郭 濤

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司，江蘇 南京 210011)

貴州省煤層氣資源豐富，素有“西南煤海”之稱，其蘊藏的煤層氣資源達3.15萬億m3，僅次于山西，位列全國第二[1-2]。近年來，多家單位相繼在貴州省煤層氣勘探取得積極進展，呈現(xiàn)出“多點開花”的局面，已初見成效，但多是以單井突破為主，規(guī)模化、商業(yè)化開發(fā)仍難以企及。前人針對高階煤富集高產(chǎn)做了大量的工作[3-7]，牛海清[3]開展了鄂爾多斯盆地東緣煤層氣富集成藏規(guī)律研究，認為煤層頂板巖性及水動力條件相互配套是煤層氣保存的重要因素，有利的局部構(gòu)造是煤層氣富集的有利條件；孫粉錦等[4]開展沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)主控因素研究，認為構(gòu)造調(diào)整、水動力分區(qū)及頂?shù)装鍘r性分布等控制著煤層氣的富集。南方多煤層煤層氣處于勘探階段，尚未形成規(guī)模化開發(fā)，目前研究主要以成藏地質(zhì)理論、構(gòu)造演化、富集規(guī)律等為主[8-15]，缺乏針對性富集高產(chǎn)認識及現(xiàn)場實踐檢驗。另外，以往的煤層氣選區(qū)評價更加注重資源條件的評價，對煤層厚度、含氣量等關(guān)注較多，但構(gòu)造貫穿煤層氣成藏全過程，構(gòu)造及其對地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)的影響是影響煤層氣開發(fā)效果的關(guān)鍵因素。全國大部分地區(qū)煤層氣資源條件優(yōu)越，但開發(fā)效果較差的原因可能與構(gòu)造條件密切相關(guān)。織金區(qū)塊巖腳向斜鉆探評價井超過50口，開展了小井組、大井組試驗，大井組穩(wěn)定產(chǎn)量均在2 000 m3/d以上，具備效益建產(chǎn)條件，通過近年來勘探開發(fā)實踐，基本明確了區(qū)塊煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律及配套開發(fā)技術(shù)政策。筆者旨在通過對織金區(qū)塊勘探開發(fā)成果系統(tǒng)總結(jié)，探討南方多煤層煤層氣富集高產(chǎn)規(guī)律，為南方多薄煤層煤層氣選區(qū)評價提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

織金區(qū)塊巖腳向斜位于貴州省西部，構(gòu)造上位于揚子板塊黔中隆起之上。含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組，為一套碎屑巖夾碳酸鹽巖含煤沉積，沉積旋回顯著，煤層具有“層數(shù)多、單層薄、累厚大”的特點。其中，龍?zhí)督M總厚度300～400 m，含煤28～34層，煤層總厚25～35 m，大于0.8 m可采煤層12～20層，總可采厚度17～30 m，平均23.03 m(圖1)。煤層主要為無煙煤，鏡質(zhì)組體積分數(shù)大于75%，利于煤層氣吸附，含氣量一般大于10 m3/t，向斜核部最高達28 m3/t。

研究區(qū)構(gòu)造變形主要形成于燕山中晚期，燕山中期是奠定黔西地區(qū)構(gòu)造格局的關(guān)鍵時期，燕山晚期的構(gòu)造作用對早期構(gòu)造具有一定的改造作用[12]。區(qū)域上，先后受燕山中晚期NE-SW向擠壓—近NS向擠壓—NW-SE向擠壓，形成NW向、近EW向、NE向構(gòu)造，三組構(gòu)造相互交接，互相穿插，構(gòu)成較復(fù)雜的“手掌型”構(gòu)造形態(tài)。巖腳向斜可進一步分為5個不對稱的次級向斜，分別為珠藏次向斜、阿弓次向斜、三塘次向斜、比德次向斜、水公河次向斜(圖2)。研究區(qū)受威寧—紫云斷裂影響最為顯著，威寧—紫云斷裂為切穿上地殼的基底斷裂，為滇黔桂裂陷槽伸向華南板塊的部分，燕山期發(fā)生強烈褶皺變形及斷裂作用，在基底斷裂控制下形成了NW向的構(gòu)造，斷層兩側(cè)變形強烈，多為對沖和背沖構(gòu)造，比德、水公河次向斜位于該變形區(qū)。遠離威寧—紫云斷裂的NE向構(gòu)造珠藏、阿弓、三塘次向斜變形相對弱，呈短軸式展布，斷裂稀疏?，F(xiàn)今構(gòu)造切割關(guān)系也顯示，北東南西向斷層切割北西南東向構(gòu)造，比德次向斜被北東南西向斷層切割，水公河次向斜顯示早期北西南東向構(gòu)造受北東南西向擠壓向斜變形特征，反映比德、水公河次向斜較珠藏、三塘次向斜經(jīng)歷了更加復(fù)雜的構(gòu)造作用。

2 煤層氣富集高產(chǎn)控制因素及分布規(guī)律

2.1 沉積控制作用

圖1 織金區(qū)塊巖腳向斜晚二疊世含煤地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column map of coal-bearing strata of Late Permian in Yanjiao syncline of Zhijin Block

圖2 織金區(qū)塊巖腳向斜構(gòu)造Fig.2 Structural diagram of Yanjiao syncline in Zhijin Block

沉積環(huán)境控制成煤物質(zhì)基礎(chǔ)，決定了煤巖、煤質(zhì)及圍巖巖性差異性，對煤層厚度、連續(xù)性、灰分、鏡質(zhì)組含量、含氣性等均有一定的控制作用。貴州省晚二疊世龍?zhí)督M沉積期海平面總體穩(wěn)定，是中國南方重要的聚煤期，由西北-東南沉積相展布依次為曲流河-三角洲-潮坪-臺地相，其中，潮坪為最有利的聚煤環(huán)境。研究區(qū)龍?zhí)督M主要發(fā)育潮坪沼澤沉積，局部發(fā)育三角洲，為煤儲層發(fā)育的有利環(huán)境。

多煤層的形成與海平面頻繁波動密切相關(guān)，若海平面上升過快，可容空間增長速率過高，會導(dǎo)致泥炭被淹沒，難以形成持續(xù)堆積，僅能形成不連續(xù)的煤線；如果海平面上升過慢，可容空間不足，就可能造成泥炭暴露、剝蝕，也不能形成持續(xù)堆積。因此，只有當(dāng)可容空間的增長速率較泥炭堆積速率相當(dāng)或稍快時，泥炭才能持續(xù)堆積。巖腳向斜龍?zhí)督M沉積期沉積中心位于比德次向斜、水公河次向斜區(qū)域，這些區(qū)域同時也是聚煤中心[15]。

受沉積控制，研究區(qū)由比德次向斜往珠藏、三塘次向斜方向，煤層層數(shù)逐漸減少，總厚度逐漸減薄，比德次向斜發(fā)育煤層40～50層，總厚度30～40 m，珠藏、三塘次向斜發(fā)育煤層30～40層，累厚22～30 m(圖3、圖4)。不同次向斜主力煤層連續(xù)性存在差異，珠藏、阿弓、三塘次向斜南翼16、17、20、23、27、30號煤層穩(wěn)定分布，連續(xù)性好；三塘次向斜北翼14、16號煤層分布較為連續(xù)，比德次向斜下煤組30、32、33號煤層分布穩(wěn)定。

圖3 巖腳向斜龍?zhí)督M煤層累厚等值線Fig.3 Accumulated thickness contour of coal seams in Longtan Formation of Yanjiao syncline

圖4 巖腳向斜龍?zhí)督M煤層層數(shù)等值線Fig.4 Coal layers contour of Longtan Formation of Yanjiao syncline

沉積除了控制煤層分布特征，還控制著煤層灰分、鏡質(zhì)組含量等參數(shù)，東部珠藏、阿弓、三塘次向斜潮坪控制下形成的煤層具有灰分含量低、鏡質(zhì)組含量高的特點，灰分質(zhì)量分數(shù)一般在10%左右，鏡質(zhì)組體積分數(shù)大于85%；西部三角洲環(huán)境控制下比德次向斜煤層具有相對高灰分、中等鏡質(zhì)組含量的特征，灰分質(zhì)量分數(shù)一般大于20%，鏡質(zhì)組含量一般小于80%。

縱向上，不同煤層灰分含量、鏡質(zhì)組含量、含氣量呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。龍?zhí)督M上煤組、下煤組沉積區(qū)發(fā)育潮坪沉積，沉積物以細粒沉積物為主，發(fā)育炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與煤層互層沉積，煤層厚度大，層數(shù)多，連續(xù)性好。中煤組沉積期以三角洲沉積為主，主要發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、泥巖夾煤層沉積，煤層層數(shù)少，連續(xù)性差。不同煤層在煤巖煤質(zhì)、含氣性等方面也存在差異，中部16～27號煤層鏡質(zhì)組含量高、含氣量高、灰分低，龍?zhí)督M頂部及底板具有相對低鏡質(zhì)組含量、低含氣量、高灰分的特征(圖5)。

2.2 保存條件

煤層含氣性除了受沉積母質(zhì)影響外，保存條件對煤層含氣性的影響至關(guān)重要。保存條件受煤層頂?shù)装?、?gòu)造、水文地質(zhì)聯(lián)合影響，控制煤層氣賦存[16]。比如，斷裂附近煤層氣易散失，靠近剝蝕區(qū)水動力活躍，煤層氣易發(fā)生逸散等。黔中隆起經(jīng)歷多期復(fù)雜構(gòu)造運動，現(xiàn)今表現(xiàn)為殘留向斜構(gòu)造面貌，斷裂發(fā)育，向斜翼部煤層出露，煤層氣富集對保存條件提出了更高的要求。

頂?shù)装鍘r性是控制織金地區(qū)煤層含氣性的基本條件。晚二疊統(tǒng)含煤地層整體封閉性相對較好，上覆飛仙關(guān)組一段泥巖及下伏峨眉山玄武巖為相對隔水層[4]。另外，龍?zhí)督M主要形成于潮坪沉積環(huán)境，為炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及煤層頻繁互層沉積(圖2)，沉積物粒度小，縱向封閉性較好，煤層氣賦存較為有利。

煤儲層保存條件除受頂?shù)装鍡l件影響外，顯著受構(gòu)造、水文地質(zhì)聯(lián)合控制。據(jù)織金區(qū)塊煤田鉆孔地層水資料顯示，在煤礦分布區(qū)埋深小于200 m范圍的煤層水主要為NaHCO3、KHCO3類型，礦化度一般在1 000 mg/L以下，往向斜核部礦化度逐漸增高，超過5 000 mg/L。以勘探程度高的珠藏次向斜為例，往向斜核部方向，水文地質(zhì)條件由徑流區(qū)逐漸過渡為滯流區(qū)，氯根質(zhì)量濃度由320 mg/L上升至5 000 mg/L，且與構(gòu)造呈明顯指數(shù)關(guān)系(圖6、圖7)，含氣量由8 m3/t上升到28 m3/t，距離剝蝕區(qū)1.5 km，含氣量達到15 m3/t，距離剝蝕區(qū)大于1 km，含氣量大于8 m3/t，表現(xiàn)出受構(gòu)造水文地質(zhì)條件聯(lián)合控制、向斜核部富氣的特征(圖6)。據(jù)研究區(qū)煤層氣探井取心含氣量測試結(jié)果，不同次向斜均表現(xiàn)出向斜核部富氣的特征(圖8)。煤儲層向斜核部富氣這一特征除了直接與保存條件有關(guān)外，還與煤層本身吸附特征相關(guān)，珠藏次向斜往向斜核部方向主力煤層埋深由320 m逐漸增大到586 m，儲層壓力由2.6 MPa增大到5.3 MPa，儲層壓力增大，煤層吸附能力增強，含氣量增高。

圖5 織金區(qū)塊珠藏次向斜X4井主力煤層儲層參數(shù)平均值對比Fig.5 X4 well main coal seams reservoir parameters contrast chart in Zhuzang subsyncline，Zhijin Block

圖6 織金區(qū)塊珠藏次向斜水文地質(zhì)圖Fig.6 Hydrogeological map of Zhuzang subsyncline in Zhijin Block

圖7 珠藏次向斜氯根與高程關(guān)系Fig.7 Diagram of chlorine root and altitude relationship

2.3 地應(yīng)力與煤體結(jié)構(gòu)

巖腳向斜煤層發(fā)育、含氣量高，資源條件較為有利，但不同次向斜產(chǎn)能差異較大。目前已實施探井、開發(fā)試驗井超50口，其中，比德4口探井目的煤層埋深超過1 000 m，煤層氣產(chǎn)量100～400 m3/d，重復(fù)壓裂后仍難以獲得高產(chǎn)。珠藏-三塘次向斜煤層氣井埋深400～800 m，試采獲得1 500 m3/d以上穩(wěn)定產(chǎn)能，最高日產(chǎn)氣量均超過2 000 m3(表1)。分析認為，影響區(qū)塊產(chǎn)能差異的主要地質(zhì)因素為地應(yīng)力及煤體結(jié)構(gòu)，兩者與煤層所處的構(gòu)造部位及受擠壓作用的強度密切相關(guān)，直接影響到煤層滲透性的好壞及儲層改造效果。

圖8 織金區(qū)塊巖腳向斜下組煤含氣量等值線Fig.8 Contour map of gas content of lower coal seam group in Yanjiao syncline，Zhijin Block

表1 織金區(qū)塊巖腳向斜影響煤層氣產(chǎn)量關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)Table 1 Key geological parameters of affecting the productivity of coalbed methane in Yanjiao syncline，Zhijin Block

2.3.1 煤體結(jié)構(gòu)

煤體結(jié)構(gòu)受構(gòu)造影響顯著[17]。燕山期強烈褶皺變形及斷裂活動，尤其受威寧—紫云斷裂，NW向構(gòu)造比德、水公河次向斜較NE向構(gòu)造珠藏、三塘經(jīng)歷更加復(fù)雜構(gòu)造運動，煤層破壞較強。根據(jù)區(qū)內(nèi)20口探井巖心煤體結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)合測井資料，建立研究區(qū)測井煤體結(jié)構(gòu)識別標準(圖9、圖10)。與碎粒煤、糜棱煤相比，原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為低中子、低聲波、高密度、弱擴徑的特征，井徑CAL＜30 cm，中子CNL＜50%，AC＜450 μs/m，密度DEN＞1.4 g/cm3?？v向上，6號煤煤層厚度最大，相同應(yīng)力作用下更易遭受破壞，區(qū)塊6號煤層幾乎全部為糜棱煤。平面上，NW向構(gòu)造比德、水公河次向斜構(gòu)造破壞嚴重，單井碎粒煤、糜棱煤厚度占比超過70%，斷層附近糜棱煤占比更高；NE向三塘、阿弓、珠藏次向斜構(gòu)造破壞相對較弱，以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤為主，除6號煤全區(qū)及16號煤局部外，其他煤層均為原生結(jié)構(gòu)煤或碎裂煤。

圖9 織金區(qū)塊巖腳向斜取心井中子CNL與聲波AC交匯圖Fig.9 Coring wells CNL and AC plot of Yanjiao syncline in Zhijin Block

目前碎粒煤、糜棱煤仍然是煤層氣開發(fā)禁區(qū)，其不僅影響煤層氣井鉆完井質(zhì)量，且嚴重影響煤層氣井壓裂改造效果[17]，導(dǎo)致壓裂裂縫縫局限在井筒周圍，煤層氣井解吸半徑小，難以實現(xiàn)高產(chǎn)。比德次向斜碎粒煤、糜棱煤發(fā)育，煤層氣井產(chǎn)能低，一般低于500 m3/d，珠藏-三塘次向斜煤體結(jié)構(gòu)好，原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤發(fā)育，煤層氣井產(chǎn)量1 200～2 000 m3/d，最高產(chǎn)量均超過2 000 m3/d。

圖10 織金區(qū)塊巖腳向斜取心井井徑CAL與中子CNL交匯圖Fig.10 Coring wells CAL and CNL plot of Yanjiao syncline in Zhijin Block

2.3.2 地應(yīng)力

地應(yīng)力是控制儲集層天然裂縫分布及水力壓裂裂縫形態(tài)的重要因素，影響煤儲層原始滲透率及壓裂改造效果[18-20]。最大水平主應(yīng)力(σH)、最小水平主應(yīng)力(σh)及垂向應(yīng)力(σv)差異決定了壓裂裂縫形態(tài)及縫網(wǎng)復(fù)雜程度。當(dāng)σH＞σv＞σh，地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，壓裂易形成水平縫，且σH與σh差異決定了水平縫網(wǎng)復(fù)雜程度，σH與σh差異較大時，壓裂縫以單一水平縫為主，改造體積小，當(dāng)σH與σh差異較小時，裂縫形態(tài)相對復(fù)雜。當(dāng)σv＞σH＞σh，地應(yīng)力以垂向應(yīng)力為主，壓裂改造難以形成長距離水平縫，不利于煤層氣高產(chǎn)。

圖11 織金區(qū)塊巖腳向斜地應(yīng)力隨埋深變化關(guān)系Fig.11 Variation of geostress with buried depth in Yanjiao syncline，Zhijin Block

圖12 織金區(qū)塊巖腳向斜垂直應(yīng)力與最大水平應(yīng)力比值與埋深關(guān)系Fig.12 Relation between the ratio of vertical stress to maximum horizontal stress and depth Yanjiao syncline，Zhijin Block

依據(jù)研究區(qū)10口井注入壓降測試結(jié)果，計算了σH、σh、σv(表1)。煤層破裂壓力可由注入曲線求取，閉合壓力(最小水平主應(yīng)力)由壓降曲線求取，最大水平主應(yīng)力由破裂壓力、閉合壓力和煤儲層壓力等參數(shù)計算得出，垂直應(yīng)力依據(jù)文獻[19]關(guān)系式估算。由表1可知，比德-三塘次向斜水平井應(yīng)力狀態(tài)差異較小，最大水平主應(yīng)力平均21 MPa，最小水平主應(yīng)力平均14 MPa左右；珠藏次向斜遠離紫云斷裂，水平應(yīng)力相對小，最大水平主應(yīng)力平均17.7 MPa，最小水平主應(yīng)力平均11.9 MPa。從三軸應(yīng)力狀態(tài)(圖11、圖12)來看，研究區(qū)700 m以淺地應(yīng)力狀態(tài)為σH＞σh＞σv，垂向應(yīng)力與最大水平主應(yīng)力比值ε為0.38～1.04，平均0.77，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為壓縮帶，具有大地動力場型特征；700～900 m地應(yīng)力狀態(tài)為σH＞σv＞σh，ε=0.90，地應(yīng)力狀態(tài)開始由大地動力場型特征開始向大地靜力場過渡，900 m以深地應(yīng)力狀態(tài)為σv＞σH＞σh，ε=1.24～1.44，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為伸張帶，具大地靜力場型特征。壓裂裂縫總是沿著最易壓開的方向延伸，珠藏-三塘次向斜現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為大地動力場型，處于擠壓狀態(tài)，壓裂縫以水平縫為主，利于裂縫在煤儲層中延伸，壓裂施工壓力一般小于20 MPa，且壓裂施工順利。比德次向斜地應(yīng)力狀態(tài)現(xiàn)今為大地靜力場型，處于伸張狀態(tài)，現(xiàn)今正斷層發(fā)育也證實這一點，地應(yīng)力狀態(tài)決定了壓裂改造難以形成長距離水平縫，而煤層本身薄，定向井難以有效開發(fā)。比德次向斜煤層氣井同樣套管注入方式壓裂，施工壓力在40～50 MPa范圍，即使大規(guī)模重復(fù)壓裂仍未獲得高產(chǎn)。

地應(yīng)力除影響煤層氣井壓裂改造效果，還控制儲層滲透率，直接影響煤層氣井產(chǎn)能[20]。比德次向斜埋深1 000～2 000 m，表現(xiàn)出應(yīng)力高(＞20 MPa)、低滲(＜0.1×10-3μm2)的特征，珠藏-阿弓-三塘次向斜埋深一般700 m以淺，地應(yīng)力10 MPa左右，滲透率(0.1～0.7)×10-3μm2，開發(fā)條件較為有利。

3 結(jié)論

a.貴州織金區(qū)塊龍?zhí)督M沉積期主要發(fā)育潮坪沼澤沉積，局部發(fā)育三角洲沉積。受沉積控制，比德次向斜往珠藏、三塘次向斜方向，煤層層數(shù)逐漸減少，總厚度逐漸減薄，灰分含量逐漸降低，鏡質(zhì)組含量逐漸增高。構(gòu)造、水文地質(zhì)條件聯(lián)合控制著煤層含氣性，往向斜核部方向，隨著埋深增大，構(gòu)造位置降低，水動力條件由徑流區(qū)向弱徑流區(qū)、滯流區(qū)變化，保存條件變好，地層壓力增高，含氣量增高，顯著表現(xiàn)出向斜核部富氣特征。

b.研究區(qū)受威寧—紫云斷裂影響顯著，劃分為兩個不同變形區(qū)。NW向構(gòu)造比德、水公河次向斜分屬于威寧—紫云變形區(qū)，地層陡，斷裂、褶曲發(fā)育，且正斷層發(fā)育，構(gòu)造破壞強，現(xiàn)今地應(yīng)力高，且為大地靜力場型，處于伸張狀態(tài)，壓裂難以形成長距離水平縫，定向井開發(fā)難以獲得高產(chǎn)。遠離威寧—紫云斷裂的NE向構(gòu)造珠藏、阿弓、三塘次向斜呈短軸式展布，地層平緩，斷裂稀疏，構(gòu)造變形相對弱，現(xiàn)今埋深淺，地應(yīng)力小，煤體結(jié)構(gòu)好，現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為大地動力場型，壓裂縫以水平縫為主，利于裂縫在煤儲層中延伸，煤層氣開發(fā)條件更有利。針對織金區(qū)塊高階煤煤層氣地質(zhì)特點，綜合富集高產(chǎn)主控因素的研究，明確珠藏-阿弓-三塘次向斜為研究區(qū)煤層氣勘探有利區(qū)。

c.對于南方多煤層，構(gòu)造是影響其富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，尤其威寧—紫云斷裂的影響至關(guān)重要，受威寧—紫云斷裂影響較小的NE向含煤向斜煤層氣勘探潛力優(yōu)于NW向含煤向斜，尋找構(gòu)造寬緩、埋深適中，遠離威寧—紫云斷裂的NE向含煤向斜是下步煤層氣勘探的方向。