煤層氣成藏模式及富集高產(chǎn)機制研究

煤層氣成藏模式及富集高產(chǎn)機制研究

1屋頂層儲存條件1.1原油成藏模式與成藏時期1.1.1屋頂層壓結(jié)構(gòu)屋頂層類型分為三種類型：自生自儲、自生自儲、自生自儲和內(nèi)外儲。1構(gòu)造相對穩(wěn)定的斜坡帶該成藏模式中煤層氣大部分以吸附態(tài)存在于煤層中,于構(gòu)造相對穩(wěn)定的斜坡帶富集。如沁水盆地南部潘莊水平井單井平均日產(chǎn)氣3×104m3;鄭試60井3#煤埋深1337m,日產(chǎn)氣2000m3(圖1)。2構(gòu)造高位富集區(qū)該成藏模式中煤層吸附氣與游離氣多少是相對的,多為同源共生互動。煤層氣一部分以游離態(tài)存在于煤層中,有的局部構(gòu)造高點占主體,早期煤層埋藏深、生氣量高,后期抬升、煤層變淺、壓實弱,次生割理發(fā)育、滲透性好,兩翼又是烴類供給指向區(qū),在有利封蓋層條件下于局部高點形成高滲透的高產(chǎn)富集區(qū)。準噶爾盆地彩南地區(qū)彩504井,構(gòu)造發(fā)育的斷塊高點煤層次生割理裂隙發(fā)育、物性好,游離氣與吸附氣同源共儲,煤層深2575m,日產(chǎn)氣6500m3。3游離氣的作用該成藏模式中煤層作為烴源巖,生成的氣體向上部或圍巖運移,在有利的圈閉條件下在砂巖和灰?guī)r中形成游離氣藏,使吸附氣、游離氣具有同源共生性、伴生性、轉(zhuǎn)換性和疊置性,可在平面上疊加成大面積分布。鄂爾多斯盆地東緣韓城地區(qū)WL2-015井山西組煤層頂板砂巖厚14.1m,壓裂后井口壓力為2.32MPa,日產(chǎn)氣2400m3。1.1.2屋頂層煤層氣成藏期劃分為3類:早期成藏、后期構(gòu)造改造成藏和開采中二次成藏。1早期成藏條件好,為早期成藏奠定基礎(chǔ)。在早期成藏階段,其主要特點有以下幾種隨著沉積作用的進行,煤層埋深逐漸增加,大量氣體持續(xù)生成。充分的生氣環(huán)境,良好的運聚勢能,足夠的的吸附作用,有利的可封閉、高飽和、高滲透成藏條件,為早期成藏奠定了基礎(chǔ)。這類氣藏δ13C1(甲烷碳同位素)相對重(表1),表現(xiàn)為原生氣藏特征。2油氣運移規(guī)律系統(tǒng)的動態(tài)平衡一旦被構(gòu)造斷裂活動打破,即煤層氣藏將被水打開,煤層割理被方解石脈充填,則能量將再調(diào)整、烴類再分配,古煤層氣藏遭受破壞,新的高產(chǎn)富集區(qū)塊開始形成(圖2)。構(gòu)造抬升后在局部出現(xiàn)斷裂背斜構(gòu)造,抬升使煤層壓力降低,氣體發(fā)生解吸,構(gòu)造運動產(chǎn)生的裂隙又溝通了低部位的氣體,使之向局部構(gòu)造高點運移聚集。當盆地沉降接受沉積時,壓力逐漸增大,再次生氣,背斜翼部氣體再吸附聚集。這類氣藏多為次生型,δ13C1相對輕(表1)。3煤層開采時,解呼吸道發(fā)生竄位,混合布局或組成特殊的開采模式煤層氣原始狀態(tài)為吸附態(tài),開采中壓力降至臨界點后打破原平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài),氣、水將重新分配,解吸氣竄層或竄位,從而形成煤層氣開采中的二次成藏。這是常規(guī)油氣不具備的條件。煤礦區(qū)這類氣藏由于鄰近采空區(qū),CH4含量較低。a)煤層氣二次成藏中的竄位竄位是指煤層氣開采中氣向高處或高滲區(qū)運移,水向低部位運移,形成煤粉、氣、水三相流,再開發(fā)幾年進入殘余態(tài),微小孔隙、深部氣大量產(chǎn)出。煤層氣開采過程中,在同一地區(qū),有些井高產(chǎn),有些井低產(chǎn),這與他們所處的構(gòu)造部位有關(guān)。解吸氣向構(gòu)造頂部或高滲通道差異流向或“游離成藏”,煤層氣發(fā)生竄位,使得高點氣大、水少,甚至后期自噴,向斜水大、氣少。如蒲池背斜煤層氣的開發(fā)實例(圖3;表2)。該地區(qū)早期整體排水降壓單相流,中期氣、水、煤粉三相流,后期低部位降壓、高部位自噴高產(chǎn)氣井單相流,4年后基本保持現(xiàn)狀。區(qū)塊中477口直井和57口水平井已開采4年多,目前直井、水平井產(chǎn)氣不產(chǎn)水的分別為29%和11%,產(chǎn)水不產(chǎn)氣的分別為12%和19%。b)煤層氣二次成藏中的竄層竄層是指煤層氣開采中或煤層采空區(qū)上部塌陷中解吸氣沿斷層裂隙或后期開發(fā)中形成的通道等向上再聚集到其他層位,主要有5種情況:(1)原斷層早期是封閉的,壓力下降到臨界點后是開啟的;(2)水平井穿透頂、底板和斷層;(3)壓裂壓開頂、底板;(4)開采應(yīng)力釋放產(chǎn)生裂縫使解吸氣穿透頂?shù)住暹M入砂巖、灰?guī)r形成游離氣;(5)煤層采空后頂板坍塌應(yīng)力釋放,底部出現(xiàn)裂隙帶。以下是竄層的幾個典型實例分析。(1)ch4井,ch3510m35.阜新鉆井7口,采空區(qū)坍塌后在煤層頂部砂巖裂隙帶單井日產(chǎn)氣(1.50~2.15)×104m3,CH4含量大于50%。生產(chǎn)1年,單井累計產(chǎn)氣折純最高260×104m3;陽泉年產(chǎn)氣7.16×108m3,90%是鄰層抽采;鐵法70%煤層氣是采動區(qū)采出。(2)mpa產(chǎn)氣現(xiàn)狀蒲南3-8井壓裂顯示超低破裂壓力,為9.6MPa,比鄰井低10MPa以上,壓開水層,初期日產(chǎn)水62m3,4年后目前為54.8m3,累計產(chǎn)氣僅有3.8×104m3。(3)原水層被解氫氣占比大,產(chǎn)水層構(gòu)造設(shè)計標準FZP03-1井煤層進尺4084m,鉆遇率81%,主、分支共鉆遇斷層4條,明顯鉆入下部水層,開發(fā)效果差:最高間歇日產(chǎn)氣1366m3,累計產(chǎn)氣29×104m3,累計產(chǎn)水4.3×104m3,目前日產(chǎn)氣392m3,日產(chǎn)水28m3;原水層的構(gòu)造高點被解吸氣占據(jù)。而比該井淺75m的FZP03-3井日產(chǎn)氣3783m3,日產(chǎn)水5m。在煤層氣的勘探開發(fā)中應(yīng)形成一次開發(fā)井網(wǎng)找煤層吸附氣,二次開發(fā)井網(wǎng)找生產(chǎn)中由于開采中壓力下降,烴類由吸附態(tài)變游離態(tài)使氣、水重新分配,打破原始平衡狀態(tài),解吸氣竄層或竄位形成二次成藏的游離氣藏的勘探開發(fā)思路。1.2層內(nèi)微旋回性發(fā)育以往油氣勘探上用沉積相分析砂體變化特征,通過對大量煤層進行粘土礦物分析、植物鑒定、測井特征分析,特別是全煤層取心觀察,以及煤質(zhì)和含氣性分析認為:沉積環(huán)境對煤層氣的生成、儲集、保存和滲透性能的影響是通過控制儲層物質(zhì)組成來實現(xiàn)的,層內(nèi)的非均質(zhì)性和煤質(zhì)的微旋回性受控于沉積環(huán)境,并控制層內(nèi)含氣性和滲透性的非均質(zhì)變化。平面上,河間灣相煤層厚、煤質(zhì)好、含氣量高、單井產(chǎn)量高,河邊高地和湖洼潟湖相相反(表3)?？v向上,受沉積環(huán)境影響,厚煤層往往形成夾矸、暗煤、亮煤幾個沉積旋回,亮煤鏡質(zhì)組含量高、滲透率高、含氣量高。不同的煤巖組分受成煤母質(zhì)類型的控制。高等植物豐富、經(jīng)凝膠化作用形成的亮煤灰分低、鏡質(zhì)組含量高、割理發(fā)育、含氣量高;而碎屑物質(zhì)、水溶解離子攜入或草本成煤環(huán)境的暗煤則相反。武試1井9#煤可劃分為4個層內(nèi)微旋回。灰分含量:暗煤14%~15%,亮煤3.7%~5.1%;鏡質(zhì)組含量:暗煤23%~49%,亮煤66%~79%。1.3低值區(qū)煤層賦存條件古應(yīng)力場高值區(qū)斷裂發(fā)育,水動力活躍,煤層礦化嚴重,含氣量低;低值區(qū)則煤層割理發(fā)育,處于承壓水封閉環(huán)境,煤層氣保存條件好,含氣量高。局部構(gòu)造高點也往往是應(yīng)力場相對低值區(qū),并且煤層滲透率高、單井產(chǎn)量高,煤層氣保存條件好,煤層沒被水洗刷,含氣量高。1.4中、大孔煤階煤儲層高煤階以小于0.01μm的微孔和0.01~1μm的中孔為主,一般占80%以上,中、微孔是煤層氣的主要吸附空間,靠次生割理、裂隙疏通運移;低煤階以小于1μm大孔和中孔為主,演化程度低,裂隙不發(fā)育,大孔是吸附氣、游離氣的主要儲集空間和擴散、滲流、產(chǎn)出通道;中煤階以中、大孔為主,中、大孔是煤層氣擴散、滲流通道。在核磁測井中,煤層氣藏儲層的T2(橫向)弛豫時間譜為特征的雙峰結(jié)構(gòu)。與常規(guī)低滲透儲層T2弛豫時間譜相對照,煤層氣儲層的兩個峰之間有明顯的間隔,這說明對于煤層氣儲層,束縛水與可動流體并不能有效溝通。然而,不同煤階煤儲層T2譜的結(jié)構(gòu)不同,這源于不同的孔隙結(jié)構(gòu)。低煤階以大孔為主,高煤階以微孔、小孔為主。高煤階煤層曲線峰值左峰高、右峰低,峰值中間為零值;低煤階煤層則相反。左峰為不可流動孔隙,右峰為可流動的次生割理裂隙儲集體。高煤階煤層曲線峰值右峰可流動峰值越高(割理發(fā)育),氣井產(chǎn)量越高(圖4)。1.5滯流-弱徑流區(qū)域局部構(gòu)造高點滯留水區(qū)低產(chǎn)水、高產(chǎn)氣,向斜承壓區(qū)高產(chǎn)水。地下水一般在斜坡溝谷活躍,符合水往低處流、氣向高處運移的機理。樊莊區(qū)塊滯流-弱徑流區(qū)域多為產(chǎn)量大于2500m3/d的高產(chǎn)井;東部地下水補給區(qū)含氣量小于10m3/t,含氣飽和度為55%,見氣慢,單井產(chǎn)量在200~500m3/d(圖5)。2水平井開采階段對于中國中、低滲透性煤層,煤層氣井一般為300m×300m井距,單井產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)期4~6年,水平井更短,開采中劃分為上升期、穩(wěn)產(chǎn)期和遞減期3個階段,遞減期又可劃分為多個階梯狀遞減階段。2.1結(jié)構(gòu)部位和層內(nèi)的非均質(zhì)性差異形成了三個特征2.1.1排采氣的自然產(chǎn)氣模式該類開采往往位于構(gòu)造平緩、均質(zhì)性強的地區(qū)。氣產(chǎn)量為本井降壓半徑之內(nèi)解吸的氣從本井產(chǎn)出。排采井一般處于構(gòu)造平緩區(qū),層內(nèi)均質(zhì)性強。日產(chǎn)氣呈上升—穩(wěn)產(chǎn)—遞減3個階段。這類井多低產(chǎn)(圖6a)。2.1.2散到其他井內(nèi)產(chǎn)出的井該類開采位于構(gòu)造翼部、非均質(zhì)性強的地區(qū)。氣產(chǎn)量一部分通過本井降壓解吸半徑內(nèi)從本井產(chǎn)出,而大部分通過高滲通道或沿上傾部位擴散到其他井內(nèi)產(chǎn)出。排采井一般處于構(gòu)造翼部、非均質(zhì)性強地區(qū)。日產(chǎn)氣從低產(chǎn)或不產(chǎn)—上升—緩慢遞減。這類井多低產(chǎn),并且產(chǎn)量遞減快(圖6b)。蒲池背斜的P1-11,PN1-1,PN2-5,HP1-10和HP2-11-3井位于背斜的翼部,屬于構(gòu)造相對低部位,基本上沒有氣產(chǎn)出,而產(chǎn)水量較大,經(jīng)分析是由于降壓而解吸出來的氣體向構(gòu)造高部位運移而沒有產(chǎn)出,具有輸出型的開采特征。2.1.3排采井、氣移井、運移井該類開采多位于構(gòu)造高點。初期本井降壓解吸氣隨降壓漏斗從本井產(chǎn)出,后期構(gòu)造下傾部位解吸氣又運移到本井產(chǎn)出。排采井處于構(gòu)造高點。這類井一般高產(chǎn),穩(wěn)產(chǎn)期長。日產(chǎn)氣從上升—穩(wěn)產(chǎn)—上升—遞減(圖6c)。蒲池背斜中位于構(gòu)造高點的PN1-4,P1-3,PN2-7和P1-5井產(chǎn)氣量高而產(chǎn)水量低,這與低部位氣體的擴散輸入有關(guān),具有典型的輸入型開采特征。2.2不同的降壓率可以形成三種開采效果2.2.1質(zhì)收縮引發(fā)的滲流該類解吸抽排液面控制合理,降壓速率接近解吸速率,有效應(yīng)力引起的負效應(yīng)小于基質(zhì)收縮引起的正效應(yīng),滲透率隨開采的束縛水、氣產(chǎn)出上升—穩(wěn)定,氣泡帶出部分束縛水,產(chǎn)量理想(圖7a)。以固X-1井為例,該井排采制度合理,經(jīng)半年的排水降壓后液面基本保持穩(wěn)定,日產(chǎn)氣穩(wěn)定在4320m3以上,目前還保持穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。2.2.2井-井-井該類解吸解吸速率小于降壓速率,降壓液面下降速度太快,煤層裂縫、割理產(chǎn)生應(yīng)力閉合,日產(chǎn)氣急劇上升—急劇下降,滲透率下降—穩(wěn)定,產(chǎn)氣效果差(圖7b)。以固Y-2井為例,該井經(jīng)30余天的排水降壓,液面降至煤層以下,由于抽排速度過快,前期產(chǎn)氣效果差,2010年7月二次壓裂及排采制度調(diào)整后,日產(chǎn)氣量最高達4000m3,后期穩(wěn)定在1600m3以上;PzP03井在產(chǎn)氣高峰期日降液面63~87m,造成該井初期曾是全國單井產(chǎn)量最高(10.5×104m3)、而目前則是該區(qū)單井產(chǎn)量最低的井。2.2.3發(fā)揮正效應(yīng)該類解吸降壓速率過慢,解吸速率大于降壓速率,有效應(yīng)力引起的負效應(yīng)大于基質(zhì)收縮的正效應(yīng),氣泡變形解吸困難,降壓早期受煤粉堵塞,因液面阻力作用解吸不暢通,日產(chǎn)氣不穩(wěn)定,開發(fā)效果差(圖7c)。FzP03-3井開采770天關(guān)井26次以上,開發(fā)效果很差。2.3共有兩種類型的煤層水開采特征煤層水可劃分為層內(nèi)水、層間水和外源水。高產(chǎn)氣區(qū)為層內(nèi)水和層間水,有外源水區(qū)為低產(chǎn)氣區(qū)。2.3.1高部位部位少,低部位均勻?qū)觾?nèi)水為煤層割理、裂隙中的水,日產(chǎn)水小,開采中、后期高部位幾乎不產(chǎn),低部位遞減。層內(nèi)水又可進一步劃分為可動水(洞縫)、吸附水(煤粒面)、濕存水(<10-5cm毛管內(nèi))和結(jié)晶水(碳酸鈣)4類。2.3.2礦井水資源量層間水為薄夾層水滲入煤層而成,開采中產(chǎn)水量明顯遞減,可控制。有層間水的氣井連續(xù)降壓可控制水產(chǎn)量、提高開發(fā)效果。沁水樊莊FzP11-1井煤層總進尺4710m。2009年4月投產(chǎn),最高日產(chǎn)水175m3,目前日產(chǎn)氣21436m3,日產(chǎn)水20.7m3,套壓0.15MPa,液面4m,累計產(chǎn)水3.7×104m3,累計采氣814×104m3?？梢钥闯?對有層間水進入煤層氣井的情況,短期加大排水量,后期日產(chǎn)氣持續(xù)上升,開發(fā)效果較好。2.3.3外源水外源水為斷層或裂縫溝通高滲奧陶系灰?guī)r水層及其他水層而成,產(chǎn)水大、難控制。3層內(nèi)微旋回分析1)根據(jù)中國煤層氣勘探開發(fā)實踐認識,將煤層氣成藏模式劃分為自生自儲吸附型、自生自儲游離型和內(nèi)生外儲型3類。同時認為,煤層氣成藏期劃分早期成藏、后期構(gòu)造改造成藏和開采中二次成藏3類。開采中二次成藏將是煤層氣開發(fā)二次井網(wǎng)的主要產(chǎn)量接替領(lǐng)域。2)利用沉積相分析厚煤層、優(yōu)質(zhì)煤層和高產(chǎn)富集區(qū),分析厚煤層的層內(nèi)微旋回。成煤母質(zhì)控制煤巖組分和單井產(chǎn)量。高等植物豐富、經(jīng)凝膠化作用形