构造和水文地质条件耦合作用下煤层气富集高产模式

2019-09-10 18:31陈跃马东民方世跃

陈跃 马东民 方世跃

摘 要:构造和水文地质条件对煤层气富集成藏和开发具有重要影响,为研究煤层气富集和产出过程中不同构造和水文地质条件耦合效应,文中以鄂尔多斯盆地东缘为例,通过详细研究不同区块构造、水文地质条件对煤层气富集和产出的影响,总结出构造和水文地质条件耦合作用下煤层气富集模式,并且结合典型煤层气开发区块产能特征提出了有利于煤层气开发的高产模式。结果表明:逆断层、向斜轴部以及单斜构造下部有利于煤层气的富集保存,而正断层和背斜轴部容易导致煤层气的逸散;地下水矿化度高的弱径流区、滞留区,有利于煤层气富集;北部准格尔、保德等低煤阶地区为低煤階次生生物气补充型富集模式,中部柳林地区为盆缘斜坡带水力封堵型富集模式,南部大宁—吉县地区为构造—水动力复合型富集模式;提出了弱水动力单斜上倾方向高部位高产模式、弱水动力背斜(或鼻状构造)轴部高产模式以及弱水动力正断层远端构造高部位高产模式3种高产模式。

关键词:煤层气富集高产;耦合分析;构造条件

中图分类号:P 618.11;TD 84   文献标志码:A

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0412   文章编号:1672-9315(2019)04-0644-12

Abstract:Structural and hydrological conditions have significant influence on coalbed methane accumulation and development.In order to study the coupling effect of structural and hydrological conditions on coalbed methane enrichment and production,in this paper,taking the eastern margin of Ordos Basin as a case,the accumulation models of coalbed methane in the study area will be summarized,and the high yield models be presented according to the study of the coalbed methane production characteristics of the typical development blocks,based on the intensive study of the effects of the particular geologic structures and hydrologic conditions on the accumulation and development of coalbed methane in different blocks.The results show that reverse faults,the axial part of syncline and the bottom of monoclinic are favorable for gas enrichment,but gases are easy to escape near normal faults and the axial part of anticline.The stagnant zone and the weak run off zone with high groundwater mineralization are favorable for coalbed methane enrichment.The secondary biogenic gas supplement model in low coal rank in Zhungger and Baode,the hydraulic sealing model of the slope in the margin of basin in Sanjiao and Liulin,and the structural and hydraulic sealing united model in Daning Jixian are summarized.Furthermore,three high yield models are proposed,i.e.,weak hydrodynamic updip of the monocline model,weak hydrodynamic axial part of the anticline or nose like structure model,and weak hydrodynamic structural high far from the normal faults.

Key words:enrichment and high production of coalbed methane;coupling analysis;structure conditions

0 引 言

影响煤层气富集和产出的因素很多,包括构造条件、水文地质条件、沉积环境、地层压力、煤层渗透性、煤层厚度和埋深等,其中构造条件和水文地质条件对煤层气赋存和开发的影响尤为突出[1-4]。Pashin通过分析了黑勇士盆地煤层气井产出水化学特征和同位素特征研究,揭示了水动力条件对煤层气井产能的影响以及细菌活动对气井产能的贡献[5]。其他学者详细探讨了水文地质条件对煤层气富集与产出的控制作用[6-10]。赵庆波等根据煤层气的存储状态及煤层所处的构造位置,将煤层气划分为自生自储吸附型、自生自储游离型和内生外储型3种成藏模式,并根据煤层气甲烷含量及甲烷碳同位素分布研究,煤层气成藏期可划分为早期成藏、后期构造改造成藏和开采中二次成藏3个时期,特别指出了开采中窜位和窜层引发二次成藏的条件[11]。宋岩等建立了渗透率突变带煤层气富集模式、构造高部位局部富集模式、斜坡区含气量与渗透率优势叠合富集模式与脆韧性转换带富集模式,系统总结了我国煤层气的富集规律与控制因素[12]。另外一些学者针对构造特征、储盖层配置关系、水动力条件提出了先后提出水动力控气机制、岩浆热事件控气机制、向斜控气机制、上覆地层有效厚度控气机制、构造控气机制[13-16]。随着我国煤层气产业的发展,近年来部分国内学者对我国低煤阶煤层气成藏机理的研究逐步展开,陈振宏、王勃等从煤层气成藏的气源条件、煤层的储集能力、煤层的物性、煤层的水文地质条件和成藏过程等方面,分析了高煤阶煤层气和低煤阶煤层气成藏的差异性,指出了构造热事件对高煤阶煤层气藏物性的改造作用和生物气、游离气在低煤阶煤层气成藏过程中的作用[17-18]。兰天伟等对阜新盆地煤层气成藏条件及机理分析后提出了水动力—岩墙封堵式混合成因裂隙型煤层气富集模式[19]。侯海海等以东北依兰盆地为例,建立了原生成因和次生成因叠合下的斜坡区成煤优势相带高富水区的煤层气富集模式[20]。刘洪林等针对吐哈盆地低煤阶气藏建立了盆内凹陷成藏模式、盆缘陡坡成藏模式以及盆缘缓坡成藏模式[21]。

1 区域地质特征

鄂尔多斯盆地东缘煤层气田沿黄河呈南北向分布,南北长约560 km,东西宽50~200 km,煤层气地质资源量约9×1012 m3[22],目前已实施煤层气井3 500余口,总体产气量突破240×104 m3/d,已经成为我国继沁水盆地之后第二个实现大规模产业化开发的大型煤层气田。鄂尔多斯盆地东缘总体为一向西缓倾的大型单斜构造,由北向南依次为伊盟隆起、晋西挠褶带和渭北隆起,其上发育轻微褶皱,断层发育规模较小,具备大型煤层气田形成条件[23]。区内相对较大的断层有5条,自北往南依次为离石断层、三交北断层、午城—窑渠断层、薛峰断层和前高断层。构造走向以南北向、北东—南西向为主,构造变形强度总体上东部边缘强于西部,南部强于北部,断层和褶皱构造主要分布在东部边缘地区,往西向盆地内部构造变形减弱(图1)。区内煤层气勘探开发的主力煤层为山西组4+5#煤层和太原组8+9#煤层,埋深300~2 600 m,煤厚0.5~30 m,Ro为0.44%~2.6%,渗透率0.01~20×10-3 μm2,4+5#煤层顶底板主要为泥岩、砂质泥岩以少数的砂岩,8+9#煤层顶板为灰岩和泥岩,底板多为泥岩,围岩封闭性较好[24]。

如图2所示,地震测线NW470上分布了6条断层,且多为正断层,在该区中部正断层附近形成了含气量低值区,含气量与距正断层距离呈负相关。中部其他地区的含气量在12 m3/t左右,而受F12,F13和F14等3条正断层影响,其周边地区的含气量则在8 m3/t左右。而F10和F9正断层规模更大,致使煤层气逸散更加严重,其周边含气量仅为2 m3/t左右(圖3)。

2.1.2 褶皱

向斜核部一般以压应力环境为主,地层压力高,并且向斜普遍处于地下水的弱径流区或滞流区,利于形成水力封堵型煤层气藏。盆地内向斜构造富气最典型的是韩城区块北部4+5#煤层。表现在向斜轴部煤层甲烷含量高,背斜轴部煤层甲烷含量低,一般表现为:向斜轴部>缓倾斜带>背斜轴部>边浅部陡倾斜带(图4)。

2.1.3 逆断层

逆断层形成与挤压应力场中,断层面封闭性强,气体一般难以通过断层面进行运移。并且断层附近通常是构造应力集中带,可加大煤层压力,有利于煤层气吸附,典型区块为大宁—吉县区块。大宁—吉县区块含气量等值线沿午城窑渠逆断层两侧对称分布,离此断层越近,煤层气含气量越高,说明封闭条件越好,离断层越远,含气量呈变低趋势,此断层附近的某些向斜和背斜成为煤层气聚集的有利区,含气量可达20 m3/t以上(图5)。

以J10井、J14井、J4井、J13井和J6井做连井剖面,发现向斜轴部煤层气含气量可达18.76 m3/t之高,而背斜的轴部含气量较其翼部稍低,因为背斜的轴部中和面以上为拉张应力环境,导致张性裂隙发育,使煤层气发生部分逸散。逆断层为压性断层,断层封闭性强,有利于阻止煤层气逸散,故其附近并未发现含气量明显降低(图6)。

2.1.4 单斜构造

单斜构造易于水力形成封堵,并且单斜构造中储层压力一般随埋深增大而增大,有利于煤层气的吸附,如三交、柳林等区块。三交区块位于晋西挠褶带中部离石鼻状隆起的北翼,为一大型北西倾向的单斜构造,以4+5#煤为例,煤层海拔为-150~700 m,自东南往西北降低。4+5#煤含气量为5~13 m3/t,矿区东部边缘含气量低,往西北方向含气量增高,含气量等值线沿北东向展布,矿区西部含气较大,可达13 m3/t(图7)。区内局部地区受水文地质条件影响,含气量分布复杂化。

2.2 水文控气作用

水力封闭作用有利于煤层气的保存,而水力驱替运移作用则引起煤层气的逸散。一般而言,地下水压力大,煤层气含量高,反之则低。地下水的强径流带煤层气含量低,而滞流带煤层气含量高。

煤层产出水矿化度是表征水动力活跃程度的重要指标之一,高矿化度往往代表滞留水环境,煤层气保存条件好,有利于煤层气富集成藏。煤层含气量随煤层气井产出水矿化度的增大而增高,说明高矿化度弱径流-滞留的水动力条件有利于煤层气保存(图8)。研究区东、南边缘构造作用强烈,断裂较为发育,岩层产状变陡,形成有一系列北东东近东西向的压性或压扭性断层。煤系与下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层强径流带产生水力联系的可能性较大,水力运移逸散控气作用易发生,对煤层气的保存不利。而向深部地层平缓,构造简单,水动力逐渐减弱,矿化度逐渐增高,水动力处于弱径流、滞留区,煤层含气量增高,大气降水由浅部向深部流动,在弱径流—滞留区对煤层气形成水动力封堵,形成煤层气富集区。因此,研究区中南部地区需要寻找高矿化度水动力滞留区为煤层气富集有利地区,这一规律与沁水盆地南部类似。

柳林地区从东北向西南,地下水矿化度逐渐增高,水质类型主要为HCO3·Cl—Na型和HCO3·SO4—Na·Ca型,矿化度600~7 000 mg/L(图9)。结合该地区3个煤层的含气量平面图可以看出:各主煤层含气量总体上从北西向南东向增高,这与水的径流方向基本一致,说明滞留的环境有利于煤层气的富集(图10)。

3 煤层气富集模式

3.1 煤层气成因

鄂尔多斯盆地东缘煤层气甲烷碳同位素值为-58.99‰~-28.80‰,保德地区-50.89‰~-50.80‰,平均-54.34‰,柳林地区-57.78‰~-42.26‰,平均-50.64‰,韩城地区-41.60‰~-28.80‰,平均-36.30‰,煤层气甲烷碳同位素自北向南变重。煤层气成因判别图版(图11)显示,研究区煤层气以热成因气为主,在部分地区可能存在次生生物气的混入。韩城地区数据点基本都分布在热成因气的范围之内,但是分布在II型干酪根热成因气区域内,但是研究区生气母质几乎都是腐殖煤,造成韩城地区甲烷碳同位素变轻的原因推测是该区煤层气在构造抬升过程中解吸分馏作用。柳林地区和保德地区显示存在次生生物气的混合,但是国内学者通过实验模拟证实中、高煤阶煤岩变质程度高,有机质丧失生物活性,发生微生物降解的可能性较小,因此,柳林地区甲烷碳同位素变轻可能是因为水动力分馏作用所致,这与该区地下水矿化度低、水动力比较活跃较为吻合。而保德地区煤阶较低,有机质生物活性高,水动力较为活跃,发生微生物作用的可能性比较大,煤层气甲烷碳同位素δ13CCH4平均值-5434‰,热成因气一般δ13CCH4>-50‰,但δ13CCH4与有机质成熟度之间存在相关关系(刘文汇等,1999)。取保德地区煤中有机质成熟度Ro为08%,得到该区热成因气的δ13CCH4应在-2883‰~-38.83‰,证实保德地区甲烷碳同位素确实偏轻,存在次生生物气混入,与图版揭示结果一致。

3.2 煤层气富集模式

3.2.1 低煤阶次生生物气补充型富集模式

由于鄂尔多斯盆地东缘煤阶具有北低南高的变化趋势,其低煤阶煤层气资源主要分布在北部的准格尔和保德等地区。在低煤阶中,煤的生物活性高,加之合适地下水环境,次生生物气就可能生成。准格尔地区位于伊盟隆起构造带,为一西南倾向的单斜构造,区内构造较为简单,煤层埋深相对较浅,煤阶低,镜质体反射率在0.7%以下。在煤层埋深小于800 m的区域,处在甲烷风化带,含气量低,而煤层埋深大于800 m处于甲烷风化带之下的区域,含气量较高(图12)。低煤阶煤层气一般为热成因气和次生生物气混合的成因,因此,水动力条件对煤层气藏的影响主要体现在2个方面,首先,水动力可以封堵煤层气,阻止气体往上运移散失,在单斜的弱水动力部位形成煤层气富集区;其次,一定的水力活动加上埋深较浅、煤的生物活性高,促使甲烷细菌活动、繁殖,形成次生生物气。其煤层气富集模式与圣胡安盆地具有一定相似性,大气降水在边缘浅部形成补给,携带甲烷细菌向盆地中心方向运移,从而生成次生生物气,加之水动力的封堵,形成煤层气的富集区。保德地区位于晋西挠曲带北段,表现为向西倾的单斜构造,地层倾角5°~10°,构造条件简单,断裂构造相对不发育。煤的镜质组反射率Ro一般为060%~0.97%,平均约为0.8%,以气煤为主。煤层含气量为1~12 m3/t,平均约为6 m3/t,甲烷浓度为62%~96%,平均75%.由于保德地区煤层气存在次生生物气的混入,结合该区煤层气含气量与地层水矿化度之间的变化关系、地质构造条件,认为该区为低煤阶次生生物气补充型煤层气富集模式,在该模式中,煤层气富集区一般为盆缘斜坡带具有一定地下水活动的弱径流区,弱径流区地下水活动能力较弱,有利于煤层气藏的保存,其次,弱径流区又具有一定的地下水活动能力,甲烷细菌可被地下水携带至煤层中并持续活动与繁殖(图13)。

3.2.2 盆缘斜坡带水力封堵型富集模式

鄂尔多斯盆地中部地区由于受地质应力作用相对较小,地层受地质改造程度低,构造条件相对简单,断层和褶皱发育较少,煤体结构相对完整,煤层气含气量与地下水活动强度呈现很好的负相关关系,通常地下水活动较弱的弱径流区和滞留区一般是煤层气的富集区,从而构成盆缘斜坡带水力封堵型煤层气藏(图14)。

研究区中部的三交、柳林地区是该成藏模式的典型地区,其区内地质构造简单,为简单的单斜构造,断层较少发育,煤层埋深相对较浅,大气降水从盆地边缘地层露头处进行补给,进入地层沿地层倾向顺层流动,随着流动距离增加,活动强度逐渐减弱。在该种煤层气富集模式中,含气量与地下水矿化度具有较好的正相关关系,地下水活动对煤层气藏具有至关重要的作用。此种模式主要发育于中部中高煤阶地区,与低煤阶次生生物气补充型富集模式的区别在于其一般不存在生物气的补充,为热成因气,因为中高煤阶煤变质程度高,丧失了生物活性。

3.2.3 构造—水动力复合型富集模式

鄂尔多斯盆地中南部受地质改造程度高,地质变形强度大,褶皱、断层等构造较为发育,地质條件往往比较复杂。复杂的地质构造条件下其地下水动力系统一般也较为复杂,复杂的构造条件与地下水力系统作用下,煤层气成藏模式较为多样,但一般构造封闭性强、地下水活动弱的区域为煤层气富集成藏有利区。以大宁—吉县地区为例,其地层构造变形较为复杂,向斜、背斜、断层均有发育;地下水系统亦较复杂,存在多个地下水供排系统(图15)。含水层在东部边缘和薛关断裂带接受补给,形成相对独立2个地下水循环系统。由于上部山西组4+5#煤层顶底板多为泥岩,孔渗性低,地下水径流对该煤层影响较小,而下部太原组8+9#煤层顶板灰岩发育,岩溶裂隙较多,富水性强,成为良好的含水层,地下水更易注入经其渗流,因此其水动力条件较为活跃。

在构造方面,吉17井附近断层发育,致使水动力也更加活跃,导致煤层气逸散,含气量大幅降低,甲烷同位素也呈变轻趋势,而位于单斜缓坡上的吉试1、吉10井由于水动力弱,可以形成良好的水力封堵,含气量较高。因此,在该区复杂的构造、水动力条件下,构造和水动力联合封闭区往往成为煤层气的富集有利区。

3.3 煤层气富集的构造和水文耦合机理

鄂尔多斯盆地东缘北部低煤阶中,煤层气为次生生物气和热成因气的混合成因,地下水活动对煤层气富集起2方面作用,一是封闭作用,二是从浅部携带甲烷细菌至煤层,并且该区位于盆地边缘部位,为西倾的单斜构造,处于盆地构造演化晚期的抬升部位,渗透性得到改善,其具有一定深度的位置,水动力相对较弱但具有一定水力活动,可以起到封闭气体和携带甲烷细菌的双重作用,为煤层气的优势富集区。往盆地中心方向,煤层埋深进一步增加,渗透性降低,水动力趋于停滞,封闭效果虽然更好,但是无法携带甲烷细菌至煤层,气源减少。中部中煤阶地区煤层气多为热成因气,主要考虑地下水对气体的封闭作用,且该区为盆地边缘的单斜构造,构造变形程度弱,地下水动力场较为简单,地下水在盆地边缘接受补给,顺着岩层下倾方向流动,随着径流距离的增加,地层埋深增大,渗透性降低,水动力减弱,封闭性增强,利于煤层气富集,含气量一般随埋深增大、水动力减弱而增加。南部中高煤阶地区,在盆地演化后期构造变形强烈,断裂、褶皱等构造较为发育,正断层附近、背斜轴部张性裂隙发育,往往成为地下水流动通道,也可能形成越流补给,使地下水动力场分布更加复杂,由于逆断层附近挤压应力环境封闭性好,水动力弱,容易形成煤层气富集区。

4 煤层气高产模式及实例

鄂尔多斯盆地东缘煤层气井目前生产效果表明,位于地下水弱径流—滞留区的局部构造高部位的气井排水降压快,初见气时间短,产气效果好,产水量低,能够维持较长时间稳定高产,以此总结出单斜上倾方向构造高部位高产模式、背斜或鼻状构造轴部高产模式和正断层远端构造高部位高产模式等3种高产模式。

4.1 单斜上倾方向高部位高产模式及实例  后期构造改造强度弱的单斜构造,褶皱和断层发育较少,构造变形强度弱,与水力相互作用易形成单斜—水力封堵型煤层气藏。单斜简单稳定的构造条件有利于煤层气的开发。以柳林地区为例,煤层气井产气效果较好的主要位于埋深小于700 m的东部地区,东南部L井组位于单斜构造上倾方向的高部位,排采仅200 d左右,单井最高产气量可达3 600 m3/d,而西部埋深较大且处于相对构造低部位,产气效果较差,以F13井为例,排采200 d,产气量仅有100 m3/d(图16)。L井组连井剖面显示,位于单斜低部位L-01井产气量仅500 m3/d,而沿着单斜上倾方向,产气量逐渐增加,L-04井产气量可达近2 000 m3/d.由于L井组所处区域地下水活动较弱,且处于单斜上倾方向的高部位,產水量总体较低,一般10 m3/d以下。

4.2 背斜或鼻状构造轴部高产模式及实例  鄂尔多斯盆地北部保德区块整体为一西倾的单斜构造,区块北部为一西倾的鼻状构造,地下水矿化度为1 000~5 000 mg/L,自东南往西北方向逐渐增加,水动力分区由径流区往弱径流、滞留区过渡。目前产气效果较好的井主要分布于北部杨家湾地区,产气量多大于2 000 m3/d,其中BD-1井,最高日产气6 500 m3/d,稳产2年以上,累计产气超过184×104 m3.

保德地区连井剖面显示,位于鼻状构造轴部的BD-1井,产气效果好,日产气量可达6 000 m3/d,产水量相对较低(图17)。而处于鼻状构造翼部的BD-4井,产气效果较差,产气量仅为1 000 m3/d左右,产水量相对轴部井稍高。

4.3 正断层远端构造高部位高产模式及实例  喜山运动期拉张应力下形成的正断层和裂隙一定程度改造了前期形成的煤层气藏,引起的负效应是破坏了煤层气藏的封闭性,煤层气部分逸散,气藏饱和度降低,沟通了煤层与其上下含水层,使煤层气井长期排水后难以实现储层有效压降;另一方面,正效应为改善了煤储层的渗透性,有利于煤层气开发中气水的渗流和快速产出。

韩城区块产气效果好(产气量达1 500 m3/d以上)的煤层气井主要分布于中部的低水势、高矿化度的地下水弱径流—滞留区,其产水量较低,而西南部水动力活跃区域及西北部正断层附近气井产气量普遍偏低,甚至不产气,而产水量高,储层降压难度大(图18)。离断层距离不同的气井产气产水特征差异很大,随着与断层距离的增加,产气量逐渐增加,产水量逐渐减少。断层附近的气井几乎井不产气或低产气,产水量较高,例如HC01井未产气,HC02井产气量也仅有700 m3/d,而其产水量却高达20 m3/d,具有低产气高产水的特征;而沿地层上倾方向远离断层的HC03,HC04以及HC05井,产气量分别达到3 000,2 500,2 600 m3/d,产水量低至1 m3/d左右,具有高产气低产水的特征(图5)。由此表明,断层对区内煤层气开发具有不利影响,容易使煤层和其上下含水层发生水力联系,导致煤层气井虽长期高产水但难以实现储层的有效降压,煤层气无法大量解吸和产出;而位于地层上倾方向远离断层的部位的煤层气井,断层对其影响大大降低,储层容易实现有效降压,且低部位煤层气井排水降压解吸的煤层气往上倾方向扩散渗流,成为高部位气井的供气源,因此,位于地层上倾方向远离断层的部位的煤层气井可以获得持续稳定的高产。

4.4 煤层气高产的构造和水文耦合机理

煤层气井实现高产必须具备2个前提条件,一是是否拥有充足的气源,二是气体能否快速大量运移到井筒之中。前者是煤层气井高产的物质基础,因此煤层气富集是高产的前提条件,研究区煤层气高产区通常位于煤层气富集区内,其地下水动力弱,封闭性好,含气量高,含气饱和度高,临界解吸压力高,气体较易解吸产出,并且由于地下水动力弱,补给速度慢,经过排水较容易实现储层降压。另外,煤层气高产井往往位于局部构造高部位,这是因为构造高部位往往是构造演化后期的抬升部位,应力条件相对较弱,裂隙相对发育,地层渗透性往往高于其他构造部位,有利于地下水快速排出实现储层降压,解吸的煤层气也可以快速运移至井筒产出,并且局部构造高部位在煤层气开发中可以得到低部位解吸的煤层气往上运移补充,气源更加充足,因此更易形成高产。

5 结 论

1)逆断层、向斜轴部以及单斜构造下部有利于煤层气的富集保存,而正断层和背斜轴部容易导致煤层气的逸散;地下水矿化度高的弱径流区、滞留区,有利于煤层气富集。

2)研究区煤层气以热成因为主,在北部低煤阶地区存在次生生物气的混入。北部准格尔、保德等低煤阶地区为低煤阶次生生物气补充型富集模式,中部三交、柳林地区为盆缘斜坡带水力封堵型富集模式,南部大宁—吉县地区为构造—水动力复合型富集模式。

3)保德地区北部鼻状构造轴部地下水活动弱,煤层气井产气效果好,柳林地区西南部地下水矿化度高,位于单斜上倾方向构造高部位煤层气井产气量高,韩城地区西北部正断层对该区煤层气产能影响显著,据此提出了弱水动力单斜上倾方向高部位高产模式、弱水动力背斜(或鼻状构造)轴部高产模式及弱水动力正断层远端构造高部位高产模式3种高产模式。

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