彬長(zhǎng)礦區(qū)的沉積相對(duì)煤層氣直井施工質(zhì)量影響

邵 凱 李來(lái)新 馬東民 王東東 張治倉(cāng) 王 謙

(1.陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司,陜西 710119;2.陜西彬長(zhǎng)新泰能源有限公司，陜西 715300；3.西安科技大學(xué)，陜西 710054；4.山東科技大學(xué)，山東 266590)

1 概況

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于陜西省咸陽(yáng)市的長(zhǎng)武縣和彬州市境內(nèi)(圖1)，屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的西南緣，構(gòu)造格架為一波狀起伏的單斜構(gòu)造,主體構(gòu)造為師家店向斜，地層傾角較小，一般3°～5°，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育小型斷層，斷層落差以5m以下為主，構(gòu)造總體較為簡(jiǎn)單,地層的發(fā)育主要受原始沉積作用影響。研究區(qū)的煤炭資源豐富，煤炭資源儲(chǔ)量達(dá)50億t，煤層氣的儲(chǔ)量亦相當(dāng)可觀，約為73億m3。自2009年至今，由陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司主導(dǎo)共實(shí)施煤層氣井(組)70余口，單井的最高產(chǎn)氣量為30323.78m3/天(水平井)，直井最高達(dá)3043m3/天，日總產(chǎn)氣量為5萬(wàn)m3左右。

圖1 研究區(qū)位置圖

該區(qū)域內(nèi)煤層氣工程的實(shí)施能對(duì)于西北地區(qū)白堊系低煤階地區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)起到一定的推進(jìn)作用。但是在煤層氣直井施工過(guò)程中，遇到的鉆井井身質(zhì)量問(wèn)題、固井質(zhì)量問(wèn)題、壓裂施工中壓裂效果不理想的問(wèn)題，較為嚴(yán)重的影響了煤層氣井的工程質(zhì)量和后續(xù)的煤層氣生產(chǎn)，出現(xiàn)了部分直井產(chǎn)氣量較低的情況。探討該地區(qū)煤層氣井的施工過(guò)程和地質(zhì)條件的關(guān)系，成為該地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)亟待解決的問(wèn)題。鑒于區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較為穩(wěn)定，本次研究以分析沉積相對(duì)煤層氣直井的施工質(zhì)量影響為主要研究對(duì)象。

2 沉積相類型及地層分析

煤層氣井的鉆遇地層從下到上依次為：三疊系胡家村組，侏羅系安定組，直羅組，延安組，富縣組，白堊系洛河組，宜君組。根據(jù)鉆遇過(guò)程的地質(zhì)、錄井、測(cè)井、巖心等資料(圖2)，以及前人對(duì)該地區(qū)的地層與沉積相分析，總結(jié)出彬長(zhǎng)礦區(qū)的巖性特征及沉積相的如下(圖3)：

上三疊統(tǒng)胡家村組：巖性為灰～深灰色泥巖、粉砂巖夾灰綠色中厚層狀中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，煤層氣直井的鉆孔多未見(jiàn)底，地層上為富縣組的晚期，此時(shí)盆地的活動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，砂巖的分選好，膠結(jié)致密，在本地區(qū)水平層理及波狀層理較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為三角洲沉積相的三角洲前緣沉積亞相。

下侏羅統(tǒng)富縣組：巖性為灰～灰綠色及紫雜色泥巖，粉砂巖，含鋁質(zhì)，松軟，厚度平均10m左右，具有水平層理，底部常含三疊系砂質(zhì)泥巖角礫，與下伏三疊系不整合接觸。屬曲流河沉積相，河漫灘沉積微相在區(qū)域內(nèi)較為常見(jiàn)。

圖2 彬長(zhǎng)礦區(qū)侏羅-白堊系沉積相綜合柱圖

圖3 (a)4號(hào)煤層段；(b)4-1號(hào)煤層段及煤層段上部的砂巖段(平行層理,波狀發(fā)育發(fā)育)；(c)洛河組的沖積扇沉積相和辮狀河沉積相；(d)洛河組中的石膏段

中侏羅統(tǒng)延安組：為本區(qū)主要的煤和煤層氣富集地層。巖性下部為灰褐色鋁土質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖，團(tuán)塊狀，含黃鐵礦、菱鐵礦鮞粒及植物根系化石，構(gòu)成4號(hào)煤層底板，其上為巨厚煤層，編號(hào)4煤層(見(jiàn)圖3a)，4煤層上為淺灰～深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，具水平層理，富含植物化石；含局部可采煤層3層，編號(hào)4上、4上-1、4上-2煤(見(jiàn)圖3b)，平均厚度80m左右。上部的巖性為灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾炭質(zhì)泥巖，底部為一層較厚的砂巖與下段為界，頂部呈現(xiàn)紫雜色。局部地段含煤1層，編號(hào)3煤。與下伏富縣組呈整合接觸。主要為三角洲沉積相，其中煤層主要發(fā)育在三角洲平原上，當(dāng)時(shí)盆地的構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，外界碎屑物影響較小，溫暖潮濕的氣候有利于當(dāng)時(shí)的成煤植物，主要為蕨類植物和裸子植物的生長(zhǎng)，在三角洲平原的分流間灣環(huán)境中,泥炭堆積速率與可容空間的增長(zhǎng)速率相平衡,促成了彬長(zhǎng)礦區(qū)的厚煤層的形成。

中侏羅統(tǒng)直羅組：上部為紫紅色的，紫灰色的砂質(zhì)泥巖，夾雜紫灰色的細(xì)類砂巖；下部為灰白色的細(xì)粒砂巖為主，夾雜紫灰色的砂質(zhì)泥巖，平均28m，與延安組不整合接觸。沉積物具有正韻律特征和泥包砂沉積特征，可以識(shí)別出“二元結(jié)構(gòu)”(圖3)，發(fā)育交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理，為曲流河沉積，河道和天然堤交替發(fā)育。

中侏羅統(tǒng)安定組：巖性為紫紅色、棕紅色砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖夾淺青灰色的砂質(zhì)泥巖，青灰色中砂巖，平均80m，與直羅組呈假整合接觸?？梢宰R(shí)別出兩個(gè)正旋回，分別對(duì)應(yīng)兩套三角洲沉積相，均發(fā)育三角洲前緣和前三角洲沉積相。

下白堊統(tǒng)宜君組：巖性為紫灰色、淺紫紅色巨厚層狀中-粗礫巖夾含礫粗砂巖透鏡體。礫石成分主要為花崗巖、片麻巖為主，分選差，次圓狀，平均厚度為20m，與下伏安定組為不整合接觸。以沖積扇沉積為主，部分鉆孔可以識(shí)別出完成的扇根、扇中、扇緣亞相。

下白堊統(tǒng)洛河組：頂部為紫紅色中粒長(zhǎng)石砂巖夾粗礫巖，上部以紫紅-淺棕紅色粗礫巖為主，夾雜雜色的粉砂巖，泥巖，一般厚60～80m，呈現(xiàn)辮狀河“砂包泥”的特征，為典型辮狀河沉積相。下部為棕紅色細(xì)—中粒長(zhǎng)石石英砂巖，長(zhǎng)石砂巖夾中厚層狀中-粗粒巖及暗棕色薄層泥巖，巖性的分選較差，混雜礫巖，呈疊瓦狀。一般厚70～100m。是區(qū)內(nèi)主要含水層，具大型交錯(cuò)層理，礫巖分選性差，與下伏宜君組為整合接觸。下部巖性的粒序表現(xiàn)為明顯的從粗到細(xì)的扇三角洲沉積(見(jiàn)圖3c、d)。

3 沉積相對(duì)施工質(zhì)量的影響分析

煤層氣的鉆井施工主要分為鉆井、測(cè)井、固井、壓裂等工序，以往的施工數(shù)據(jù)顯示，煤層氣直井中存在的問(wèn)題主要為鉆井質(zhì)量、固井質(zhì)量和壓裂施工工程質(zhì)量問(wèn)題。

3.1 鉆井質(zhì)量

煤層氣鉆井對(duì)井身質(zhì)量要求較高，對(duì)井斜、井徑擴(kuò)大率、全角變化率等有嚴(yán)格的規(guī)定。

卡鉆問(wèn)題：彬長(zhǎng)礦區(qū)的煤層氣直井卡鉆主要層位在洛河組。從沉積環(huán)境分析，該段屬于辮狀河、沖積扇和扇三角洲沉積(見(jiàn)圖2，圖3c)；其沉積物結(jié)構(gòu)松散，沉積構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致鉆井液失水，形成較厚的泥餅，造成井眼縮徑導(dǎo)致卡鉆。同時(shí)洛河組中有黏土類礦物，特別是石膏段發(fā)育(圖3d)，該類型的礦物具有遇水膨脹的特性，也會(huì)導(dǎo)致在鉆井過(guò)程中造成縮徑導(dǎo)致卡鉆。鉆遇到該段時(shí)間，應(yīng)當(dāng)調(diào)整鉆井液性能，控制鉆井液的失水量，優(yōu)化鉆井參數(shù)等辦法。

井斜問(wèn)題：煤層氣井的井斜會(huì)影響到后續(xù)的固井、壓裂、排采等環(huán)節(jié)，井斜嚴(yán)重的井無(wú)法進(jìn)行后續(xù)施工。地質(zhì)原因是引起井斜的一個(gè)重要原因，研究區(qū)的地層受到印支運(yùn)動(dòng)，燕山期運(yùn)動(dòng)的影響，在區(qū)域上有3個(gè)不整合面，分別為宜君組與安定組之間，安定組與延安組之間，富縣組與胡家村組之間。不整合面的上下巖層的巖性、地層傾角、層狀結(jié)構(gòu)等會(huì)發(fā)生變化，如白堊系的宜君組和下伏的侏羅系的安定組之間存在不整合面，巖性上從礫巖到泥質(zhì)粉砂巖的變化，地層傾角也發(fā)生變化，會(huì)引起井斜問(wèn)題。

3.2 固井質(zhì)量

較為容易出現(xiàn)固井質(zhì)量問(wèn)題的層位除了煤層段漏失外，主要集中在洛河組中下部，宜君組以及安定組的中部和下部，直羅組的下部。洛河組的中下部和宜君組在研究區(qū)的沉積相主要為沖積扇沉積，在本地區(qū)主要為一套厚層的礫巖，有沖積扇典型的篩狀沉積，孔隙度較大,透水性較好。安定組的中部和下部主要為三角洲平原沉積相中的分流河道微相上；該沉積相在直羅組的下部也有發(fā)育(見(jiàn)圖2)。分流河道的在巖性在研究區(qū)以中砂巖沉積為主，部分地區(qū)夾雜粗砂巖和細(xì)砂巖互層，膠結(jié)較為松散，孔隙較為發(fā)育。

反映在固井施工中，煤層段、沖積扇的沉積物以及河道沉積物在膠結(jié)性、失水性、滲透性、裂隙發(fā)育等方面與其他沉積相有較大差異。這些性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致固井水泥漿中的水分更容易滲透入巖層或煤層段，水泥難以充分水化，進(jìn)而導(dǎo)致水泥膠結(jié)不好或者環(huán)空的現(xiàn)象，影響固井質(zhì)量。在施工中應(yīng)該注意在這些層位的固井水泥和沉積相特征的配伍，或者采用變密度固井的辦法，從而提高固井質(zhì)量。

相比鉆井而言，不僅在沖積扇，辮狀河，扇三角洲沉積相上會(huì)出現(xiàn)固井問(wèn)題，在三角洲沉積體系的分流河道段也會(huì)出現(xiàn)固井問(wèn)題，主要原因是由于固井時(shí)的水泥漿壓力(一般為8～10MPa)，水泥漿密度較之鉆井液的壓力和密度更大，更容易失水，產(chǎn)生微裂隙,導(dǎo)致水泥漿回返不及時(shí)，污染煤儲(chǔ)層和影響固井質(zhì)量。

3.3 壓裂施工工程質(zhì)量

煤層氣壓裂的目的在于盡可能形成較長(zhǎng)的裂縫，增加煤層氣的解析面積。在同等的水力壓裂施工設(shè)備和強(qiáng)度下，含煤段的沉積相變化會(huì)導(dǎo)致壓裂施工的裂縫分布不同。

下面以本地區(qū)的兩口煤層氣井DFS-74井和DFS-153井水力壓裂為例進(jìn)行說(shuō)明(圖4)。研究區(qū)的煤層主要發(fā)育在延安組的三角洲沉積的間灣沼澤環(huán)境，在一些較為穩(wěn)定的地區(qū)，沼澤環(huán)境受分流河道的影響較小，為厚煤層聚集提供良好的堆積場(chǎng)所。但是曲流河三角洲的發(fā)育容易受到河流作用控制，致使分流河道和河口壩較為發(fā)育，對(duì)煤層的厚度和煤體結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞性影響。

圖4 大佛寺礦區(qū)煤層氣段沉積對(duì)壓裂效果影響分析圖

DFS-74井附近的成煤沉積環(huán)境更為穩(wěn)定，煤層段發(fā)育較要好于DFS-153井區(qū)域的煤層。對(duì)于壓裂施工而言，煤層的楊氏模量，抗剪強(qiáng)度比砂巖和泥巖低，在煤層氣井的水力壓裂中更容易形成較寬的裂縫在水平上進(jìn)行延伸。因此DFS-74井的壓裂效果更為明顯，左右裂縫分支均比DFS-153井的裂縫更長(zhǎng)。

從目前的排采情況來(lái)看，DFS-74井擁有較長(zhǎng)的壓裂縫隙和更穩(wěn)定的煤層沉積，其產(chǎn)氣量為630m3/d，要明顯高于DFS-153井的130m3/d，驗(yàn)證了沉積相的分布對(duì)煤層氣井賦存以及壓裂效果的影響。表明沉積相分析是后續(xù)壓裂工作中需要重點(diǎn)考慮的因素，需要依據(jù)沉積相中的巖性特征和結(jié)構(gòu)變化選區(qū)適當(dāng)?shù)膲毫褏?shù)，如上述153井應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮增加非煤層段的射孔或者增大壓裂的強(qiáng)度，從而保證壓裂縫隙的延長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層氣井鉆遇地層為陸相沉積環(huán)境，有辮狀河、曲流河、曲流河三角洲、沖積扇、扇三角洲、湖泊6種沉積相，煤層主要形成于曲流河三角洲的分流間灣相。

(2)鉆遇地層的沉積相(如巖相、厚度、結(jié)構(gòu)變化、粒序特征以及成巖作用等)均會(huì)對(duì)煤層氣鉆井的井斜、井徑、固井等井身質(zhì)量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響煤層氣井的壓裂效果和產(chǎn)氣能力。

(3)沉積相為沖積扇、辮狀河、扇三角洲沉積相的層位較容易發(fā)生鉆井液漏失以及黏土礦物發(fā)育的層位易導(dǎo)致卡鉆問(wèn)題；地層的不整合處較容易產(chǎn)生井斜問(wèn)題；固井段的問(wèn)題多集中在煤層段、河流相和沖積扇相、三角洲的分流河道微相發(fā)育的層位；煤層段以及上下巖層沉積相特征會(huì)影響到煤層氣的富集以及壓裂效果。