煤岩特征及其对煤层气勘探开发的影响

杨景芬,黄兰英

煤层气勘探开发高渗富集区优选、开发井型确定、层位选择与压裂排采是煤层气商业开发几个主要环节,其开发技术决策除受社会经济、开发技术等因素制约外,主要受地质因素控制。研究表明,影响开发决策的地质因素主要有构造条件、煤层埋深、煤阶、煤层厚度、煤体结构、含气量、渗透率、煤储层压力解吸压力和水文条件[1]。前人成果主要集中在勘探开发影响因素分析与选区评价、开发模式探讨等综合性研究或单一开发技术的评价与优化[2,3],而相对弱化了单一因素对煤层气勘探开发决策的影响。基于上述前提,本文选择黔西五轮山矿区为例开展研究,通过对矿区内煤岩特征认识,阐述了其对直井压裂和水平井开发方式选择的影响,对煤层气前期开发评价有一定指导意义。研究表明,煤岩特征在一定程度上决定了直井压裂参数选择和水平井井壁稳定性,影响开发模式确定,同时也影响了排采效果。

1 煤层气地质背景

五轮山矿区在大地构造单元上属扬子准地台 (1级)上扬子台褶带 (2级)黔中早古拱断褶束 (3级),是上扬子台褶带上具菱形边界轮廓的长期发展的相对隆起区。区域构造有 NW向构造、EW向构造及 NE向构造带,构造由 NW向加戛背斜和水公河向斜、NE向张维背斜和三塘向斜的构造格局[4]。石炭二叠纪含煤地层沉积之后经历了多期次构造运动,造成该区煤岩特征复杂,非均质性强的特点。

区内地下水和地表水主要靠煤系地层含水性弱,以峨眉山玄武岩和飞仙关组为底部、顶部隔水层,煤系地层与强含水地层基本无水力联系,埋深由浅到深含水性减弱,地下水径流缓慢 —停滞,煤系地层形成独立、完整的水文地质单元[5]。

上二叠统龙潭组为煤层气勘探开发主要层位,含可采及局部可采煤层 13层,为 3,5-2,5-3,6-2,6-3,6-4,8,9,14,16,32,33号。主要可采煤层为 3,5-3,6-3,8,16等 5层,平均厚度分别为 1.57,1.81,2.21,1.86,1.60 m[4]。煤层具埋深小、煤层薄、层数多但间距小、非均质性强的特点。

2 煤岩基本特征

2.1 宏观煤岩特征

五轮山矿区宏观煤岩成分以亮煤为主,少量暗煤夹镜煤条带,宏观煤岩类型以半亮 —半暗型煤为主。煤层原生结构保存完整,条带状结构,块状构造。5-2,8,14,20,32,33号煤为半亮型,3,5-3,6-3,9,16号煤为半亮 —半暗型[6]。镜质组反射率介于 2.59% ～3.763%,主要以高变质无烟煤为主。

2.2 显微煤岩特征

五轮山矿区主要煤层显微煤岩类型镜质组含量介于 72.65%～79.98%,以均质镜质体和基质镜质体为主,少量结构镜质体。惰质组含量为 20.02% ～27.35%,以丝质体和半丝质体为主,碎屑体次之。无机组分以黏土类矿物为主,黄铁矿、石英次之,碳酸盐少量,含量介于 10.51% ～26.02%之间[7]。硫化物多以结核状、瘤状、脉状、条带状分布于煤层中。五轮山矿区煤层煤岩特征见表 1[7]。

表 1 五轮山矿区煤层煤岩特征

2.3 煤岩微观结构

煤岩微观结构主要指煤岩的裂隙结构[8]。区内煤层层状构造明显,条带 —线理状结构,内生节理发育,在光亮煤 (镜煤和亮煤)条带中较为密集,一般密度 1～10条 /cm,但部分为黄铁矿或方解石脉 (膜)等充填。区内裂隙统计资料相对较少,但据现场观测结果,一般主煤层发育两组裂隙,相互交角在 80°左右,主裂隙呈 NWW-SEE向展布,方向相对集中,次裂隙 NNE-SSW向,方向相对离散[7]。

3 煤岩特征对煤层气勘探开发的影响

3.1 煤岩机械强度

煤的机械强度不仅决定着煤层压裂改造的难易程度,也决定着水平井水平段的井壁稳定性。煤岩由光亮型煤、半亮型煤、半暗型煤向暗淡型煤逐渐过渡时,煤岩的机械强度逐渐增大。而随着煤岩的镜质组含量降低,惰质组含量升高,煤岩的机械强度降低[9]。

五轮山矿区煤岩以亮煤为主,3,6-3,9和 16号煤镜质组含量较高,惰质组含量除 6-3,9,16号煤相对较低,其余均较高。因此,区内主力煤机械强度均相对较低,6-3,9,16号煤由于为半亮 —半暗煤且镜质组含量较高,机械强度可能相对较好,其余煤层次之。

3.2 压裂直井开发层位优选

3.2.1 煤芯录取判断煤岩特性

钻井取芯是判断煤岩特性的直接方式,结合钻井液性能、气测项目录取,能准确判断钻遇地层与岩性。从岩芯录取情况看,除 6-3号煤层为光亮煤外,其余均为半暗 —半亮煤;3,5-3,6-3,8号煤层局部发育有碎粒煤和糜棱煤外,其作均一原生结构煤为主。

3.2.2 测井响应判断煤岩特性

测井是煤层气勘探开发中,尤其是单井评价中的重要手段。通过综合分析测井资料与数据,可以定性定量化地判断出煤岩各相关特性与参数。由于煤岩所具的特殊属性,煤层的测井响应很特殊,相比围岩,较易识别,具体表现为“三高两低”的特征,即：高电阻、高声波时差、高中子、低伽玛、低体积密度。

在相同的煤化程度条件下,电阻率一般反映煤岩成分和煤质,电阻率越高,表明煤层灰分低,煤质好。相同煤化程度下,丝炭含量和煤层受氧化是降低煤层电阻率的主要因素,低电阻往往也直接反映了相对低的煤层含气量;声波时差值显示了煤层的压实程度和孔隙度;补偿中子则表示煤岩的含氢指数;补偿密度则指示煤岩的变质程度和含气量,见表 2[7]。

表 2 五轮山矿区主要煤层测井曲线数据表

从表 2可以看出,16,8,和 6-4号煤层电阻率较高,3,6-4号煤层相对最小。经过测井分析,结合岩芯录取和区域沉积演化特征,认为 6号煤层原生结构不完整,受成煤后期构造运动破坏严重,3号煤层次之。可见,测井结果与钻探显示煤体结构特征较为一致。

3.2.3 射孔与压裂层位确定

煤储层特征决定了煤层气的生成与储集,因而煤储层综合特征对开发层位确定起着至关重要的作用。充分运用录井资料、现场解吸数据、煤岩宏微观特征分析、测井试井综合分析等方法,对煤储层特性进行综合评价,优选开发层位。

煤层气勘探开发初期,煤层气地质资料缺乏,开发层位应以煤层厚、含气量高、渗透性好、解吸率高等为基础评价条件。综合应用取芯结果、测井解释成果,显示 3,5-3,6-3,8,16等 5层均具有厚度大且含气量高等优点,但 6号煤层以碎粒煤和糜棱煤为主,且孔隙率偏小,不利于直井水力压裂;而3号和5号煤层总体具有开采优势。考虑 6号煤层厚度较大,制定直井开发方案时,可对上述 5个煤层 (含 6号煤层)进行分层压裂,合层排采,但针对 6号煤层局部的构造煤发育情况,制定射孔方案时,应避开构造煤分层选择性射孔,而对其余煤层全段射孔分层压裂。这样即能控制 6号煤层排采产生的煤粉,又能对多煤层进行单层煤排采或合层排采试验,给后续施工提供指导。

3.3 水平井井壁稳定性

煤岩微观结构、力学特性、化学特性是影响井壁稳定性的几个主要因素。煤层中裂隙结构对煤岩的强度影响一方面造成强度的各向异性,另一方面会造成强度的减小。同时,由于裂隙结构的存在,煤岩的力学行为表现出明显的非连续特性。此外,地质历史漫长的演化过程形成了较高的地应力造成煤岩的强度破坏,与煤岩微观结构共同作用,使煤岩特性减弱。

煤岩裂隙中充填的无机盐和黏土矿物是影响煤岩化学特性的影响因素之一。煤储层内生裂隙和外生裂隙均相对发育,无充填和部分充填比例较高,毛细管效应突出,比表面积大,在水平井钻井过程中如失水量过大,煤岩吸水产生强的水化效应[10],引起黏土矿物水化膨胀和无机盐溶解,裂缝间的胶结破坏,导致煤岩强度下降,进一步增大了水平井段失稳的可能性。

综合以上分析并结合煤层厚度,认为：6号煤层厚度较大,对施工煤层气水平井有利,但考虑 6号煤层以碎粒煤为主,不易施工水平井;3号和 16号煤层为原生结构煤 —碎裂煤,且黏土号类矿物含量相对较低,对施工水平井较为有利,但考虑两煤层厚度较薄 (≤1.60 m)与水平井施工的高风险性,应慎重选择。5号和 8号煤层黏土号类矿物亦较低,且煤层以原生结构煤为主,厚度较大,具有水平井成井的相对优势条件。

3.4 煤岩特征对产气效果的影响

煤岩特征主要通过对煤层含气量和裂隙发育程度的控制,影响气水流动和产气效果。储层含气量是气井高产基础,裂隙则是气体运移通道。由于镜质组和惰质组具较多的小、微孔隙,且具较强的亲 CH4能力,因而其吸附能力高于壳质组,也即表明同等条件下镜质组和惰质组的含量越高,对 CH4吸附能力越强,CH4含量越高。

宏观煤岩成分、宏观煤岩类型及其厚度对裂隙发育程度有着重要影响,而裂隙发育程度又影响着渗透率好坏。在煤级相似的情况下,裂隙密度由光亮型煤—半亮型煤 —半暗型煤 —暗淡型煤逐渐降低,即随镜质组含量的降低而减少。镜煤和亮煤中裂隙最发育,暗煤和丝炭中一般不发育裂隙,见图 1。

五轮山矿区3,5,6-3,8,9,16号隙较发育,而后期构造运动又形成了丰富的外生裂隙。在非糜棱煤煤层段,采用直井压裂排采或水平井开发均可能获得较高产能。

图 1 裂隙面密度与煤岩类型关系图

4 结 论

1)五轮山矿区主要煤层宏观煤岩成分以亮煤为主,暗煤次之;宏观煤岩类型以半亮型 —半暗型为主,镜质组含量介于 72.65%～79.98%,惰质组含量为20.02% ～27.35%,无机组分以黏土号类矿物为主。

2)综合运用煤田钻孔、煤层气井岩芯录井和测井资料,认为 6-3,9,16号煤层机械强度可能相对于其它煤层较好,但 16号煤层整体发育了碎粒煤 —糜棱煤结构,显著降低了煤体结构强度及渗透性。

3)结合地勘煤厚资料,采用直井压裂开发方案时,可选择 3,5-3,6-3,8,16号煤层分层射孔压裂,有利于排采增效。5号和 8号煤层相对施工水平井较为有利。但单一薄煤层水平井作业可能提高产能有限,因此,煤层气井型选择应优先选择直井开发模式,多层压裂、合层排采,有利于增产增效。16号煤层不利于水平井工程稳定性,如采用直井开采,应避开其构造煤分层。

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