沁水盆地南部鄭莊區塊15 號煤與3 號煤儲層物性及產氣差異研究

張 聰，李夢溪，馮樹仁，胡秋嘉，喬茂坡，吳定泉，于家盛，李可心

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 長治 046000)

沁水盆地南部是我國煤層氣勘探開發投入工程量最多、研究程度最高、產量最大的盆地[1-6]，也是我國煤層氣勘探開發最有潛力的盆地之一。鄭莊區塊是沁水盆地南部的重點開發區塊，也是近年來沁水盆地南部主要的上產區塊。山西組3 號煤與太原組15 號煤是本區主力產層，但15 號煤層由于煤層厚度薄，且區域展布變化大，早期試采產水量高、效果差等原因[7]，影響了其勘探開發進程。2016 年在鄭莊西南部投產4 口雙層(3 號、15 號煤層)合采井，單井產量達到4 000 m3/d[6]，明顯高于周邊單采3 號煤層的單井平均日產氣1 500 m3，表明3 號、15 號煤層合采是未來本區塊內煤層氣開發的重要方式[6,8]。通過精細構造解釋、優化儲層評價及工藝技術進步，2019 年，鄭莊區塊西南部一口15 號煤套管壓裂水平井產氣量突破10 000 m3/d，表明15 號煤層作為鄭莊區塊開發接替目的層是可行的。因此，基于3 號煤層特征的基礎上開展15 號煤儲層特征的研究，對于下步勘探開發選區具有理論意義。

筆者在前人對沁水盆地南部15 號煤層研究的基礎上[9-16]，重點從煤層厚度、含氣性、滲透率及煤體結構等方面進行15 號煤層與3 號煤層對比分析，找出其分布差異和原因，并劃分15 號煤煤層氣的勘探開發有利區，將對鄭莊區塊15 號煤煤層氣勘探開發實踐提供指導，也為相似區塊的煤層氣勘探開發提供借鑒。

1 地質概況

鄭莊區塊主體位于山西省沁水縣境內，構造上位于沁水盆地南部，整體為向西北傾斜的馬蹄形構造。區內斷層以高角度正斷層為主，逆斷層零星分布。寺頭斷層位于區塊東部，是研究區內最大的斷層，為一高角度正斷層，斷層方向自東向西方向由SN 向NE 向發生偏轉；后城腰斷層位于區塊東南部，是研究區內第二大斷層，認為該斷層是寺頭斷層的伴生斷層，方向為NE?SW。區內地層傾角5o～15o，褶皺構造方向以NE 為主；西南部構造簡單，褶皺不發育，斷層以大斷層為主；向北褶皺逐漸發育，主要以擠壓型構造為主；再向東北方向斷層發育較多，構造復雜。

研究區主要含煤地層為上石炭統–下二疊統太原組及下二疊統山西組，山西組沉積屬于陸表海淺水三角洲沉積體系，主要沉積微相為分流河道、分流間灣和沼澤；太原組沉積環境變化相對較大，可分為三角洲相、障壁海岸相及碳酸鹽臺地相[17-19]。

2 煤儲層特征對比分析

2.1 厚 度

3 號煤層全區橫向展布穩定，厚度為5～8 m，平均6 m，平面變化不大。15 號煤層厚度介于2～9 m，平均不足4 m，厚度分布不穩定；南部厚度較薄，基本在2～3.5 m；往北厚度逐漸增加，最厚處達到9.2 m，但平面厚度變化較大(圖1)。

圖1 鄭莊區塊3 號、15 號煤層厚度疊合Fig.1 Superposition diagram of No.3 and No.15 coal thickness in Zhengzhuang Block

2.2 含氣量

3 號煤層含氣量一般在13～31 m3/t，由南向北逐漸增加，局部受到復雜構造、斷層影響，含氣量低于10 m3/t。15 號煤層含氣量一般在10～29 m3/t，平面分布與3 號煤層有相似的分布特點，隨埋深增加由南向北逐漸增加。對比而言，在研究區南部，15 號煤層含氣量高于3 號煤，而北部15 號煤層含氣量變化較大(圖2)。

圖2 鄭莊區塊3 號、15 號煤層含氣量疊合Fig.2 Superposition map of No.3 and No.15 coal gas content in Zhengzhuang Block

2.3 煤巖煤質、煤體結構特征

從宏觀煤巖結構來看，3 號、15 號煤層的宏觀煤巖組分都以亮煤為主，其次為暗煤，鏡煤和絲炭較少。從顯微組分來看，15 號煤層鏡質組分體積分數在65.4%～94.7%，平均為81.2%，惰質組分體積分數在5.3%～34.6%，平均為18.8%；3 號煤層鏡質組分體積分數在60.8%～92.7%，平均為71.8%，惰質組分體積分數在7.3%～39.2%，平均為28.3%；比較來講15 號煤層鏡質組分含量較高。從工業分析來看，15 號煤層灰分質量分數8.18%～22.98%，平均為15.6%，水分質量分數0.66%～1.7%，平均為1.09%，揮發分質量分數5.70%～9.32%，平均為7.16%；3 號煤層灰分9.23%～28.72%，平均為14.05%，水分0.8%～1.87%，平均為1.24%，揮發分5.44%～10.84%，平均為7.45%；兩煤層相差不大。

從煤體結構來講，3 號、15 號煤層的煤體結構均以原生?碎裂煤為主，僅在斷裂發育區碎粒煤發育，糜棱煤基本不發育。

2.4 吸附性

煤對甲烷吸附性通常采用Langmuir 方程來描述。煤的吸附特征在計算煤層氣的臨界解吸壓力、含氣飽和度及煤層氣開發難易程度等方面應用較廣[13]。統計結果發現，15 號煤層的Langmuir 體積為35.7～47.2 m3/t，平均為41.3 m3/t，Langmuir 壓力為1.9～3.7 MPa，平均為2.6 MPa，3 號煤層的Langmuir 體積為26.6～48.5 m3/t，平均為36.5 m3/t，Langmuir 壓力為1.97～3.93 MPa，平均為2.87 MPa。15 號、3 號煤層的Langmuir 體積和壓力值相近且都比較大，表明兩煤層均具有強的吸附能力。

3 號煤層吸附時間在1.8～27 d，平均為12 d，15 號煤吸附時間為2.3～14.2 d，平均6 d，相比較而言，15 號煤層更容易解吸。孟艷軍等[20]定義解吸速率，反映煤層解吸效率的快慢，研究區15 號煤解吸效率普遍高于3 號煤。

2.5 孔滲特征

2.5.1孔裂隙性

壓汞測試孔隙率結果顯示，沁水盆地南部15 號煤層孔隙率為2.25%～10.9%，平均5.17%，與3 號煤層孔隙率3.08%～8.8%，平均為4.53%，基本相當[10]。

煤層裂隙特別是煤層割理的發育情況對儲層滲透性影響較大，后期的礦物充填對煤儲層滲透性產生嚴重的負面影響[21-22]。借助宏觀觀察及光學顯微鏡觀察，15 號煤層面割理密度平均為12 條/5 cm，端割理為5.8 條/5 cm，3 號煤層面割理密度為9 條/5 cm，端割理為5.9 條/5 cm；15 號煤層顯微裂隙密度為4.3～12 條/cm，平均7.1 條/cm，3 號煤層為2～9.5 條/cm，平均為6.2 條/cm；對比來講15 號煤層宏觀割理裂隙、顯微裂隙整體較3 號煤層發育。進一步掃描電鏡觀察(圖3)，15 號煤層顯微裂隙次生裂隙發育，局部多見充填物，裂隙閉合度較高，以方解石為主，黏土礦物次之。

圖3 鄭莊區塊3 號、15 號煤層掃描電鏡Fig.3 Scanning electron microscope images of No.3 and No.15 coal rocks in Zhengzhuang Block

2.5.2滲透性

滲透率是衡量煤層氣開發的重要指標之一。通過對研究區19 口井試井滲透率數據統計研究發現：3 號煤層的滲透率(0.011～0.43)×10?3μm2，平均為0.1×10?3μm2；15 號煤層的滲透率為(0.012～3.13) ×10?3μm2，平均為0.79×10?3μm2。從平面上看，15 號煤層在西南部、中北部存在局部高滲區域(圖4)。

圖4 鄭莊區塊3 號、15 號煤儲層滲透率疊合Fig.4 Superposition diagram of No.3 and No.15 coal permeability in Zhengzhuang Block

2.6 頂底板巖性

根據鉆井、測井資料，3 號煤層頂底板多以粉砂質泥巖為主，頂底板封蓋性較好；15 號煤層頂板以K2灰巖覆蓋，底板以粉砂質泥巖為主，封蓋性較好，但頂板灰巖局部含水[7,23]。統計發現，研究區電性特征可以指征頂板灰巖的含水性，電阻率越小，含水性越強；自然電位負異常越大，含水性越強，如圖5 所示。

圖5 15 號煤層頂板灰巖電阻率、自然電位負異常與日產水關系Fig.5 Relationship between resistivity,negative spontaneous potential anomaly and daily water production of No.15 coal roof limestone

利用頂板灰巖自然電位負異常值、電阻率值及自然伽馬值與含水性關系進行綜合判斷，15 號煤層頂板灰巖富水程度如圖6 所示。

圖6 鄭莊區塊15 號煤層頂板灰巖富水程度分布Fig.6 Distribution of water abandunce of No.15 coal roof limestone in Zhengzhuang Block

3 儲層差異特征分析

以往研究發現[24-26]，沁水盆地南部決定3 號煤層富集高產的主控因素有煤層厚度、含氣量、滲透性、煤體結構、埋深等。對比研究區3 號、15 號煤儲層發現，煤層厚度、含氣量、滲透性、吸附特征及頂底板含水性存在一定程度的差異，造成儲層差異的主因是沉積環境和構造影響程度。

3.1 影響因素

3.1.1沉積環境

山西組3 號煤層和太原組15 號煤層沉積環境相差較大[17-19]。3 號煤層形成于靠陸地一側，為下三角洲平原分流間灣環境，泥炭堆積速率與可容空間增長速率較快，因此，3 號煤層厚度較大且相對穩定分布；同時由于在弱還原環境下形成，3 號煤層中鏡質組含量相對較低，惰質組含量相對較高。15 號煤層則形成于靠海一側，為障壁?潟湖成煤環境，泥炭堆積速率與可容空間增加速率較慢，再加上水體較深，不利于泥炭沼澤的發育，造成15 號煤層厚度平面分布差異較大[15]；此外，較深水體下的強還原環境，造成15 號煤層鏡質組含量高于3 號煤層，相應的惰質組相對較低。

灰分產率是煤中礦物質含量的指示，也與礦物種類有關。統計發現，如圖7 所示，15 號煤吸附時間與灰分產率呈明顯負相關，而3 號煤層該相關性不明顯。濱海平原環境下形成的15 號煤層頂板以灰巖為主，受到濱海相沉積環境及灰巖頂板淋濾共同作用，導致15號煤層中礦物含量較多；礦物的大量存在會降低煤儲層的吸附性能[27]。

圖7 3 號、15 號煤層吸附時間與灰分產率關系Fig.7 Relationship between adsorption time and ash yield of No.3 and No.15 coal

3.1.2地質構造

地質構造對煤儲層的影響主要表現在對含氣量和滲透性的影響。全區來講，3 號、15 號煤層所在的區域構造具有一定的繼承性，即3 號煤層構造與15 號煤層相似，整體呈現馬蹄形，向北靠近盆地中心，含氣量由南向北呈上升趨勢，如圖2 所示。局部地層受到后期構造作用造成強烈變形，導致斷層發育，破壞煤層氣的保存條件，造成含氣量下降；由于后期斷裂構造對15 號煤層的破壞程度較3 號煤層更嚴重，造成3 號煤層和15 號煤層含氣量局部規律的差異。

圖8 中AA是一條貫穿鄭莊區塊南北的地震剖面，A—A剖面上對應井的3 號和15 號煤層含氣量分布。從圖中可以看出，南部15 號煤層含氣量高于3 號煤層，但是在區塊中北部出現15 號煤層含氣量低于3 號煤層。這是由于南部構造相對簡單，隨著埋深的增加，煤層含氣量逐漸增加，15 號煤層較3 號煤層深100 m 左右，因此，15 號煤層含氣量相對較高；中北部受到強烈的構造變形，15 號煤層附近斷層發育，但該類斷層斷距較小，未影響至3 號煤層，造成15 號煤層保存條件變差，含氣量下降，而3 號煤層未受影響。

圖8 AA 地震剖面及對應位置含氣量Fig.8 AA seismic profile and gas content at the corresponding location

通常來講，構造變形會引起局部裂隙相對發育，尤其斷層發育區裂隙通常極發育。研究區東部臨近寺頭斷層、后城腰斷層，次級斷層發育，同樣的裂隙也較為發育。中北部構造形態復雜，曲率較大，裂隙較南部發育。

3.2 儲層差異對開發影響

15 號煤層厚度較薄(通常2～5 m)，但含氣量較高，具備高產資源基礎。研究區15 號煤層厚度變化較大，南部煤層厚度2～4 m，但含氣量最高可達29 m3/t，彌補了因厚度不足造成難以持續高產的資源基礎問題；北部煤層厚度逐漸增厚，最厚處可達9.2 m，除局部保存條件變差外，含氣量普遍大于24 m3/t。

15 號煤層埋深較大，但鏡質組含量高，微裂隙更發育，滲透性反而變好。一般來講，15 號煤層相比較3 號煤層埋深增加100 m 左右，受到壓實作用滲透性會變差；但15 號煤層鏡質組含量高，微裂隙更加發育，儲層物性變好(圖4)。煤層縱向非均質性較強[10]，本文將縱向上鏡質組含量高、煤質好、灰分低的煤巖分層定義為優質層；優質層厚度越大，表明儲層的生氣潛力和物性越好。自然伽馬測井響應值與煤層的灰分、黏土含量都具有正相關關系，可定量表征優質層的煤質特征；研究區生產實踐表明，自然伽馬值低于60 API，單采15 號煤層產量具備日產氣量1 000 m3以上產氣能力。

局部頂板灰巖水動力變強，影響15 號煤層排水降壓。生產實踐表明，15 號煤層頂板灰巖含水性整體較弱，有利于煤層排水降壓；局部區域受到斷裂構造影響溝通含水層，頂板強富水性增強，煤層降壓難度增加，產水差異大成為影響15 號煤煤層氣開發的重要因素。

4 15 號煤層的煤層氣有利區及產氣特征

4.1 有利區劃分

根據15 號煤儲層發育分布規律，結合含氣性、滲透性、煤體結構等參數，采用層次分析法、地質綜合評價技術[25,28]，劃分鄭莊區塊15 號煤煤層氣開發有利區，如圖9 所示。

圖9 鄭莊區塊15 號煤層氣開發有利區劃分Fig.9 Favorable area division of No.15 CBM development in Zhengzhuang Block

I 類單元含氣量大于18 m3/t，滲透率大于0.2×10?3μm2，原生?碎裂結構煤發育，優質層厚度普遍大于2 m，頂板灰巖含水性弱，主要分布在區內西南部、東南部局部以及中北部零星分布；其中西南部15 號煤層厚度雖然較薄(厚度2～3 m)，但含氣性、滲透性較好，煤體結構以原生結構煤為主，是該區15 號煤層氣開發“甜點區”。Ⅱ類單元含氣量大于18 m3/t，滲透率(0.01～0.4)×10?3μm2，原生?碎裂結構煤發育，優質層厚度0.5～2 m，頂板灰巖含水性中等，主要分布在研究區中、北部。Ⅲ類單元含氣量小于18 m3/t，滲透率多小于0.1×10?3μm2，局部滲透率極大，超過2×10?3μm2，以碎粒煤為主，局部可見糜棱煤，優質層不發育，頂板灰巖含水性普遍較強，主要分布于寺頭斷層帶以及北部斷層發育區。

4.2 開發效果

研究區15 號煤層整體具備較好資源基礎，局部儲層非均質性變強。根據儲層發育分布規律部署試采井，優化工程技術適應15 號煤煤層氣開發[6]，生產應用效果顯著，有效提高了單井產量。

1) Ⅰ類單元15 號煤層含氣量較高，儲層物性較好，直井合采、壓裂水平井均可獲得效益開發。

Z139 井位于構造平緩位置，2012 年投產時單采3 號煤，解吸壓力2.9 MPa，最高日產氣1 300 m3，日產水0.5 m3，穩產64 d 后產量緩慢遞減。2019 年8 月暫封3 號煤，壓裂15 號煤，投產時同時打開3 號、15 號煤進行合采，如圖10a 所示，解吸壓力3.8 MPa，較3 號煤單采時解吸壓力明顯上升；單井產量明顯提升，最高日產氣達到3 400 m3，產量翻倍，穩產氣量3 000 m3/d。

圖10 單井排采曲線Fig.10 Single well drainage production curve

由于該類型15 號煤層厚度較薄，易受到煤層起伏及傾角變化影響導致水平井鉆進極易鉆出層，成井難度變大；再加上煤層埋深較淺(600～800 m)，鉆至水平段后鉆具摩阻大、扭矩高、托壓嚴重，造成井眼調整困難[6,23,29]，常規地質導向鉆井精度不夠，難以滿足15 號煤層氣開發需要。研究區研發適用于煤層氣井的近鉆頭成像伽馬方位技術，通過在鉆頭與螺桿之間增加近鉆頭測量短節并配備無線接收短節等工具，使得近鉆頭伽馬測量點距離鉆頭頂部達到0.5 m 距離，滿足了快速追蹤煤層的造斜率要求，使得鉆頭在2～3 m 厚的煤層中水平井成功率100%，煤層鉆遇率接近90%，為薄煤層的高效開發提供技術支撐。Z76 井組共8 口井，位于構造平緩區，其中3 號煤水平井3 口，15 號煤水平井4 口。根據生產數據(表1)，3 號煤層埋深在460 m左右，解吸壓力2.0 MPa，穩產氣量平均5 600 m3/d，穩產期180 d 左右，井底流壓0.1 MPa；4 口15 號煤水平井，煤層埋深超過540 m，解吸壓力2.9 MPa，穩產氣量平均10 000 m3/d，截至2021 年12 月30 日，4 口井的井底流壓平均1.35 MPa，仍具備較強的穩產能力。

表1 Z76 水平井組生產數據匯總Table 1 Summary of production data of Z76 horizontal well group

整體來說，Ⅰ類單元內15 號煤產氣特征總體表現為“見套壓快、上產速度快、日產水量小”的特點。直井單采15 號煤層氣產能2 000 m3/d，套管壓裂水平井產能大于10 000 m3/d。

2) Ⅱ類單元套管壓裂水平井獲得高產

早期Ⅱ類單元15 號煤層直井試采單井最高日產氣量500 m3，產水量相對較高，部分生產井日產水量超過20 m3，試采效果差異大。2017 年，在研究區北部投產3 個直井合采井組，最高日產氣量可達2 000 m3，但產量快速下降至1 000 m3/d 以下，無穩產期，試采效果并不理想。分析認為北部埋深大于800 m，煤層所受地應力增大，影響水力裂縫擴展，導致改造范圍偏小，雖形成較高產量，但無法穩產。

為解決直井改造范圍小，單井產量低的問題，在Ⅱ類單元內開展壓裂水平井開發工藝試驗。2020 年，部署1 口15 號煤層套管壓裂水平井，煤層埋深868 m，煤層進尺836 m，壓裂10 段，投產后產水量較大，日產水23 m3，降壓速度較緩；后改為大泵，日產水提升至32 m3，降液速度明顯加快，解吸壓力2.89 MPa，日產氣達到6 800 m3開始穩產，穩產期超過100 d，井底流壓0.4 MPa，穩產能力較強。

3) Ⅲ類單元15 號煤層含氣量偏低，煤體結構更加復雜，部分產氣井具有鄰近層含水性大的特點，目前技術條件暫不能實現高效開發，未來需工程技術進步以實現該類儲層效益開發。

5 結論

a.研究區3 號、15 號煤儲層特征存在一定差異。15 號煤層厚度較薄，埋深較大，但煤中鏡質組分含量高，微裂隙更發育，儲層滲透性變好；含氣性存在一定繼承性，隨埋深增加含氣量由南向北逐漸增加，但中北部含氣量規律復雜；頂板灰巖整體含水性較弱，局部受到頂板裂隙發育溝通含水層，影響15 號煤層排水降壓。

b.造成3 號、15 號煤層儲層差異的主要影響因素是沉積環境差異、構造影響程度不同兩方面。障壁?潟湖成煤環境水體變化較大，導致15 號煤層平面厚度變化較大；強還原環境使煤層鏡質組分含量高。15 號煤層受構造影響程度較大導致局部含氣量低于3 號煤層。

c.根據儲層發育特征及分布規律將研究區15 號煤煤層氣開發有利區劃分為三類，針對I 類單元煤層薄、物性好的特點采用雙層合采即可取得高產，為實現高效開發研發的適應該區薄煤層的水平井開發技術獲得突破；針對Ⅱ類單元煤層物性變差、非均質性變強的特點采用壓裂水平井的方式提高單井資源控制范圍、增大改造范圍的方式可獲得高產；針對Ⅲ類單元含氣量偏低、煤體結構復雜的特點，仍需探索適合的開發工藝及政策。