沁水盆地南部（精选6篇）
沁水盆地南部 篇1
沁水盆地南部具有多套含水地层, 不同含水层中水的水化特征各不相同, 在进行煤层气开采时, 由于进行煤层水力压裂, 破坏了原有煤层以及煤层顶底板的完整性, 致使不同含水层中的水进入煤层, 与煤层气一同产出的水并不是单一含水层中的水, 而是不同含水层中水相互混合的产物, 所以, 产出水中的各种组分在一定程度上指示着地下水的来源。研究沁水盆地南部煤层气井产出水水化特征, 不但可以为判断产出水的主要来源层位, 也为后续的煤炭开采提供了一定水文资料。
1 采样点分布
此次研究所采样品来自沁水盆地南部不同矿区的煤层气井, 共10 个: 赵庄矿区3 个 ( 样品号分别为ZZ-116, ZZ-121, ZZ-124) , 寺河矿区4 个 ( 样品号分别为SH-109, SH-146, SHX-203, SHX-235) , 永红矿1个 ( 样品号YH-13-14) , 晋试井2 个 ( 样品号JS-046, JS-048) 。所有煤层气井均开采3 号, 15 号煤层中煤层气, 除赵庄矿区3 口井刚投入生产, 其他产气井均已生产一段时间, 产气量稳定, 采样点分布如图1 所示。采样区主要含水层共有3 套: ①中奥陶统地下水含水层, 水型一般是HCO3-Ca·Mg; ②上石炭统太原组地下水含水层, 水质类型为HCO3-Ca·Mg或HCO3-K·Na; ③下二叠统山西组含水层, 在赵庄、高平一带为HCO3-Ca·Mg型, 在潘庄、寺河一带转变为HCO3·SO4-Ca·Mg或HCO3-K·Na型[1]。
2 样品试验处理
试验主要对水样中Na+、K+、Ca2 +、Mg2 +、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-进行测定, 在进行测定之前, 先用0. 45 μm的水性微孔滤膜过滤掉杂质, 再使用液相色谱仪对Na+、K+、Ca2 +、Mg2 +、Cl-、SO42-进行测定。对CO32-、HCO3-的测定采用滴定法, 用0. 025mol / L的盐酸进行滴定, 记下盐酸用量后, 通过公式计算CO32-、HCO3-含量 ( 表1) 。
将所得实验数据进行处理, 投影到Stiff图中。Stiff图以每升水中各离子的毫克当量数进行绘图, 左边为阳离子含量, 右边为阴离子含量, 多边形面积越大, 表示该离子在水中所占比例越大, 能够很好地指示出同一水样中不同离子的分布。各样品Stiff图如图2 所示。
3 实验数据分析
在样品所在矿区中, 煤层自身含水很少, 为进行煤层气开采, 事先进行了水力压裂, 使煤层完整性破坏, 上下含水层贯通, 多层含水层中水进入煤层, 产气时水随煤层气一同产出。
分析实验数据可知, 除了ZZ-116 的产出水为HCO3·SO4-Na型外, 其他9 口煤层气井产出水均为HCO3-Na型。4 个矿区水矿化度处在1 000 ~ 2 900mg / L, 其中寺河矿区水矿化度最高, 在1 800 ~ 2 900mg / L, 晋试井和永红矿井采样点处约900 mg / L, 赵庄矿区水矿化度最低, 但矿化度也大于1 000 mg /L, 处在1 000 ~ 1 250 mg /L。所有采样点水矿化度均较高, 为微咸水, 地下水动力不强, 盆地属于地下水滞留型, 高矿化度和滞留型水流条件为煤层气的保存提供了良好的条件[2,3]。
在所有样品的阴离子中, HCO3-在各个样品中含量均很高, 除在ZZ-116 中, HCO3-和SO42-含量相当, HCO3-在剩余水样中的毫克当量超过其他阴离子很多, 在水样的阴离子含量中占据主要地位。此外, 3 套含水层中Cl-含量均不高, Cl-含量范围在65. 29 ~ 112. 63 mg / L, 在赵庄煤层气井产出水中占比较大, 在寺河矿井中占比较小, Cl-含量除来自含水层中, 还可以从经过进入煤层的水 ( 将煤层中无机态的氯淋滤) 中得到[4]。SO42-主要在ZZ-116, SH-146, SHX-203, SHX-235 中被检测出来, 尤其在ZZ-116 中含量最多, 而在采样区的3 套主要含水层中, 除下二叠统山西组含水层中含有较多SO42-, 其他2 套地层中SO42-均很少, 所以这4 口井接受山西组含水层补给相对于其他6 口井较多, 其中ZZ-116主要接受山西组含水层补给。
阳离子中, 所有样品的Na+占绝对优势, 每个样品的Na+都占据阳离子含量的98% 左右, K+、Ca2 +、Mg2 +的含量很少, 均处在1 ~ 9 mg /L的范围内。煤层上下含水层中阳离子既有以Na+, K+为主的, 也有富含Ca2 +、Mg2 +, 但产出水主要以Na+占据主导地位, 其主要原因除了接受阳离子以Na+, K+为主的含水层补给外, 还有一个是与HCO3-含量有关。VAN VOAST研究了水中Ca2 +、Mg2 +总溶解度和HCO3-含量的关系, 指出随着HCO3-浓度的增加, 由于方解石化和白云石化的作用, Ca2 +、Mg2 +和HCO3-会产生沉淀, Ca2 +、Mg2 +含量减少, 当HCO3-浓度高于600 mg /L时, Ca2 +、Mg2 +总浓度基本稳定在12 mg /L[5]。所采样品中, 除ZZ-116 的HCO3-含量达不到600 mg /L, 其他样品平均都大于等于600mg / L, 而且, 加上阳离子的交换作用, 使得大量Ca2 +、Mg2 +被煤颗粒吸附, 置换出的Na+转移到水中, 所以导致产出水中Ca2 +、Mg2 +含量极少。
此外, 据生产方数据, 寺河矿产气量约4 800m3/ d, 而在赵庄仅有ZZ-116 的产气数据, 产气量仅200 m3/ d。其他研究曾指出, 煤层气井产出水富含SO42-则煤层气井基本不产气或者很少产气[6], 寺河矿区几口矿井SO42-含量与ZZ-116 相当, 但产气量却相差非常大。所以, 单单根据SO42-含量并不能很好判断煤层气产量。还有理论指出, 碳酸氢根离子浓度越高, 低硫酸根离子/碳酸氢根离子比值、高钠离子/钙镁离子比值, 是煤层气井产出水的主要特点[6], 而本文数据大致也服从该理论。
4 结论
( 1) 所采样品矿化度较高, 处于1 000 ~ 2 900mg / L之间, 地下水滞留, 为煤层气的保存提供了良好的条件。除ZZ-116 的水型为HCO3·SO4-Na, 其他9 个样品的水型均为HCO3-Na。样品中的阳离子Na+占绝对优势, K+、Ca2 +、Mg2 +的含量很少, 阴离子中HCO3-含量最多, SO42-主要富含于ZZ-116, SHX-146, SHX-203, SHX-235。
( 2) ZZ-116, SHX-146, SHX-203, SHX-235 井接受山西组含水层补给较多, 其中ZZ-116 是主要接受山西组含水层补给。
( 3) 煤层气井产出水中HCO3-含量越高, 煤层气产量越大。
参考文献
[1]王红岩, 张建博, 刘洪林, 等.沁水盆地南部煤层气藏水文地质特征[J].煤田地质与勘探, 2001, 29 (5) :33-36.
[2]秦胜飞, 宋岩, 唐修义, 等.流动的地下水对煤层含气性的破坏机理[J].科学通报, 2005, 50 (B10) :99-104.
[3]秦胜飞, 宋岩, 唐修义, 等.水动力条件对煤层气含量的影响——煤层气滞留水控气论[J].天然气地球科学, 2005, 16 (2) :149-152.
[4]赵峰华, 任德贻, 张旺.煤中氯的地球化学特征及逐级化学提取[J].中国矿业大学学报:自然科学版, 1999, 28 (1) :61-64.
[5]VAN VOASTWA.Geochemical signature of formation waters associated with coalbed ethane[J].AAPG Bulletin, 2003, 87 (4) :667-676.
[6]李忠城, 唐书恒, 王晓锋, 等.沁水盆地煤层气井产出水化学特征与产能关系研究[J].中国矿业大学学报:自然科学版, 2011, 40 (3) :424-429.
沁水盆地南部 篇2
1 方法原理
1. 1 地震信号时频分析方法
在地震勘探中,地震信号由于地层吸收、流体和孔隙等因素的影响,常呈现非线性的特征,即地震信号的频率是随着时间变化的。由于煤层速度较低,其视波长较小,利用频率调谐曲线在相同的厚度范围内可分辨的厚度也就较薄。因此,在同等条件下对煤层的振幅和频率特征的分辨率较高[6]。目前,常用的时频分析方法主要有Wigner-Ville分布、小波变换、短时傅立叶变换、S变换、广义S变化等。为了提高时频谱的精度,提出了分解小波谱的时频分析方法[7—10]。
将地震信号分解成一组经平移、伸缩的小波,小波函数 φ( t) 满足:
即为小波的容许性条件。此外,还要满足能量的条件:
小波基是小波函数经平移、伸缩和归一化处理后的集合,即:
式( 3) 中: a是尺度参数,b是平移参数。
x( t) 的连续小波变换为:
小波基函数通过尺度参数a的增加而拉伸,从而窗函数在频域压缩,在时域变宽; 反之,相反。因此,a的高值对应地震信号的低频段,频率有较高的分辨率; a的低值对应信号的高频段,频率分辨率较低。由此,可提取更精确的有效地震信号主频。
1. 2 频率衰减梯度理论
吸收衰减是指地震波的总能量在地下介质中传播时的损失,属于介质的内在属性。引起地震波在岩石骨架中的吸收衰减主要有两个因素: 一是岩石的矿物基质具有黏滞弹性性质; 二是介质中固体与固体、流体与流体、流体与固体界面之间存在滑动摩擦,从而产生能量的损耗。前人的理论研究表明,地震波在不同的介质中吸收程度不同,随着地层的吸收作用增强,高频成分的地震波衰减地越快[11,12]。煤层气以吸附、游离和溶解三种状态储存于煤层或其他储层中,煤的裂隙和孔隙十分发育,吸附能力强[13]。因此,频率衰减理论可以在煤层的开发中起到指示作用。
在吸收衰减属性中,频率衰减梯度对储层预测最为敏感,当孔隙较发育且含油气的储层中,地震波高频能量比低频能量衰减得大。在时频分析的基础上,高频振幅谱包络的线性拟合斜率即为频率衰减梯度属性。图1 为研究区沁水盆地南部3#煤层的含煤层气和不含煤层气的频谱分析对比图。图( a)中,绿色和黑色线分别代表频率衰减前、后煤层气段的频谱,可分析出,高频能量衰减明显快于低频衰减。频谱的总能量可以表示为地震波在有效频带范围内振幅谱的积分,相当于图1 中频率轴与频谱曲线所围成的区域面积,积分公式表示如下:
式( 5) 中: f是频率的大小,fa和fb是所围区域面积对应的频率最小值和最大值,p( f) 是振幅能量随频率变化的函数。
由沁水盆地南部3#煤层的数据统计分析可得( 如表1) ,高产井附近,频谱总能量85% 时的频率衰减为高频衰减,此时从地震剖面上得到的频率值在37 ~ 39 Hz范围内,衰减梯度绝对值在1. 26 ~ 1. 05 范围内变化; 在有效频带范围内,衰减到频谱总能量65% 时的频率衰减为低频衰减,地震频率值在28 ~ 30Hz范围内,衰减梯度绝对值在0. 47 ~ 0. 43 范围内变化。即高频衰减时,地层的频率衰减最明显,对应的地震频率值较高,频率衰减梯度的绝对值较大,一般是大于1; 低频衰减时,地震频率值较低,频率衰减梯度绝对值为低值,一般小于0. 5。因此,当地下储层中裂缝较发育或饱含油气时,会使地震波的频率在地下传播时发生频率衰减,高频衰减或低频衰减的相对值可以对地下煤层进行一定程度的检测。
2 模型计算
根据实际煤层的测井资料建立煤层地质模型及岩石物理参数( 如表2) ,其中,设定(1)号泥岩层为煤层顶板,其纵波速度为4 000 m/s、横波速度为2 000m / s、密度为2. 66 g / cm3; (2)号为含气性均匀的煤层,其纵波速度为2 149 m/s、横波速度为883 m/s、密度为1. 32 g /cm3、煤层厚度逐渐变厚: 5 ~ 10m; (3)号泥岩层为煤层底板,其纵波速度为3 750 m/s、横波速度为1 840 m/s、密度为2. 65 g /cm3,煤层与顶、底板泥岩层的物性差异较为明显[14]。
图2 显示了表2 中地质模型自激自收地震记录的结果,图中可以看出地震响应中振幅属性变化较为明显,煤层与顶板和底板的泥岩层分别形成了较强的波谷反射和波峰反射。利用小波谱的分解时频方法提取了时频分布特征,即图3 为图2 中正演模拟自激自收的地震记录与频率衰减梯度的叠合图,其中,黑色波形是自激自收的地震记录,彩色是不同时刻对应的频率特征。结果表明,随着煤层的厚度变厚,煤层与顶、底板泥岩层间的地震反射强度增大,由于煤层的密度小且与顶、底板的泥岩层间的波阻抗有较大的差异,当地震波在煤层气中传播时会有明显的频率衰减。因此,煤层气对地震波高频成分有特殊的响应异常。
3 实际应用
沁水盆地先后经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期运动,该4 期次构造运动对盆地构造格局及煤系地层发育均起到重要的作用。研究区沁水盆地南部钻遇地层主要位于古生界奥陶系中统峰峰组( O2f) 之上,由老至新分别发育古生界中石炭统本溪组( C2b) 、上石炭统太原组( C3t) 、下二叠统山西组( P1s) 、下二叠统石盒子组( P1x) 、上二叠统上石盒子组( P2s) 、上二叠统石千峰组( P2sh) 、中生界三叠系( T) 和新近系( Q) 。主要含煤地层为二叠系山西组3#煤层和石炭系太原组15#煤层在本地区广泛分布,赋存完好,其中3#煤层测井曲线特征较明显,具有“两高三低”的曲线特征,即高电阻、高声波时差,低密度、低伽玛、低波阻抗。沁水盆地南部煤层中游离气与吸附气伴生出现的现象较为普遍,两者具有相近的温压条件,存在于同一吸附气-游离气共存系统中。因此,在煤层的勘探开发过程中造成一定的困难。
依据上述技术方法,针对沁水盆地南部2D地震资料提取了近、中、远道集的频率梯度衰减和调谐能量属性,分析了频率梯度衰减和调谐能量属性及含气性储集层对高频成分的响应特征,并且与测井结果的含气性检测取得了一致性的效果。根据研究区58 口井的近、中、远道集的频率衰减梯度和调谐能量属性可知,近、中、远道集的3#煤层的频率衰减梯度属性呈一定的条带性,且产气量较高的井在3#煤层处的频率衰减梯度属性为较大的负异常值,随着道集入射角的增加,频率衰减梯度的负值越大,远道集的属性值显示为最大的负异常值; 产气量较高的井在近、中、远道集的3#煤层处的调谐能量值有较大的异常值,且随着道集偏移距的增加,属性值也越大,远道集的调谐能量的异常值最大。
图4 为测线QN11-236 远、中、近道集叠前频率衰减梯度剖面。图中左侧为构造高点,因此,沁17-23 井打在了构造高点的翼部,可以较好的检测到含气异常,已探明的高产井沁17-23 的远、中、近道集在3#煤层的频率衰减梯度为较大的负值,且随着道集偏移距的增加频率衰减属性的绝对值也增大。图5 为测线QN11-236 远、中、近道集的调谐能量剖面。调谐能量是指合理地调整频带振幅能量,使地层的响应尽量恢复到真实情形,起到保幅作用。因此,在频率衰减梯度值较大的地方,调谐能量也是高值。如图,高产井沁17-23 处3#层附近的调谐能量值最大,且随着偏移距的增加调谐能量的值也增大,与频率衰减梯度预测煤层含气性一致。
图6、图7 中分别显示了QN11-240 远、中、近道集频率衰减梯度剖面和调谐能量剖面。从图中可以看出,不产气的沁19-25 井在远、中、近道集的频率衰减梯度属性的绝对值较周围的值低,且在中、近道集处有断点; 而调谐能量在该井处的值较低,无明显异常。
由于频率衰减梯度和调谐能量属性受地震资料品质和储层的厚度、岩性等的影响[15,16],因此需要结合实际的钻井资料和频率衰减梯度的平面图进行分析。分别对沁水盆地南部3#煤层的远、中、近叠前道集提取频率衰减平面图,为了更准确的看到频率衰减的异常,对频率衰减的平面图进行了远减中道集、中减近道集的处理,全区的58 口井经统计,共有50 口井的频率衰减属性与实际的钻井资料吻合较好,吻合率达86% 。
图8、图9 为研究区沁水盆地南部3#煤层东部的频率衰减梯度属性平面图,红色井是已打的产气井,黑色是空井,从图中我们可以看出东部的构造高带较为发育,产气井的频率衰减梯度有异常值,空井的频率衰减梯度基本上无异常,上文所提到的高产井沁17-23 处的频率衰减属性有明显的异常,在远—中和中—近道集的频率衰减平面图中异常值尤为明显。图9 中,沁17-23 井的西边标有设计井处有极其明显的异常值,且从地震剖面上看该设计井附近基本不发育断层,受到较好的保护,没有遭受后期构造运动的破坏。因此,该设计井处具有一定的有利储层厚度、受断层影响小、具有较完整的背斜圈闭的区域,有利于游离气藏的保护,所以,笔者预测该井主要勘探游离气和煤成气藏,能有较好的产能。
4 结论
( 1) 利用分解小波谱的时频方法,有效地提取地震信号的主频; 分析地震波在煤层中传播时会有能量的吸收和高频衰减,频率衰减梯度属性可以有效的指示煤层的含气性。
( 2) 频率衰减梯度属性是一种适合沁水盆地南部煤层气含气性预测的有效技术方法。研究区的近、中、远道集的3#煤层的频率衰减梯度属性呈一定的条带性,且产气量较高的井的频率衰减梯度属性为较大的负异常值,远道集的属性值为最大的负异常值,指示此处煤层具有较好的含气特征。
( 3) 提取沁水盆地南部3#煤层的远、中、近叠前道集频率衰减梯度平面图,并对频率衰减的平面图进行了远减中道集、中减近道集的处理,高产井附近的频率衰减梯度值有极其明显的异常值。因此,频率衰减梯度属性有效地提高了煤层含气性预测的可靠性。
( 4) 频率衰减梯度属性预测的含气性与实际测井结果的含气性检测取得了一致性的效果。但由于地震资料的品质、储层的厚度、岩性、埋深等等对频率衰减有一定的影响,应结合研究区的实际构造环境、有利储层特征、叠后和叠前AVO属性对该区域的含气性分析进行综合评价。
摘要：针对沁水盆地南部二叠系山西组煤系地层煤层气富集的特征,将频率衰减梯度属性应用于该区的煤层含气性检测。首先基于小波变换,利用分解小波谱的时频分析方法,有效地提取了煤层气中地震信号的时间-频率分布特征;其次构建了与实际勘探目标储层物性参数近似的地质模型。模拟结果表明用频率衰减梯度属性识别煤层的含气性的方法是可行的。将该方法应用到沁水盆地南部的煤层含气性预测中,其预测结果与实际测井解释含气性的结论相一致,有效地提高了储层预测的准确性;且为沁水盆地南部煤层气及类似储层的预测提供一种可行的方法。
沁水盆地煤储层物性研究 篇3
煤层既是煤层气的源岩, 又是储层。寻找煤层气, 必须先找到煤层, 还必须进一步寻找有利于煤层气聚集的煤层孔隙裂隙发育区, 从而降低煤层气勘探的风险[2]。地面煤层气勘探和开发实践表明。最近一段时期, 以探测煤层赋存状态、构造形态、断层发育特征, 定性、半定量地解释煤层厚度为主要目的的二维地震勘探技术已广泛应用于煤层气勘探评价, 并发挥了重要作用。随着地震勘探的能力不断提高, 目前主要应用于高精度构造勘探, 特别是近年来高分辨三维勘探技术研究与应用的深入, 解决问题的能力大幅提高, 在有利条件下可以查明落差大于5m的断层、直径大于20m的陷落柱及预测煤厚度和宏观构造等。
我国煤层气储层具有强烈的非均质性及含气饱和度低、渗透率低、地层压力低的特性。沁水盆地煤层气赋存和保存条件体较好。沁水盆地构造较为简单, 内部构造稳定、边缘活动性增强, 总体表现为一个大型复式斜盆地;含煤性好, 主力煤层基本稳定分布, 成煤前、成煤期、成煤后的岩相古地理环境煤层的发育具有重要控制作用;煤层埋深适中, 2000m以浅地区约占盆地总面积的80%。
本文通过对沁水盆地的煤储层进行分析研究, 对煤样进行测定, 分析了轴压和围压对煤储层的纵横波速度, 弹性参数的影响。对研究煤储层的地震响应特征有一定的积极意义。
1 样品研究
为了研究煤储层特性, 本次在沁水盆地的xdd, cg, tc, zb目标煤层进行了系统采样, 取得50个样本, 成功制取44个样品。在恒定孔压和恒定温度下, 在MTS岩石物理参数测试系统进行了测试。
2 煤储层物性
在恒温 (25℃) 恒孔压 (0MPa) 条件下, 轴压 (5kN) 恒定, 围压递增, 得到弹性参数。
x2号样品测定结果见表1。
从表1可知, 随着围压的递增, 纵波速度和横波速度不断增大。弹性模量随着围压的递增, 而增加。随着围压的递增, 泊松比变化不明显。纵横波比增大到一定数值之后减小。
x4号平行层理样品岩石物理参数测试结果见表2如下
从表2可知, 随着围压的递增, 纵波速度和横波速度断增大的。弹性模量随着围压的递增, 而增加。随着围压的递增, 泊松比增大, 说明纵向压缩 (拉伸) 对横向拉伸 (压缩) 影响变换不大。纵横波比也是增大。
得到44个样品的测试结果, 都与x2号垂直层理样品相似, 随着围压的递增, 纵波速度和横波速度也是不断增大, 回归方程相关性很好, 相关系数全部大于0.9。纵横波速度, 弹性参数与围压的关系类似。
3 结语
通过对上面测试结果比较分析发现, 对于垂直层理方向, 其纵波和横波的速度大于平行层理方向的纵波和横波速度, 可借此判断层理方向。随着围压和轴压的增大, 纵波和横波速度, 都是增大的, 纵横波速度比也是增大的, 但是围压和轴压到达一定数值纵横波速度达到峰值, 之后下降, 表明纵横波速度与围压和轴压是非线性的。杨氏模量, 剪切模量, 体积模量, 拉梅系数也都增大, 说明围压和轴压越大, 煤储层对压力变化会变得迟钝。大多数样品随着围压和轴压的增加, 纵横波速度比也是增大的, 表明煤储层的纵波速度对围压和轴压的变化更敏感。到达一定压力下, 煤储层的结构有一定的变化, 导致纵横波速度不是线性增加。以上研究分析, 对储层的力学特性和弹性参数之间的关系有了规律性的发现, 有助于沁水盆地煤储层的识别与预测, 对煤层气的地震勘探有重要意义。
参考文献
[1]王红岩, 刘洪林, 赵庆波, 等.煤层气富集成藏规律[M].北京:石油工业出版, 2005, 3.
沁水盆地煤层XX-1井钻井工艺 篇4
1各次开钻施工要求
第一次开钻钻进井段
1.1井眼要保证打直打好, 必须旋转开钻, 禁止不转钻具直接冲出井眼。
1.2钻进井段地层易漏失, 做好地层防漏工作, 井场储备适量的堵漏材料。
1.3上部地层松软, 易垮塌, 钻进时, 适当的提高泥浆的粘、切值。
1.4钻达设计井深, 或钻至基岩稳定地层后, 加重泥浆密度维持井壁稳定, 下套管前大排量循环洗井两周, 确保下套管顺利。
1.5钻进过程中使用好固控设备, 保证泥浆性能满足钻井的要求;
1.6各岗位加强坐岗, 并做好坐岗记录;
1.7按照相关操作规程和设计执行现场操作, 安全生产。
2地层可钻性分析以及钻具选择
从表1以及邻井实际钻井数据分析可以看出:沁水盆地南部煤层适合使用抗研磨性强、保径的钻头。
3井身结构设计
一开采用D374.7mm牙轮钻头, 钻遇基岩20m后, 井深约60m (以实钻地层为准) , 下D273.1mm表层套管, 封固地表疏松层、砾石层。下入深度约60m, 固井水泥返至地面。二开采用D241.3mm钻头, 预计3#煤层顶界以上1.0m完钻, 深度约790m, 下入D193.7mm技术套管固井, 注水泥封固至井深280m。三开采用D171.5mm钻头, 保持在3#煤层中钻进, 钻进至井深1488m与直井连通, 钻至井深1498m后完钻, 下入139.7mm套管。
4钻井液优化设计
5结语
通过对SN-1井钻井设计, 合理处理钻井过程中遇到的突发情况, 降低突发情况机率, 降低施工成本, 保证煤层气钻井的成功率。
参考文献
[1]倪荣富.石油部召开钻井设计经验交流会[J].石油钻采工艺, 1983 (01) .
[2]金永辉.延长油田钻井设计管理分析[J].中国石油和化工标准与质量, 2011 (02) .
[3]孙景涛, 窦同伟, 张海军, 刘在桐, 王立辉, 王文.张海34-17井钻井设计与施工[J].石油天然气学报, 2010 (02) .
[4]李敦宝, 周韶光.地热生产井钻井设计一例[J].国外地质勘探技术, 1982 (04) .
沁水盆地南部 篇5
1 区域地质概况
郑庄区块位于沁水盆地南部, 行政区位于沁水县、阳城县境内, 区内整体构造背景是北低南高, 东南部受寺头断层和后城腰断层影响较大, 中部地势较平缓, 区内断层、陷落柱发育;煤炭资源丰富, 主要含煤地层为山西组、太原组, 山西组主力煤层为3#煤层, 是本次的研究对象;郑庄区块3#煤层厚度较大, 一般为4.9~6.7 m, 埋藏深度在500~1 000 m;煤体变质程度较高, 基本属于无烟煤;而且煤层含气量较高, 一般在20 m3/t以上, 具有较高的勘探和开采价值。其构造行迹如图1所示。
2 煤层构造应力特征
2.1 地应力测量原理
地应力测量技术包括岩心试验、测井和现场实测等。其中水力压裂法是通过测量岩石破裂直接确定应力, 测量精度较高。基于此, 采用水力压裂法测量地应力。
煤储层裂缝开启的最小压力为裂缝破裂压力, 是压裂设计的基础。破裂压力值pf可较易从压裂施工曲线上读取。
在压裂施工过程中, 停泵后压降曲线上有一个明显的拐点, 这就是瞬时关井压力pISTP, 也即最小水平主应力。
最大主应力可以表示为[4]
σH=3σh-pf-p0+St (1)
式中:σH为最大主应力, MPa;σh为最小主应力, MPa;St为煤岩抗拉强度, MPa;pf为破裂压力, MPa;p0为地层孔隙压力, 在正常情况下近似等于储层压力。
根据上述测量地应力方法, 结合压裂资料, 可计算得出最小主应力和最大主应力。
2.2 有效应力
有效应力为垂直于裂隙方向的总应力减去裂隙内流体压力与有效应力系数的乘积, 是裂隙宽度变化的主控因素。有效应力增加会使裂隙闭合, 从而导致绝对渗透率下降。根据垂向应力、侧向应力, 可得出平均有效应力计算式[5,6,7]:
σe= (σh+σH+σv) /3-p0 (2)
式中:σe为有效应力, MPa;σv为上覆静岩压力, MPa;p0为储层压力, MPa。
2.3 煤层地应力特征
以郑庄区块部分试井压裂施工参数和测井获取的地应力资料为基础, 根据最小、最大主应力计算公式, 得到研究区域最小、最大主应力值, 见图2和图3, 并对其有效应力进行计算, 最终得到郑庄区块3#煤层有效应力等值线图, 见图4。
3 煤体变形特征
不同变形程度煤体的测井响应不同, 一般情况下, 软煤以低电阻、高声波时差、低密度、低中子强度为主要特征;硬煤以高电阻、低声波时差、高密度、高中子强度为主要特征。根据这些测井响应特征, 对各煤层气井煤体结构进行系统解释, 可以区分出硬煤和软煤[8]。
以郑庄区块部分试井钻井煤心资料及井下煤壁观测结果为基础, 结合测井数据及其柱状图, 对郑庄区块3#煤体变形程度进行了研究统计。为了定量分析煤体变形程度, 引入软煤比例, 并对郑庄区块3#煤层软煤比例进行统计, 结果见图5。
从图5中可以看出, 郑庄区块3#煤层的软煤比例总体上较低, 局部区域受地质构造特征影响, 软煤比例较高。软煤比例低, 说明煤体较硬, 可能为原生结构煤或碎裂煤;软煤比例高, 煤体较碎, 可能为碎粒煤或糜棱煤。一般情况下, 适中煤体变形所形成的碎裂煤裂隙最发育, 渗透性最好, 原生结构煤和碎粒煤次之, 糜棱煤最差[9,10]。
4 煤层裂缝预测
在对郑庄区块研究区有效应力和软煤比例进行计算的基础上, 建立3#煤层裂隙预测评价体系, 并结合郑庄区块有效应力、软煤比例预测结果, 运用指标法对煤层裂隙发育情况进行评价计算, 最终确定煤层裂隙发育情况。
4.1 预测方法
3#煤层裂隙最发育地区就是有效应力与较低软煤比例地区的耦合。因此, 笔者以有效应力和软煤比例为评价指标, 运用模糊指标评价法, 对该煤层裂隙发育情况进行预测。其预测方法如下:
1) 建立郑庄区块3#煤层裂隙发育情况预测评价指标体系, 见表1。
2) 根据上述的预测评价指标体系, 分别为有效应力和软煤比例打分, 并将二者所得分数相加。
3) 建立煤层裂隙发育情况预测评价标准:裂隙发育最好区域, 量化值n≥80;裂隙发育较好区域, 70≤n<80;裂隙发育较差区域, 60≤n<70;裂隙发育最差区域, n<60。
4.2 预测结果
运用上述指标法, 结合煤层有效应力评价结果和软煤比例预测结果, 对研究区3#煤层裂隙发育情况进行了预测, 结果见图6。
根据郑庄区块3#煤层部分试井取心试验结果, 得知该煤层多发育2组裂隙:主裂隙和次裂隙。二者近垂直层理, 走向大体一致, 且裂隙多切穿组分分层。主裂隙发育长度一般为0.5~7.0 cm, 密度7~25条/5 cm, 高度0.5~9.5 cm;次裂隙与主裂隙近似直交, 长度受主裂隙控制, 一般为0.1~3.0 cm, 密度5~13条/5 cm, 高度0.3~4.0 cm。裂隙中多充填少量碳酸盐矿物薄膜, 裂隙连通性中等—好 (见表2) 。根据郑庄区块部分试井测试渗透率数值, 绘制出郑庄区块3#煤层渗透率等值线图, 见图7。
煤层裂隙是煤层气渗流、产出的主要通道, 决定着煤储层的渗透性, 一般情况下, 煤层裂隙发育越好, 煤层渗透率就越高;裂隙发育越差, 煤层渗透率就越低。从郑庄区块3#煤层测试渗透率等值线图可以反推出该煤层裂隙发育情况, 并结合部分试井实测裂隙发育情况, 与该区域裂隙发育预测结果相比, 能够较好地吻合, 证明此种以有效应力和煤体变形特征为基础的裂隙发育情况预测方法是切实可行的。
5 结语
1) 以水力压裂法为基础, 对郑庄区块3#煤层最大、最小主应力进行计算, 建立了煤层有效应力模型, 查明了该煤层有效应力分布情况。
2) 以郑庄区块测井数据为基础, 根据不同变形程度煤体测井响应特征不同的原理, 对3#煤层煤体变形进行了统计, 掌握了煤层煤体变形规律。
3) 以3#煤层有效应力和软煤比例为评价指标, 建立该煤层裂隙发育情况评价标准体系, 对煤层裂隙发育情况进行预测, 并将预测结果与现场测试渗透率数据进行对比, 取得了较好的一致性, 证明此种预测裂隙发育情况的方法是切实有效的。
参考文献
[1]杜志立, 王继尧, 方俊华, 等.基于分形理论的煤层微观裂隙复杂程度评价[J].黑龙江科技学院学报, 2010, 20 (4) :251-255.
[2]刘升贵, 安里千, 薛茹, 等.运用高斯曲率法预测煤层天然裂隙发育区[J].中国矿业大学学报, 2004, 33 (5) :573-577.
[3]李军, 郝天珧, 赵百民, 等.地震与测井数据综合预测裂缝发育带[J].地球物理学进展, 2006, 21 (1) :179-183.
[4]傅学海, 秦勇, 韦重韬.煤层气地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2007.
[5]彭守建, 许江, 陶云奇, 等.煤样渗透率对有效应力敏感性实验分析[J].重庆大学学报, 2009, 32 (3) :303-307.
[6]帅起伟, 邱园, 王子元.有效应力的计算方法研究[J].内蒙古石油化工, 2011 (8) :324-326.
[7]陈振宏, 王一兵, 郭凯, 等.高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究[J].地质学报, 2008, 82 (10) :1390-1395.
[8]倪小明, 苏现波, 张小东.煤层气开发地质学[M].北京:化学工业出版社, 2010.
[9]钟玲文, 员争荣, 李贵红, 等.我国主要含煤区煤体结构特征及与渗透性关系的研究[J].煤田地质与勘探, 2004, 32 (S) :77-81.
沁水盆地南部 篇6
我国拥有丰富的煤层气资源,根据国际能源机构(IEA)统计,我国煤层气资源量居世界第三。晋陕蒙含气区是我国煤层气资源量最大的地区,煤层气资源总量为17.25万亿m3,占全国煤层气总资源量的54.83%。沁水盆地是该地区较大的含气盆地,含气量超过了1万亿立方米,是国内煤层气研究开发较为成熟的地区。2006年《国家中长期科学和技术发展规划刚要(2006-2020年)》将大型煤气田及煤层气开发列为16个重大专项之一,进入“十二五”以后,我国煤层气产业更是步入了快速发展的轨道。煤层气开发过程中,采用排采的方法,即排水降压到一定程度,然后解析出来甲烷气。可见这个过程中排水是采气前的重要一步,期间会排出大量伴生水。目前对煤层气井产出水的研究主要有:水质特征与煤层含气性和煤层气井产能的关系[1,2,3,4,5,6,7];产出水对周围环境的影响以及治理方法[8,9,10,11,12,13,14]。因而对我国煤层气井产出水水质特征的研究有着重要意义。本文以沁水盆地的潘庄地区煤层气井产出水为研究对象,对不同井位进行水质特征对比分析,从而得出产出水水质的动态变化规律,无论是对产出水与煤层含气性、产能的研究,还是对周围环境的影响以及治理方法的研究都有重要意义。
1 实验过程与数据
1.1 样品准备
为了研究产出水动态变化特征,选择我国煤层气开发较好的区块———沁水盆地潘庄区进行水样的连续跟踪采集。并确定了收集水样的井号,分别如下:P-01井、P-02井、P-03井、P-04井。
本文根据目前沁水盆地煤层气的生产实际情况,以不同水文地质单元、不同构造部位、不同煤层气产层、和不同井型为采样原则,合理地选择了煤层气生产区内4口煤层气生产井,开展了连续9个月的水样连续跟踪采集分析工作,进行了温度、色度、p H值、浑浊度、透明度、悬浮物、流量以及矿化度、硬度、各种离子含量等25项水样的物理化学性质的观测分析。
1.2 实验仪器
本实验所用仪器为中国地质大学(北京)能源学院实验室IC-2800离子色谱仪。
实验流速2(m L/min);柱箱温度30℃;进样量(μL):1.0。
实验过程中,分别对阴离子和阳离子进行了测量,其中氟离子、溴离子等含量极少,不含硝酸根等离子,主要离子含量见下文实验结果。
1.3 测试数据
潘庄实验区四口井从排采第112天开始跟踪采集水样至排采第383天,各井采样共10次,平均采样时间间隔28天。水样实验测试后各离子浓度以及水样的总矿化度分别见表1。
2 水质变化规律及水型特征
选取实验所测出的对水质影响较大的几种离子进行分析。由于本实验水样是该区各井排采三个多月以后开始跟踪采集的,因此可以认为本文主要分析的是潘庄地区各井产出水经过大约三个月的排采之后的水质特征及变化规律。根据该区各井的采样所测出的主要离子浓度及矿化度值与其排采时间的关系,可以得出它们随时间的变化趋势(图1-图4)。
2.1 水质变化规律
1)Cl-变化规律
总体上看实验区各井的产出水Cl-离子浓度值均不相同(图1),其中P-03井Cl-离子浓度值明显高于其他三口井,处于600~800mg/L之间;P-04井次之处于300~400mg/L之间;P-01井处于300mg/L左右;P-02井Cl-离子浓度值最低,处于200mg/L左右。
就各井浓度值的变化规律而言,P-01、P-02两口井的Cl-离子浓度值曲线近平行,表明两者离子变化规律相同,且曲线接近水平,表明降低值很小,基本稳定;而P-03、P-04两口井的Cl-离子浓度值具有相似性,即总体上两者都一定程度的向下倾斜,表明两者离子变化规律总体上处于较快降低过程,而且两口井至采样结束时的Cl-离子浓度值都下降了各自采样初期值的25%左右。不同的是对于P-03井来说,其中间有一段近似“水平段”持续两个月左右,由表1中可查出此中间两个月采的三次样分别为713.9mg/L、722.0mg/L、722.8mg L,表明此时Cl-离子浓度基本是“稳中有升”现象,但难掩其总体下降规律。
关于Cl-离子浓度值总体的下降,可能是由于地层水中残留的钻井液、泥浆、压裂液等诸多污染物[14]随着排采过程而逐渐排出造成的。即在产出水中Cl-离子浓度值较高(P-03井和P-04井)时而呈现的缓慢降低现象,而P-03、P-04井在采样初始时Cl-离子浓度值较高的原因可能是前期作业时压裂液等中氯化钾含量较高造成的[15,16]。
2)HCO3-变化规律
从图2中可以看出,各井HCO3-离子浓度值也各不相同:其中P-03井HCO3-离子浓度值最低,处于1200~1500mg/L之间;P-01井略高于P-03井,处于1300~1500mg/L之间;P-02略高于P-01,处于1400~1600mg/L之间;P-04HCO3-离子浓度值最高,处于1600~1900mg/L之间。
就各井HCO3-离子浓度值的变化规律而言,仍然是P-01、P-02两口井表现出相似性,呈现出先在4个月内较小幅度的降低然后在5个月里升高的规律,升降幅度均不超过15%;而P-03、P-04两口井的HCO3-离子浓度值的变化曲线形状较为相似,表明离子浓度的变化规律相同,均经过了一个月左右的稳定过程后在两个多月的时间里较快的下降,随后又经过三个月左右的上升期之后微微下降,且两口井均在排采230天左右时经历HCO3-离子浓度值的“低谷”时期。虽然P-03、P-04两口井变化曲折但考虑到变化持续的时间段及升降幅度,这两口井的HCO3-离子浓度值仍可近似看做先降低再升高的规律。因此总的来说四口井的HCO3-离子浓度值大致表现为先降低再升高的变化规律。
关于本区HCO3-浓度升高的原因,国内学者李忠诚,唐书恒等[6]作了HCO3-富集机理方面的研究,认为在还原环境中当有机质存在时,在脱硫酸还原菌作用下发生脱硫化作用,从而导致了HCO3-离子的富集。
3)Na+离子变化规律
由图3可以看出,在Na+离子浓度值方面,同样是P-01和P-02两口井Na+离子浓度值比较接近,P-03和P-04两口井的值比较接近。其中P-01和P-02两口井的Na+离子浓度值处于700~800mg/L之间;而P-03和P-04两口井的Na+离子浓度值明显高于前两口井,处于900~1000mg/L之间。
四口井的Na+离子浓度值变化曲线都比较平缓,虽略有降低,但幅度不超过各井自身Na+离子浓度值的5%,基本处于稳定状态。说明此时产出水中Na+离子浓度值已基本接近各井所处地层的地层水的Na+离子浓度值。
4)矿化度变化规律
由本文前面所分析可知在Cl-离子、HCO3-离子、Na+离子这三种离子的变化规律中,P-01和P-02两口井都表现出了相似性,P-03和P-04两口井都表现出了相似性。而矿化度又主要受这三种离子影响(Mg2+、Ca2+、SO42-因浓度很低对矿化度变化影响不大),所以在矿化度值的变化规律中,P-01和P-02两口井也应表现出相似性,P-03和P-04两口井也应表现出相似性。由图4可以看出,的确如此:P-01和P-02两口井不仅矿化度值比较接近,均处于2400~2600mg/L之间,并且变化也都较小,基本都处于稳定状态;而P-03和P-04两口井矿化度值较高且比较接近均处于3000~3300mg/L之间,且都呈现出经过5个多月的缓慢降低后升高3个多月的规律,但两者上升幅度不超过自身的10%。其中P-03和P-04两口井矿化度值后期升高的原因除了脱硫化作用引起的HCO3-离子的富集因素之外,也可能是由于煤层顶板水或者外缘水的渗入导致的矿化度升高,也可能是由于处于不同地质构造部位的煤层孔隙或裂缝在压力降低后的发生紧缩或者闭合使其间的受过污染的水短期外排造成的。
2.2 产出水水型特征
根据实验所测得的Na+、Mg2+、Ca2+、HCO3-、Cl-、SO42-等离子数据,利用Aquachem40软件做出stiff图(图5),清晰地分析出各井产出水的水型。Stiff图解法是水文地质学用来表示水成分的一种方法,一般以每升水含有某种离子的毫克当量数(meq/L)作单位。该方法将阳离子表示在垂直坐标轴的左边,阴离子表示在右边,三个平行的水平坐标轴延伸到垂直坐标轴形成多边形,多边形面积越大表示所选离子浓度越高。它能快速对来自不同的水样以及同一水源的水质变化进行可视化比较。
由图5-(a)可以看出,P-01井的水型为Na-HCO3-Cl型,Na+离子占了阳离子的绝大部分,HCO3-离子与Cl-离子是主要的阴离子,但HCO3-离子毫克当量数所占比重明显多于Cl-离子。由于水型自采样开始至采样结束均为Na-HCO3-Cl型,再次说明P-01井整体水质水型基本稳定。
图5-(b)表示P-02井的水型为Na-HCO3型,且P-02井产出水从采样初期到采样结束水型均为Na-HCO3型,表明P-02井产出水水型稳定。与P-01井对比发现,P-02井的Cl-离子更少(图1)、HCO3-离子更多(图2),因此HCO3-离子占了阴离子的绝大部分,表现为Na-HCO3型。
图5-(c)、图5-(d)、图5-(e)分别表示了P-03井的三种水型,自采样初期至采样结束,P-03井的水型呈现由NaHCO3-Cl型向Na-Cl-HCO3型再向Na-HCO3-Cl型转变的规律。从三个图中可以看出Cl-离子的毫克当量数占阴离子的比例大体上是逐渐降低的。
图5-(f)表示P-04井的水型为Na-HCO3-Cl型,且P-04井产出水从采样初期到采样结束水型均为Na-HCO3-Cl型,表明P-04井产出水水型稳定。并且其中HCO3-离子占阴离子的绝大多数,而Cl-离子则较少。
3 结果探讨
本文通过对不同井位的产出水进行测试、井间对比分析等,得出了各井产出水的水质变化规律以及水型特征。发现采样初始时(已排采112天)Cl-离子起始浓度值较高的P-03、P-04两口井总体上呈现下降的趋势,而起始浓度值较低的P-01、P-02井则处于比较稳定的状态;四口井的HCO3-离子浓度值总体上先降低后上升。四口井的Na+离子浓度值则基本保持不变。而四口井产出水的水型有两口井(P-01、P-04)的水型为较稳定的Na-HCO3-Cl型,且P-03井在排采结束时已经演变为Na-HCO3-Cl型,且对比这三口井在采样结束时的水型(5-(a)、5-(e)、5-(f))发现有一个共同特点:HCO3-离子占了阴离子的绝大部分,而Cl-离子则占的比重较小,并且这三口井的Cl-离子还有减少的趋势,也就是说有向NaHCO3型变化的趋势。另外P-02井产出水水型则稳定在NaHCO3型。
4 结论
本文可以得出结论:在本地区煤层气井产出水排采112天以后至排采383天的大约9个月的时间内,产出水矿化度及各离子浓度大体上呈现较快下降或者基本稳定的阶段,所处阶段取决于矿化度及各离子浓度初始值的高低。初始值高的井位的产出水水质处于较快下降阶段,水型稳定在NaHCO3-Cl型后并有逐渐向Na-HCO3型水型变化的趋势;初始值低的井位,则处于基本稳定阶段水型稳定为Na-HCO3型,稳定的产出水的水质水型基本接近该区的地层水水质情况。
从而可以根据本文分析得出的结论,利用水质变化规律采取合理的措施进行产出水的治理工作,达到在开发利用能源的同时保护环境的目的。
5 致谢