鄂爾多斯盆地東緣煤層氣資源潛力分析

鄂爾多斯盆地是中國最富有的盆地。盆地東緣的行政區域屬于內蒙古、陜西和山西省。它從北到內蒙古準格爾市，南到陜西省銅川縣漢江市，西起陜西省神木縣-佳縣-宜川縣，東起盆地邊界。主體沿黃河向南分布，南北長560公里，東西寬50100公里，面積約8.14公里。中國石油天然氣股份有限公司(以下簡稱中國石油)在鄂爾多斯盆地可供煤層氣勘探開發的區塊總面積約8.8×104km2,利于煤層氣勘探開發的區域主要集中在盆地的東緣,由南向北分為渭北、臨汾、呂梁3大含氣區塊,其中煤層埋深在1500m以淺的煤層氣地質資源量約9×1012m3。1天然氣勘探開發取得歷史性進展鄂爾多斯盆地東緣(以下簡稱盆地東緣)一直是煤層氣勘探的活躍區(圖1),煤層氣勘探始于20世紀80年代,國內外一些公司和研究機構在該區進行了煤田和少量的煤層氣勘探開發工作,累計煤田鉆孔千余口,二維地震近1000km,煤層氣鉆井100余口,排采試驗井組6個,這些井(組)不同程度地獲得過工業氣流(除宮1井組外,其他都封井停排)。其中,中聯煤層氣有限責任公司在陜西省韓城地區提交了新增煤層氣探明儲量50.78×108m3,探明含氣面積41.7km2,并實施完成11口井的地面集輸工程建設,自2007年10月向韓城市供氣,供氣規模為1×104m3/d。但總的來說,該區的煤層氣勘探開發規模小,未能取得突破性進展,煤層氣工業的發展長期處于徘徊狀態。2008年9月,中石油煤層氣有限責任公司(以下簡稱煤層氣公司)正式成立。與此同時,中國石油天然氣集團公司將煤層氣業務列為主營業務的重要組成部分和戰略發展的經濟增長點,中國石油煤層氣的發展進入了新的歷史階段。鄂爾多斯盆地東緣作為“十一五”和“十二五”期間煤層氣勘探開發的重點區域,在中國石油天然氣集團公司的高度重視和大力支持下,煤層氣公司進行了大規模有序的勘探開發。在短短一年多的時間里,完成二維地震近2200km,完成探井、評價井、生產井300余口;煤層氣的勘探開發取得了歷史性突破,煤層氣單井產量穩步提高,渭北開發區的叢式井、呂梁區塊的水平井成功實施,效果顯著;初步形成了針對煙煤(中煤階)煤層氣勘探開發技術系列;提交規模新增煤層氣基本探明儲量并啟動了規模產能建設。2天然氣的基本地質特征2.1盆地東緣地區內地層、工區地層分布和沉積鄂爾多斯盆地東緣區域構造位于盆地東部的晉西撓褶帶和盆地南部渭北隆起的東段,以及盆地北部伊盟隆起的東段。工區總體構造為一向西、西北緩傾的大型單斜構造,單斜背景上發育輕微的北東向或北北東向褶皺,斷層發育相對少且規模小,向南在澄城—合陽一帶地層整體向北傾,地層傾角一般為3°~10°。這種相對簡單的單斜構造有利于煤層氣的勘探開發。同時,由于工區處于盆地邊緣,其構造變形強于盆地腹部,使得盆地東緣局部地區如石樓南、薛峰、銅川等地區大中型斷層和斷層伴生的局部構造較發育,對其煤層氣保存條件的研究極為重要。鄂爾多斯盆地東緣地層為典型的華北地區地層,從老到新有太古界、元古界、下古生界中上寒武統、中下奧陶統,上古生界中石炭統和二疊系,中生界中下三疊統和新生界古近系、新近系及第四系。含煤系地層主要集中在石炭—二疊系,并且含煤系地層大面積保存完整,為煤層氣生成和富集奠定了良好的物質基礎。2.2可采煤層厚度鄂爾多斯盆地東部上古生界石炭系—二疊系煤系地層十分發育,煤層層數多,分布較穩定,煤層集中發育在太原組和山西組。太原組的煤屬于海陸交互相沉積環境,為潮坪及三角洲沉積體系,發育煤4~8層,主要可采煤層2~4層,可采煤層總厚度為3~40m;山西組的煤以陸相、海陸過渡相沉積為主,主要是淺水三角洲、潟湖—海灣沉積體系,煤3~9層,主要可采煤層有1~3層,可采煤層總厚度為4~15m。鄂爾多斯盆地東緣可供煤層氣勘探的主力煤層有2~3層,主力煤層厚度較大,分布較穩定,總體呈現“北厚南薄”的趨勢,北部的準格爾地區主力煤層累計厚度一般為10~40m,保德地區一般為10~25m,向南到石樓地區煤層厚度減薄為4~8m,再向南到大寧吉縣地區煤層又有增厚的趨勢,主力煤層累計厚度為5~16m,南部韓城區塊主力煤層累計厚度為3~14m。并且煤層埋藏深度從東到西由淺變深,主力煤層埋深大多淺于1500m,有利于煤層氣的勘探開發。2.3特征：儲層2.3.1煤的鏡質體反射率及煤階構成工區內主力煤層大部分的煤質、煤體結構較好。宏觀煤巖煤質是以半暗煤、半亮煤為主,暗煤次之。煤體結構以塊煤為主,碎塊煤次之,粉煤少許。主力煤層的煤巖變質程度具有自北向南、自東向西逐漸增高的特點,煤階主要從長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤到貧煤。北部的準格爾地區主力煤層的煤鏡質體反射率為0.5%~0.6%,主要為長焰煤;保德井區主力煤層的煤鏡質體反射率為0.8%左右,主要為氣煤;三交井區主力煤層的煤鏡質體反射率為1.2%左右,主要是肥焦煤;中南部臨汾區塊煤階較豐富,主力煤層的鏡質體反射率為1.2%~2.2%,平面上,由東向西煤巖變質程度增高,煤階依次由肥煤—焦煤—瘦煤—貧煤過渡,鏡質體反射率在1.2%~2.2%之間;南部韓城地區主力煤層鏡質體反射率介于1.7%~2.2%,為瘦煤和貧煤。因此,從主力煤層的鏡質體反射率來看,鄂爾多斯盆地東緣主要是中煤階分布范圍,是實施中煤階煤層氣大井組勘探的理想地區。2.3.2煤層裂隙密度煤礦和煤層氣探井取心顯示,區內大部分主力煤層割理的裂隙較發育,部分煤層的割理中見有方解石充填。面割理的裂隙面較為平整,多為平直狀,連續性較好;端割理面的平整程度較差,常為階梯狀或不平坦狀,連續性較差。區內主煤層割理走向大致相似,一組走向為NE—SW,另一組則介于SEE—NWW與SE—NW之間。內生裂隙密度為10~30條/5cm不等。面割理切割端割理,二者形成連通網絡,構成了煤層氣運移的良好通道。2.3.3煤的滲透率分析探井試井成果表明,該區煤層的滲透性比較好,有利于氣體的滲流。北部的保德井區煤儲層滲透率高,主力煤層的儲層滲透率介于0.3~12mD,一般為2.5~8mD之間;臨汾區塊兩套主煤層的滲透率值在0.04~42.86mD;韓城井區主力煤層的滲透率為0.22~3.50mD。鄂爾多斯盆地東緣煤層的滲透率普遍比沁水盆地的煤層滲透率高。煤層滲透率高低變化較大,其分布特點是:①背斜構造軸部煤層滲透率高:②埋藏淺的煤層滲透性好;③斷裂構造附近煤層滲透性優越。各區塊的煤層氣探井的實際排采結果證實:該區煤儲層的滲透性較好。2.3.4煤層含氣量分析對各探區煤層氣井主力煤層的含氣量資料統計分析結果表明,工區內主力煤層含氣性較好,大部分地區主力煤層具有中、高含氣量的特點。主力煤層含氣量為4~20.87m3/t(接近東部的甲烷風化帶或斷層帶含氣量低于4m3/t),無論是山西組還是太原組煤層含氣量,總體上都呈現由東向西逐漸增大的趨勢,縱向上含氣量隨埋深的增加而遞增。由北向南呈現出“低—高—中等”的變化趨勢。在北部的準格爾區塊主力煤層含氣量不超過3m3/t;呂梁區塊保德井區主力煤層含氣量為4~13m3/t;太原組和山西組煤層含氣量超過12m3/t的煤層富氣區主要分布在鄂爾多斯盆地東緣中部臨汾區塊午城—窯渠一帶以及渭北區塊韓城南井區的港聯1井—韓試2井一帶及以西地區;在合陽井區煤層含氣量為4~12m3/t。總之,大部分地區較高的煤層含氣量證明:鄂爾多斯盆地東緣煤層的含氣性較好,成藏和富集條件較為優越。2.3.5煤儲層壓力梯度試井和等溫吸附測試資料表明,工區內煤儲層的壓力屬于正常—微欠壓狀態,一般主力煤儲層壓力梯度為0.5~0.9MPa/100m,呂梁區塊三交井區主力煤儲層壓力梯度較高,介于0.7~0.9MPa/100m;煤層解吸壓力為1.7~4.0MPa,煤儲層總體吸附能力較強—中等—偏低,煤層含氣飽和度為55%~86%。總體來說,鄂爾多斯盆地東緣的煤層具有中等—較好的產氣能力和氣體的可采性,實際煤層氣的排采結果也基本證明了這一點。3富集區優選評價參數決定煤層氣富集高產的基本地質因素主要有煤儲層基本地質條件及煤儲層的含氣性及可采性參數。考慮工區內煤層大都屬于中低煤階的實際情況,富集區優選主要參考的評價參數如表1所示。依據表1中的參數,結合煤層氣勘探程度和勘探開發成果,鄂爾多斯盆地東緣由南向北優選出以下4大煤層氣富集區。3.1礦區地質概況渭北區塊5#煤層埋藏在1000m以淺的煤層氣富集區分布在韓城北井區和韓城南—合陽井區,面積約800km2;11#煤層埋藏在1000m以淺的煤層氣富集區分布在韓城南—韓城北井區,面積約600km2。渭北區塊1000m以淺的煤層氣富集區已控制規模煤層氣地質儲量。該區鉆井及地震反演成果揭示主力煤層發育,煤體結構以塊煤為主,碎粒煤和粉煤次之,煤層分布較穩定,5#煤層厚3~9.9m;11#煤層3.8~10.4m;煤層含氣量中—高,5#煤層、11#煤層含氣量分別為8~14m3/t和6~14m3/t。煤儲層滲透率和含氣飽和度較高,具較強的產氣能力;煤層頂板主要為分布穩定的厚層泥巖,因而封蓋條件好,水文地質條件簡單,有利于氣體富集和保存。該區勘探程度高,區內東部是目前重點開發區。渭北區塊韓城南井區已上交一定規模的新增煤層氣基本探明地質儲量,是渭北區塊現實的重點開發建產區。3.2煤巖地質特征該區位于臨汾區塊中部的薛關逆斷層上盤,5#煤層氣勘探有利面積為800km2,控制煤層氣儲量為755×108m3;8#煤層氣勘探有利面積為900km2,控制煤層氣儲量為850×108m3。午城—窯渠井區已控制煤層氣規模地質儲量。該區5#主力煤層單層厚度為5~8.1m,8#煤層單層厚度為5~9.3m;煤層埋深介于800~1100m。其煤巖煤質好,兩層煤均具有高鏡質組含量、低灰分的特征,兩主力煤層為焦煤和瘦煤。煤層含氣量較高,5#煤層含氣量介于12.54~20.87m3/t,8#煤層含氣量介于9.03~20.22m3/t。該區處在背斜構造高部位和斜坡區,水動力弱徑流區。5#煤層頂板主要為泥巖,8#煤層頂板主要為石灰巖,對煤層氣藏具有較強的封蓋能力,有利于煤層氣的保存。該區在臨汾區塊內煤層氣勘探程度最高,已有多口井獲得工業氣流,宮1井組目前正常排采。該區南部已提交一定規模的新增煤層氣基本探明地質儲量。3.3煤巖煤質特征該區位于呂梁區塊中部,面積約580km2。三交井區已提交規模新增煤層氣基本探明地質儲量。該區4#/5#主力煤層單層厚度為5~9m,8#/9#煤層單層厚度為5~8m;煤層埋深為300~800m。其煤巖煤質好,兩層煤均具有高鏡質組含量、低灰分的特征,兩主力煤層為肥煤和焦煤。煤層含氣量較高,5#煤層含氣量介于4~14m3/t,8#煤層含氣量介于4~13m3/t。地震勘探成果證實該區構造相對簡單,整體表現為向西緩傾的斜坡,斜坡背景上發育一些小規模的斷層和褶皺。斷層以正斷層為主,斷層斷距小,平面延伸短。處于水動力弱徑流區。煤層頂板沉積較穩定,5#煤層頂板主要為泥巖,8#煤層頂板主要為石灰巖,對煤層氣藏具有較強的封蓋能力,有利于煤層氣的保存。該區煤田和煤層氣勘探程度高,早期的磧口和三交井組排采已獲得工業氣流;該區羽狀多分支水平井成功實施,目前新井排采正常,單井產量獲得重大突破,并呈穩步上升趨勢。3.4煤層地質儲量特征該區位于呂梁區塊保德井區東北部—神府井區東部一帶,4#/5#主力煤層勘探有利面積約700km2;8#/9#煤層勘探有利面積為600km2;保德—神府井區煤層氣富集區已預測和控制了煤層氣規模地質儲量。`該區4#/5#煤層單層厚度為5~10m,8#/9#煤層單層厚度為5~14.1m;煤層埋深介于300~800m。其煤巖煤質好,兩層煤均具有高鏡質組含量、低灰分的特征,主力煤層以氣煤為主。4#/5#煤層厚7~12m,含氣量介于4~10m3/t;8#/9#煤層厚9~12.5m,含氣量在介于4~12m3/t。煤層滲透率高,為0.3~5.1mD。主力煤層埋深介于300~1000m。該區煤層氣勘探程度高,保德井組排采已證實具有較高的煤層氣產能。4油氣勘探和開發的歷史推進4.1提交基本探明儲量,初步提交氣藏水氣經過2008年,尤其是2009年系統的勘探評價,獲取了煤層氣各項參數,2009年底煤層氣公司提交鄂東氣田新增煤層氣規模基本探明儲量,所提交的探明儲量是2008年底全國探明煤層氣儲量的總和。這是中國石油天然氣集團公司勘探決策、部署、實施整體實力的體現,也是我國第一個整裝、快速、高效探明大型煤層氣田的典范。規模探明儲量的提交,標志著鄂爾多斯盆地東緣已具備商業開發的儲量基礎。4.2#煤層氣藏煤體研究前期的研究成果認為:韓城地區的11#煤層主要是構造煤且煤層上下都有含水性很強的石灰巖,煤層氣鉆井開發工程難度大,儲量難以動用。煤層氣公司針對11#煤層的煤體結構、煤巖力學特征等和煤層氣鉆井開發工程等系列問題進行了攻關研究,發現11#煤層在韓城南區塊非常發育,煤層厚,分布穩定,一般厚度在5~10m,而且11#煤層上下段存在結構差異,上段為塊煤結構,具有一定硬度,適宜開發,并成功地解決了石灰巖水層的鉆井工程問題。通過多口井針對11#煤層的排采,單井產量獲得了重大突破,證實了11#煤層的產能高。由此,改變了以往渭北區塊開發僅以3#和5#煤層為主要開發目的層的局面,11#煤層成為渭北區塊的主力煤層氣開發層之一。4.3厚煤帶+塊煤帶以往在渭北區塊開發區,5#煤層厚度不大,一般為2.5~4.5m。新的勘探成果表明:在以WLC08井為中心,存在一個5#煤層的厚煤帶,最厚可以達到9.9m,而且煤質較好,為塊煤;針對5#煤層的排采也證實了煤層有較高產能,由此對5#煤層開發潛力做了重新評價,改變了長期以來5#煤層厚度相對較薄、分布不穩定的認識,顯示出渭北區塊5#煤層較大的開發潛力。4.4他總結并創新了一系列基于油氣的創新理論和技術4.4.1確定高產層位,優化層位煤層氣公司總結和創新了煤層氣系列勘探開發理論,取得了階段性的勘探開發成果。1)運用煤巖學宏、微觀特征分析、測井綜合分析等方法,對煤巖特征、煤體結構,煤儲層物性等進行綜合評價,優選高產層位。這些理論與技術創新有效的指導了渭北地區的勘探開發工作,重新評價韓城地區11#煤層的開發潛力,優選出高產層段,充分發揮11#煤層的產氣潛能。2)形成了以優勢滲流帶理論、排采動態規律為指導,壓力控制、煤粉管理技術為核心的合理排采工作制度,對渭北開發區的叢式井、直井和三交井區羽狀水平井單井產量的顯著提高和重大突破起到了重要作用。3)建立了以井型、井網優選、排采層系組合為主導,配套適宜排采設備為支撐的高效開發模式,為開發方案設計、獲得煤層氣叢式井排采技術成功和單井產能重大突破以及確立主體開發工藝奠定了理論和技術基礎。4.4.2工程技術研究工程技術的進步對提高煤層氣勘探開發成效有著重要的作用,煤層氣公司成立以來,及時應用、研發和總結了煤層氣勘探開發各個環節的生產技術和工藝,初步形成了適合鄂爾多斯盆地東緣不同煤層氣地質條件下的勘探開發工程技術系列。1)針對鄂東氣田煤層地質特征,研發和實施了各種井型,通過不斷地總結和完善,掌握了煤層氣直井、叢式井、對接水平井(近端對接水平井、遠端對接水平井)、單分支水平井、多分支水平井的鉆、完井技術。這些井型在渭北區塊韓城井區、臨汾區塊、呂梁區塊的三交和保德井區均成功實施,勘探開發效益顯著。下一步可以根據地質情況進行井型組合,以獲取更高的經濟效益。2)針對煤儲層低滲透特征,開展了以提高單井產量為目的的儲層改造技術,包括活性水壓裂液、光套管壓裂技術、射流分層壓裂工藝、一趟管柱分層壓裂工藝;積極創新了排采管理制度和工藝,初步建立了適應低壓、低產煤層氣田生產自動數據采集和遠程數據傳輸系統。5成藏地質條件鄂爾多斯盆地煤層氣的勘探開發實踐證實,盆地東緣煤層氣成藏地質條件優越,具有較好的煤層氣勘探開發條件和可采性及形成大型煤層氣田的條件。煤層氣資源豐富,具有廣闊的勘探開發領域和商業化產氣能力以及產業化發展的良好前景。5.1淺/淺煤氣地質儲量鄂爾多斯盆地煤層氣資源雄厚,盆地東緣煤層埋深在1500m以淺的煤層氣地質儲量為5.72×1012m3,目前探明和基本探明煤層氣儲量僅占總資源量(1500m以淺)的2%左右,煤層氣資源探明率、轉化率極低。因此,勘探開發前景廣闊,預探意義極大。5.2氣氣相帶分布鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探程度較低且勘探程度不均,在逾8×104km2的煤層氣勘查范圍內,僅實施二維地震不到4000km,并且主要分布在韓城、大寧—吉縣、三交3個重點區塊,煤層氣探井和評價井不到200口(截至2009年底),平均為0.025口/km2;現工區內基本查明的煤層氣4大富集區面積不到3000km2,僅占煤層氣勘查范圍的3.8%;廣大區域煤層氣的勘探程度很低,甚至是地震和鉆探的空白區。而區域沉積相帶研究結果表明,這些勘探空白區處于煤層發育的有利相帶。因此,可供煤層氣勘探開發的空間極為廣闊。5.3控制煤層氣地質儲量4大煤層氣富集區(渭北區塊、臨汾區塊午城—窯渠井區、