某一區塊，大的構造背景和壓裂施工工藝基本相同，排采控制基本遵循同一原則。在大構造背景下派生出的次級構造，也會使同一區塊產生與之相對應的產氣產水特征。通過對三個井區地質參數進行統計(表1)，分析構造特征，可以得出不同井區的地質差異性。

表1 不同開發單元地質參數表

4.1 Ⅰ類開發單元—富集高滲

Ⅰ類單元為中部井區，處于固縣背斜，位于寺頭斷層西側3km左右，含氣量未受斷層影響；在背斜軸部，受拉張作用，一般發育沿軸向的張節理，滲透性得到明顯改善；煤層頂板為厚層泥巖，含水性弱，為較好的蓋層。保證了即使在背斜軸部裂縫發育區，煤層氣也能得以大量保存，在背斜核部形成局部富集區，并存在游離氣的可能性。

壓裂曲線一定程度上可以反映儲層信息。由于煤層本身滲透性較好，在壓裂過程中，施工壓力平緩(圖4-a)，其主要作用是對煤層中原生裂縫進行擴展和延伸，使原本互不相連的裂隙相連，形成縫網。

圖4 不同開發單元典型壓裂施工曲線

4.2 Ⅱ類開發單元—微構造發育

Ⅱ類單元為東部井區，平均埋深745m，較大的埋深導致煤儲層原始滲透率低，物性差。后期經歷了強烈的構造運動，斷層、褶皺極為發育，使得部分井3號煤層缺失，測井曲線顯示擴徑現象普遍存在。強烈的構造作用也使該區域以構造煤發育為主。在壓裂過程中，由于物性差，平面非均值性強，主要以波動型曲線為主(圖4-b)，形成多條短縫，能夠在小范圍內形成縫網。

此外，區內小型的斷層也使得煤儲層的滲透率得到一定程度的改善，和Ⅰ類儲層相比，其壓降面積小，雖然能出現產氣高峰，但穩產期較短。

4.3 Ⅲ類開發單元—含氣量低

Ⅲ類單元位于西部井區，距離寺頭斷層較近。寺頭開放性正斷層的多次活動使樊莊區塊的西緣出現若干條派生或伴生的中小型正斷層，造成這一區域地層節理、裂隙發育。受斷層影響，井區內甲烷不斷逸散，導致目前含氣量低(圖5)，開發效果較差。在壓裂過程中，其施工曲線以突降型為主(圖4-c)，表征溝通天然裂縫或附近的斷層，導致產水量大。

圖5 西部井區3號煤甲烷含氣量等值線圖

5 結論

(1)褶皺的構造位置和斷層的規模對樊莊區塊煤層氣井產能的影響并不相同。在背斜軸部裂隙發育，滲透性好，當上覆巖層為致密泥巖時，可形成富集高滲型氣藏，否則甲烷可能會逸散。斷層規模較大時，會對區域含氣量造成影響，同時壓裂改造易溝通斷層或裂隙，導致開發效果差；在物性較差的區域如果發育小規模的斷層，可一定程度的改善滲透性，形成富集中滲的氣藏，具有較好的開發效果。

(2)煤層非均質性一般較強，但不同的開發單元產能的主控因素不同。通過對構造特征及儲層參數進行統計分析，找出主控因素，才能明確不同開發單元的合理產能，客觀評價開發效果，并采取針對性的增產措施。