贵州省织金区块岩脚向斜煤层气富集高产规律研究

郭 涛

(中国石油化工股份有限公司华东油气分公司，江苏 南京 210011)

贵州省煤层气资源丰富，素有“西南煤海”之称，其蕴藏的煤层气资源达3.15万亿m3，仅次于山西，位列全国第二[1-2]。近年来，多家单位相继在贵州省煤层气勘探取得积极进展，呈现出“多点开花”的局面，已初见成效，但多是以单井突破为主，规模化、商业化开发仍难以企及。前人针对高阶煤富集高产做了大量的工作[3-7]，牛海清[3]开展了鄂尔多斯盆地东缘煤层气富集成藏规律研究，认为煤层顶板岩性及水动力条件相互配套是煤层气保存的重要因素，有利的局部构造是煤层气富集的有利条件；孙粉锦等[4]开展沁水盆地南部煤层气富集高产主控因素研究，认为构造调整、水动力分区及顶底板岩性分布等控制着煤层气的富集。南方多煤层煤层气处于勘探阶段，尚未形成规模化开发，目前研究主要以成藏地质理论、构造演化、富集规律等为主[8-15]，缺乏针对性富集高产认识及现场实践检验。另外，以往的煤层气选区评价更加注重资源条件的评价，对煤层厚度、含气量等关注较多，但构造贯穿煤层气成藏全过程，构造及其对地应力、煤体结构的影响是影响煤层气开发效果的关键因素。全国大部分地区煤层气资源条件优越，但开发效果较差的原因可能与构造条件密切相关。织金区块岩脚向斜钻探评价井超过50口，开展了小井组、大井组试验，大井组稳定产量均在2 000 m3/d以上，具备效益建产条件，通过近年来勘探开发实践，基本明确了区块煤层气富集高产规律及配套开发技术政策。笔者旨在通过对织金区块勘探开发成果系统总结，探讨南方多煤层煤层气富集高产规律，为南方多薄煤层煤层气选区评价提供借鉴。

1 地质概况

织金区块岩脚向斜位于贵州省西部，构造上位于扬子板块黔中隆起之上。含煤地层为上二叠统龙潭组和长兴组，为一套碎屑岩夹碳酸盐岩含煤沉积，沉积旋回显著，煤层具有“层数多、单层薄、累厚大”的特点。其中，龙潭组总厚度300～400 m，含煤28～34层，煤层总厚25～35 m，大于0.8 m可采煤层12～20层，总可采厚度17～30 m，平均23.03 m(图1)。煤层主要为无烟煤，镜质组体积分数大于75%，利于煤层气吸附，含气量一般大于10 m3/t，向斜核部最高达28 m3/t。

研究区构造变形主要形成于燕山中晚期，燕山中期是奠定黔西地区构造格局的关键时期，燕山晚期的构造作用对早期构造具有一定的改造作用[12]。区域上，先后受燕山中晚期NE-SW向挤压—近NS向挤压—NW-SE向挤压，形成NW向、近EW向、NE向构造，三组构造相互交接，互相穿插，构成较复杂的“手掌型”构造形态。岩脚向斜可进一步分为5个不对称的次级向斜，分别为珠藏次向斜、阿弓次向斜、三塘次向斜、比德次向斜、水公河次向斜(图2)。研究区受威宁—紫云断裂影响最为显著，威宁—紫云断裂为切穿上地壳的基底断裂，为滇黔桂裂陷槽伸向华南板块的部分，燕山期发生强烈褶皱变形及断裂作用，在基底断裂控制下形成了NW向的构造，断层两侧变形强烈，多为对冲和背冲构造，比德、水公河次向斜位于该变形区。远离威宁—紫云断裂的NE向构造珠藏、阿弓、三塘次向斜变形相对弱，呈短轴式展布，断裂稀疏。现今构造切割关系也显示，北东南西向断层切割北西南东向构造，比德次向斜被北东南西向断层切割，水公河次向斜显示早期北西南东向构造受北东南西向挤压向斜变形特征，反映比德、水公河次向斜较珠藏、三塘次向斜经历了更加复杂的构造作用。

2 煤层气富集高产控制因素及分布规律

2.1 沉积控制作用

图1 织金区块岩脚向斜晚二叠世含煤地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive column map of coal-bearing strata of Late Permian in Yanjiao syncline of Zhijin Block

图2 织金区块岩脚向斜构造Fig.2 Structural diagram of Yanjiao syncline in Zhijin Block

沉积环境控制成煤物质基础，决定了煤岩、煤质及围岩岩性差异性，对煤层厚度、连续性、灰分、镜质组含量、含气性等均有一定的控制作用。贵州省晚二叠世龙潭组沉积期海平面总体稳定，是中国南方重要的聚煤期，由西北-东南沉积相展布依次为曲流河-三角洲-潮坪-台地相，其中，潮坪为最有利的聚煤环境。研究区龙潭组主要发育潮坪沼泽沉积，局部发育三角洲，为煤储层发育的有利环境。

多煤层的形成与海平面频繁波动密切相关，若海平面上升过快，可容空间增长速率过高，会导致泥炭被淹没，难以形成持续堆积，仅能形成不连续的煤线；如果海平面上升过慢，可容空间不足，就可能造成泥炭暴露、剥蚀，也不能形成持续堆积。因此，只有当可容空间的增长速率较泥炭堆积速率相当或稍快时，泥炭才能持续堆积。岩脚向斜龙潭组沉积期沉积中心位于比德次向斜、水公河次向斜区域，这些区域同时也是聚煤中心[15]。

受沉积控制，研究区由比德次向斜往珠藏、三塘次向斜方向，煤层层数逐渐减少，总厚度逐渐减薄，比德次向斜发育煤层40～50层，总厚度30～40 m，珠藏、三塘次向斜发育煤层30～40层，累厚22～30 m(图3、图4)。不同次向斜主力煤层连续性存在差异，珠藏、阿弓、三塘次向斜南翼16、17、20、23、27、30号煤层稳定分布，连续性好；三塘次向斜北翼14、16号煤层分布较为连续，比德次向斜下煤组30、32、33号煤层分布稳定。

图3 岩脚向斜龙潭组煤层累厚等值线Fig.3 Accumulated thickness contour of coal seams in Longtan Formation of Yanjiao syncline

图4 岩脚向斜龙潭组煤层层数等值线Fig.4 Coal layers contour of Longtan Formation of Yanjiao syncline

沉积除了控制煤层分布特征，还控制着煤层灰分、镜质组含量等参数，东部珠藏、阿弓、三塘次向斜潮坪控制下形成的煤层具有灰分含量低、镜质组含量高的特点，灰分质量分数一般在10%左右，镜质组体积分数大于85%；西部三角洲环境控制下比德次向斜煤层具有相对高灰分、中等镜质组含量的特征，灰分质量分数一般大于20%，镜质组含量一般小于80%。

纵向上，不同煤层灰分含量、镜质组含量、含气量呈现出规律性变化。龙潭组上煤组、下煤组沉积区发育潮坪沉积，沉积物以细粒沉积物为主，发育炭质泥岩、粉砂质泥岩与煤层互层沉积，煤层厚度大，层数多，连续性好。中煤组沉积期以三角洲沉积为主，主要发育泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、泥岩夹煤层沉积，煤层层数少，连续性差。不同煤层在煤岩煤质、含气性等方面也存在差异，中部16～27号煤层镜质组含量高、含气量高、灰分低，龙潭组顶部及底板具有相对低镜质组含量、低含气量、高灰分的特征(图5)。

2.2 保存条件

煤层含气性除了受沉积母质影响外，保存条件对煤层含气性的影响至关重要。保存条件受煤层顶底板、构造、水文地质联合影响，控制煤层气赋存[16]。比如，断裂附近煤层气易散失，靠近剥蚀区水动力活跃，煤层气易发生逸散等。黔中隆起经历多期复杂构造运动，现今表现为残留向斜构造面貌，断裂发育，向斜翼部煤层出露，煤层气富集对保存条件提出了更高的要求。

顶底板岩性是控制织金地区煤层含气性的基本条件。晚二叠统含煤地层整体封闭性相对较好，上覆飞仙关组一段泥岩及下伏峨眉山玄武岩为相对隔水层[4]。另外，龙潭组主要形成于潮坪沉积环境，为炭质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩及煤层频繁互层沉积(图2)，沉积物粒度小，纵向封闭性较好，煤层气赋存较为有利。

煤储层保存条件除受顶底板条件影响外，显著受构造、水文地质联合控制。据织金区块煤田钻孔地层水资料显示，在煤矿分布区埋深小于200 m范围的煤层水主要为NaHCO3、KHCO3类型，矿化度一般在1 000 mg/L以下，往向斜核部矿化度逐渐增高，超过5 000 mg/L。以勘探程度高的珠藏次向斜为例，往向斜核部方向，水文地质条件由径流区逐渐过渡为滞流区，氯根质量浓度由320 mg/L上升至5 000 mg/L，且与构造呈明显指数关系(图6、图7)，含气量由8 m3/t上升到28 m3/t，距离剥蚀区1.5 km，含气量达到15 m3/t，距离剥蚀区大于1 km，含气量大于8 m3/t，表现出受构造水文地质条件联合控制、向斜核部富气的特征(图6)。据研究区煤层气探井取心含气量测试结果，不同次向斜均表现出向斜核部富气的特征(图8)。煤储层向斜核部富气这一特征除了直接与保存条件有关外，还与煤层本身吸附特征相关，珠藏次向斜往向斜核部方向主力煤层埋深由320 m逐渐增大到586 m，储层压力由2.6 MPa增大到5.3 MPa，储层压力增大，煤层吸附能力增强，含气量增高。

图5 织金区块珠藏次向斜X4井主力煤层储层参数平均值对比Fig.5 X4 well main coal seams reservoir parameters contrast chart in Zhuzang subsyncline，Zhijin Block

图6 织金区块珠藏次向斜水文地质图Fig.6 Hydrogeological map of Zhuzang subsyncline in Zhijin Block

图7 珠藏次向斜氯根与高程关系Fig.7 Diagram of chlorine root and altitude relationship

2.3 地应力与煤体结构

岩脚向斜煤层发育、含气量高，资源条件较为有利，但不同次向斜产能差异较大。目前已实施探井、开发试验井超50口，其中，比德4口探井目的煤层埋深超过1 000 m，煤层气产量100～400 m3/d，重复压裂后仍难以获得高产。珠藏-三塘次向斜煤层气井埋深400～800 m，试采获得1 500 m3/d以上稳定产能，最高日产气量均超过2 000 m3(表1)。分析认为，影响区块产能差异的主要地质因素为地应力及煤体结构，两者与煤层所处的构造部位及受挤压作用的强度密切相关，直接影响到煤层渗透性的好坏及储层改造效果。

图8 织金区块岩脚向斜下组煤含气量等值线Fig.8 Contour map of gas content of lower coal seam group in Yanjiao syncline，Zhijin Block

表1 织金区块岩脚向斜影响煤层气产量关键地质参数Table 1 Key geological parameters of affecting the productivity of coalbed methane in Yanjiao syncline，Zhijin Block

2.3.1 煤体结构

煤体结构受构造影响显著[17]。燕山期强烈褶皱变形及断裂活动，尤其受威宁—紫云断裂，NW向构造比德、水公河次向斜较NE向构造珠藏、三塘经历更加复杂构造运动，煤层破坏较强。根据区内20口探井岩心煤体结构观察，结合测井资料，建立研究区测井煤体结构识别标准(图9、图10)。与碎粒煤、糜棱煤相比，原生结构煤、碎裂煤测井响应特征表现为低中子、低声波、高密度、弱扩径的特征，井径CAL＜30 cm，中子CNL＜50%，AC＜450 μs/m，密度DEN＞1.4 g/cm3。纵向上，6号煤煤层厚度最大，相同应力作用下更易遭受破坏，区块6号煤层几乎全部为糜棱煤。平面上，NW向构造比德、水公河次向斜构造破坏严重，单井碎粒煤、糜棱煤厚度占比超过70%，断层附近糜棱煤占比更高；NE向三塘、阿弓、珠藏次向斜构造破坏相对较弱，以原生结构煤、碎裂煤为主，除6号煤全区及16号煤局部外，其他煤层均为原生结构煤或碎裂煤。

图9 织金区块岩脚向斜取心井中子CNL与声波AC交汇图Fig.9 Coring wells CNL and AC plot of Yanjiao syncline in Zhijin Block

目前碎粒煤、糜棱煤仍然是煤层气开发禁区，其不仅影响煤层气井钻完井质量，且严重影响煤层气井压裂改造效果[17]，导致压裂裂缝缝局限在井筒周围，煤层气井解吸半径小，难以实现高产。比德次向斜碎粒煤、糜棱煤发育，煤层气井产能低，一般低于500 m3/d，珠藏-三塘次向斜煤体结构好，原生结构煤、碎裂煤发育，煤层气井产量1 200～2 000 m3/d，最高产量均超过2 000 m3/d。

图10 织金区块岩脚向斜取心井井径CAL与中子CNL交汇图Fig.10 Coring wells CAL and CNL plot of Yanjiao syncline in Zhijin Block

2.3.2 地应力

地应力是控制储集层天然裂缝分布及水力压裂裂缝形态的重要因素，影响煤储层原始渗透率及压裂改造效果[18-20]。最大水平主应力(σH)、最小水平主应力(σh)及垂向应力(σv)差异决定了压裂裂缝形态及缝网复杂程度。当σH＞σv＞σh，地应力以水平应力为主，压裂易形成水平缝，且σH与σh差异决定了水平缝网复杂程度，σH与σh差异较大时，压裂缝以单一水平缝为主，改造体积小，当σH与σh差异较小时，裂缝形态相对复杂。当σv＞σH＞σh，地应力以垂向应力为主，压裂改造难以形成长距离水平缝，不利于煤层气高产。

图11 织金区块岩脚向斜地应力随埋深变化关系Fig.11 Variation of geostress with buried depth in Yanjiao syncline，Zhijin Block

图12 织金区块岩脚向斜垂直应力与最大水平应力比值与埋深关系Fig.12 Relation between the ratio of vertical stress to maximum horizontal stress and depth Yanjiao syncline，Zhijin Block

依据研究区10口井注入压降测试结果，计算了σH、σh、σv(表1)。煤层破裂压力可由注入曲线求取，闭合压力(最小水平主应力)由压降曲线求取，最大水平主应力由破裂压力、闭合压力和煤储层压力等参数计算得出，垂直应力依据文献[19]关系式估算。由表1可知，比德-三塘次向斜水平井应力状态差异较小，最大水平主应力平均21 MPa，最小水平主应力平均14 MPa左右；珠藏次向斜远离紫云断裂，水平应力相对小，最大水平主应力平均17.7 MPa，最小水平主应力平均11.9 MPa。从三轴应力状态(图11、图12)来看，研究区700 m以浅地应力状态为σH＞σh＞σv，垂向应力与最大水平主应力比值ε为0.38～1.04，平均0.77，现今地应力状态为压缩带，具有大地动力场型特征；700～900 m地应力状态为σH＞σv＞σh，ε=0.90，地应力状态开始由大地动力场型特征开始向大地静力场过渡，900 m以深地应力状态为σv＞σH＞σh，ε=1.24～1.44，现今地应力状态为伸张带，具大地静力场型特征。压裂裂缝总是沿着最易压开的方向延伸，珠藏-三塘次向斜现今地应力状态为大地动力场型，处于挤压状态，压裂缝以水平缝为主，利于裂缝在煤储层中延伸，压裂施工压力一般小于20 MPa，且压裂施工顺利。比德次向斜地应力状态现今为大地静力场型，处于伸张状态，现今正断层发育也证实这一点，地应力状态决定了压裂改造难以形成长距离水平缝，而煤层本身薄，定向井难以有效开发。比德次向斜煤层气井同样套管注入方式压裂，施工压力在40～50 MPa范围，即使大规模重复压裂仍未获得高产。

地应力除影响煤层气井压裂改造效果，还控制储层渗透率，直接影响煤层气井产能[20]。比德次向斜埋深1 000～2 000 m，表现出应力高(＞20 MPa)、低渗(＜0.1×10-3μm2)的特征，珠藏-阿弓-三塘次向斜埋深一般700 m以浅，地应力10 MPa左右，渗透率(0.1～0.7)×10-3μm2，开发条件较为有利。

3 结论

a.贵州织金区块龙潭组沉积期主要发育潮坪沼泽沉积，局部发育三角洲沉积。受沉积控制，比德次向斜往珠藏、三塘次向斜方向，煤层层数逐渐减少，总厚度逐渐减薄，灰分含量逐渐降低，镜质组含量逐渐增高。构造、水文地质条件联合控制着煤层含气性，往向斜核部方向，随着埋深增大，构造位置降低，水动力条件由径流区向弱径流区、滞流区变化，保存条件变好，地层压力增高，含气量增高，显著表现出向斜核部富气特征。

b.研究区受威宁—紫云断裂影响显著，划分为两个不同变形区。NW向构造比德、水公河次向斜分属于威宁—紫云变形区，地层陡，断裂、褶曲发育，且正断层发育，构造破坏强，现今地应力高，且为大地静力场型，处于伸张状态，压裂难以形成长距离水平缝，定向井开发难以获得高产。远离威宁—紫云断裂的NE向构造珠藏、阿弓、三塘次向斜呈短轴式展布，地层平缓，断裂稀疏，构造变形相对弱，现今埋深浅，地应力小，煤体结构好，现今地应力状态为大地动力场型，压裂缝以水平缝为主，利于裂缝在煤储层中延伸，煤层气开发条件更有利。针对织金区块高阶煤煤层气地质特点，综合富集高产主控因素的研究，明确珠藏-阿弓-三塘次向斜为研究区煤层气勘探有利区。

c.对于南方多煤层，构造是影响其富集高产的关键因素，尤其威宁—紫云断裂的影响至关重要，受威宁—紫云断裂影响较小的NE向含煤向斜煤层气勘探潜力优于NW向含煤向斜，寻找构造宽缓、埋深适中，远离威宁—紫云断裂的NE向含煤向斜是下步煤层气勘探的方向。