鄂尔多斯盆地沙曲区块煤层气储层特征与开发技术

魏若飞，信 凯

(山西蓝焰煤层气工程研究有限责任公司，山西 晋城 048000)

沙曲区块煤层气田位于鄂尔多斯盆地东缘吕梁地区柳林县境内。区块及周边煤层气和致密砂岩气资源丰富，西部是主产致密砂岩气的清涧区块，南部是主产煤层气和致密砂岩气的石楼北区块，北部是主产煤层气和致密砂岩气的临兴区块，整个区域是我国重要的天然气资源基地，研究意义重大。

区块山西组、太原组和本溪组煤层发育，构造位置上属于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带，并且周边区块在石盒子组和含煤地层中已有多口钻井钻遇致密砂岩气工业气流，区块周边较深区块均有致密砂岩气赋存，本区块由于煤系地层埋深较浅，主要进行煤层气开发。因此，对沙曲区块煤层气储层特征展开研究，并适配合适的开发技术，对相似地质条件的煤层气区块开发具有较强的参考意义。

1 研究区概况

1.1 研究区位置与构造

沙曲煤矿位于鄂尔多斯盆地东缘、河东煤田中段、离柳矿区西南部。区域地层出露由老至新有：太古界、元古界、古生界、中生界、新生界。太古界出露于柳林泉域外围东北、东、东南方向的汉高山、真武山、峪口、小神头、起云山及刘家坪一带，下古生界出露于河东煤田东部边缘，上古生界含煤地层出露于离石煤盆地及临县—柳林一带，中生界沿黄河东分布于河东煤田西侧，新生界广泛覆盖于各时代基岩之上。

离柳矿区位于离石-柳林东西向构造带，由于受印度板块及太平洋板块的推挤作用，造成本区东西向构造应力不均衡，产生了以离石-柳林聚财塔东西方向为转折、弧顶向西突出的弧状褶皱，即离石鼻状构造。中部王家会背斜将本区分隔成离石-中阳向斜煤盆地和三交-柳林单斜煤产地；东北部鼻状构造与离石煤盆地相接部位，发育有一系列近南北或北北东走向的断裂、褶皱构造。在鼻轴部位，由于张力作用的结果产生了一个东西向的张裂带，即聚财塔断层组成的地堑构造。

井田位于离石-柳林东西向构造带，岩层总体走向呈南北向，向西缓倾斜。

1.2 煤层气煤岩煤质特征

沙曲区块主要目的储层是山西组的3号、4号和5号煤层段以及太原组的8号、9号和10号煤层段，煤层埋深普遍在450～700 m，其中东部埋深较浅，西部埋深较深。煤层厚度发育稳定，山西组煤层总厚度普遍在4 m左右，太原组煤层总厚度普遍在5 m左右。山西组煤层间间距较大，当前压裂改造手段难以将其沟通，太原组8号和9号煤层间距在3.4～7.9 m之间，利于储层改造[1]。

宏观煤岩组分以亮煤、镜煤为主，其次为暗煤，夹少量丝炭条带。宏观结构以条带状、均一状为主，有少量线理状、透镜状结构，构造为层状构造。宏观煤岩类型为光亮-半亮型煤，含少量半暗-暗淡型煤分层。

3号煤层镜质组最大反射率0.98%～1.98%，平均1.40%，相当于肥煤-瘦煤阶段，属Ⅲ-Ⅳ变质阶段。

4号煤层镜质组最大反射率0.90%～1.60%，平均1.42%，相当于肥煤-焦煤阶段，属Ⅲ-Ⅳ变质阶段。

5号煤层镜质组最大反射率0.94%～1.59%，平均1.43%，相当于肥煤-焦煤阶段，属Ⅲ-Ⅳ变质阶段。

8(8+9)号煤层镜质组最大反射率1.29%～1.95%，平均1.60%，相当于焦煤-瘦煤阶段，属Ⅳ-Ⅴ变质阶段。

9号煤层镜质组最大反射率1.63%～1.90%，平均1.74%，相当于瘦煤阶段，属Ⅴ变质阶段。

10号煤层镜质组最大反射率1.55%～1.85%，平均1.64%，相当于焦煤-瘦煤煤阶段，属Ⅳ-Ⅴ变质阶段。

主要煤层气储层的煤岩煤质分析表明煤层演化程度较高，气含量10～17 m3/t，平均12.8 m3/t，生气和吸附条件整体较好[2]，8号煤含量等值线图见图1.

图1 8号煤含量等值线图

1.3 煤层气孔渗特征

根据柳林区主要煤层的煤储层渗透率参数测试结果，该区渗透率在0.01～8.86 md之间。由表1可以看出，高渗透率煤储集层的表皮系数均为正高值，而低渗透率煤储集层的表皮系数均为负值。

表1 柳林煤层气井煤储层试井渗透率

沙曲区块的渗透率较高，表明单井控制范围较大，煤层可改造性较好，有利于煤层气开发。

1.4 储层封盖条件

3号、4号(3+4)号煤层的顶底板岩性主要以泥岩以及砂质泥岩为主，在总体上对煤层气的保存有利，但其成分、结构的不同和成岩后生作用的差异，对煤层的封盖能力有所差别[3]。

8(8+9)号煤层顶板：直接顶板多为石灰岩、局部含泥质，岩性致密坚硬，节理、裂隙常被方解石充填，底板为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩，含一定比例的中-细粒砂岩,4号煤底板至L1岩石特征见表2.

表2 4号煤底板至L1岩石特征

综上可以看出，主力煤层顶板完整性好，区域上稳定性强，且厚度较大，有较好的封盖能力。

1.5 储层等温吸附特征

煤是一种多孔隙介质，煤层气多以吸附状态存在于煤层之中，游离态的气量往往不超过10%.因此，煤的吸附性能决定了煤层的储集能力。同时，由于煤层气的产出是一个降压解吸的过程，煤的吸附性能又对煤层气的抽放至关重要。

3号+4号煤临界解吸压力为1.54 MPa，8号+9号煤临界解吸压力为1.42 MPa.与初始储集层压力之比分别为0.52和0.36，该区临界解吸压力偏低。区块主要煤层等温吸附曲线见图2.

图2 区块主要煤层等温吸附曲线

2 煤层气开发主体技术

鄂尔多斯盆地沙曲煤层气区块经过10 a的勘探开发、生产运行，取得了一系列的煤层气勘探开发技术成果，支撑了其他相似地质条件下的煤层气储层的开发工作。

2.1 煤层气水平井钻井技术

区块内主要为黄土塬地貌，沟壑纵横，地形切割严重，地面条件严峻，传统的煤层气开发直井井网部署困难，地面建设工程成本高。因此在煤层气田建设过程中采用了直井+水平井的方式进行开发[5]，直井对储层的埋深、含气量和煤厚等关键数据进行控制，水平井辐射周边，对较大范围内的资源进行开发。

在水平井钻井过程中，使用了地质综合录井、近钻头地质导向、三开完钻泡沫洗井、水平段存储式测井等技术手段，保证了钻井成功率。

2.2 分叉薄煤层开发技术

区块内各煤层普遍较薄，且间距较近，单层煤使用水平井进行开发面临着资源丰度较低，经济性较差的问题，如果使用体积压裂技术沟通相邻煤层，则层间的泥岩、砂质泥岩会在水和压裂液的浸泡下使裂缝逐渐闭合，难以沟通相邻煤层[6]。采用了首先在下部煤层中施工1口水平井下入套管，在上部煤层中再施工1口水平井下入筛管，在对下部煤层水平井进行压裂改造后，两口水平井分开进行排采的技术方案解决了此问题。较同时施工两口水平井进行压裂，节省了1口井的压裂成本，同时对相邻薄煤层实现了开发。

3 结 语

1) 鄂尔多斯盆地沙曲区块具备煤层气开发条件的有山西组的3号、4号和5号煤层及太原组的8号、9号和10号煤层，具有煤层层数多，单层煤较薄的特点。煤层埋深较浅，整体呈一单斜构造，断裂构造不发育，具备较好的煤层气开发地质条件。

2) 研究区煤层气储层渗透率较高，煤层气含量较高，等温吸附特征有利于煤层气的开发，整体上是煤层气开发的优质目标储层。

3) 针对区块的地形地貌和含煤岩系的特点，配套了水平井技术、分叉薄煤层开发技术，取得了良好的效果。