鄂爾多斯盆地神府南區深部煤層氣有利區預測

周龍剛

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

我國1200～2000 m 深部煤層氣資源量超1.6×1013m3，潛力巨大，是未來天然氣增儲上產的重要領域。前期在沁水、鄂爾多斯、滇東黔西、準噶爾等地區勘探獲得突破，展現了良好的開發前景[1-3]。壓裂改造是目前深部煤層氣動用的有效手段，因此地質評價需加強對壓裂工程地質條件的研究。中海油陸上神府南區前期以致密氣勘探為主，對煤層地質條件研究薄弱，制約深部煤層氣勘探開發，本文依托作者參與的“深部煤層氣開采地質制約因素研究”自研課題，對研究區資源條件、工程地質條件進行了梳理，預測地質工程一體化有利區，以期為該區深部煤層氣的勘探開發提供參考。

1 研究區地質概況

神府南區緊鄰神木市，構造上位于鄂爾多斯盆地東北部晉西撓折帶，地層自東向西呈單斜構造（圖1）。區域構造演化受華北克拉通整體控制，晚古生代以來經歷了海相向陸相沉積演變，下部本溪組～山西組發育穩定的含煤地層[4]，其中8+9 號煤厚度巨大，是該區致密氣成藏的源巖和深部煤層氣勘探的主要目的層。

圖1 研究區煤層頂部構造圖

2 深部煤層氣資源條件

2.1 煤儲層基本特征

研究區8+9 號主力煤層形成于海陸過渡相泥坪低位沼澤沉積環境，煤層厚度介于7.4～15.8 m，平均厚度超10 m。巖心觀察宏觀煤巖類型以光亮煤和半亮煤為主，實驗分析有機顯微組分以鏡質組為主，惰質組、殼質組次之（表1），鏡質組最大反射率（Ro，max）介于1.1%～1.4%之間。工業分析實驗表明，區內煤巖內在水分含量低，以中低灰分煤為主（表2）。受強壓實及熱演化成巖作用共同影響，煤儲層孔滲物性較差，孔隙度一般<6%，基巖滲透率<0.1 mD，無自然產能。

表1 研究區8+9 號煤煤巖分析結果統計表

表2 煤巖工業分析結果統計表

2.2 保存條件

研究區8+9 號煤層埋深2000 m 左右，地層水礦化度高達50 000 mg/L 以上，以CaCl2型水為主[5]，顯示地下水為滯留環境。煤層氣保存主要受圍巖封蓋性影響，煤層上部太原組太2 段為三角洲沉積，發育水下分流河道及河道砂體，呈近南北向展布，主河道內砂體氣層發育，表明煤層生排烴進入砂巖，不利于煤層氣保存。平面上研究區西側太2 段砂體不發育（圖2），保存條件要優于東部主河道發育區。

圖2 研究區太2 段砂體厚度等值線圖

2.3 資源條件

繩索取心測試研究區8+9 號煤含氣量介于7.94～21.13 m3/t，平均10.67 m3/t。等溫吸附實驗煤樣朗格繆爾（VL）介于7.4～15.92 m3/t，平均10.4 m3/t，顯示煤儲層過飽和。前人研究認為深部煤層游離氣含量較高，預測本區游離氣含量占比高達40%[6]，鄰區深部煤層氣探井壓后快速見氣也表明深部煤層氣高含游離氣，預示實際含氣量可能高于繩索取心實驗結果。依據煤層厚度、含氣量及密度估算研究區煤層氣資源，資源豐度介于1.7×108～3.3×108m2/km3（圖3），顯示良好勘探潛力。

圖3 研究區預測煤層氣資源豐度等值線圖

3 煤儲層工程地質條件

基于煤巖力學特性及壓裂理論，煤儲層壓裂工程地質條件包括煤體結構、煤巖力學參數、地應力、裂縫等影響壓裂裂縫起裂及擴展的因素。一般煤體結構越完整、巖石力學強度越高、脆性越大，則壓裂產生煤粉少，有利于凈壓力保持和壓裂縫的擴展及延伸。另外現場壓裂實驗表明：微裂縫發育不僅能改善煤儲層物性，還能有效降低裂縫起裂及擴展壓力，有利于壓裂施工順利進行。

3.1 煤體結構

巖心觀察顯示研究區煤體結構以原生結構為主，少量為碎裂煤，煤巖中發育內生裂隙，且以光亮型煤最為發育；碎裂煤多被密集的次生裂隙相互交切成碎塊，但碎塊之間基本沒有位移，且部分次生裂縫被方解石填充。以巖心資料分析測井曲線對煤體結構的響應，研究區從原生結構煤到碎粒結構煤，井徑逐漸擴大、深電阻率逐漸減小，測井解釋表明，區內煤巖煤體結構以原生結構為主（一般超過90%），構造煤不發育，一般見于煤層頂底板及夾矸附近。

3.2 巖石力學特征

巖石力學實驗顯示，研究區煤巖單軸抗壓強度平均<20 MPa，抗拉強度<1.5 MPa，彈性模量<1 GPa，與頂底板泥巖、粉砂-細砂巖相比呈現明顯的低密度、低抗壓、低抗拉、低彈性模量、高泊松比特征（表3）。煤儲層與頂底板巖石力學參數相差數倍，儲隔層應力差較大（一般>4 MPa），可有效阻止水力壓裂裂縫“擊穿”頂底板，將其限制于煤層之內。

表3 研究區煤巖及頂底板巖石力學參數對比

3.3 現今地應力特征

大量室內物模實驗及壓裂微地震監測顯示，水力壓裂裂縫沿最大水平地應力方向延伸，水平主應力差系數越小壓裂裂縫越復雜。從區域應力場及成像測井資料分析，研究區現今應力以“近南北向拉張、東西向擠壓”為主。利用組合彈簧模型法利于測井資料計算單井地應力大小，結果顯示8+9 號主力煤層最小水平主應力介于38.2～45.2 MPa，最大水平主應力介于44.3～51.9 MPa。由于研究區構造簡單，煤層穩定，水平主應力差系數變化較小，介于0.14～0.16，整體上有利于造復雜縫，增大壓裂波及體積，實現體積壓裂，獲得好的壓裂效果。

3.4 裂縫發育特征

8+9 煤層成藏演化過程中受印支、燕山、喜山三期構造運動影響，古構造應力場存在轉向，野外測量顯示研究區發育張性節理和剪切節理，節理走向以NW、NE 向最為發育。受多期構造應力場造縫及斷裂發育差異性影響，平面上裂縫發育存在不均一性，利用地震構造熵屬屬性預測顯示研究區8+9 號煤裂縫發育區呈條帶狀分布（圖4）。

圖4 研究區8+9 號煤層裂縫預測圖

4 一體化有利區預測

從成藏特征出發，考慮煤層厚度、含氣量及頂板巖性封蓋條件，在地質有利區的基礎上，結合煤體結構、力學參數、地應力及裂縫發育特征等工程地質條件，綜合預測顯示I 類有利區位于研究區西側，Ⅱ類主要位于東北側，是未來研究區深部煤層氣勘探開發有利目標（圖5）。

圖5 研究區深部煤層氣有利區預測圖

5 結論與建議

1）研究區深部煤層厚度大、地層壓力高、保存條件好，資源條件優越；構造背景簡單，煤體結構完整，巖石力學、水平主應力差分布穩定，存在裂縫發育帶。在地質有利區的基礎上，考慮深部煤儲層可壓裂性工程地質條件，預測適合壓裂改造的工程有利區是后續該區深部煤層氣勘探開發突破的重點。

2）研究區位于黃土地區，地表崎嶇不平，難于大規模打直井，考慮研究區煤層厚度大、分布穩定，從地表、地下條件來看，以水平井、多分支水平井等復雜井型，結合頁巖油氣領域目前較成熟的長水平、多段多簇、體積壓裂、暫堵轉向等壓裂工藝是該區未來深部煤層氣規模動用的有效手段。