深層傾斜風化煤層特征及其對煤層氣開發的影響
——以河北大城區塊南部為例

張鵬豹 肖宇航 朱慶忠 劉 忠 陳彥君韓 峰 呂帥鋒 劉振興 關小曲 周 智

1.中國石油華北油田公司勘探開發研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導試驗基地3.中國地質大學（武漢）資源學院

0 引言

自20世紀80年代中期開始，我國煤層氣產業的發展至今已近40年。目前已基本實現埋深1 000 m以淺煤層氣資源的商業化開發，針對高產區的評價方法和開發對策已初步建立[1-3]。然而作為國內煤層氣產業規模發展重要基礎和接替的深層煤層氣資源（埋深1 000～3 000 m），至今仍處于勘探開發試驗階段[4-8]。伴隨埋深的增加，地溫、地應力和地下流體壓力的增大，化學場、生物場的改變，煤層的力學性質、孔裂特征和導流能力都會發生巨大變化，使其明顯區別于淺層煤層（小于等于1 000 m）；同時煤層氣的主要賦存狀態、吸附/解吸、擴散以及滲流特性也會與淺層煤層氣相異[9-12]，致使深層煤層氣的富集規律，產出要素及煤層增產改造等都具有一定的特殊性，不能簡單借用淺層煤層氣勘探開發理論和技術[13-15]。因而亟需探索和明確深層煤層氣（大于1 000 m）勘探開發的方向和關鍵評價地質要素，以實現深層煤層氣資源的高效動用。

以河北大城區塊南部受風化作用影響的深層煤層氣開發有利區的成功識別，和區內2 000 m埋深煤層日產萬立方米天然氣的突破為依托，深入分析了傾斜煤層物性與含氣性垂向變化規律，分析不同埋深試驗井壓裂試采效果，提出了大城區塊南部深層煤層氣勘探開發有利區模式，明確了該區深層煤層氣勘探開發方向，進而系統總結了風化作用對深層煤層氣勘探開發的意義，豐富了深層煤層氣勘探開發經驗和認識，為其他深層煤層氣區塊勘探開發提供借鑒。

1 區域地質概況

大城區塊位于廊坊市大城縣與天津市靜海縣兩縣交界處。其西側及以南以第三系尖滅線為界與文安斜坡、楊村斜坡接壤，東南側以大城東斷層、靜海斷層為界與里坦凹陷相鄰，東北側以石炭系—二疊系地層剝蝕尖滅線為界，整體呈北東走向，西北傾向的單斜構造，地層傾角介于6°～11°。近東西走向的里瀾斷層將區塊一分為二，其中南段二疊系山西組地層頂界埋深介于1 000～3 000 m，而北段山西組地層頂界埋深基本都大于3 000 m（圖1）。受多期次構造運動影響，區內三疊系及其下伏古生界地層因差異升降、斷裂和剝蝕，石炭系—二疊系地層在新近紀之前于東南側出露地表，導致傾斜煤層及其內部由淺入深遭受了不同程度的風化作用影響；始新世晚期之后，區域構造運動以坳陷沉降為主，隨古近紀、新近紀、第四紀地層覆蓋和埋深增大，煤系地層不再遭受風化作用影響。石炭系—二疊系煤層雖然至今仍未達到二次生氣門限，但煤層氣富集及保存條件已經基本形成（圖2）。

圖1 大城區塊構造位置與區內石炭系太原組六煤組底構造圖

圖2 大城區塊及毗鄰地區A-A'構造剖面圖

區內石炭系—二疊系地層縱向上發育16層煤層，被劃分為6套煤組，由上至下分別為二疊系山西組的一、二、三煤組，和石炭系太原組的四、五、六煤組。其中三、六煤組煤層總厚最大，而且分布穩定，是煤層氣勘探開發的主力目標煤組。三煤組地層厚度28 ～40 m，由2～5層單煤層組成，煤層總厚度介于3.5～12.5 m，平均厚6.0 m，埋深介于1 000～2 300 m。六煤組地層厚度64 ～73 m，由1～3層單煤層組成，煤層總厚度2.0 ～10.0 m，平均厚6.5 m，埋深介于1 200～2 500 m。前者的頂底板巖性以泥巖、砂質泥巖為主，后者的頂底板巖性以泥巖、碳質泥巖為主，兩者封蓋條件良好（圖3）。受石炭系—二疊系地層底部泥巖、鋁土質泥巖和下石盒子頂“桃花泥巖”隔水限制，石炭系—二疊系水動力系統與奧陶系水動力系統及上第三系水動力系統缺少水力聯系，其內部地下水主要為NaHCO3型，鈉/氯離子比介于1.1～1.5，脫硫系數介于0.7～6.0，礦化度由東南側淺層向西北側深層逐漸變大，介于4 750～12 486 mg/L，為弱交替水動力環境，可見現今水動力環境有利于煤層氣保存，風化改造作用已停止影響。三、六煤組的地層壓力系數介于0.9 ～1.0，為正常地層壓力。

圖3 大城區塊石炭系—二疊系煤層對比圖

2 目標煤組儲層特征

2.1 煤層熱變質特征

大城區塊石炭系—二疊系煤層儲層受構造演化影響，共經歷了兩個變質演化階段，分別為晚古生代和中生代早期地層穩定沉降形成的深層變質和燕山后期強烈巖漿侵入的局部區域巖漿熱變質。開始于始新世晚期的沉降，因至今埋深仍未達到再次深層變質臨界，故大城區塊南部煤系地層Ro平面分布特征整體繼承前期格局，如圖4所示，Ro主要集中在0.7% ～1.2%，以氣、肥煤為主，僅東側斷層周邊小范圍煤級達到焦煤。

圖4 大城區塊南部石炭系—二疊系煤層Ro平面分布圖

煤層變質程度對煤層氣富集的影響主要表現在兩個方面，首先變質程度較高區域煤巖生烴總量大，其次煤巖中微孔，比表面積和蘭氏體積在一定區間內會隨煤階的升高而增大，使其吸附能力增強[16]。而巖漿熱能夠在短時間內升高地層溫度，改善煤層吸附能力和提高生烴速率，對區內煤層氣的富集有積極意義。就大城區塊南部而言，雖然早期受構造、地貌和風化作用影響，甲烷發生大量逸散，但煤層中有機質受氧化程度有限，吸附能力得到一定程度保留，當封閉條件合適時仍能夠吸附保存大量甲烷。

2.2 煤層煤質與裂隙孔特征

大城區塊三、六煤組的工業組分基本一致，如表1所示，水分介于0.78 %～1.81 %，灰分介于10.05 %～23.60%，揮發分介于21.37 %～34.33 %。對比來看，六煤組灰分較低，更利于煤層氣吸附[17]；由取心煤樣觀測描述可知，兩主力目標煤組（三煤組、六煤組）煤樣力學強度低，部分巖樣輕捻即碎，質地疏松，多為碎塊、碎粒狀，光澤暗淡，顏色偏灰，受風化作用影響的跡象明顯[18-20]（表2）。三煤組主要發育裂隙孔和植物殘體胞腔孔，而六煤組主要發育植物殘體胞腔孔；胞腔孔為原生孔，空間連通性差，常局限于某一個方向發育，且孔間連通程度低，一般不是流體運移的優勢通道類別；裂隙孔為外界因素作用后形成孔隙，反映了自然營力對煤巖的天然改造，改造合適時可一定程度改善流體運移條件[21-22]。由煤巖柱（煤樣2.5 cm×5 cm）的滲透率測試可知（圖5），六煤組中煤巖滲透率高于三煤組，但隨著環壓的增大兩者滲透率趨于一致，在呈現應力敏感特點的同時，也意味著深埋藏條件下的三、六煤組煤層導流能力相差不大。

表1 大城區塊煤巖工業分析數據表

表2 大城區塊取心煤體結構描述表

圖5 D1-1井三、六煤組煤巖柱（型煤）滲透率測試圖

2.3 煤層含氣量與吸附特征

煤層含氣量是煤層氣勘探開發的基礎，是煤層氣資源評價不可或缺的參數。由表3、圖6統計可知，含氣量隨深度增加而變大，甲烷碳同位素與含氣量變化特征一致。六煤組和三煤組相對高含氣量（大于等于10 m3/t）所對應深度不同，前者在1 750 m附近，而后者在1 600～1 630 m。通過與熱成因煤型氣甲烷碳同位素值（－55‰～－35‰）以及生物成因煤型氣甲烷碳同位素值（－78‰～－55‰）對比，同時結合煤層氣解吸—擴散—運移過程中的同位素分餾效應[23-24]，分析認為：雖然傾斜煤層與內部煤層氣在新近系之前一直承受風化影響，但在其后持續沉降過程中，一方面可能生成了次生生物氣，另一方面隨封閉條件增強和地下水活動形成了水力封堵控氣，致使大城南部傾斜煤層上端煤層風化帶中的含氣特征區別于常規瓦斯風化帶[25]。參考新疆煤層氣開發經驗，中—低煤階煤層氣開發的含氣量下限為4 m3/t[26-27]，大城區塊南部已基本滿足中煤階煤層氣開發的含氣量要求。

表3 大城區塊煤心解吸測試數據表

圖6 三、六煤組含氣量、甲烷碳同位素與埋深關系圖

利用等溫吸附方法測試取心煤樣吸附特征。①最大蘭氏體積特征表現為：三煤組為17.13 m3/t，六煤組為25.98 m3/t；②最大蘭氏壓力特征表現為：三煤組為3.4 MPa，六煤組為4.7 MPa。該特征與煤巖熱變質程度相關，在煤巖組分相似前提下，煤階越高（Ro＜3.0%）煤巖蘭氏體積越大[16]。蘭氏壓力是煤巖吸附煤層氣強弱的間接反應，煤巖吸附能力越強，其吸附煤層氣所需壓力越低；當蘭氏壓力較大時，表明煤巖吸附能力相對較弱，壓降時煤層氣更易發生解吸。

3 傾斜煤層風化作用深度的確定

當煤層因回返抬升而埋藏變淺時，會因大氣和地表水的影響而遭受風化作用。風化作用不僅會使煤層發生機械和化學變化，出現顏色暗淡，內部結構消失，甚至粉末化，以及電阻率值大幅降低等變化[18-20]，而且還會使其內部甲烷大量散失，顯著降低煤層含氣量[28-31]。煤層在遭受淋濾、氧化以及物理破壞等方式之后，整體機械強度會降低，內部導流能力會增強，一定程度上可以抵消因再次沉降，埋深增大而帶來的壓實和難以壓裂造縫，有效排水降壓困難的問題。就煤層中甲烷含量而言，如上文所述，現今已基本滿足開發，并不是制約大城南部深層煤層氣開發的關鍵要素。關于碎屑巖風化帶的判斷和識別工作，前人已經做了大量的工作[32-33]，但煤層作為有機巖，其風化帶的判斷標準具有自身特殊性，本文選用煤礦現場常用辦法，通過觀察煤層巖心宏觀特征和電阻率值來對比定性判斷風化影響程度[34-35]。

大城區塊石炭系—二疊系地層發育于奧陶系不整合面之上，受構造抬升、傾斜影響，在新近系之前一直遭受風化作用影響。為獲取電阻率值，探明風化影響深度，針對三、六煤組部署煤層氣井，如表4所示。新疆阜康礦區未受風化作用中—低階煤的電阻率值主要介于2 000～25 000 Ω·m[36-37]。結合表2煤層巖心特征的描述和表4、圖7中不同深度三、六煤組的深側向電阻率值，可以判斷三煤組的風化邊界在1 800～2 200 m之間，而六煤組的風化邊界在1 800～2 000 m之間。

表4 大城區塊三、六煤組電阻率測井值統計表

圖7 深度與三、六煤組深側向電阻率值關系圖

4 風化作用對深層煤層氣開發影響

4.1 風化帶深層煤層氣開發特征

為測試風化作用對深層煤層氣開發影響，對D1-1井的三煤組開展試采先導實驗。D1-1井位于DC1井西南部250 m處，兩者垂向上巖性組合特征基本一致（圖3）。采用水力壓裂工藝對三煤組進行儲層改造，壓裂液用量516 m3，加砂量32 m3，壓裂規模適中，地層破裂壓力27.8 MPa，排采特征如圖8-a所示，日產水量大于10 m3，且無衰減趨勢，單井產氣量低，穩產能力差。

圖8 試驗井排采生產曲線圖

4.2 風化帶邊界處深層煤層氣開發特征

鉆探實施S1井，并采用水力壓裂工藝對三煤組進行儲層改造，在實際壓裂施工過程中加砂困難，套壓高，多次超過45 MPa，最大超過60 MPa，未見明顯破裂壓力。深埋藏條件下的高地應力狀態嚴重制約了煤層儲層壓裂改造。排采特征如圖8-b所示，雖煤儲層解吸壓力達14.11 MPa，但產氣能力極差，峰值日產氣量僅412 m3，無法穩產，且日產水衰減迅速。

基于D1-1井和S1井開發特征認識，考慮傾斜煤層儲層物性垂向變化趨勢，部署實施了DT7井和DP7井，兩井平面距離約120 m。如圖3所示，三煤組在該處出現分叉變薄，單煤層間垂向距離變大，故將穩定發育的六煤組上部選作目標層。DT7井的壓裂液用量540 m3，加砂量35 m3，因壓裂時超壓停泵而結束，地層破裂壓力62.5 MPa，壓裂加砂困難。排采特征如圖8-c所示，平均日產水量10.9 m3，峰值日產氣量2 898 m3，伴隨大量煤粉產出，卡泵頻繁。DP7井為“L”形多段套管壓裂水平井，水平段長954 m，分8段壓裂，壓裂液用量4 549 m3，加砂量344 m3，平均破裂壓力45.7 MPa。排采特征如圖8-d所示，解吸壓力13.9 MPa，峰值日產氣量高達11 300 m3，平均日產氣量8 946 m3，平均日產水量31.6 m3，生產穩定，潛力可觀。但煤粉產出量大，卡泵頻繁。

4.3 風化作用對深層煤層氣開發影響分析

從試驗井壓裂施工和生產特征（表5），分析風化作用對深層煤層氣開發影響。對比S1井與D1-1井生產特征，在相同井型，壓裂規模接近前提下，前者平均日產水量近似為后者5倍；前者日產水量變化平穩，隨產氣量增大而減少，而后者日產水持續衰減，最后停止產液，與產氣量變化無關聯；前者產氣量僅能維持在600 m3/d，無法長時間保持1 000 m3/d以上，后者無穩定產氣，只在短時間內少量產氣，之后迅速衰減停止產氣。S1井因壓裂施工困難，地層無法壓開，而D1-1井地層破裂壓力僅27.8 MPa。可見，風化作用不僅會使煤儲層的含氣量降低，還會改造煤儲層的導流能力，導致煤層氣井難以通過持續排水，建立有效壓降漏斗，獲得穩定高產氣流。另外，煤儲層在遭受風化之后機械強度會降低，對水力壓裂改造有利，易破裂產生壓裂裂縫。

表5 大城南部不同位置煤層氣壓裂施工與開發特征表

DT7、DP7與S1井目標煤層都處于風化帶邊界處，但前者埋深更淺（約淺200 m），已能被水力壓裂改造，且相對穩定高產。對比D1-1井的生產特征，DT7井和DP7井的產氣穩定性更好，產氣潛力更強，產水能力一般。間接表明風化作用的影響可以一定程度有利于深埋藏、高應力條件下煤儲層壓裂改造和排水降壓；同時，相對較弱的風化作用，不會引發大產水，制約煤儲層中壓降漏斗加深和擴展。

5 深層傾斜風化煤巖煤層氣開發有利模式

大城區塊石炭系—二疊系三、六煤組埋深大于1 000 m。受構造演化控制，傾斜煤層的高部位在新近系之前出露地表遭受風化作用，之后伴隨沉降被新近系和第四紀地層所覆蓋。深層傾斜煤層高部位因為風化作用影響含氣量偏低，導流能力強，煤層氣井表現出產水量大、產氣量低，產氣穩定性差的特征。深層傾斜煤層相對低部位因埋深更大影響，自身導流能力相對弱，高應力制約了壓裂改造，煤層氣井表現低產水、低產氣，產氣穩定性差的特點。而在深層傾斜煤層的相對中下部位，由于受風化作用影響較弱，煤層氣井呈現出大產水、大產氣、產氣穩定的特點。以風化帶影響邊界為下限，充分考慮風化作用在垂向上對煤層開發影響，存在一段由深向淺延展適宜深層煤層氣開發的有利區帶。

風化作用在改變煤層儲層物性，使其機械強度和含氣量降低，導水能力增強的同時，也能有效抵消大埋深、高應力帶來的煤層難以壓裂改造和排水降壓困難的問題。基于勘探開發試采實踐和分析，將大城區塊南部的深層傾斜煤層劃分為強風化作用區、有利區、高應力區三個區域（圖9）。有利區內煤層含氣量相對較高，導水能力和機械強度已被風化作用適度改善，并且能夠滿足壓裂施工和穩定生產要求。特定的地質背景和煤層條件是DP7井能夠實現深層煤層氣日產萬立方米氣的前提和基礎。基于上述實踐總結和認識，指出受地質營力作用適度改造的深層煤層應當是煤層氣開發有利區。

圖9 深層傾斜風化煤層中煤層氣開發有利區模式圖

6 結論

1）大城區塊南部石炭系—二疊系主力三、六煤組Ro主要集中在0.7%～1.2%，以氣、肥煤為主，僅東側斷層周邊小范圍煤級達到焦煤。三煤組風化邊界埋深介于1 800～2 200 m，而六煤組風化邊界埋深介于1 800～2 000 m。受風化作用影響煤層機械強度降低，質地疏松，裂隙發育，易破碎。

2）風化帶中D1-1井煤層中值深度1 170.5 m，壓裂規模適中，日產水量大，且無衰減趨勢，單井產氣量低，穩產能力差。風化帶邊界埋藏較深的S1井，煤層中值深度2 210 m，壓裂改造困難，日產水衰減迅速，產氣能力極差且無法穩產；風化帶邊界埋藏較淺的DT7井，煤層中值深度1 883 m，壓裂加砂困難，產出穩定，產氣潛力可觀。風化作用在降低煤層含氣量的同時也會降低煤層的機械強度，能夠一定程度消除，大埋深、高應力條件下煤層難以壓裂改造和排水降壓困難的問題。此外相對較弱的風化影響，并不會帶來大產水，煤層中壓降漏斗難以加深和擴展的問題。

3）將大城區塊南部深層傾斜煤層劃分為三個區域，強風化作用區、有利區、高應力區。有利區內煤層含氣量相對較高，導水能力和機械強度已被風化作用適度改善，能夠滿足壓裂施工和穩定生產要求。

4）受地質營力作用適度改造的深層煤層，應當是實現深層煤層氣高效開發的一個重要勘探方向。