三交区块8 9号煤层气储层水文地质条件及水源判识研究.pdf
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1、【目的】三交区块8+9号煤层气井受外来水侵入影响导致产能较差,因此厘清三交区块水文地质特征、查明其对煤层气井开发的影响成为煤层气产能突破的关键。【方法】基于实际地质和生产资料,收集水化学数据,采用F i s h e r判别方法进行水源判识,进一步利用测井解释对太原组各含水层分布及其含水性进行识别,最终实现了8+9号煤储层水文地质条件的精细化研究。【结果】研究结果表明,煤层气井主要生产太原组灰岩水,局部由于受到张性走滑断层的控制,水化学特征显示为太原组灰岩和二叠系砂岩混合水;太原组8号顶板发育L 1-L 5共5套灰岩层,灰岩发育总体比较稳定,局部存在分叉合并现象,北部明显减薄;5套灰岩的富水性在
2、垂向上和平面上都存在明显的非均质性。【结论】针对灰岩不同发育程度和富水性强弱的区域,应采用相对应的开发策略,以保证煤层气井的高效开发。本次研究对厘清三交区块水文地质特征、指导后续开发部署等都具有非常重要的意义。关键词:三交区块;8+9号煤储层;煤层气开发;水文地质条件;水源判识中图分类号:T E 3 7;P 6 4 1.4 6 2 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4.0 1 1 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 6 7 3-1 1S
3、t u d y o n H y d r o g e o l o g i c a l C o n d i t i o n s a n d W a t e r S o u r c e I d e n t i f i c a t i o n o f 8+9#C o a l b e d M e t h a n e R e s e r v o i r i n S a n j i a o B l o c kWA N G F e n g1,C H A N G S u o l i a n g2,Y A N X i n l u2,ME N G Y a n j u n2,Z H A O D e k a n g2(
4、1.P e t r o C h i n a C o a l b e d M e t h a n e C o mp a n y L i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 0 2 8,C h i n a;2.C o l l e g e o f M i n i n g E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】T h e
5、p r o d u c t i v i t y o f 8+9#c o a l b e d m e t h a n e w e l l s i n S a n j i a o B l o c k i s p o o r o w i n g t o t h e i n t r u s i o n o f e x t e r n a l w a t e r.T h e r e f o r e,c l a r i f y i n g t h e h y d r o g e o l o g i c a l c h a r a c-t e r i s t i c s a n d i d e n t i
6、f y i n g i t s i m p a c t o n t h e c o a l b e d m e t h a n e(C BM)d e v e l o p m e n t h a v e b e c o m e t h e k e y t o i n c r e a s i n g C BM p r o d u c t i o n c a p a c i t y.【M e t h o d s】O n t h e b a s i s o f a c t u a l g e o l o g i c a l a n d p r o-d u c t i o n d a t a,F i s
7、 h e r d i s c r i m i n a n t t h e o r y i s u s e d t o i d e n t i f y w a t e r s o u r c e s,a n d l o g g i n g i n t e r p r e t a-t i o n i s f u r t h e r u s e d t o i d e n t i f y t h e d i s t r i b u t i o n a n d w a t e r c o n t e n t o f e a c h a q u i f e r i n t h e T a i y u a
8、 n F o r m a t i o n.A n a d v a n c e d s t u d y i s u l t i m a t e l y a c h i e v e d o n t h e h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f t h e 8+9#c o a l r e s e r v o i r s.【F i n d i n g s】T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e w a t e r f r o m t h e C BM w e l l s i s m a i
9、 n l y f r o m t h e l i m e s t o n e i n t h e T a i y u a n F o r m a t i o n,p a r t i a l l y s h o w i n g t h e m i x e d w a t e r f r o m T a i y u a n F o r m a t i o n l i m e s t o n e a n d P e r m i a n s a n d s t o n e,w h i c h i s i n d u c e d b y t h e t e n s i l e s t r i k e-s
10、 l i p f a u l t s.T h e r e a r e f i v e s e t s o f l i m e s t o n e l a y e r s(L 1-L 5)d e v e l o p e d o n t h e c o a l s e a m 8#r o o f.T h e l i m e-s t o n e d e v e l o p m e n t i s g e n e r a l l y s t a b l e w i t h l o c a l b r a n c h i n g a n d m e r g i n g p h e n o m e n a
11、,a n d t h e n o r t h e r n p a r t i s s i g n i f i c a n t l y t h i n n e r.T h e f i v e s e t s o f l i m e s t o n e h a v e o b v i o u s h e t e r o g e n e i t y b o t h v e r t i c a l l y a n d h o r i z o n t a l l y i n t e r m s o f w a t e r c o n t e n t.【C o n c l u s i o n s】T a
12、r g e t e d d e v e l o p m e n t t e c h-n o l o g y s h o u l d b e a d o p t e d i n a r e a s w i t h d i f f e r e n t l i m e s t o n e d e v e l o p m e n t a n d w a t e r c o n t e n t.T h i s s t u d y i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r c l a r i f y i n g t h e h y d r o g e
13、o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d g u i d i n g t h e C BM d e v e l o p m e n t a n d d e p l o y m e n t.K e y w o r d s:S a n j i a o B l o c k;8+9#c o a l r e s e r v o i r s;C BM d e v e l o p m e n t;h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i-t i o n s;w a t e r s o u r c e i d
14、e n t i f i c a t i o n 三交区块主要开发山西组3+4+5号煤和太原组8+9号煤,目前区内3+4+5号煤层气开发进展顺利,工程部署进度与产气量符合O D P,但8+9号煤生产井的产能特征却呈现“产水量大、产气量小”的特征。前期资源勘查表明,8+9号煤的煤层气储量占比较高(5 8.7%),因此,如何有效开发8+9号煤的煤层气资源成为三交区块亟待解决的问题。为查明3+4+5号煤和8+9号煤的煤层气井产能差异原因,前人分别从储层物性特征、水文地质条件及其控气控产作用、钻完井类型、压裂工艺、排采特征等多方面开展了丰富的工作,取得了丰硕的成果1-1 4。通过前期研究,逐渐认识到水文
15、地质条件是造成煤层气井产能差异的根本原因。3+4+5号和8+9号煤储层之间的地质条件差异较大:山西组煤储层所处的水文地质环境整体稳定,地下水矿化度较高,水动力活动较弱,为煤层气的富集与高产提供了保障,因此煤层气井可保持正常稳定排采;相比而言,太原组煤储层水文地质条件复杂,多套含水层通过裂隙/断层与煤层之间发生水力联系,使产水量大而储层降压缓慢,并且外来水侵入导致8+9号煤层含气量和含气饱度低,最终导致8+9号煤层气井产能较差3-9。含水层的越流补给不仅干扰了煤层的降压效果,同时大量的产出水在严格的环保政策下也会产生过高的处理成本,严重影响了开发的经济性1 5。因此厘清8+9号煤储层的水文地质条
16、件是有效开发煤层气资源的前提。由于区块内水文地质条件复杂,煤层气井抽采水源可能来自不同的水文系统,因此需要开展煤层气井产出水的水源判识。目前煤层气井产出水源判识方法的研究主要集中于以下几个方面:1)通过耦合区域水动力场、能量场、地应力场以及与煤层气井产能的关系,判别产出水来源1 6;2)通过结合水化学、水动力场特征,划分水文地质条件的控气、控产类型1 7;3)近年来数值模拟技术也用在含水层越流补给水源评价 以及对煤层 气 井 产 能 影 响 的 研究1 8-1 9。然而,当前水化学数据在水源判识方面的利用多停留在定性层面,缺乏定量化的指导。因此本次研究采用在煤矿突水水源判识中已广泛应用的F i
17、 s h e r线性判别法,开展煤层气井抽采水源的定量判识2 0-2 2。通过在水样数据与各地层水化学标准之间开展多元统计分析,标定水样数据与各地层水化学标准的关联度,进一步结合各水文系统的空间架构、导水通道系统的地震识别等信息,力争获取煤层气井抽采水源的可靠判识。综上所述,本次研究充分采用水文勘查资源分析、测井资料解释等手段,查明太原组地层水文地质条件,明确产水来源及含水层位,为三交区块8+9号煤层气资源的高效动用提供理论支撑。1 地质背景1.1 地质条件三交煤层气区块位于鄂尔多斯盆地东缘边界的晋西挠褶带与山西河东煤田地质区的中间,面积2 8 2 k m2.整体呈东南高、西北低的单斜斜坡构造
18、,见图1.含煤地层主要是石炭系太原组和二叠系山西组,共包含1 6个煤层1 2见图2.太原组8+9号煤层厚度1.3 01 1.6 0 m,平均5.4 1 m.中北部镜质体反射率约为0.9%,主要为气煤,南部镜质体反射率为1.0 2%1.4 4%,平均1.1 8%,属于肥煤和焦煤。储层初始压力和临界解吸压力与埋深具有明显的正相关,即随着埋深的增加,压力也随之增加,具体见图3.476太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 区内与煤层气开发直接相关的含水层主要有三层,分别是山西组碎屑岩类含水层、太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类含水层以及奥陶系中统岩溶裂隙水含水岩。山西组含水层主要以细、中、粗粒砂岩为主,中
19、间夹杂泥岩、砂质泥岩隔水层,具有含水层、隔水层相互叠置的特征。由于隔层较厚,且在埋深较深的区域裂隙不发育,与地表水力联系微弱,因此富水性较差。太原组含水层包括几层生物碎屑灰岩以及粉、细、中、粗粒砂岩,赋存裂隙潜水承压水。其中生物碎屑灰岩具体可以分为5层(L 1-L 5):通常三交镇林家坪镇渍口镇黄河三交区块N三交区块卫星照片500450400350300250200150100500-50-100-150-200-250海拔标高/?m图1 三交区块位置及8号煤顶板标高图F i g.1 L o c a t i o n o f S a n j i a o B l o c k a n d e l e
20、 v a t i o n o f c o a l s e a m 8#r o o f9 号煤,10 号煤西铭砂岩太 2 段砂岩骆驼脖子砂岩,K4石盒子组,盒 8 段深度/m岩性200-1000300SPGR2431RTDEN中统组段系统地 层 单 位地 层 柱 状标 志 及 特 征山 1 段,曲线平缓山 21砂组3 号煤山 22砂组4 号煤 TP10反射层山 23砂组,5 号煤北岔沟砂岩,K3L5 灰岩,6 号煤太 1 段砂岩七里沟砂岩斜道灰岩,L47 号煤毛儿沟灰岩 L2-L3庙沟灰岩,L18 号煤,TC2反射层吴家峪灰岩,L0无名灰岩晋祠砂岩,K1畔沟灰岩,Lb下石村估北岔沟段东大窑段毛儿
21、沟段晋祠段畔沟段本溪组中统太原组上统山西组下统二叠系石炭系880390400410420430440450460470480490500510520530540图2 研究区综合地质柱状图F i g.2 C o m p r e h e n s i v e g e o l o g i c a l h i s t o g r a m i n t h e s t u d y a r e a8号煤顶板直接发育L 1庙沟灰岩,L 1与7号煤之间发育L 2-L 3毛儿沟灰岩,7号煤顶板发育L 4斜道灰岩,6号煤顶板发育L 5东大窑灰岩。灰岩单层厚度一般为18 m,累计厚度1 62 2 m.太原组各灰岩含水层
22、岩溶、裂隙一般不太发育,但局部富水性强,给煤层气排采造成困难。受地形因素的影响奥陶系中统岩溶裂隙水含水层非均质性强,东部埋深较浅的区域地层局部出露,且受剥蚀作用影响,岩溶裂隙发育,富水性和渗透性较强,具有强烈的径流和越流补给能力;西部埋深较深的区域岩溶裂隙不发育且多被充填,多为滞留区。1.2 生产特征三交区块以太原组8+9号煤层为主力层系的生产井共2 2口,包括1 0口水平井、9口直井以及3口合采井。生产井的生产周期整体较长,大部分已投产超过2 0 0 0 d,甚至达到4 0 0 0 d1 0,见图4.但停井时间占总生产时间的一半以上,原因主要包括两方面:一是过高的产水量和过低的产气量导致生产
23、井较低的投入/产出比,丧失经济效益,因此在生产一段时间后将井关停处理;二是非正常的产能特征导致生产设备损坏现象频发,需要频繁进行停机修井,不利于长期、稳定的排水降压1 9。煤层气井投产以来产气相对较高的区域位于区块的西部以及中北部,产水量全区整体较高,煤层气井平均日产水量可达5 0 m3/d以上,其中产水最高的区域位于区块南部,主要受聚财塔断层的影响导致奥陶系灰岩水侵入3,中西部埋深较深的位置产水量相对较低,如图5所示。生产井产能差、产能增长差、高产稳产持续时间短,对研究区产能提高有一定制约。2 产水来源判识本区地形呈东高西低,区块东部地层存在出露,因此地下水的补给主要是大气降水、河水及其它地
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