微構造對煤層氣的控藏機理與控產模式

閆 霞，徐鳳銀，張 雷，聶志宏，張 偉，馮延青，張雙源

(1.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028)

煤層氣資源靜態評價較為成熟，但煤層氣開發地質研究仍有待深入。將地質研究與開發地質變化有效結合起來，這一重要“中間環節”長期受到了不應有的忽視。隨著10 a來國內煤層氣區塊開發效果顯現，利用勘探開發工程實踐后取得的生產數據和開發特征，對開發地質再認識已有不少報道。例如，沁水盆地樊莊區塊開發初期存在2種情況：一種情況為局部構造高部位產氣早但產氣周期短，而局部構造斜坡地帶為煤層氣井高產的有利部位；另一種情況則是局部構造高部位利于產氣，局部構造低部位利于產水。隨著開發規模的逐步擴大，樊莊區塊上述第2種情況成為局部構造控產的主流，進一步指出這一現象起源于煤層氣規模性開發過程中的“氣水分異”作用，提出了合理布局開發井網、先施工低部位的生產井等開發方案構想。再如，發現鄂爾多斯盆地西南緣彬長礦區構造高點煤層氣井在排采初期的抽采效果好于構造低部位的井。然而，前人有關認識依然局限于統計規律的梳理和氣水分異原理的討論，未能上升到“氣藏”高度來理解微構造對煤層氣的控藏機理和控產特征。鑒于此，筆者進一步從現象出發分析原因，系統闡述了微構造控藏控產原理，提出了“動態氣藏”的觀點，根據不同微構造部位產氣規律將煤層氣井劃分為6種類型，為預測未開發區相似地質條件煤層氣井產能及開發規律提供了新的思路和依據。

1 煤層微構造控藏控產原理

1.1 微構造對煤儲層地質條件和開發動態的控制與影響

微構造是指在構造變動過程中煤層及其圍巖產生的微細構造起伏以及落差小于5.0 m的斷層，包括微幅褶皺、小斷層、層間滑動等，大致劃分為正向微構造、平緩微構造、負向微構造、構造陡變區4類。微構造相對較大規模構造更加普遍，這些局部構造細節及其變化會影響到鉆完井、壓裂改造程度以及排采連續性等。為此，筆者討論的主要對象為微構造，但不局限于微構造。

微構造控藏機理的內涵涉及兩大范疇(圖1)：一是微構造對煤儲層地質條件的影響(圖1灰色橢圓)，二是微構造對煤層氣開發生產的影響(圖1黃色方框)，即微構造直接或者通過煤儲層地質條件對煤層氣開發動態施加影響。其中，微構造對煤儲層地質條件影響包括2個方面:一是煤層氣保存條件，如圍巖條件、水動力場、含氣量等，如果構造陡變部位或微構造曲率過大時，小斷層發育、層間滑動、裂隙溝通煤層的圍巖或外來水，會造成保存條件變差；二是煤層氣開發地質條件，包括地應力、微裂隙發育程度、滲透率等，這些參數影響著能否形成利于煤層氣開發的低應力-高滲透條件。正向微構造軸部主要受張應力作用，發育大量張性裂隙，滲透性增加，當其形態越寬緩，高滲區范圍越大；負向微構造一般受擠壓應力影響，裂隙閉合，滲透性降低。

微構造對煤層氣開發動態的影響存在于生產全過程，如壓裂改造效果、壓降漏斗形態、出煤粉程度等，特別是解吸后氣、水動態變化及采動流場改變，在微構造高部位形成“動態氣藏”，最終影響了全生命周期的煤層氣開發效益。在此過程中，滲透率銜接了煤層氣地質條件與開發條件，2者耦合構成了“動態氣藏”發育特點的關鍵因素。斷層、陷落柱、層間滑動面附近、褶皺構造陡變部位易出現構造煤，為煤粉高產區，特別是構造陡變區的井在生產中極易產生煤粉，進而影響排采連續性。在相同壓裂規模設計情況下，不同微構造部位井的壓裂改造效果會有差異：正向微構造為低應力-高滲區，原始裂隙發育，該部位井壓裂施工壓力低、排量高、易于加砂，改造后的人工裂縫易連通原始裂縫，形成體積縫網，從而這些部位易較早形成“井間干擾壓降漏斗”，整體表現為產量高、穩產能力好；負向微構造為高應力-低滲區，裂縫監測在井筒附近易形成短縫，壓裂改造效果相對較差，形成“獨立狹長漏斗”。除了通過壓裂或作業污染改變滲透率大小、進而影響壓降漏斗擴展之外，鉆井井型與井網、排采連續性與排采制度等也會影響到壓降漏斗形態(圖1)。下面將重點闡述微構造對解吸后氣、水動態變化規律和“動態氣藏”形成的影響。

圖1 煤層微構造控藏機理及要素之間銜接關系

1.2 微構造對解吸后氣、水動態變化規律的影響

開發之前，煤層保持一種平衡的狀態。煤層氣井抽采之后，打破了這種平衡狀態，隨著氣體不斷解吸出來，煤層中不同部位的動態含氣、含水飽和度也將發生變化。微構造影響了煤層氣解吸產出后的氣水分布，因重力分異作用，解吸氣體容易沿著優勢降壓方向不斷向上運移至張性裂隙相對發育的局部構造高部位，水容易沿下傾方向匯聚于構造低部位。這種動態調整導致微構造高、低部位氣水占比發生變化，根據氣水相滲原理，將進一步影響不同部位氣、水的流動能力，從而影響煤層氣井的見氣見水時間以及氣水產量。

正向微構造高部位煤儲層原位條件下一般水較少，含水飽和度低，解吸煤層氣更易匯聚至構造高部位；隨著該部位煤儲層含氣飽和度迅速上升，對應的氣相滲透率也迅速升高，氣體更容易流動，表現為正向微構造部位的井見氣早，以產氣為主。在負向微構造，高部位煤層的部分水受到重力作用也易沿下傾方向匯聚于低部位，造成低部位含水飽和度持續較高，水相滲透率隨之增高，表現為產水為主，產氣量較低，進而影響煤層氣井見氣時間的快慢以及產水和產氣量的大小。

煤層滲透率越低，束縛水飽和度會越大，殘余氣飽和度越高，兩相流動范圍會變的更小，可動水流動范圍變小，含水或含氣飽和度的輕微變化對氣相、水相滲透率變化程度的影響更為明顯。相比淺煤層，深部煤儲層滲透率更低，兩相流動范圍小，對開發過程中不同微幅構造部位氣、水飽和度的輕微變化更為敏感，會對開發效果產生明顯影響，需要對深部煤層開展更為精細構造的刻畫研究。

1.3 微構造與煤層氣“動態氣藏”

煤儲層分布連續穩定，屬于連續性“甜點區”非常規油氣。然而，部分區塊煤層氣高產井主要位于微構造高點的客觀現象，說明開發方式(如規則井網部署)和當前工程技術可能不完全適用于所有構造部位的煤層。相比其他部位，正向微構造最大的優勢在于地應力相對較低、微裂隙發育、滲透性好，而應力低、保持煤層良好滲透性正是煤層氣井高產的關鍵。同時，如果正向微構造變化不劇烈且上覆地層具有較好封蓋性，則這種部位也利于解吸氣體保存及次生聚集。正向微構造發育的裂隙提供了相對較大的氣體儲集空間，不斷解吸出來的煤層氣順著優勢降壓方向向上運移至相對構造高部位。隨著排采降壓及煤層氣不斷解吸，這個運移過程是持續的，只要解吸氣“源”不斷，解吸出來的氣體就會不斷地向高部位運移，從而在正向微構造高部位形成“動態氣藏”(圖2)。

圖2 正向微構造高部位煤層氣“動態氣藏”形成過程示意

與常規天然氣控藏機理相比，煤層氣“動態氣藏”差異性主要體現在以下2點：

第1，表象相似但本質不同(圖3)。常規天然氣大型背斜圈閉的天然氣在原位條件下就是“游離氣”，在儲層開發之前已客觀存在。原位條件下煤層氣主要以吸附態賦存，開發過程中“動態氣藏”的氣源來自不斷解吸出來的“解吸氣”，這種“氣藏”形成于開發過程，需要正向微構造和封蓋性圍巖2個基本條件。

圖3 煤層微構造“動態氣藏”控藏機理示意

第2，生產特征表現出較大差異性。常規天然氣圈閉氣藏氣井生產曲線通常呈現為遞減趨勢，而煤層正向微構造“動態氣藏”氣井的產氣歷史具有解吸氣“峰型”曲線的典型特征(圖4)。煤層正向微構造“動態氣藏”具有背斜圈閉性質，高產氣源除了該部位煤層解吸氣外，另一重要來源是來自構造相對低部位煤層的解吸氣，只有當排水降壓到一定程度后才能開始產氣，而且補充氣源隨著排采時間延長而不斷增強，產氣量不斷增高，當有限解吸影響半徑范圍內補充氣源逐漸耗竭之后，產氣量隨之衰減。這些部位單井產量通常要比該井的井控儲量高的多，呈現采出程度超過100%的現象，如沁水盆地潘莊區塊和潘河區塊、鄂爾多斯盆地保德區塊(下述)以及美國、澳大利亞一些區塊。

圖4 常規天然氣圈閉氣藏與煤層正向微構造“動態氣藏”的氣井生產特征曲線對比

2 微構造控產模式案例分析

鄂爾多斯盆地東緣北段保德區塊是國內首個規模開發的中低階煤層氣田，為一西傾的單斜構造，局部發育多個次級褶皺。主力煤層為山西組4+5號煤層和太原組8+9號煤層，厚度平均分別為6.6,11.3 m，含氣量呈東低西高的趨勢。區塊北部是主要開發區，整體位于弱徑流區，煤層厚度大，煤層頂板以泥巖為主、局部泥質砂巖，底板以泥巖為主；南部主力煤層減薄、構造相對復雜，發育兩條大斷層，東部靠近煤層露頭線，資源條件相對較差。區塊不同(微)構造單元的劃分、煤層頂板巖性分布、總礦化度平面分布隨時間變化等詳見文獻[35-37]。

2.1 不同微構造部位煤儲層流場動態變化規律

保德區塊煤儲層流場隨時間呈現明顯的變化規律(圖5，6)。截止目前，區塊已開發11 a，從見氣后的解吸初期到進入穩產階段歷時5 a，從穩產到解吸中后期歷時6 a。煤層氣解吸規律與煤層厚度、含氣量平面分布的對應關系不太明顯，而與微構造分布密切相關(表1)。正向微構造、埋深淺的部位優先解吸，隨著時間推移，氣場高值范圍逐漸擴展到斜坡部位。負向構造、正向構造背景下的負向微構造、斷層附近井，在解吸初中期，無論頂板封蓋性如何都普遍表現出高產水、低產氣；到解吸后期，隨著水的大量排出，位于正向構造背景下的負向微構造部位的煤層氣井，開發后期將出現較高產量。分析區塊累產水分布動態變化規律，高產水井主要位于破壞性斷層附近、負向構造和正向構造背景下的負向微構造部位等(圖7)。據此，劃分出既能為周邊井做貢獻后期還能高產氣、僅為周邊井做貢獻、無效排水等3種類型的井，為區塊后期煤層氣井部署和老區綜合治理提供了依據(表2)。

圖5 保德區塊煤層氣流場動態變化規律

圖6 保德區塊煤儲層地下水流場動態變化規律

表1 保德區塊煤儲層流場動態變化規律與預測

圖7 保德區塊不同微構造部位煤層氣井平均排采曲線

表2 煤層氣高產水井類型所在構造部位及微構造部位水場變化規律

2.2 不同微構造部位煤層氣井平均單井曲線特征

統計顯示，保德區塊高、低產井分布與正向微構造、負向微構造相關性高達到94%，高產井主要位于頂板為泥巖的寬緩正向微構造。區塊2015年底進入穩產階段，排采效果最好的為正向微構造部位井，29.85%的井數為區塊貢獻了55%的累產，單井平均穩產水平4 500 m/d；其次是斜坡部位井，單井穩產水平1 800 m/d；負向微構造部位井的產氣最低，生產近10 a后單井平均為300 m/d，且仍有未產氣的井(圖7)。正向微構造和斜坡部位井整體表現為上產快、日產氣和累產氣均高、產水較少；負向微構造井產水大、產氣量低、上產緩慢。保德區塊北部單斜構造上發育一大型正向構造(背斜)，其上發育保1次隆、保8次隆2處正向微構造，中間發育3V次洼(圖5，6，9(a))。其中，楊家灣大井組(圖9(b))位于保1次隆單元最高部位，由24口井組成。保1次隆煤層氣整體采出程度為41%，構造更高部位的楊家灣大井組采出程度為50%，采出程度高出9%。在楊家灣大井組中，位于最高部位的保1-3向2井采出程度為116%，目前仍保持高產穩產。

圖9 保德區塊構造剖面及楊家灣井組位置

不同微構造部位煤層氣井產量遞減時間明顯不一：楊家灣大井組的出現了3口遞減井，平均生產8.3 a開始遞減，保1次隆單元中出現遞減現象的井平均生產5 a開始遞減，高部位大井組開始遞減時間平均延遲3.3 a。開始遞減時的采出程度也存在明顯差異，楊家灣老井開始遞減時的采出程度達到52%，保1次隆單元出現遞減現象的井開始遞減時的采出程度只有22.8%，高部位楊家灣大井組開始遞減時的采出程度是其他部位井遞減井采出程度的2.3倍(圖10)。也就是說，構造高部位煤層氣井并非暫時高產，而是長期高產。

圖10 保1次隆單元與其構造高部位楊家灣井組遞減特征對比

根據保德區塊煤層氣井生產曲線特征，除因修井恢復，開始時刻和整個生產過程產量沒有明顯突增現象，整體趨勢為產水漸降、產氣漸升、壓力平穩下降，說明整個過程都在解吸，排除了由原始游離氣的補給(圖8)。既然沒有原始游離氣，鼻隆井之所以采出程度特別高還能持續穩產，表明除該井解吸氣外，惟一穩定氣源就是在開發過程中翼部周邊井不斷緩慢解吸出來的氣體補給，補給氣源向上運移至高部位聚集形成的“動態氣藏”。

圖8 保德區塊不同微構造部位典型井排采曲線

2.3 負向構造煤層氣井產氣產水效果分區規律

以次級向斜軸部為基準，將煤層氣排采井劃分為緩側和陡側井。保德區塊排采井到向斜軸部的距離，與穩定日產氣關系均表現出明顯的正相關，與見氣時間關系均具有明顯的負相關。隨著與向斜軸線距離的增大，陡側井穩產氣量變化增大，見氣也快；大于向斜陡側曲率半徑73.5% 或向斜緩側曲率半徑78%范圍為主力產氣區，小于向斜陡側曲率半徑51%或向斜緩側曲率半徑40%范圍為產水主力區(圖11)。

圖11 保德區塊距向斜軸部距離的煤層氣井產氣效果分區

3 基于微構造控產模式的增產工程措施

3.1 甜點區評價、井位部署和開發方案調整

在煤層氣資源條件評價基礎上，開展正向微構造和平緩斜坡有利區的精細評價，將煤層氣資源有利區與微構造有利區疊合，最終獲得煤層氣地質-工程共甜點的開發甜點區，形成了一套基于微構造控藏理論的井位優化部署技術?；谖嬙旆治龅拿簩託飧咝ч_發精準部署和中高產井培育模式包括：“正向微構造+圍巖封閉條件好”高產井模式；“平緩斜坡構造+圍巖封閉條件較好”中產井模式；避免部署“斷層構造/煤礦采動區/徑流區”低產低效井模式。需要強調指出：獨立向斜軸部一般難有效益產量井，但對向斜翼部井排水降壓起到一定作用，因此研發更快排水降壓技術可能成為突破向斜部位煤層氣井產氣瓶頸的重要研究方向。與油藏“注水井”、“采油井”一樣，亦可考慮專門定義少量向斜軸部井為煤層氣“排水井”、斜坡或正向構造部位井為“采氣井”，在向斜軸部單相水為主狀態下，“排水井”以較高水量優先生產，以實現向斜翼部和構造高部位煤層整體排水降壓，達到煤層氣面積降壓解吸釋放的目的，從而整體上實現煤層氣田整體高效開發。針對“正向構造背景的負向微構造”煤層氣井，可通過加強排采強度，可望在后期獲得較高產量。

在煤層氣井開發中期方案調整時，可優選位于斜坡或正向微構造、圍巖條件較好的井網不完善部位，采取井網加密井、滾動擴邊方式，以提高煤層氣資源動用程度；位于負向(向斜)構造區域，可采用對已有井更換大型泵的途徑，加大排采強度。

利用微構造的相似性，在保德區塊未開發區資源落實的相同正向微構造或平緩斜坡部位，目前已優化部署井網完善和滾動擴邊I期、II期、國內首個煤層氣大平臺保8項目等4期開發方案累計233口。已投產井具有上產快、穩得住的特點，9個月全見套壓。其中，正向微部位井產氣效果最好，排采1 a的煤層氣井產量已經達到13 000 m/d。同時，基于深部微構造成果認識，還指導了中石油煤層氣有限責任公司國內首個埋深大于2 000 m深層煤層氣先導試驗方案的編制，利用微構造相似性，通過已試采老井直井的開發效果和生產規律，明確了深部煤層氣高產主控因素為有利微構造(正向和平緩微構造)與壓裂改造規模(加砂量和排量)，指出了突破深部煤層氣的勘探開發方向。在大吉地區正向微構造和平緩構造部位優化部署20口先導試驗水平井，其中位于平緩構造部位的吉深6-7平01井，試驗極限大規模壓裂技術攻關成功，日產氣量突破100 000 m，埋深大于2 000 m的深部煤層氣井獲得高產突破，為國內深部煤層氣規模開發做出了典型示范。

3.2 老井產量遞減原因分析與綜合治理指導

依據微構造控藏機理，可劃分出正向微構造、負向微構造、斜坡單元和斷層附近區、煤礦采動區5類構造單元，明確不同微構造單元各種遞減類型井整體平面趨勢規律，梳理清楚老井遞減井原因，針對性地指導不同構造部位的煤層氣井的綜合治理。

以保德區塊為例，將問題老井劃分為高產穩產型、緩慢遞減A型、近期產量突停B型、修井污染影響C型、水大低產D型、間斷產氣E型6類，發現不同類型問題井的典型特征曲線和分布規律，從正向微構造單元到斜坡單元，到負向微構造單元，再到采空區附近、斷層附近，整體上好井比例減少，差井比例增大(表3)。

表3 煤層氣老井特征曲線及其微構造平面分布規律(據文獻[36]修改)

在6類煤層氣井中，有5種類型與微構造分布有關。正向微構造及斜坡單元以高穩產和緩慢遞減A型為主，占比近60%，其中緩慢遞減井液面已降至煤層附近，主要是由于降壓幅度有限而導致的遞減；B型井主要分布在在構造線相對密集或構造陡變部位；C型井與修井工程污染有關，地質分布規律不明顯；負向構造部位以持續水大低產D型為主；采空區附近、斷層附近以間斷產氣E型為主。

針對這些實際特點，提出了延緩老井遞減的分級應對措施建議，給出了B類井一級優先、C類井2級優先、D類井3級優先的分級治理方案。深入剖析每個微構造單元所有老井，摸清遞減類型占比，明確了具備治理潛力的井名、井數和分布，為更為精細、更有針對性地開展綜合治理提供依據。

3.3 生產井管理與設備選型

針對不同微構造單元，制定“一藏一策”、“一井一法”的生產井精細管理措施。未產氣井要分類對待，特別針對位于正向構造背景下的負向微構造及向斜構造部位井，建議采用大型泵排采，針對位于“正向構造背景下的負向微構造、頂板封蓋性較好”的井，開發后期有望獲得較高產量。

根據距向斜軸部距離與產氣的量化關系，可優化煤層氣井井網井距和優選排采設備(圖11)：在正向微構造和斜坡區以較小井距進行新井部署，排采設備優選中小型泵；在向斜曲率半徑40%的主力產水范圍內，按照較大井距部署井位，排采設備優選大型泵。

對于進入遞減后期的區塊或井區，平均套壓較低，甚至可能會比地面管網輸送壓力還低的現象，導致煤層氣進管網困難，從而抑制區塊或井區煤層氣進一步解吸，從整體穩產角度，可以采取降低地面管網壓力為主的方法，進一步釋放煤層氣解吸空間。

3.4 微構造控藏機理的可推廣性

國內外不少區塊已經呈現出微構造控藏現象，特別是正向微構造部位單井高產已有不少報道。微構造是可見可描述的，可以通過地震解釋剖面予以揭示，可以用構造曲率參數來定量表征，亦可以通過三維精細構造建模直觀展示，特別可以通過是水平井鉆井(導向)軌跡和隨鉆測井解釋即可得到煤層微幅構造的識別與刻畫，規避了由于計算參數獲取困難、生產測試等樣品數不足等造成的煤層氣區塊難以精細描述等問題，現場操作性更強。通過微構造控藏機理和控產規律研究，利用生產大數據和微構造的相似性，通過研究已知微構造部位煤層氣井的生產特征，可以預測同區塊未開發區相似微構造部位井產能和生產特征，從而預測區塊整體的開發規律。

4 結 論

(1)提出了微構造對煤層氣的控藏機理，其基本內涵包括兩大范疇：微構造對煤儲層地質條件影響和微構造對煤層氣開發生產影響，明確了控藏機理各要素之間銜接關系，微構造對煤層含氣性、地應力、滲透率、壓裂改造效果、煤粉產出、解吸后氣水分布等地質條件與開發動態特征各要素的共同耦合作用，造就了不同微構造部位產氣效果的明顯差異。

(2)指出了微構造對煤層氣開發動態的影響存在于生產全過程，特別是煤層氣井抽采解吸后，打破了煤層原始平衡狀態，這種動態調整導致微構造高、低部位氣水占比發生變化，進一步影響不同部位氣、水兩相的流動能力，從而影響煤層氣井的見氣、見水時間以及氣水產量。生產過程中，在微構造高部位逐漸形成新生的“動態氣藏”，最終影響了全生命周期的煤層氣開發效益。在此過程中，滲透率銜接了煤層氣地質條件與開發條件，2者耦合構成了“動態氣藏”發育特點的關鍵因素。當煤層滲透率越低時，兩相流動范圍會變的更小，可動水流動范圍變小，動態含水或含氣飽和度的輕微變化對氣相、水相滲透率變化程度的影響更為敏感，需開展更加精細構造研究。

(3)煤層氣屬于連續性“甜點區”非常規氣，然而，部分區塊煤層氣高產井主要位于微構造高點的客觀現象，說明微構造對開發生產過程影響更為重要。相比其他部位，正向微構造最大的優勢在于地應力相對較低、微裂隙發育、滲透性好，而應力低、保持煤層良好滲透性正是煤層氣井高產的關鍵，指出了未來煤層氣工程技術(釋放應力、增滲改造等)的攻關方向。

(4)發現了煤儲層流場在不同解吸階段的變化規律與微構造形態的密切相關，指導了高產水井類型的劃分和6類煤層氣井的生產管理。明確了高產水井的微構造分布特點，進一步劃分出“為周邊井做貢獻且后期高產”、“為周邊井做貢獻”、“無效排水”3種類型。梳理了不同類型煤層氣井典型特征曲線及其微構造平面分布規律，對煤層氣井排采管理、綜合治理具有重要指導意義。

(5)利用微構造的相似性，提出了預測未開發區相似地質條件煤層氣井產能和開發規律的新思路。建議加大對煤層精細構造研究，對于不同微構造部位，開展針對性的井網井距優化、分別按照排水/采氣為目的來部署井位、針對性的壓裂規模設計、差異化的排采制度管理和綜合治理，以實現更精準的開發技術對策和排采管理方法，促進煤層氣高效開發。