阿拉巴馬州煤層氣田薄皮構造對產氣量的影響

J.C.帕斯欣［１］等 摘 要 在美國阿拉巴馬州煤層氣田中，薄皮構造(Thinskinned structures) 普遍發育，影響著煤層中氣體和水的產量。Deerlick Creek氣田和Cedar Cove氣 田中發育拉張構造，包括正斷層及其上盤逆牽引構造；而Gurnee和Oak Grove氣 田中發育擠壓褶皺。這些都被解釋為不同地層滑脫麵之上發育的滑脫褶皺。從氣 、水產量平麵展布圖，可以看出構造樣式，且可進一步指明：褶皺與斷裂作用影 響著煤層氣儲層的滲透率分布以及脫氣工作成功與否。 〔1〕美國阿拉巴馬州阿拉巴馬地質調查所 1 概述 褶皺和斷裂的發育控製著常規烴類的分布及生產能力，而煤層氣是以吸附狀 態保存下來的自生自儲式氣藏，常規的圈閉機製對煤層所起作用極小。因此，煤 層氣的開采必須滿足以下基本條件：首先必須具有經濟可采的煤層氣資源量；其 次，必須能夠使儲層壓力充分降低(使氣體脫吸附)；還有，就是降低儲層壓力時 排出的地層水能得以安全、經濟地處理。 褶皺作用和斷裂作用對於製定煤層氣的勘探和開發以及地層水的產出和處理 策略非常重要。自1980年以來，在阿拉巴馬州的中西部已經鑽了4500多口煤層氣 井，並已建成20個煤層氣田，其中18個氣田位於黑勇士前陸盆地的東部，另外2 個位於阿巴拉契亞逆衝帶最南端的Cahaba煤田。到目前，阿拉巴馬州的煤層氣累 計產量已超過127億m３，與此同時累計產水量也超過了4000Mbbl。全區，煤層 氣產層為下賓夕法尼亞紀(C2-3)Pottsville地層中的煤層，其煤層氣資源量超過 5660億m３。 阿拉巴馬中西部的Pottsville地層中發育大量的張性和擠壓構造，而且這個 地區大量的鑽井產氣曆史較長，這樣該區便成為研究構造對煤層氣產量是否起控 製作用的理想場所。鑒於此，我們選擇如下4個地區進行詳細研究：東南部的Dee lick Creek氣田和東部的Cedar Cove氣田，以及北部的Gurnee氣田和中部的Oak Grove氣田。其中前兩個氣田張性構造，如正斷層和逆牽引褶皺普遍發育，而後 兩個氣田則發育寬緩的擠壓褶皺構造，這種褶皺在前陸逆衝帶普遍發育。 我們進行研究主要目的是03manbetx
阿拉巴馬州煤層氣田的構造幾何形態。因為構 造的幾何形態是研究褶皺和斷裂係統成因的關鍵，它控製著煤儲層的埋深、產狀 以及連續性。而在煤層氣田中，大多數構造是薄皮構造，即位於結晶基底之上的 沉積蓋層擠壓形成的構造。其次是研究地質構造對煤層氣和水產量的影響。即是 褶皺和斷裂作用影響氣、水產量，還是區域斷裂和操作程序對產氣、產水量有影 響?下麵我們先回顧一下張性構造和擠壓構造幾何學和運動學的有關理論。再看 一下阿拉巴州中西部的構造資料，進而證實這些構造對氣體和水產量的作用，最 後得出結論和概念性模型。 我們主要利用地球物理測井和開發資料。即，對每個研究區，根據阿拉巴馬 州油氣委員會提供的伽瑪和密測井解釋，繪製了包括煤層和旋回界麵在內的主要 標誌層構造等值線圖，並利用這些測井資料，根據麵積平衡法做了橫剖麵圖。 2 薄皮構造橫剖麵麵積平衡法 圖1 張性和壓性薄皮構造幾何形態圖S-麵積變化；D-位移距離；H-擠離深 度； h-區域標誌層到參考水準麵距離 薄皮構造(圖1)的幾何形態，可以通過一種簡單的麵積平衡進行定量化，這種 方法可以對構造橫剖麵加以限製，原因在於其順層滑移量和基底擠離的位置是可 求的。用這種方法做橫剖麵時，最好選取幾個標誌層，且隻需通過測井解釋出的 基本地層數據資料。本次研究中，做Deerlick Creek氣田的張性構造和Gurnee氣 田的擠壓構造剖麵圖時，我們都用了這種方法。 用麵積平衡法對薄皮構造進行橫剖麵恢複時，有兩個基本假設前提：一是地 層發生形變時，其橫截麵麵積不變，這是麵積平衡法的首要原則；二是構造向下 終止於基底滑脫麵，這一條隻適用於薄皮構造。這裏我們隻是概略地總結一下該 方法的理論。 如果一個構造的橫剖麵麵積不變，那麼在基底擠離麵之上麵積變化就相當於 構造相對於原始基準麵(或叫區域基準麵)的隆起或下降的麵積，即 S=DH 其中S代表變化的麵積，D代表地層沿基底擠離麵滑動距離，H代表擠離麵的 深度。張性構造中下降到區域基準麵以下的那部分麵積我們稱之為丟失麵積，在 此約定為負值；而擠壓構造隆起到區域基準麵以上的麵積稱為附加麵積，約定為 正值。 橫剖麵每一構造層都服從麵積—深度這一關係式。因此在麵積—深度圖上構 造層位之間接關係為線性關係，即 S=DH+Sa 其中Sa是該直線的麵積截點，斜率是某一構造層在基底擠離麵上的位移距離 ，而擠離麵的位置就對應著麵積變化為零的點，與指定參照麵不一定重合。通過 多個標誌層的麵積變化值，求出麵積—深度的線性關係，進而求出擠離麵的深度 和位移距離。 3 張性構造 張性構造，尤其在前陸盆地普遍發育正斷層，有人認為是由於上部岩石圈在 形變荷載作用下差異升降形成的。在黑勇士盆地普遍發育有正斷層和上盤逆牽引 構造。這對西北部形成常規烴類圈閉較為有利。然而，這些構造對煤層氣產量的 影響卻鮮為人知，而且有關這些正斷層的幾何形態和逆牽引方麵有許多問題急待 解決。盆地西部許多斷層縱向較深，可能其滑脫在基底，而東部一些煤層氣田的 一些斷層水平和垂向延伸均較短，可能是在較淺層的煤層發生滑脫作用造成的。 31 Deerlick Creek氣田 最近Wang和他的同事(1993，1994)在研究黑勇士盆地東部的Deerlick Creek 氣田東南部斷裂時采用了一種新的方法—斷層透射圖法。平麵圖範圍內有6條北 西向正斷層及其地壘、地塹係統(圖2)。其中中部發育一完整的地壘、地塹係， 而東部和西部邊界均為西向半地塹。六條斷層大多延伸範圍超出圖幅，且它們的 垂直斷距為3048~9144m。據Wang的研究，這些斷層傾角50°~70°，幾何形 狀為平直或鏟狀，斷層間地層發生輕微逆牽引褶皺。在Strip Mine地塹，Pottsv ille地層卷入相對的斷層，形成一個閉合高近50ft的背斜。 在完整地塹係和半地塹分別對Pottsville旋回作了麵積—深度圖，Strip Mi ne地塹和Holt Lake半地塹的結果非常相近，並預測拆離麵深度為參照麵下152 4~12192m。由此可見滑脫發生在Pottsville地層之下，很可能在Boyles砂岩層 頂部，而該組砂岩就構成了基底9144m厚的剛性體。 32 Cedar Cove氣田 Cedar Cove氣田位於黑勇士盆地上傾的東南邊緣，氣田東部發育有拉張構造 和擠壓構造，氣田內地層傾角較陡，被一條大型逆衝斷層削截，致使逆斷層發育 區寒武係-奧陶係碳酸鹽岩覆蓋在含煤的Pottsville地層之上。氣田其他地區則 主要發育正斷層，且總體構造樣式與Deerlick Creek氣田的正斷層的構造樣式相 似。 在氣田中具有一組正斷層呈西北-東南向穿過，該組斷層構成了極性西南的 半地塹，這正是黑勇士盆地正斷層係統的特征，組內斷層垂直斷距小於3048m ，一個斷層組累計垂直斷距一般小於 ●產氣量峰值＞8490m３ ·產氣量峰值4245~8490m３ 正斷層：斷層下降盤 等高線間距=762m(25ft) 圖2 Deerlick Creek氣田東南部構造和產量關係圖 6096m。緊靠斷層組西南部發育一個的滾卷褶皺複合體，其中正斷層呈左列 雁行排列。有些斷層的垂直斷距近4572m，且斷層之間地層發育次級滾卷褶皺 ，雁行排列的南端，地層向南平緩傾斜，並逐漸在盆緣過渡為一向斜狀。目前還 沒有求出擠離麵的深度和滑移距，但從斷麵延伸垂直斷距可推斷：與Deerlick C reek氣田類似，多數斷層的滑脫麵為一淺層擠離麵。 4 擠壓構造 自本世紀初以來，阿巴拉契亞褶皺帶就被認為是擠離構造，並作為逆衝帶擠 壓性薄皮構造的典型。Rodgers(1950年)第一次提出，象大多數其他阿巴拉契亞 一級褶皺那樣，Oak Grove氣田的主要構造之一—Sequatchie背斜是寒武係頁岩 擠離形成的。在阿巴拉契亞褶皺帶內常規油氣鑽探很少，而世界上前陸逆衝帶上 煤層氣的大規模經濟開采則是非常有前景的。在Gurnee和Oak Grove氣田的鑽井 數量居該帶之冠，因而此區為研究薄皮構造幾體形態和運動學機理及其對煤層氣 產量的影響提供了得天獨厚的條件。 41 Gurnee氣田 圖3 Gurnee氣田Woods Creek背斜超出麵積圖 Gurnee氣田北部的井打在一係列幾何形態及其走向不同的褶皺上。大量的露天 資料和地下數據使我們可以應用麵積平衡法對Woods Creek背斜進行研究。這樣 就可以對完整背斜以及逆衝帶背部的傾斜背斜做出附加麵積圖(圖3)，從圖中可 見，完整背斜背翼終止部位，基底拆離麵大約位於海撥-5000英尺處，因此我們 有90%的把握推斷，滑脫是發生在Nunnally煤層中部到Pottsville地層底部之間 。而傾斜背斜的附加麵積圖則顯示，逆衝斷層的滑脫麵淺於基底擠離麵。所以在 解釋Pottsvile地層的壓性構造時必須慎重，以免把從地表上觀察到的逆衝斷層 錯誤地當成基底擠離麵的斜坡。 42 Oak Grove氣田 Oak Grove氣田發育大量張性和壓性構造。其中氣田西部發育的正斷層，而 氣田東部則主要以擠壓褶皺構造為主，有Sequatchie背斜和Coalburg向斜，且這 兩個構造均向西南傾沒，終止於一組橫穿氣田中部的右列雁行排列的斷層中。Se quatchie背斜與Coalburg向斜共翼，背斜前後翼傾角均小於2°。在該氣田中偏 北部位，Sequatchie背斜脊部上隆幅度超過12192m３，而現代煤層氣工業的 發源地之一—Oak Grove氣田正好位於該大型背斜脊部隆起的西南部位。 寬緩的Sequatchie背斜以及本文提到的其他擠壓隆起的存在，促使人們去研 究解釋阿拉巴馬州煤層氣田的這些褶皺構造的幾何形態及其動力學形成機製，Su ppe和其他一些研究人員先後提出了幾種薄皮擠壓褶皺的幾何形態和動力學模型 ，如斷隆褶皺、斷層傳播褶皺和擠離褶皺模型。 5 構造對產量的控製 利用已建立的四個研究區的構造樣式，我們就可以研究構造與產量的關係， 下麵我們先回顧一下這四個研究區的生產特征，再與其構造樣式聯係起來，不難 看出，褶皺和斷裂以很多方式影響著煤層氣和水的產量。當然我們稍後再來討論 有關的概念模型。 51 Deerlick Creek氣田 該氣田在黑勇士盆地中煤層氣產量居第四位，截止1993年底，累計產氣達10 75億m３，產水達22M桶。大部分地區，氣、水的高峰產值小於8490m３/d 和750桶/d，個別高產井產氣峰值大於8490m３/d，產水峰值也大於750桶/d。 多數這種高產井鑽在Holt Lake半地塹上，兩口特高產井打在Strip Mine地塹邊 繃，並穿過斷層，打到了Holt Lake半地塹。特高產井看起來好象是隨機分布在 半地塹的分界斷層間，但總的來說，這些特高產井分布在該區的中—西部地區。 另外一個異常高產區位於Franklin Hill半地塹的東部，產氣峰值大於8490m ３/d的井集中在該半地塹的東北部位，而產水峰值大於750桶/d的井則散布在 東南部，隻有一口高產井位於東—中部，其氣、水產量均高。 52 Cedar Cove氣田 Cedar Cove氣田煤層氣累積產量已達1924億m３，在阿拉巴馬州煤層氣 田中居第三位，該氣田產水量最大，截止1993年底，累計產水已超過113億桶 ，占阿拉巴馬州煤層氣田總產水量的30%。該氣田的氣、水產量受正斷層和阿巴 拉契亞褶皺帶的影響非常大。 氣田內異常高產水區集中在一個北西向延伸的區域內，1991年6月區內平均 產氣量超過5660m３/d。且所有異常高產井都位於斷層組西南側上盤的逆牽引 複合體上，麵積最大的異常高產區就是圖上中北部的夾於斷層群和上盤左列雁行 排列之間的區塊。 另外，西北向的異常高產氣區也是異常高產水區，1991年6月平均產水量超 過500桶/d，且水產量分布較氣產量分布更加零散。其中產水量大於500桶/d的井 多數鑽在斷層群內或雁行斷裂係的西部。 53 Gurnee氣田 Gurnee氣田共有400多口井，是該州氣井最多的煤層氣田，但其中不到1/3的 井真正完井，且鑽井分布在氣田北部，自1990年該氣田建成以來，累計產氣隻有 065億m３，產水270萬桶。該氣田中構造對氣、水產量的控製作用也遠不及D eerlick Creek氣田和Cedar Cove氣田明顯。 氣田內鑽井中隻有7口井煤層氣產量峰值大於2832m３/d，且多集中在Wood s Creek背斜西部和Dry Creek向斜。另外兩口高產氣井位於圖中南部的Ped Ridg e向斜內，且這兩口井的產氣量峰值均大於8490m３/d，是該氣田內產量最高， 也是僅有的與Deerlick氣田和Creek Celar Cove氣田相比的兩口井。氣田內Mayl ene向斜內的井產量最低，通過短期抽排後，最大產氣量也不超過289m３/d。 該氣田的產水量也不大，在產氣量最大的Woods Creek背斜西部和Dry Creek 向斜內，也隻有幾口井產水量超過200桶/d，且沒有一口井產水量超過400桶/d。 在產氣量最小的Maylene向斜處，產水量也很少，除一口產水量峰值達439桶/d的 井例外。該氣田的高產水井集中分布在Tacoa背斜的背翼和Pea Ridge向斜軸之間 ，位於氣田的最西南部，也是兩口高產氣井所在處。 54 Oak Grove氣田 Oak Grove氣田建於1980年，是由州油氣委員會認證的第一個煤層氣田，該 州的第一批密集分布的煤層氣井就鑽在該氣田東部。截止1993年底，Oak Grove 氣田累計煤層氣產量達215億m３，占該州煤層氣產量的19%，居第二位，累 計產水量達8700萬桶，占全州產水量的23%，也居第二位。 在Oak Grove氣田西北方不足1英裏處，有一直線形的異常高產氣區，區內多 數井產氣峰值超過8490m３/d，且沿一條小型向斜軸呈線形分布，該軸同時也 是Sequatchie背斜脊部隆起和主體背翼之間的絞合線。有趣的是，構造對產水量 的控製作用不明顯，正相反，其產水量沿西北方向隨著遠離地下礦區而增大，反 映出該區礦區脫水滯後(Pashin,1991).盡管如此，沿向斜軸部，其地層水礦化度 仍較鄰區要低。 6 概念模型 基於構造對煤層氣田中氣、水產量的控製作用，我們根據對各氣田的觀察研 究提出一個概念模型，並說明為什麼存在特殊的開采形式。上述四個氣田的結果 表明，薄皮構造影響著氣、水產量，但每個地區的影響力不同。用比較法可以較 圓滿地解釋構造對產量的控製作用，但若以此來解釋構造與產量之間的關係則又 非常困難，尤其對煤層氣藏而言，因為在煤層氣藏中，傳統構造機製所起的作用 還有待證實，而煤層氣的經濟開采則主要取決於能否有效地降低儲層的壓力。 Deerlick Creek氣田的氣、水產量格局表明正斷層的發育使煤層氣藏分塊發 育，如異常高產水、氣區集中在Holt Lake和Franklin Hill半地塹上，表明該區 儲層滲透性增強，同時也說明，氣、水分布是不均勻的。因此，對每一口井的產 氣、水情況就很難預測。但我們懷疑，有可能半地塹本身就比整地塹和地壘條件 優越，例如在Franklin Hill半地塹的西部靠近斷層井的氣、水產量就很低，當 然不排除原部分原因是因為該區煤級較低，另外據Wang(1990)的研究，由於拉張 作用造成的滲透率增加在整地塹的深層最顯著，這樣一來，我們還需要進一步做 工作才能確定出斷層切割煤層氣田中氣井產量的預測模板。 在Cedar Cove氣田，西北向長條狀發育的異常高產氣、水帶似乎與逆牽引背 斜的發育相關(圖4)。正斷層係的上盤逆牽引背斜發育處形成局部拉張應力場， 因此可能是煤層氣勘探的重要目標區。圖區北部的異常高產氣區的格局表明斷裂 的分割作用局部有效，而在南部的零散分布的高產區則與次級背斜和向斜彎曲有 關，這說明彎曲作用造成了滲透率增大，對產氣有利。Decker等人1989年對新墨 西哥州聖胡安盆地部分地區進行研究也顯示 ，彎曲作用與煤層氣儲層中裂隙增 加和產量增加有關。另外，逆牽引褶皺作用對Cedar Cove氣田現今的應力場分布 仍有影響。因為，北西向高產帶的原地應力仍比鄰區的低。Cedar氣田中逆牽引 背斜發育處水產量大，在斷裂群上，水產量也相當大，這也說明這些區域地層滲 透率高。Clayton等人(1994年)檢測到Oak Grove氣田西部一條斷層上有大量氣體 冒出，可見斷層在黑勇士盆地也是流體流動的有效通道。 圖4 阿拉巴馬州煤層中構造控製氣產量的概念模型在Gurnee氣田，峰值產 量大於2830m３/d的井集中分布於Woods Creek背斜和Dry Creek向斜中，這說 明擠壓褶皺也可能影響氣產量。但為什麼這些高產井集中在西部的構造向上傾沒 部位呢?一種可能是：褶皺和斷裂作用增大了地層的曲率和滲透性，但解釋不了 為什麼產水量卻很少。另一種可能是：在地質曆史過程中，氣體不斷向構造上傾 末端擴散的結果。確實，盆地經過多期埋藏、隆升、生氣過程中已發生氣體運移 。但在該氣田西南部氣、水產量也很高似乎與褶皺作用無關，盡管如此，其中一 些井的產量與該盆地中其他異常高產井不相上下，因此，對Gurnee氣田南部200 多口井的一部分井進行完井，可能會有相當的經濟開采前景。 構造影響氣體產量的第四種模式我們稱之為絞合式效應(圖4)。這種模式在O ak Grove氣田很成功，因為在該氣田中，異常高產井均沿著Sequatchie背斜的脊 部隆起與寬緩的構造後翼之間的一個小向斜分布。該向斜曲率較大，且其軸部的 地層水鹽度低，這說明裂縫滲透性增強。象shaw等人1994年在加利福尼亞州Bord erland所做的工作一樣，繪出褶皺鉸合線平麵分布圖，可能有助於準確地選定煤 層氣鑽控遠景區。 7 結 論 用麵積平衡法研究表明阿拉巴馬州煤層氣田中廣泛發育拉張和擠壓成因的薄 皮構造。構造與產量的對比又進一步說明，這些薄皮構造對煤層氣和水的產量影 響很大。Deerlick Creek氣田和Cedar Cove氣田的張性構造以正斷層及其上盤逆 牽引構造為代表，是沿Pottsville組地層下部滑脫形成的。在Cedar Cove氣田， 斷層分割了煤層，使得兩個半地塹的部分地區氣、水產量較高；同時，一個正斷 層群西南發育的逆牽引褶皺顯然使儲層滲透性提高，從而產出氣、水量有所增加 ，但在斷層群內，水產量較大，而氣產量卻不大。 Gurnee和Oak Grove氣田發育的擠壓褶皺，主要是翼部旋轉形成的擠離褶皺 。應用麵積平衡法對Gurnee氣田的Woods Creek背斜進行03manbetx
表明：該構造發育 在Pottsville地層中的一個次級擠離麵上。在這兩個氣田中擠離褶皺似乎對產氣 量都有影響，如在Gurnee氣田高產井多集中在Woods Creek背斜及其相鄰的Dry C reek向斜的上傾端。而在Oak Grove氣田，異常高產氣井呈線形分布在Sequatchi e背斜的脊部隆起與構造主背翼之間鉸合部位的一個小向斜內，這種鉸合效應在C edar Cove氣田也有所表現，如在該氣田高產水井沿著盆地上傾東南邊緣的一個 向斜的軸跡分布。 我們的研究結果表明，構造圖與麵積平衡法是認識構造對煤層氣和水產量控 製作用非常有效的技術。這些煤層氣田的構造多為薄皮構造，說明Pottsville組 地層上部的構造並不代表深層構造的麵貌。事實上，大多數水處理井鑽在推測滑 脫麵以下，也正是滑脫麵以下這一部位，在盆地東部有可能找到常規烴類圈閉。 構造對煤層氣和水產量的控製表現為構造強烈影響著裂縫的分布，進而影響Pott sville地層的滲透性。盡管如此，在鑽井、完井和抽排之前，某一構造的開采潛 力是很難預測的。這是因為要經濟、有效地采出煤層甲烷主要取決於煤層滲透率 。另外還要有可供開采的煤層氣資源量，並能有效地排水以降低儲層壓力。 (《Proceedings of InterGas′95 international Unconventional Gas Sympos ium》， P39~52 吳世祥譯，辛文傑校) (上接第36頁) 孔)，其損失量的推算比較準確。但缺點是當鑽孔塌孔時取樣比較困難。撫順分 院近些年來在大量研究煤屑氣體解吸特征的基礎上，結合法國、德國的方法研製 了在井下通過測定煤屑氣體解吸初速度而推算煤層氣體含量的方法——解吸係數 法。該方法的基點是認為在一定區域內，某一煤層一定粒度的煤屑瓦斯初速度與 煤層氣體含量有直接關係。利用實驗室對煤樣進行解吸(充不同含量)測定，可得 出如下經驗關係式： W=AV1+B 式中 W——煤層氣含量，cm3/g； V1——煤樣解吸過程中第一分鍾時的氣體解吸速度，cm3/g·min； A、B——常數。 這樣在井下利用專用工具通過測定煤屑氣體解吸初速度即可獲得取樣點的氣 體含量。 用手持式煤電鑽垂直於煤壁打10米長鑽孔，每隔2米取一煤樣。該裝置取樣 是以井下壓風為動力，通過引射器，把鑽頭鑽下的煤屑通過螺旋空心鑽杆吸入粉 煤筒內的，以實現定點快速取樣的目的。 氣體解吸速度的測定是用GWRVK－2型多參數氣體解吸儀完成的。該儀器由單 片機控製，其傳感器為引進的微氣流流量傳感器，利用最小二乘方法，直接計算 出解吸初速度和瓦斯含量。表中Kt、K1、Q2為突出參數。根據各取樣點的氣體含 量可推算出工作麵前方氣體含量的分布趨勢和原始氣體含量。這樣使井下煤層中 測定氣體含量的工作變得十分容易。 5 結束語 地質勘探過程中測定煤層氣含量技術存在的主要問題是如何使測定結果更準 確和可靠，其是否準確對煤礦建設及資源開發影響甚大。本文介紹了AMG－1型儀 器的使用結果，把損失量的測量誤差減少了6%～2458%，使地勘解吸法的準確 率又向真值逼近一步。 井下測定煤層氣含量技術關鍵是解決快速、簡便和準確的問題，以減少勞動 強度、滿足安全生產為目的。本文所介紹的解吸係數法具有廣泛的推廣價值。▲