寧武盆地煤層氣勘探現(xiàn)狀與主控因素

寧武盆地煤層氣勘探現(xiàn)狀與主控因素

寧武盆地位于山西省西北部。西部是呂梁山升降盆地和蘆芽山后端，東部是五臺(tái)高程帶。這是一個(gè)小山地構(gòu)造盆地，在晚古生代末被構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓和上升。南北長(zhǎng)約130km,寬20~30km,面積約3120km2(圖1)。目前已有3口煤層氣井最高日產(chǎn)氣超過1000m3(W01、W04、W05井),均分布于南部斜坡帶,證實(shí)寧武盆地南部具有很好的煤層氣勘探潛力。但寧武盆地南部煤層氣富集主控因素尚不清楚,需要深入研究,筆者通過對(duì)該區(qū)構(gòu)造特征、地應(yīng)力分布特征、封蓋條件等方面的研究,分析了寧武盆地南部煤層氣富集主控因素,指出了煤層氣有利富集區(qū)。1南方地區(qū)的油氣地質(zhì)特征1.1晚古生代限定區(qū)寧武盆地發(fā)育石炭—二疊系、侏羅系2套含煤巖系。其中下二疊統(tǒng)山西組(P1s)底部4#煤和上石炭統(tǒng)太原組(C3t)下部9#煤?jiǎn)螌雍穸却?全盆地穩(wěn)定分布,是煤層氣勘探的主要目的層。侏羅系含煤性差,分布范圍小,為次要勘探目的層。本區(qū)在晚古生代太原期為海退背景下濱、淺海三角洲平原亞相的低位沼澤,物源主要來(lái)自大同以北古陸。早期植物生長(zhǎng)繁盛,泥炭堆積厚度大,在太原組下部沉積了9#煤,厚4.36~24.62m,平均厚度超過11m。中、后期海水向南退出,成煤環(huán)境變差,在太原組中上部?jī)H發(fā)育一些分布不連續(xù)的薄煤層和濱—淺海相泥巖—泥灰?guī)r;本區(qū)山西期海水退出,初期沉積環(huán)境較穩(wěn)定,處于河流亞相的沼澤沉積微相區(qū),形成了山西組下段較厚的4#煤,厚0.37~13.15m,一般為2~4m。中、后期沼澤相帶收縮,成煤條件變差,沉積了1~3層橫向分布不穩(wěn)定的薄煤層,單層厚0~1.95m。1.2煤層以中低灰煤為主,灰炭灰為酰氯化率寧武盆地南部太原組9#煤煤巖特征總體上以半暗—半亮型和半亮—光亮型煤為主。顯微組分中鏡質(zhì)組含量一般大于60%,惰性組含量一般小于30%。煤層以中低灰分煤為主,灰分含量一般小于15%(表1)。4#煤煤巖特征總體上以半暗型為主。有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)組一般在50%左右,惰性組含量一般為40%左右。煤層以中灰分為主,灰分含量一般為14.2%~22.7%。1.3盆地?zé)峤鈿饬?lái)源寧武盆地淺部已知煤階為低—中變質(zhì)的氣、肥煤,W01井9#煤Ro為0.95%~1.10%(表1)。隨著埋藏加深,煤變質(zhì)程度加深,煤階增高,推測(cè)盆地腹部為肥、焦煤,已進(jìn)入熱解生氣高峰,可為煤層氣富集提供充足的氣源。山西組4#煤演化程度略低于太原組9#煤,煤階分布規(guī)律與太原組9#煤相同。1.4煤層滲透率及煤心特性寧武盆地南部煤層巖心壓汞資料表明,該區(qū)煤層孔隙以微孔為主,發(fā)育了少量的中孔和大孔,孔隙度為3.97%~5.2%,孔隙中值半徑為0.1~63μm,鏡質(zhì)組反射率為0.85%~1.12%。煤層滲透率是影響煤層氣高產(chǎn)的主要因素之一,W05井煤巖實(shí)測(cè)滲透率為0.41mD,根據(jù)注入/壓降法測(cè)試結(jié)果(表2),壓裂前煤層滲透率一般為0.01~0.86mD。煤心觀察表明,該區(qū)煤層割理發(fā)育,割理密度為3~5條/cm,縫寬4~7μm。構(gòu)造裂縫多垂直煤層發(fā)育,呈不規(guī)則分布,裂縫未充填,疏通了煤層孔隙,改善了煤儲(chǔ)層性能。2由天然氣富集區(qū)主導(dǎo)因素組成2.1上斜坡帶發(fā)育寧武盆地成煤期后主要經(jīng)歷了燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)為NNE向展布的復(fù)向斜,兩翼陡,地層傾角25°~40°,南北兩端構(gòu)造較平緩,地層傾角6°~12°。寧武盆地南部構(gòu)造斜坡帶,煤層埋深主要受構(gòu)造和地形起伏控制,變化規(guī)律較簡(jiǎn)單,W04井以南煤層埋深一般小于1500m,處于上斜坡帶,向腹部煤層迅速加深,腹部最深約2700m。寧武盆地南部上斜坡帶3口井日產(chǎn)氣超過1000m3,煤層氣富集高產(chǎn)主要有以下幾方面原因。2.1.1上斜坡帶為低勢(shì)區(qū),是烴類運(yùn)移指向區(qū)上斜坡帶煤層早期煤層埋藏深,生氣條件好,煤層后期抬升幅度大,形成低勢(shì)區(qū),與盆地腹部埋深超過2000m的生氣中心銜接,成為烴類運(yùn)移指向區(qū),配合區(qū)域性分布穩(wěn)定的直接蓋層,易于形成高含氣、高飽和煤層氣藏。2.1.2上斜坡帶割理發(fā)育,煤層滲透性好上斜坡帶處于盆地后期構(gòu)造幅度大,煤層埋藏相對(duì)較淺,處于地應(yīng)力相對(duì)低值區(qū),張性裂隙發(fā)育,煤層滲透性好,利于煤層氣井高產(chǎn)。2.1.3上斜坡在整體降壓情況下煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征在整體降壓情況下,高部位容易優(yōu)先形成面積降壓,處于構(gòu)造高部位的排采井,煤層氣井具有輸入型的產(chǎn)氣特征,一般產(chǎn)水量小,產(chǎn)氣量大,初期本井周圍降壓解吸,后期構(gòu)造下傾部位解吸氣又運(yùn)移到本井產(chǎn)出;煤層氣井產(chǎn)水特征:日產(chǎn)水遞減—微產(chǎn)水或不產(chǎn)水。2.2巷道顯微構(gòu)造的地質(zhì)背景影響煤儲(chǔ)層滲透率的因素十分復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)、煤層埋深、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖煤質(zhì)特征、煤變質(zhì)程度和天然裂隙系統(tǒng)等都不同程度地影響著煤儲(chǔ)層滲透率,煤儲(chǔ)層滲透率是多因素綜合作用的結(jié)果,但其中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是控制煤層滲透率的最主要因素,煤層滲透率與地應(yīng)力增加呈指數(shù)關(guān)系降低。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的低應(yīng)力分布區(qū)往往是裂縫高密度分布帶,寧武盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)低應(yīng)力分布區(qū)是裂縫高密度分布帶,高應(yīng)力分布區(qū)煤層割理不發(fā)育。盆地南部高應(yīng)力分布區(qū)位于西部W02—W03井區(qū),該地區(qū)臨近大斷層或斷裂,而低應(yīng)力分布區(qū)位于W01—W04—W05井區(qū),是高密度裂縫分布帶。通過W01井和W02井煤樣品的顯微構(gòu)造照片對(duì)比,可清楚地觀察到兩口鉆孔巖心顯微構(gòu)造的明顯差異。W01井所處的構(gòu)造位置是應(yīng)力場(chǎng)低值分布區(qū),煤巖割理裂隙十分發(fā)育。圖2-a顯示出在大約100μm長(zhǎng)度范圍內(nèi)分布有條微裂隙,裂縫明顯地具有張剪性力學(xué)特性;而W02井由于處應(yīng)力場(chǎng)高值分布區(qū),煤巖裂縫分布密度低且為閉合(圖2-b)。2.3煤沖突水地下水的封蓋需要考慮煤巖地層封蓋結(jié)構(gòu)及含氣層分布煤層頂?shù)装宸忾]性直接控制煤層氣的保存條件,主要體現(xiàn)在控制煤層含氣量,同時(shí)封隔煤層上下含水層,有利于煤層氣井排水降壓。泥巖頂板無(wú)疑是最有效的封蓋層。泥灰?guī)r頂板稍遜于泥巖頂板,而優(yōu)于石灰?guī)r頂板,亦能有效發(fā)揮封閉作用。寧武盆地南部山西組4#煤直接頂板以泥頁(yè)巖、砂巖、粉砂巖為主,太原組9#煤頂板絕大部分為泥灰?guī)r、泥巖,有少量石灰?guī)r和砂巖。太原組9#煤泥巖、泥灰?guī)r頂板主要發(fā)育于南部W01—W04—W05井區(qū),泥灰?guī)r、泥巖頂板厚度2~18.0m,石灰?guī)r頂板厚度1~6.14m。在西部W02—W03井區(qū)太原組蓋層9#煤層之上蓋層主要為富水性較強(qiáng)的中砂巖為主,煤層氣保存條件差。總體上太原組9#煤頂板封蓋能力好于4#煤,這是9#煤含氣量高于4#煤的主要原因。山西組4#煤底板以砂巖為主,次為泥巖、粉砂巖。太原組9#煤底板以泥巖、泥灰?guī)r為主,局部為砂巖及粉砂巖、石灰?guī)r。下伏本溪組發(fā)育一套厚度介于5~15m的鋁土質(zhì)泥巖,全區(qū)穩(wěn)定分布,底襯封閉作用良好?？傮w上,寧武盆地南部W01—W04—W05井區(qū)頂?shù)装宸忾]性好,煤層含氣量一般大于10m3/t,最高達(dá)到20m3/t,而西部W02—W03井區(qū)煤層頂板主要以砂巖為主,封蓋條件差,煤層含氣量較低,W02井最高含氣量只有4.9m3/t。煤層頂板封蓋層同時(shí)還是很好的隔水層,煤層上部地層泥巖、泥灰?guī)r發(fā)育能夠很好地封隔上部地層水的網(wǎng)絡(luò)狀滲濾,同時(shí)煤層上部地層泥巖發(fā)育使該區(qū)含水層不發(fā)育,富水性差,有利于煤層氣的保存,同時(shí)煤層氣井排采產(chǎn)水量小,煤層易降壓解吸,對(duì)煤層氣開發(fā)極為有利。W05井頂板泥巖發(fā)育,厚度超過15m,煤層氣井產(chǎn)水量一般低于15m3/t,地層水礦化度超過5000mg/L(表3),說(shuō)明處于地下水弱徑流—滯留區(qū),保存條件好,煤層產(chǎn)氣效果較好,而W03井區(qū)頂板以砂巖為主,富水性強(qiáng),斷層發(fā)育,斷層溝通含水層,使得該區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,W03井試氣水礦化度985mg/L(表3),而該區(qū)煤系地層水礦化度一般超過2500mg/L,說(shuō)明該區(qū)有地表水混入,處于地下水徑流區(qū),同時(shí)煤層氣井產(chǎn)水量大,產(chǎn)水量超過100m3/d,煤層難以降壓解吸,不利于煤層氣開發(fā)。3煤煤沖突地區(qū)開區(qū)開發(fā)潛力分析綜合以上研究,構(gòu)造部位、地應(yīng)力、封蓋層共同控制煤層氣的富集與保存,是寧武盆地南部煤層氣富集的主控因素,W02井以東、W04井以南地區(qū)太原組9#煤埋深小于1500m,處于應(yīng)力場(chǎng)低值區(qū),煤層滲透性好、煤層頂?shù)装宸馍w條件好,同時(shí)處于構(gòu)造上斜坡帶,利于煤層氣井高產(chǎn),是煤層氣富集高產(chǎn)有利