沁水盆地夏店区块煤层气藏气水分异特征_冯树仁.pdf

第 46 卷 第 5 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.5 2018 年 10 月COALGEOLOGY the second is that locally affected by the fault, and the gas-water inversion phenomenon occurs, water appears in the higher part and gas appears in the low part. According to the characteristics of gas-water distribution, with structural as skeleton, combined with reservoir fracturing and production perance data, five patterns of gas and water distribution, were set up, that is, closed fault fold, gas-like cap, open fault control, micro structure control, lithologic control of roof and floor, it was defined that gas and water distribution in this area was mainly affected by structure and fracturing, at the same time differentiated well placement was suggested, which can guide the further exploration and development of CBM. Keywords Qinshui basin; coalbed methane; Xiadian block; gas water inversion; gravitational differentiation; gas and water distribution 随着我国煤层气开采逐步商业化，开发技术也 日趋完善，但由于地质差异性、煤储层非均质性等， 采取相同工艺技术的煤层气井投产后，表现出井间 气水差异较大的特点[1]。对煤层气井产气产水分布 规律、主控因素以及气水分布模式的研究，是煤层 气优化井型井网部署、指导开发技术对策制定、降 低勘探开发风险的重要依据。目前，国内外对于这 方面的研究较少。 ChaoXing 130煤田地质与勘探第 46 卷 一般来讲，地下水系统越活跃、开放性越强， 越不利于煤层气富集[2-6]。J. C. Pashin 等[7]认为开放 的地下水系统，使得盆地煤层气赋存和产能变差。 孙粉锦等[8]研究沁水盆地南部煤层气富集特征时， 认为局部宽缓的构造高部位以及上斜坡等地带是煤 层气富集高产的有利配置。桑树勋等[9]认为在水文 地质条件简单的地区，构造及盖层岩性是煤层气封 存的主控因素。叶建平[10]对潞安目标区煤层气赋存 和生产地质因素进行了研究，认为张性断层发育形 成的开放性地下水系统是导致目标区含气量变化 大、气井产气量低、产水量高的主因。李清等[11]对 延川南区块高产水井原因进行了剖析，认为压裂缝 的缝高过大，沟通了二叠系下石盒子组的砂岩裂隙 水是导致该区高产水井的主要原因。任光军等[12]通 过研究柳林地区的煤层气高产水井， 认为该类井需要 通过大排量的泵型进行排水降压。刘昌平等[13]通过 对夏店区块煤层气井产水来源进行剖析， 制定了高产 水、低产气井的差异化排采对策，并取得一定效果。 沁水盆地南部夏店区块共投产试采井 100 余 口，日产气量在 02 700 m3，日产水量在 065 m3， 单井产气产水差异较大，且不同试采区均有高产气 井、高产水井分布。笔者以夏店区块生产动态资料 为基础，结合前人研究成果，从构造形态入手，研 究煤层气藏气水分布规律，建立气水分布模式，探 讨气水分布主要控制因素，并提出相应的开发布井 技术对策。 1区块概况 夏店区块位于沁水盆地的中东部，邻近潞安矿 区，行政区划隶属屯留县、长子县、襄垣县等区管 辖，面积 630 km2图 1。 研究区主采煤层为山西组 3 号煤层，厚度一般 为 5.06.5 m，平均 5.4 m；埋深 1951 200 m，平均 670 m， 具有南浅北深的特点。 煤镜质体反射率Rmax 为 1.972.71， 平均 2.36 ， 煤阶属贫煤–无烟煤。 渗透率0.0080.19510–3μm2，属低渗–特低渗煤储 层。煤层含气量为 4.223.7 m3/t，平均 15 m3/t，平 面差异大。3 号煤层顶底板由砂岩和泥岩组成，绝 大部分地区煤层顶板泥岩发育， 部分区域砂岩发育。 区内构造具有“东西呈带、南北成块”的特点[14-15]， 主体构造是向西北倾斜的斜坡构造，文王山、二岗 山两条断裂带将本区分成南北 3 个断块；区内 NENNE、近 EW 向的褶皱发育。水文地质条件较为 复杂，邻近 3 号煤层上下主要发育 3 套含水层，其中 二叠纪砂岩裂隙含水层与奥陶纪灰岩含水层是本区重 要的含水层，同时也是涌水量较大的含水层[10,13-14,16]。 图 1研究区地理位置及主力煤层埋深图 Fig.1Location of the study area and the buried depth of the main coal seam 2气水分布区状况 2.1划分标准 以研究区已试采井生产动态资料为基础，综合 考虑构造、煤储层特征、顶底板岩性等因素，建立 了夏店区块内 3 号煤层气藏气水分布区划分标准， 划分出高产气区、较高产气区、高产水区以及气水 双低区 4 个气水分布区类型表 1。 表 1夏店区块气水分布划分标准 Table 1Classification standards of gas and water distribution in Xiadian block 分区名称日产气量/m3日产水量/m3 高产气区8005 气水双低区3003 2.2气水分布特征 依据以上划分标准进行试采区气水分布划分， 并编制了 LC 和 WY 两个试采区 3 号煤层平面气水 分布图图 2，进而分析其平面分布特征。 从划分结果看，两个井区气水产出分布整体复 杂，无明显的气水界面，但平面上呈现出一定的气 水变化规律。在 LC 试采区，产气区成条带状分布， 且与构造形成一定相关性，宽缓背斜及相对高部位 煤层气井产气较高； 中部煤层气井整体产水量较大， 主要与断距较大的断层发育有关；此外有高产水井 ChaoXing 第 5 期冯树仁等 沁水盆地夏店区块煤层气藏气水分异特征131 零星分布， 可能是压裂裂缝沟通含水裂隙造成。 WY 试采区整体呈现气水低产，局部构造高部位或者背 斜位置为产气井集中分布区；井区整体产水量小， 仅个别井压裂沟通含水层后导致产水量大。 图 2夏店区块试采区气水分布平面图 Fig.2Distribution plan of gas and water in the pilot mining district of Xiadian block 3气水分布控制因素探讨 3.1构造控制 断裂构造主要控制煤层的含气性及局部地层水 补给的强度；背斜或者正向构造核部应力释放形成 高渗区；向斜或负向构造核部由于应力集中，物性 变差，不利于气井产气，同时由于构造落差的影响， 在低部位形成汇水区。 宏观上，研究区由于受文王山、中华–安昌及二 岗山断裂的影响图 1， 局部构造对研究区产水特征 控制明显图 3。其中 WY1-22、Q20-33 井位于构造 高部位，储层物性较好，产气效果好，日产气量分 别为 1 100 m3、1 050 m3，平均日产水 0.3 m3；靠近 中华–安昌断层带的 G1-16 井日产水 28 m3， 不产气。 局部构造同样对试采井区的气水分布影响显著。例 如 LC 试采井区内， 西部及中部构造高部位形成两条 高产气条带，平均单井日产气可达到 700 m3，日产 水 0.5 m3，而中部由于受 F1 断层影响较广，形成较 大范围的高产水区， 平均单井日产水 43 m3， 不产气。 图 3夏店区块 3 号煤层南北向剖面图 Fig.3North-south cross-section of coal seam 3 in Xiadian block 3.2压裂影响 不同压裂方式对释放单井产能也有不同的效果[1]。 由于煤层渗透性差，需对煤层进行压裂改造，在煤 层中建立良好的渗流通道才能更好地释放煤层气井 产能。 此外，压裂产生的人工裂缝缝高过大，可能会 沟通顶底板含水层造成局部气井产水量大，影响气 水分布。例如 HL2-17 井所处位置构造平缓，无断 层发育；从测井解释成果发现图 4，在 3 号煤层顶 部发育一套厚达 16 m 的砂岩层，解释为含水层，直 接顶板是泥岩，厚度 2.5 m；微破裂压裂裂缝监测得 到人工裂缝缝高 10 m，投产后日产水 35 m3，属于 高产水井，分析认为该井由于压裂时缝高过高，裂 缝穿透煤层直接顶板，沟通顶部砂岩含水层，发生 图 4HL2-17 井测井解释成果及排采曲线 Fig.4Log interpretation results and extraction curve of well HL2-17 ChaoXing 132煤田地质与勘探第 46 卷 高产水，井底流压下降困难。2017 年 7 月换成大泵 抽出更多水后，流压才开始稳步下降，满足日降压 力 0.1 MPa 的排采要求。 4气水分布模式 通过对全区构造的精细描述，证实气水产出与 构造关系密切。基于煤层气井产气产水分布特征， 以构造形态为骨架，结合储层发育特征、顶底板岩 性及生产动态特征资料，总结出了 5 种符合研究区 3 号煤层气藏气水分布模式表 2，即封闭断层–褶 曲模式、类气顶模式、开放断层控制模式、微构造 控制模式和顶底板岩性控制模式。 表 2夏店区块气水分布模式 Table 2Distribution patterns of gas and water in Xiadian block 模式名称模式图成因产气产水特征 Ⅰ 封闭断层– 褶曲模式 封闭断层–构造高部位形成 良好的“圈闭”，在构造幅度 差存在下，重力分异影响 高部位产气 低部位产水 Ⅱ 类气顶 模式 在背斜构造背景下，由于应 力释放的影响，核部位置物 性较翼部好 核部位置高产气， 翼 部位置相对低产， 形 成类气顶形态 Ⅲ 开放断层 控制模式 大断距断层易沟通上下含 水层。受应力释放影响，相 对远处形成高渗区 高产水井富集在断 层面附近， 相对远处 形成高产区， 可形成 气水倒置现象 Ⅳ 微构造 控制模式 受微幅构造、储层非均质性 控制 形成“广覆式”的复 杂气水关系 Ⅴ 顶底板岩性 控制模式 压裂缝缝高偏高易沟通顶 底板含水层；气水关系与含 水层发育程度及压裂缝规 模有关 井间气水差异大 4.1封闭断层–褶曲模式 由于断层面受到泥岩涂抹作用可以形成侧向封 闭型断层[17]。封闭型断层与背斜构造组合形成良好 的“圈闭”，在高部位物性较好，通常形成富气高产 区；同时由于构造幅度差的存在，水的密度较甲烷 大，受到重力的影响，形成气上水下的格局，气水 分异明显表 2 类型Ⅰ。 例如研究区中部 4-110 试采 井组，处于背斜构造，其东南侧为中华安昌断裂北 断层，由于泥岩涂抹作用形成侧向封闭，结合背斜 构造组成背斜–封闭断层的“圈闭”，高部位的 4-110 井日产气 2 000 m3，日产水 0.1 m3，低部位的 4-98 井日产气 200 m3，日产水却达到 50 m3。低部位井 ChaoXing 第 5 期冯树仁等 沁水盆地夏店区块煤层气藏气水分异特征133 排水对高部位井同样起到协同降压的效果，有利于 高部位形成高产井。该模式下布井时应适当远离由 于断层导致的储层物性变差的区域，在高部位加密 气井部署，低部位适当布置水井协同降压，提高局 部降压增产效果；此外还可试验上倾水平井，增大 井控范围，利于煤层排水降压。 4.2类气顶模式 通常正向构造核部位置由于应力的释放容易形 成高渗或较高渗区，储层物性变好，气井相对高产； 储层物性翼部较核部或相对高部位差，气井产量相 对较低，形成一种核部高产，翼部相对低产，但由 于气水分异界限并不清晰，故称为“类气顶模式”。 该模式主要为构造变形引起储层物性变化所致表 2 中类型 II。 如 WY 井区北部 WY1-23 井组， 处于背斜 位置，其中 WY1-23 位于核部位置，日产气 1 100 m3， 日产水 0.2 m3，而位于翼部的 WY1-21 井日产气 650 m3，日产水 0.1 m3，WY1-9 井日产气 500 m3， 日产水 0.2 m3。整体表现出核部位置较翼部位置产 量高， 该类模式布井时可适当在构造顶部位置加密。 4.3开放断层控制模式 研究区 3 号煤层上下地层均存在含水层，而大 断距、开放性断层常常沟通含水层，在断层面附近 区域形成一定范围的富水区，由于外来水补给强度 大，煤层压力下降困难，同时大断层容易导致煤层 气逸散，造成低产气、高产水井；相应地，受到开 放性断层的影响，在距断层面相对远处，地层应力 发生释放，形成相对高渗区，同时外来水补给条件 弱，气井产量较高；整体来讲，局部井区形成气水 倒置现象，即高部位产水、低部位产气表 2 中类型 III。LC 试采区的 HL2-63 井组处在 F1 断层处，根 据钻井资料 F1 断层垂直断距可达 100 m，沟通下部 奥陶纪灰岩层，邻近 F1 断层的井普遍高产水，日产 水量 3080 m3，不产气；而 HL2-105 井距离 F1 断 层 1 000 m 处，且位于 F1 断层的下降盘，其日产气 可达 800 m3，日产水 2.3 m3；整体来讲，形成气水 倒置格局。 该类模式高产水区可适当布置排水井[18]； 在设备满足的条件下尽可能提高工作强度，协同周 围气井排水降压，防止越流补给强度大而导致邻区 降压困难。 4.4微构造控制模式 由于井组尺度内褶曲构造复杂，导致储层非均 质性变强，气水关系随之变得复杂。局部构造高部 位气井产气量较大，产水量较小，气水分异明显； 在低洼部位可能因构造落差形成局部汇水小区，气 井出现低产气高产水的特征；但小断层沟通顶底板 含水层时，气井可能高产水表 2 中类型 IV。该类 型在研究区分布较多。 4.5顶底板岩性控制模式 大量试验证明，煤层气井需进行储层改造提高 煤储层渗透性才能高产，压裂是当前煤层气储层改 造的重要手段[19-21]。当煤层顶底板发育砂岩或灰岩 含水层时，且直接顶底板较薄一般小于 10 m，由 于压裂缝的缝高偏高而沟通顶底含水层，产生高产 水井，形成井间气水差异表 2 中类型 V。该类模 式与顶底板含水层发育程度及压裂缝规模有较大关 系，储层改造时适当控制压裂缝缝高即可避免大水 井的产生。 5结 论 a. 从研究区内试采井区开发效果来看，试采井 区气水产出分布整体复杂，无明显的气水界面，但 局部平面上呈现出一定的气水变化规律。 b. 在精细构造解释的基础上，以构造形态为框 架，结合气水分布特征、储层特征及生产动态资料， 将夏店区块划分为封闭断层–褶曲、类气顶、开放断 层控制、微构造控制、顶底板岩性控制 5 种气水分 布模式。依据气水分布模式，提出相应的布井方式， 明确了加强低部位井排水强度，避开不可降压的富 水区，以降低开发风险。 c. 研究区气水分异主要是受构造因素控制，在 局部井区由于顶底板为含水区，气井压裂后可能导 致单井后期产水大。结合气水分布模式，提出优选 构造高部位、避开高含水区的高效井位部署思路； 合理控制压裂规模及参数配置以提高储层适应性； 试验水平井开发等方式，进而指导该区块煤层气进 一步的勘探开发。 参考文献 [1] 侯景龙， 刘志东， 刘建中. 煤层气开发压裂技术在沁水煤田的 实践与应用[J]. 中国工程科学，2011，13189–92. 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