贵州煤层气储层特征及勘探开发技术对策——以比德—三塘盆地为例_刘贻军.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY Bide-Santang area; coalbed methane; reservoir characteristics; reservoir transation; drainage 贵州省煤炭资源量大，煤层气资源丰富，全省 含煤面积约 7 万 km2，约占全省面积 40，2 000 m 以浅的煤层气资源量为 31 511.59 亿 m3，是中国南 方最大的煤炭生产基地和煤层气资源富集区。 全省富煤区主要集中在黔西北地区遵义金沙 织金水城盘县一带，其中比德三塘地区因其可 采煤层层数多、煤层含气量高、资源丰度高[1]，成为 贵州省煤层气开发较为活跃的地区之一。该区煤层 气地质特征[1-3]、储层特征[4-7]、勘探开发潜力[1,6]已 有诸多研究成果。 在前人研究工作的基础上，以比德三塘地区为 例，笔者全面总结该区煤层气地质与储层特征，结合近 年来全省煤层气开发状况，系统分析煤储层增产改造和 排采工艺技术，为贵州省煤层气勘探开发提供依据。 ChaoXing 72 煤田地质与勘探 第 45 卷 1 煤层气地质特征 1.1 地质构造背景 比德三塘地区是贵州西部织纳煤田的主体部分。 该盆地总面积1 692 km2，预测含煤面积约1 000 km2。 该地区是一个复式向斜残留盆地图 1 [2]。 图 1 比德三塘盆地构造纲要图[3] Fig.1 Tectonic of Bide-Santang area 在构造上，该盆地位于上扬子陆块黔北隆起遵 义断拱的西南部，主要发育 NW 向和 NE 向 2 组构 造线图 1。前者以比德向斜、水公河向斜为代表， 主要为隔挡式褶皱；后者以三塘向斜、阿弓向斜、 珠藏向斜为代表，主要为短轴式褶皱。区内整体构 造较发育，背斜向斜以及断层构造特征明显，地层 倾角变化大，一般大于 15，在向斜陡翼甚至直立。 1.2 煤层特征 比德三塘盆地含煤地层为上二叠统龙潭组和 长兴组，其中龙潭组为主要含煤地层。地层厚度约 300～450 m， 发育煤层 25～57 层， 煤层总厚 20～40 ｍ。 其中可采煤层 3～17 层，可采总厚 9.4～23.35 m。含煤 地层埋深小于 2 000 m，一般小于 1 300 m，可采煤 层 16 层。其中 6、16、27 为主要可采煤层，6 号煤 层相对较厚，3 m 左右，可采厚度为 1.50～3.00 m； 16 号煤为全区较稳定的煤层，厚度为 1.50～2.80 m， 可采厚度为 1.3～2.0 m；27 号煤层厚度 0～6.06 m，大 部分地区可采厚度为 1～2 m[6]。 整体上看，煤层总厚度、煤层层数及煤层间距 呈现出规律性分布，煤层层数和煤层总厚度由东南 向西北递增，而煤层间距则由东南向西北递减。煤 层总厚度在阿弓向斜和珠藏向斜最小，为 13.26 m， 在水公河向斜、比德向斜煤厚最大，为 33.56 m。在 东南部煤层层数最少为 14 层，煤层间距最大为 28.37 m，在西北地区层数最多为 42 层，煤层间距 最小为 8.06 m。 区内上二叠统煤以半亮煤为主，显微组分以镜 质组为主，体积分数为 73.74～81.45。镜质体最 大反射率为 1.56～3.60，以无烟煤为主，在盆地 西缘比德向斜贫煤和瘦煤呈 NW 向条带状分布。煤 中灰分Ad产率 17.22～26.14， 全硫质量分数St,d 为 1.61～3.67 [7]。 1.3 地貌特征 贵州地形地貌以高原山地为主， 平均海拔1 100 m 左右，喀斯特地貌发育，地下溶洞、暗河发育。主 要含煤向斜地形复杂，相对高差大。比德三塘向 斜向斜内最高海拔为 2 331 m，最低为 1 140 m，最 大高差达 1 191 m。 贵州特殊的地形地貌使煤层气井 场选择难度增大，钻井施工难度陡增。 2 储层特征 2.1 主力煤层含气量及吸附特征 贵州省大部分煤矿属于高瓦斯矿井， 煤层含气量较 高。比德三塘和大河边向斜主力煤层含气量15 m3/t。 不同向斜主力煤层含气量差异明显，但是整体含气 性变化规律不明显。 比德三塘盆地主力煤层空气干燥基 Langmuir 体积为 21.73～31.49 m3/t，平均 26.36 m3/t，含气饱 和度 90以上；Langmuir 压力为 1.82～3.66ha，平均 2.61 MPa。 2.2 孔隙及渗透率特征 比德三塘盆地向斜主力煤层裂隙发育，充 填有薄膜状及网格状方解石， 外生裂隙密度达 30～ 50 条/5 cm。主力煤层孔隙发育不均匀，以微孔、小 孔为主，大孔不发育。进汞和退汞曲线分离程度低， 微孔以半封闭孔为主，孔喉均一性较好[8]。 比德三塘向斜主力煤层渗透率较低，上煤组 主力煤层渗透率好于下煤组主力煤层渗透率图 2。 由 于该地区的地应力梯度普遍高平均 20 MPa/100 m， 不利于煤层气解吸[9]。 图 2 比德三塘向斜主力煤层渗透率 Fig.2 Permeability of main coal seams in Bide-Santang syncline ChaoXing 第 1 期 刘贻军等 贵州煤层气储层特征及勘探开发技术对策 73 2.3 储层压力及温度 贵州省大部分含煤向斜主力煤层压力系数较 高，地温梯度基本正常，煤层临界解吸压力、临储 比较高。其中比德三塘向斜上煤组主力煤层压力 系数为 0.652～1.005表 1， 主力煤层临储比达 0.8 左 右，表明盆地以欠压-正常压力状态为主；主力煤层 储层温度较低，一般在 28℃左右。 表 1 比德三塘向斜主力煤层压力系数 Table 1 Pressure coefficient main coal seams in Bide-Santang syncline 孔号 煤层 压力系数 孔号煤层号 压力系数 2 1.005 2 0.652 6 1.005 5 0.895 3603 1602 6-1 0.895 综上所述，贵州省煤层气地质和储层特征为煤 层多、累计厚度大20 m 以上、含气量高一般大于 15 m3/t、资源丰度高一般大于 2 亿 m3/km2、临储比 高一般0.8 以上； 但断层多、 煤层跨度大300 m 左右、 地应力高、渗透性低、含水性差。全省既有高煤级 煤、亦有中煤级煤，给煤层气勘探开发带来诸多挑 战[10]。 3 面临的问题与技术对策 针对上述煤储层特点，贵州煤储层增产改造面 临着几个方面的技术难点。a. 煤层层数多，单层厚 度薄，累计厚度大，层间距不均，造成多煤层整体 改造困难，同时，需要防止层间干扰，需要优选层 位和合理的分层改造技术，提高煤层气资源利用效 率。b. 煤层发育天然裂缝，压裂时易产生多裂缝和 复合裂缝，造成压裂液严重滤失，影响裂缝向远端 延伸。同时，引起煤层孔隙的堵塞和基质的膨胀， 降低煤储层的渗透率，影响造缝效果。c. 煤储层的 杨氏模量低、泊松比大，压裂时易形成短、宽裂缝， 降低煤层解吸面积。d. 煤层质软，压裂时易产生煤 粉，导致排采易出现卡泵等现象，影响排采连续性。 3.1 储层增产改造技术 a. 压裂目的层位优选 针对多个薄煤层、砂层或泥岩互层，选择富含 气的优质储层将是提高增产改造效果的前提，针对 多目标储层，从物性、力学性能、测井响应等方面 判断优选压裂目的层。 b. 压裂改造工艺优选和适应性分析 针对多个薄煤层进行压裂改造，且必须改造充 分，最大限度动用煤层气资源。考虑煤储层本身特 征和天然裂隙发育特征，优化射孔方法、布孔方式、 分段压裂模型、压裂级数及压裂工艺参数，提高压 裂改造效果，满足煤层气解吸、渗流条件。 目前，可捞式桥塞分段压裂、连续油管水力喷 射射孔分段压裂、电缆射孔桥塞联作分段压裂等工 艺技术在该地区进行了试验，取得初步成效。 c. 低伤害压裂液体系研究 压裂储层包含煤层、砂层、泥岩层或几种岩性 互层，对压裂液性能要求更高，尤其是低伤害和摩 阻、高携砂性能的压裂液体系[11]，需要改善压裂液 的综合性能，采用复配地层水类的低伤害压裂液是 后期发展的趋势。 另外针对高倾角煤储层支撑剂下滑，影响支撑 剂支撑效果的难题，需要改进支撑剂强度、密度、 颗粒大小的组合，建议采用粉砂、细砂、中砂的组 合方案，有利于提高贵州省煤层气开发效果。 d. 压裂裂缝几何形态的控制 由于煤储层由多个薄煤层组成，必须控制有效 的裂缝几何尺寸与形态，真正实现网状体积压裂， 提高储层动用程度和压裂改造效果，大幅度提高单 井产量。 针对贵州煤储层特点，对比试验了投球转向、 暂堵转向技术，优选了适应于贵州煤层低温、低伤 害、难溶解等特点的暂堵剂，解决了多煤层间距小， 难分层的技术问题。 由于煤层质软，滤失大等特点，导致人工裂缝 长度延伸受限，支撑剂在近井地带大量堆积，大幅 度降低了改造效果。借鉴国外的间接压裂技术，通 过扩射顶板或者煤层界面来提高人工裂缝长度，降 低煤粉的产生，从而提高压裂改造效果。 3.2 排采工艺技术 a. 减小层间干扰 在对各地区煤储层地质条件研究的基础上，实 施探井和先导试验井组，建立三维地质模型，通过 数值模拟方法分析多煤层合采开发效果，结合生产 剖面监测技术，分析不同煤层产气效果，确定最佳 的开发层系组合。为了减小层间干扰影响，建议采 用递进排采技术。 b. 精细化排采 遵守煤层气排采“连续、缓慢、稳定、长期” 的基本要求，针对不同地区不同井的地质特征，通 过煤岩三轴应力实验，结合实际生产数据和数值模 拟，对排采井进行分阶段管理，有针对性的制定不 同阶段的工作制度，做到一区一策、一井一法。 c. 优化管柱结构 贵州特有的地质地貌，导致煤层气井型的多样 性，加上煤储层易出煤粉、敏感性强等特征导致偏 ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 45 卷 磨、卡泵、气锁等一系列故障，为此需进行排采设 备及管柱设计优化、防偏磨、防煤粉等方面研究。 保证连续、稳定排采，持续扩大压降漏斗波及范围， 提高单井产量。 d. 排采动态分析 排采动态跟踪分析是煤层气排采中重要的一 环，这就需要制定合理的巡井制度，数据录入要求， 设备检查制度等，做到专人负责，实现实时监控与 分析，及时处理，将问题降低到最低。目前排采自 动化技术已经日渐成熟，对现场管控和数据记录都 更加合理，但自动化分析技术发展滞后，缺乏一定 的预警和预判功能，仍以人工分析为主，这方面技 术还有待提高。 4 结 论 a. 贵州省煤层气地质条件和储层条件总体较 差，其特点非常明显。煤层多、累计厚度大20 m 以 上、含气量高一般大于 15 m3/t、资源丰度高一般 大于 2 亿 m3/km2、临储比高一般 0.8 以上。但断 层多、煤层间距大300 m 左右、地应力高、渗透性 低、含水性差。 b. 针对贵州省煤储层条件，提出了煤层气储层 增产改造技术和排采工艺技术。储层增产改造技术 包括压裂目的层位优选、压裂改造工艺优选和适 应性分析、低伤害压裂液体系研究、压裂裂缝几何 形态控制等工艺技术。排采工艺技术包括减小层 间干扰、精细化排采、优化管柱组合、排采动态分 析等技术措施。 上述地质和储层研究成果和储层增产改造及排 采工艺技术在贵州遵义地区、毕节地区以及六盘水 地区的煤层气勘探开发中得到了较好的应用，取得 了初步成效。 参考文献 [1] 高弟，秦勇，易同生. 论贵州煤层气地质特点与勘探开发 战略[J]. 中国煤炭地质，2009，21320-23. 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