深层倾斜风化煤层特征及其对煤层气开发的影响
——以河北大城区块南部为例

张鹏豹 肖宇航 朱庆忠 刘 忠 陈彦君韩 峰 吕帅锋 刘振兴 关小曲 周 智

1.中国石油华北油田公司勘探开发研究院 2.中国石油天然气集团有限公司煤层气开采先导试验基地3.中国地质大学（武汉）资源学院

0 引言

自20世纪80年代中期开始，我国煤层气产业的发展至今已近40年。目前已基本实现埋深1 000 m以浅煤层气资源的商业化开发，针对高产区的评价方法和开发对策已初步建立[1-3]。然而作为国内煤层气产业规模发展重要基础和接替的深层煤层气资源（埋深1 000～3 000 m），至今仍处于勘探开发试验阶段[4-8]。伴随埋深的增加，地温、地应力和地下流体压力的增大，化学场、生物场的改变，煤层的力学性质、孔裂特征和导流能力都会发生巨大变化，使其明显区别于浅层煤层（小于等于1 000 m）；同时煤层气的主要赋存状态、吸附/解吸、扩散以及渗流特性也会与浅层煤层气相异[9-12]，致使深层煤层气的富集规律，产出要素及煤层增产改造等都具有一定的特殊性，不能简单借用浅层煤层气勘探开发理论和技术[13-15]。因而亟需探索和明确深层煤层气（大于1 000 m）勘探开发的方向和关键评价地质要素，以实现深层煤层气资源的高效动用。

以河北大城区块南部受风化作用影响的深层煤层气开发有利区的成功识别，和区内2 000 m埋深煤层日产万立方米天然气的突破为依托，深入分析了倾斜煤层物性与含气性垂向变化规律，分析不同埋深试验井压裂试采效果，提出了大城区块南部深层煤层气勘探开发有利区模式，明确了该区深层煤层气勘探开发方向，进而系统总结了风化作用对深层煤层气勘探开发的意义，丰富了深层煤层气勘探开发经验和认识，为其他深层煤层气区块勘探开发提供借鉴。

1 区域地质概况

大城区块位于廊坊市大城县与天津市静海县两县交界处。其西侧及以南以第三系尖灭线为界与文安斜坡、杨村斜坡接壤，东南侧以大城东断层、静海断层为界与里坦凹陷相邻，东北侧以石炭系—二叠系地层剥蚀尖灭线为界，整体呈北东走向，西北倾向的单斜构造，地层倾角介于6°～11°。近东西走向的里澜断层将区块一分为二，其中南段二叠系山西组地层顶界埋深介于1 000～3 000 m，而北段山西组地层顶界埋深基本都大于3 000 m（图1）。受多期次构造运动影响，区内三叠系及其下伏古生界地层因差异升降、断裂和剥蚀，石炭系—二叠系地层在新近纪之前于东南侧出露地表，导致倾斜煤层及其内部由浅入深遭受了不同程度的风化作用影响；始新世晚期之后，区域构造运动以坳陷沉降为主，随古近纪、新近纪、第四纪地层覆盖和埋深增大，煤系地层不再遭受风化作用影响。石炭系—二叠系煤层虽然至今仍未达到二次生气门限，但煤层气富集及保存条件已经基本形成（图2）。

图1 大城区块构造位置与区内石炭系太原组六煤组底构造图

图2 大城区块及毗邻地区A-A'构造剖面图

区内石炭系—二叠系地层纵向上发育16层煤层，被划分为6套煤组，由上至下分别为二叠系山西组的一、二、三煤组，和石炭系太原组的四、五、六煤组。其中三、六煤组煤层总厚最大，而且分布稳定，是煤层气勘探开发的主力目标煤组。三煤组地层厚度28 ～40 m，由2～5层单煤层组成，煤层总厚度介于3.5～12.5 m，平均厚6.0 m，埋深介于1 000～2 300 m。六煤组地层厚度64 ～73 m，由1～3层单煤层组成，煤层总厚度2.0 ～10.0 m，平均厚6.5 m，埋深介于1 200～2 500 m。前者的顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，后者的顶底板岩性以泥岩、碳质泥岩为主，两者封盖条件良好（图3）。受石炭系—二叠系地层底部泥岩、铝土质泥岩和下石盒子顶“桃花泥岩”隔水限制，石炭系—二叠系水动力系统与奥陶系水动力系统及上第三系水动力系统缺少水力联系，其内部地下水主要为NaHCO3型，钠/氯离子比介于1.1～1.5，脱硫系数介于0.7～6.0，矿化度由东南侧浅层向西北侧深层逐渐变大，介于4 750～12 486 mg/L，为弱交替水动力环境，可见现今水动力环境有利于煤层气保存，风化改造作用已停止影响。三、六煤组的地层压力系数介于0.9 ～1.0，为正常地层压力。

图3 大城区块石炭系—二叠系煤层对比图

2 目标煤组储层特征

2.1 煤层热变质特征

大城区块石炭系—二叠系煤层储层受构造演化影响，共经历了两个变质演化阶段，分别为晚古生代和中生代早期地层稳定沉降形成的深层变质和燕山后期强烈岩浆侵入的局部区域岩浆热变质。开始于始新世晚期的沉降，因至今埋深仍未达到再次深层变质临界，故大城区块南部煤系地层Ro平面分布特征整体继承前期格局，如图4所示，Ro主要集中在0.7% ～1.2%，以气、肥煤为主，仅东侧断层周边小范围煤级达到焦煤。

图4 大城区块南部石炭系—二叠系煤层Ro平面分布图

煤层变质程度对煤层气富集的影响主要表现在两个方面，首先变质程度较高区域煤岩生烃总量大，其次煤岩中微孔，比表面积和兰氏体积在一定区间内会随煤阶的升高而增大，使其吸附能力增强[16]。而岩浆热能够在短时间内升高地层温度，改善煤层吸附能力和提高生烃速率，对区内煤层气的富集有积极意义。就大城区块南部而言，虽然早期受构造、地貌和风化作用影响，甲烷发生大量逸散，但煤层中有机质受氧化程度有限，吸附能力得到一定程度保留，当封闭条件合适时仍能够吸附保存大量甲烷。

2.2 煤层煤质与裂隙孔特征

大城区块三、六煤组的工业组分基本一致，如表1所示，水分介于0.78 %～1.81 %，灰分介于10.05 %～23.60%，挥发分介于21.37 %～34.33 %。对比来看，六煤组灰分较低，更利于煤层气吸附[17]；由取心煤样观测描述可知，两主力目标煤组（三煤组、六煤组）煤样力学强度低，部分岩样轻捻即碎，质地疏松，多为碎块、碎粒状，光泽暗淡，颜色偏灰，受风化作用影响的迹象明显[18-20]（表2）。三煤组主要发育裂隙孔和植物残体胞腔孔，而六煤组主要发育植物残体胞腔孔；胞腔孔为原生孔，空间连通性差，常局限于某一个方向发育，且孔间连通程度低，一般不是流体运移的优势通道类别；裂隙孔为外界因素作用后形成孔隙，反映了自然营力对煤岩的天然改造，改造合适时可一定程度改善流体运移条件[21-22]。由煤岩柱（煤样2.5 cm×5 cm）的渗透率测试可知（图5），六煤组中煤岩渗透率高于三煤组，但随着环压的增大两者渗透率趋于一致，在呈现应力敏感特点的同时，也意味着深埋藏条件下的三、六煤组煤层导流能力相差不大。

表1 大城区块煤岩工业分析数据表

表2 大城区块取心煤体结构描述表

图5 D1-1井三、六煤组煤岩柱（型煤）渗透率测试图

2.3 煤层含气量与吸附特征

煤层含气量是煤层气勘探开发的基础，是煤层气资源评价不可或缺的参数。由表3、图6统计可知，含气量随深度增加而变大，甲烷碳同位素与含气量变化特征一致。六煤组和三煤组相对高含气量（大于等于10 m3/t）所对应深度不同，前者在1 750 m附近，而后者在1 600～1 630 m。通过与热成因煤型气甲烷碳同位素值（－55‰～－35‰）以及生物成因煤型气甲烷碳同位素值（－78‰～－55‰）对比，同时结合煤层气解吸—扩散—运移过程中的同位素分馏效应[23-24]，分析认为：虽然倾斜煤层与内部煤层气在新近系之前一直承受风化影响，但在其后持续沉降过程中，一方面可能生成了次生生物气，另一方面随封闭条件增强和地下水活动形成了水力封堵控气，致使大城南部倾斜煤层上端煤层风化带中的含气特征区别于常规瓦斯风化带[25]。参考新疆煤层气开发经验，中—低煤阶煤层气开发的含气量下限为4 m3/t[26-27]，大城区块南部已基本满足中煤阶煤层气开发的含气量要求。

表3 大城区块煤心解吸测试数据表

图6 三、六煤组含气量、甲烷碳同位素与埋深关系图

利用等温吸附方法测试取心煤样吸附特征。①最大兰氏体积特征表现为：三煤组为17.13 m3/t，六煤组为25.98 m3/t；②最大兰氏压力特征表现为：三煤组为3.4 MPa，六煤组为4.7 MPa。该特征与煤岩热变质程度相关，在煤岩组分相似前提下，煤阶越高（Ro＜3.0%）煤岩兰氏体积越大[16]。兰氏压力是煤岩吸附煤层气强弱的间接反应，煤岩吸附能力越强，其吸附煤层气所需压力越低；当兰氏压力较大时，表明煤岩吸附能力相对较弱，压降时煤层气更易发生解吸。

3 倾斜煤层风化作用深度的确定

当煤层因回返抬升而埋藏变浅时，会因大气和地表水的影响而遭受风化作用。风化作用不仅会使煤层发生机械和化学变化，出现颜色暗淡，内部结构消失，甚至粉末化，以及电阻率值大幅降低等变化[18-20]，而且还会使其内部甲烷大量散失，显著降低煤层含气量[28-31]。煤层在遭受淋滤、氧化以及物理破坏等方式之后，整体机械强度会降低，内部导流能力会增强，一定程度上可以抵消因再次沉降，埋深增大而带来的压实和难以压裂造缝，有效排水降压困难的问题。就煤层中甲烷含量而言，如上文所述，现今已基本满足开发，并不是制约大城南部深层煤层气开发的关键要素。关于碎屑岩风化带的判断和识别工作，前人已经做了大量的工作[32-33]，但煤层作为有机岩，其风化带的判断标准具有自身特殊性，本文选用煤矿现场常用办法，通过观察煤层岩心宏观特征和电阻率值来对比定性判断风化影响程度[34-35]。

大城区块石炭系—二叠系地层发育于奥陶系不整合面之上，受构造抬升、倾斜影响，在新近系之前一直遭受风化作用影响。为获取电阻率值，探明风化影响深度，针对三、六煤组部署煤层气井，如表4所示。新疆阜康矿区未受风化作用中—低阶煤的电阻率值主要介于2 000～25 000 Ω·m[36-37]。结合表2煤层岩心特征的描述和表4、图7中不同深度三、六煤组的深侧向电阻率值，可以判断三煤组的风化边界在1 800～2 200 m之间，而六煤组的风化边界在1 800～2 000 m之间。

表4 大城区块三、六煤组电阻率测井值统计表

图7 深度与三、六煤组深侧向电阻率值关系图

4 风化作用对深层煤层气开发影响

4.1 风化带深层煤层气开发特征

为测试风化作用对深层煤层气开发影响，对D1-1井的三煤组开展试采先导实验。D1-1井位于DC1井西南部250 m处，两者垂向上岩性组合特征基本一致（图3）。采用水力压裂工艺对三煤组进行储层改造，压裂液用量516 m3，加砂量32 m3，压裂规模适中，地层破裂压力27.8 MPa，排采特征如图8-a所示，日产水量大于10 m3，且无衰减趋势，单井产气量低，稳产能力差。

图8 试验井排采生产曲线图

4.2 风化带边界处深层煤层气开发特征

钻探实施S1井，并采用水力压裂工艺对三煤组进行储层改造，在实际压裂施工过程中加砂困难，套压高，多次超过45 MPa，最大超过60 MPa，未见明显破裂压力。深埋藏条件下的高地应力状态严重制约了煤层储层压裂改造。排采特征如图8-b所示，虽煤储层解吸压力达14.11 MPa，但产气能力极差，峰值日产气量仅412 m3，无法稳产，且日产水衰减迅速。

基于D1-1井和S1井开发特征认识，考虑倾斜煤层储层物性垂向变化趋势，部署实施了DT7井和DP7井，两井平面距离约120 m。如图3所示，三煤组在该处出现分叉变薄，单煤层间垂向距离变大，故将稳定发育的六煤组上部选作目标层。DT7井的压裂液用量540 m3，加砂量35 m3，因压裂时超压停泵而结束，地层破裂压力62.5 MPa，压裂加砂困难。排采特征如图8-c所示，平均日产水量10.9 m3，峰值日产气量2 898 m3，伴随大量煤粉产出，卡泵频繁。DP7井为“L”形多段套管压裂水平井，水平段长954 m，分8段压裂，压裂液用量4 549 m3，加砂量344 m3，平均破裂压力45.7 MPa。排采特征如图8-d所示，解吸压力13.9 MPa，峰值日产气量高达11 300 m3，平均日产气量8 946 m3，平均日产水量31.6 m3，生产稳定，潜力可观。但煤粉产出量大，卡泵频繁。

4.3 风化作用对深层煤层气开发影响分析

从试验井压裂施工和生产特征（表5），分析风化作用对深层煤层气开发影响。对比S1井与D1-1井生产特征，在相同井型，压裂规模接近前提下，前者平均日产水量近似为后者5倍；前者日产水量变化平稳，随产气量增大而减少，而后者日产水持续衰减，最后停止产液，与产气量变化无关联；前者产气量仅能维持在600 m3/d，无法长时间保持1 000 m3/d以上，后者无稳定产气，只在短时间内少量产气，之后迅速衰减停止产气。S1井因压裂施工困难，地层无法压开，而D1-1井地层破裂压力仅27.8 MPa。可见，风化作用不仅会使煤储层的含气量降低，还会改造煤储层的导流能力，导致煤层气井难以通过持续排水，建立有效压降漏斗，获得稳定高产气流。另外，煤储层在遭受风化之后机械强度会降低，对水力压裂改造有利，易破裂产生压裂裂缝。

表5 大城南部不同位置煤层气压裂施工与开发特征表

DT7、DP7与S1井目标煤层都处于风化带边界处，但前者埋深更浅（约浅200 m），已能被水力压裂改造，且相对稳定高产。对比D1-1井的生产特征，DT7井和DP7井的产气稳定性更好，产气潜力更强，产水能力一般。间接表明风化作用的影响可以一定程度有利于深埋藏、高应力条件下煤储层压裂改造和排水降压；同时，相对较弱的风化作用，不会引发大产水，制约煤储层中压降漏斗加深和扩展。

5 深层倾斜风化煤岩煤层气开发有利模式

大城区块石炭系—二叠系三、六煤组埋深大于1 000 m。受构造演化控制，倾斜煤层的高部位在新近系之前出露地表遭受风化作用，之后伴随沉降被新近系和第四纪地层所覆盖。深层倾斜煤层高部位因为风化作用影响含气量偏低，导流能力强，煤层气井表现出产水量大、产气量低，产气稳定性差的特征。深层倾斜煤层相对低部位因埋深更大影响，自身导流能力相对弱，高应力制约了压裂改造，煤层气井表现低产水、低产气，产气稳定性差的特点。而在深层倾斜煤层的相对中下部位，由于受风化作用影响较弱，煤层气井呈现出大产水、大产气、产气稳定的特点。以风化带影响边界为下限，充分考虑风化作用在垂向上对煤层开发影响，存在一段由深向浅延展适宜深层煤层气开发的有利区带。

风化作用在改变煤层储层物性，使其机械强度和含气量降低，导水能力增强的同时，也能有效抵消大埋深、高应力带来的煤层难以压裂改造和排水降压困难的问题。基于勘探开发试采实践和分析，将大城区块南部的深层倾斜煤层划分为强风化作用区、有利区、高应力区三个区域（图9）。有利区内煤层含气量相对较高，导水能力和机械强度已被风化作用适度改善，并且能够满足压裂施工和稳定生产要求。特定的地质背景和煤层条件是DP7井能够实现深层煤层气日产万立方米气的前提和基础。基于上述实践总结和认识，指出受地质营力作用适度改造的深层煤层应当是煤层气开发有利区。

图9 深层倾斜风化煤层中煤层气开发有利区模式图

6 结论

1）大城区块南部石炭系—二叠系主力三、六煤组Ro主要集中在0.7%～1.2%，以气、肥煤为主，仅东侧断层周边小范围煤级达到焦煤。三煤组风化边界埋深介于1 800～2 200 m，而六煤组风化边界埋深介于1 800～2 000 m。受风化作用影响煤层机械强度降低，质地疏松，裂隙发育，易破碎。

2）风化带中D1-1井煤层中值深度1 170.5 m，压裂规模适中，日产水量大，且无衰减趋势，单井产气量低，稳产能力差。风化带边界埋藏较深的S1井，煤层中值深度2 210 m，压裂改造困难，日产水衰减迅速，产气能力极差且无法稳产；风化带边界埋藏较浅的DT7井，煤层中值深度1 883 m，压裂加砂困难，产出稳定，产气潜力可观。风化作用在降低煤层含气量的同时也会降低煤层的机械强度，能够一定程度消除，大埋深、高应力条件下煤层难以压裂改造和排水降压困难的问题。此外相对较弱的风化影响，并不会带来大产水，煤层中压降漏斗难以加深和扩展的问题。

3）将大城区块南部深层倾斜煤层划分为三个区域，强风化作用区、有利区、高应力区。有利区内煤层含气量相对较高，导水能力和机械强度已被风化作用适度改善，能够满足压裂施工和稳定生产要求。

4）受地质营力作用适度改造的深层煤层，应当是实现深层煤层气高效开发的一个重要勘探方向。