阜新刘家区岩浆岩对煤层气开发的影响因素分析.doc

阜新刘家区岩浆岩对煤层气开发的影响因素分析张建民 贾耀惠（中石油辽河石油勘探局煤层气开发公司 辽宁盘锦 124010）摘要：刘家区岩浆岩非常发育，它不仅对煤层起到一定的破坏作用，而且对该区煤层气的生成、储集、运移和地下水活动及压裂效果都有重要的影响。本文通过对该区岩浆岩的产状、分布规律和岩浆岩对煤层气开发的堵多影响因素的分析和探讨，对该区或类似区下步煤层气的有效开发提出了一些合理建议。主题词：阜新刘家区 岩浆侵入 煤层气开发 影响因素引言刘家区岩浆岩非常发育，为第三纪第二期侵入的辉绿岩。它首先对煤层起到一定的破坏作用，煤层被侵入的岩墙切割成若干块，使煤层失去连续性；同时对煤的变质程度有较大的影响，与侵入体接触的煤层变成天然焦，天然焦外围有不同程度的高变质煤；而且它对该区煤层气的生成、储集和运移以及地下水的储集和运移都有重要的影响或控制作用。岩浆岩发育为本区的一个重要地质特征，是本区煤层气开发的重要影响因素。1 概况刘家区刘家区位于辽宁省阜新市西南，距市区约5km（图1），北与五龙矿相邻，以3带岩墙为界；西与王营矿相邻，以平安F2号断层相隔；东以煤层最低可采厚度（0.8m）边界为界，所围成的倒三角形区域，面积为4.30km2。本区位于阜新盆地中部的刘家-王营向斜部位，主要以北东-北北东向向斜构造形态为主，西北翼略陡，倾角820，东南翼较缓，倾角512。本区自下而上钻遇的地层有：中生界下白垩系沙海组K1Sh、阜新组K1f、孙家湾组K1s、第四系Q，其中阜新组为主要含煤层，由上至下分为：水泉、孙家湾、中间、太平、高德五个煤层群，在区内广泛发育。孙家湾、中间、太平三个煤层群为煤层气开发的主力煤层。含煤井段5001000m。图1 阜新刘家区交通位置示意图本区煤炭勘探阶段共完成钻孔58个，钻孔进尺56550.33m。截止2007年3月底，刘家区共完钻煤层气开发井28口，投产26口，目前开井19口，全区日产气3.7104m3，累计产气约2500104m3。2 岩浆岩产状、分布规律及形成机制2.1产状及分布规律根据矿井调查及钻探资料，该区岩浆岩产状以岩墙、岩床为主，其次为板楔状岩体、岩舌，另外还发育有岩瘤及不规则状的小岩体（见图2、图3）。该区共发育十带岩墙，近东西向展布，西宽东窄，厚度不等，呈高角度，倾角在80左右，由西部王营矿贯穿至刘家井田区，其中3、6、8-5岩墙规模较大，出露于地表或第四系松散砂砾堆积物之下。各带岩墙情况分述如下：（1）3带岩墙：该岩墙是刘家区规模最大的一条，走向近东西，倾向北，倾角80左右，井田内长度2800m，宽度2027m。该岩墙规模最大，两侧变焦带也最宽。图2 阜新刘家区构造图（2）4带岩墙：该岩墙距3带岩墙以南350m。走向近东西，倾向北，倾角80左右，井田内长度1500m，宽度510m。该岩墙小于3岩墙，但对煤层也有一定的破坏，如62-7、76-1及789孔孙本煤层均钻遇天然焦。（3）6带岩墙：距4带岩墙以南相距150330m。走向近东西，倾向南，倾角7580左右，井田内长度1800m，宽度125m，局部转化为岩床。该岩墙规模较大，7018、7023孔煤层或被岩浆吞蚀或全部变为天然焦。（4）7带岩墙：走向近东西，倾向南，倾角7683，井田内长度1300m，宽度510m，局部转化为岩床。（5）8带岩墙：包括8-1、8-2、8-3、8-5、8-6五条岩墙，位于该区中部，走向近东西，倾向南，倾角80左右，井田内长度1200m，宽度1525m。该岩墙也较大，对煤层有一定破坏作用。受该岩墙及附近岩床的影响，775、778及7006孔孙本煤层、中间煤层均钻遇不同厚度的天然焦。（6）9带岩墙：位于该区中部，走向近东西，倾向南，倾角7884，井田内长度1000m，宽度810m。该岩墙对煤层影响不大。（7）10带岩墙：走向近东西，倾向北，倾角8388，井田内长度仅500m，宽度510m。该岩墙对煤层影响也不大。（8）11带岩墙：该岩墙位于该区南部，走向近东西，倾向北，倾角87，井田内长度1200m，宽度1.42.4m。该岩墙规模较小。（9）12带岩墙：该岩墙位于该区南部，走向近东西，倾向南，倾角7888，井田内长度1100m，宽度0.52.8m。该岩墙规模也较小。 (10) 13带岩墙：该岩墙位于该区南部，走向近东西，倾向南，倾角7587，井田内长度450m，宽度2.33.3m。该岩墙规模也较小，对煤层影响不大。图3 阜新刘家区W44勘探线剖面图该区岩床平面形态多为椭圆形、半圆形或三角形，岩床边缘有突然中止的钝厚型，也有分叉尖灭型。岩床单体厚度多为0.32.0m。平面上，主要分布在6、7带岩墙附近，其次为4和8带岩墙附近，这些岩床均与相邻的岩墙相接，与岩墙相伴生；纵向上，6、7带岩墙附近的岩床在孙家湾、中间和太平煤层群及其顶底板中均有分布，4带岩墙附近岩床主要分布在孙家湾、太下煤层群中，8带岩墙附近岩床分布在太上煤层群中。在6带岩墙两侧的煤层气开发井（L12、L13、L14、L15、L17、L18）钻井过程中，均钻遇到了不同厚度的岩床（见图3）。2.2形成机制在第三纪，由于受印度板块、太平洋板块与欧亚板块相互作用的影响，中国东北部应力场处于SWW-NEE向挤压，NNW-SSE向拉张体制，导致NNE走向的盆沿断裂两侧岩块相对于盆地岩块呈右旋顺扭，使盆地基底先存的NEE向至近EW向断裂呈拉张或张扭状态，深部岩浆沿此进入煤系。在这一背景上，煤系的NEE至近EW向必然产生拉张裂隙或薄弱面，使之成为岩浆线性侵位的通道和空间，结果形成刘家区及整个阜新煤田NEE至近EW走向的岩墙群。因此，区域应力场对岩墙走向具有控制作用。另外，当岩浆岩侵入到一定高度，能力逐渐减弱，遇有较软岩层或煤层，容易顺层侵入，在岩墙两侧形成岩床或不规则的岩体。3 岩浆侵入对煤层气生成、储集和运移的影响3.1岩浆侵入对煤层气生成的影响当岩浆侵入，并靠近或穿过煤层和含煤岩系时，由于岩浆本身带来的高温、挥发性气体和压力的影响，从而引起煤层变质程度增高，发生接触变质作用。与侵入体接触的煤常变成天然焦，天然焦外围还有不同程度的高变质煤。刘家区在有限的范围内共发育有十带岩墙，岩墙数量较多，对该区煤层有较大范围的影响。临矿资料显示：岩墙宽度：天然焦宽度：煤层变质带宽度1：2：2。由于该区岩浆的大规模侵入活动，提高了煤的变质程度，从而大大促进了煤层气的生成。天然焦是由于侵入岩体附近的煤层受岩浆的烘烤，发生一系列物理和化学变化后而形成的。天然焦形成过程中伴生了大量的煤层气，据有关资料分析，生成1t天然焦的同时约生成504m3的甲烷气体，生成的甲烷气体约有10%保留在煤层及天然焦中，其数量可观。3.2岩浆侵入对煤层气储集的影响由于靠近岩浆岩体的煤层受到岩体的烘烤，煤中有机质挥发，使煤中的孔隙度增大；另外，煤基质收缩，在煤体中产生收缩裂隙，因而使煤层的渗透率增大；尤其是在与岩浆侵入体相接触的天然焦发育区，因柱状节理发育密集，渗透率已大至无法用仪器测试的程度。岩墙对煤层中的节理发育影响宽度约为岩墙厚度的610倍；剖面上，天然焦中柱状节理达100条/m以上，高变质煤中节理少于10条/m，多节理带中达40条/m以上，而正常煤层中一般为30条/m左右；平面上，煤中裂隙密集，孔隙发育；没直接受到岩床烘烤的煤层中，垂向节理不发育。因此，高变煤与天然焦中的煤层气储集方式明显不同于正常煤层。在天然焦中，煤层气储存的主要状态为游离气，高变煤中吸附气与游离气并存，但游离气的含量要明显高于正常煤层。煤层经天然焦化后，大大增强了自身的生、储能力，因此天然焦分布区就是较好的煤层气储集区，如果再有良好的封闭条件，满足煤层气成藏的生、储、盖组合，便可形成煤层气富集区。7、8-1、8-2、10带岩墙规模适中，附近岩床较为发育，且有良好的盖层，因此这些岩墙附近区域具备良好的生、储、盖组合，符合煤层气成藏条件。位于这岩墙附近的井（LJ-3、LJ-5、LJ-6、LJ-8、LJ-12、L25），稳产期单井日产气量均在3000m3以上，高的可达7000m3以上（见表1）。临矿井下巷道在掘进至岩墙附近时，瓦斯涌出量明显增大，并发生过瓦斯突出事故。表1 阜新刘家区煤层气井生产情况表井号投产时间平均日产气(m3)平均日产水(m3)井号投产时间平均日产气(m3)平均日产水(m3)L52006年6月3606L182006年9月/52L62006年6月/13L252007年1月50006L72006年6月/14LJ-32002年9月30003L122006年6月/52LJ-52003年3月380018L132007年4月/32LJ-62003年3月380023L142007年1月/18LJ-82002年10月320013L152006年8月/53LJ-112006年3月/67L172006年8月35037LJ-122007年4月75007“/”表示平均日产气量低于300m3/d。3.3岩浆侵入对煤层气运移的控制岩浆侵入与对煤层气运移的控制主要表现在两个方面。首先在岩浆侵入过程中，煤层受到岩浆烘烤，产生大量甲烷气体，使侵入体周围煤层中气体压力明显升高，因而使煤层气背向侵入体的方向运移。另一方面，当岩浆冷却成岩后，由于后期地壳运动和剥蚀作用，造成有的岩墙已出露于地面，使煤系中的煤层气在无良好盖层的条件下，可以沿岩墙与围岩之间的裂隙向地面运移，这对煤层气储存是极为不利的。由于岩墙节理发育程度较低，且为大体平行岩墙的压紧型剪节理，岩浆岩结构致密，因此，是煤层气良好的阻隔体。刘家区被岩墙分割成一个个互不相连或连通差的区段，如果有良好盖层，便可形成多个独立的煤层气藏；如果无好的盖层，岩墙与围岩间的裂隙就会成为煤层气垂向运移的通道，造成煤层气逸散。3、6、8-5、9岩墙规模均较大，出露地表或第四系松散砂砾堆积物之下，岩墙与围岩间的裂隙相对较大，储集层缺少封闭性较好的盖层，因此造成了煤层气的逸散。在L5、L6、L7、L12L15煤层气井生产中，即使井内液面很低，井底压力远远低于煤层气临界解吸压力条件下，也未见到工业性气流（见表1）。6与7岩墙之间，煤层气井的产气由7岩墙向6岩墙呈递增趋势，分析其原因认为：由于6附近储集层无良好盖层，因此形不成有价值的煤层气藏；7岩墙与向斜构造形成了水压向斜型煤层气富集区，由于水在构造高部位的封堵作用，迫使煤层甲烷在无排水降压解吸的情况下，只能以吸附状态赋存于煤层及天然焦储集层中。越靠近6岩墙，构造部位越低，水的封堵作用越明显，甲烷含量也越高，煤层气井的产气能力也就越强。4 岩浆侵入对地下水储集和运移的影响岩浆侵入时所形成的岩浆岩与其围岩之间的接触裂隙带成为刘家区重要的控水构造，对地下水的储集和运移有着重要的影响。接触带岩石裂隙形成的原因有：（1）岩浆侵入时对围岩产生挤压作用，使接触带附近的围岩产生肿胀裂隙，形成裂隙带。（2）由于岩浆侵入，使围岩发生接触变质产生裂隙。刘家区接触裂隙带控水构造包括导水构造、阻水构造、汇水构造、蓄水构造，这些构造对地下水的控制作用不是单一的，而是密切联系的。接触裂隙带导水构造是由辉绿岩与其围岩之间的接触裂隙带形成的导水构造。3、6、8-5、9、11等岩墙出露地表或第四系松散砂砾堆积物之下，是典型的由地表深入地下深部的纵向导水构造。导水接触裂隙带的宽度可以很大，一般为岩墙宽度的23倍。接触裂隙带导水构造在地表处能够直接接受大气降水的补给，或接受第四系松散砂砾堆积物中潜水的补给，沿裂隙下渗径流，到达地下深部的蓄水构造中，成为承压水。岩墙的透水性比围岩的透水性小或完全不透水，起阻水作用。在透水岩层中的地下水流下游，如果存在有横截地下水流的阻水岩墙，则形成蓄水构造。岩墙（包括岩床）与其围岩的接触部位裂隙极为发育，若有水的渗入与补给，本身也可形成蓄水构造。6、9岩墙附近的L12、L15、LJ-11井日产水量均为5070m3/d，水量很大（见表1）。分析原因认为：这3口井均处于岩墙与围岩接触裂隙带控水构造之中，一方面接触裂隙带的蓄水构造就蓄存有大量的水，另一方面接触裂隙带与地表水或第四系散砂砾堆积物的潜水相连通，起到了导水的作用。发育于两条或多条岩墙之间的岩床与其围岩接触部位同样会产生一定的裂隙，各岩墙接触裂隙带中的水可以通过岩床接触裂隙带而形成相互交流，发生汇水作用。L17、L18井距6岩墙约200m，射孔层段顶底板均为弱含水层或泥岩层，但排采中单井日产水量为4050m3/d，原因在于这两口井生产层通过岩床接触裂隙带与6岩墙的导水、蓄水构造相沟通（见图3），岩床接触裂隙带起到汇水与导水的作用，从而导致该两口井出水量过大，无法实现降压采气的目的，生产效果较差，单井日产气量均在500m3/d以下（见表1）。5 岩浆侵入对压裂效果的影响岩墙（或岩床）与其围岩之间的接触裂隙带对临近井压裂效果造成极为不利的影响。由于岩墙（或岩床）与其围岩之间的接触裂隙带为高渗透性区，如果煤层气井距这些高渗透性区较近，压裂时主缝很容易与其相连通，一方面致使大部分压裂液被压入这些接触裂隙带，压裂时泵压很低，无法有效改善煤储层物性条件，另一方面，如果接触裂隙带为较大的蓄水构造或导水构造，将会通过压裂时产生的新缝带来大量的地下水，严重影响煤层气开发效果。L12、L15、L17、L18井距岩墙较近或射孔层段中有岩床，压裂时泵压很低，整个压裂施工过程泵压为615MPa，远远低于该区其它距接触裂隙带较远井的泵压，这些距接触裂隙带较远井的泵压一般为1530MPa，因而没能有效改善煤储层物性，影响压裂效果，从而影响煤层气开发效果。这4口井产水量较大，而产气量很低（见表1）。6 结论与建议6.1 结论（1）由于第三纪岩浆的大规模侵入，刘家区含煤地层被岩墙分割成一个个互不相连或连通性差的区段，使煤层失去连续性，并且与岩墙相伴生出诸多规模不等的岩床和不规则小岩体，侵入岩体发育成为本区一个重要的地质特征。（2）岩浆的大规模侵入，给本区的煤层气开发带来了诸多有利和不利的影响因素。有利因素是提高了煤的变质程度，从而大大促进了煤层气的生成；随着煤质变质程度的增高，天然焦和高变质煤的孔隙度和渗透率明显增大，使煤层气更容易解吸和产出。不利因素是出露地表或第四系松散砂砾堆积物之下的岩墙与围岩接解裂隙带，一方面造成了煤层气的大量运移、逸散，另一方面带来大量的外来水，致