安徽宿州蘆嶺礦區煤層氣生產條件分析

黃曉明 安德魯 莫日和 王洪洲 林 亮

(1.中聯煤層氣有限責任公司,北京 100011;2.加拿大英發能源公司,安徽 235200)

安徽宿州蘆嶺煤礦位于淮北煤田的東南緣,礦區面積23km2,煤炭年生產能力180萬t[1],礦區范圍同時位于中聯公司擁有探礦權的宿南煤層氣勘查區塊的東部 (圖 1)。宿南煤層氣區塊面積約850km2,是我國第一個與外國公司簽署的中外合作煤層氣勘探開發項目,目前外方作業者為加拿大英發能源公司。本次調查工作主要集中在蘆嶺礦區范圍內施工的一口煤層氣參數+生產試驗井,CLG09V-01井。該井連同與其相關的300m井間距的生產井組已于2010年4開始進入煤層氣排采試驗階段。

圖1 安徽宿州地區煤層氣勘探開發形勢圖

1 地質特征

1.1 構造

蘆嶺礦區位于淮北煤田東南緣,北界為東西向的宿北斷裂,南部靠近板橋斷裂,這兩條東西走向、傾向相向的同生正斷層構成了一個區域性的地塹,對礦區的煤系地層沉積起到控制作用。蘆嶺煤礦東界為一北西向的逆斷層,對煤系地層起到明顯的改造和控制作用,礦區呈北西向展布,地層北傾,使其在淮北煤田具有鮮明的構造特點。煤田東部逆沖推覆構造發育,從東向西呈疊瓦式推覆,礦井下常見層滑小構造,對采煤有較大影響。礦區周邊燕山期火山作用較為頻繁,主要表現為酸性火成巖侵入體,多以巖床、巖株和巖脈的形式侵入到古生界沉積地層中。其中,下二疊統山西組地層受巖漿接觸變質和巖漿熱力變質作用明顯,煤質變化大,煤類復雜,以貧煤、無煙煤、天然焦為主。然而,巖漿作用主要發生在宿北斷裂以北地區。蘆嶺礦區受巖漿巖侵入體的影響較小,煤變質程度相對不高,以氣煤為主。

1.2 地層

蘆嶺礦區所處的兩淮地區在沉積地層上屬于南華北地層分區,晚古生界地層為一套三角洲體系和多重障壁體系交替沉積,含多層可采煤層。根據沉積旋回和巖性組合特征,將地層自下而上劃分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。CLG09V-01井是在蘆嶺礦區施工的一口煤層氣參數+生產試驗井,鉆井位置見圖1。該井所鉆揭的地層主要包括石炭系太原組地層、二疊系山西組和上、下石盒子組地層,以及約250m厚的新生界松散地層。本文著重討論與主要目的煤層相關的下二疊統煤系地層的巖性組合特點 (圖2)。

從圖2中可以看出,山西組10#煤層的電性特征明顯,結構穩定,厚度為2.69m。其直接底板為砂質泥巖,厚3.38m,含水性弱,滲透性較差。其下部緊鄰地層到石炭系太原組灰巖頂界之間為厚層狀的粉細砂巖和砂質泥巖間互,表現為高伽馬和中高電阻率特征,弱含水,滲透性好于煤層底板。10#煤的直接頂板為6.08m厚的細砂巖,純凈且滲透性較好。傳統的煤層氣地質理論認為,滲透性好的煤層頂、底板不利于煤層氣的保存。然而根據我們多年的煤層氣地質勘探實踐發現,較好的滲透性有利于煤層氣的排出,從而促進了煤層氣的大量生成,有效的提高了煤儲層的煤層氣含氣飽和度,這點在本文后面的討論中再次得到印證。

圖2 宿南煤層氣區塊蘆嶺礦區CLG09V-01井實鉆地層剖面

下石盒子組地層中包含了兩套主要目的煤層。8#煤層厚達9.19m,但井身結構不穩定,煤芯破碎,擴徑明顯。直接頂、底板為砂質泥巖,含水性弱,滲透性較差。但其上部緊鄰地層為10m厚的細砂巖 (圖2),滲透性好,若因斷層錯斷導致煤層與該滲透層直接接觸,可有效的提高煤層的排烴效率,從而提高煤儲層的煤層氣含氣飽和度。7#煤層厚2.36m,頂、底板為泥巖,含水性弱,滲透性差,內生裂隙發育,具有較好的煤層氣滲流通道,但煤層頂、底板的封閉性在一定程度上影響了其生烴效率。

CLG09V-01井區的上、下石盒子組地層分界在井深510m處,以紫斑狀鋁質泥巖為地層劃分標志層。上石盒子組地層由紫、黃綠和雜色砂巖、粉砂巖和泥巖互層組成。在宿南煤層氣區塊其它地區較為發育的3#煤層,在本井區不發育。

2 儲層特征

2.1 煤巖、煤質特征

7#煤煤巖成分以亮煤為主,暗煤次之,內生裂隙發育,煤芯呈塊狀,玻璃光澤,斷口呈階梯狀,網狀結構。煤顯微組分含量：鏡質組為78.9%,惰質組為17.4%,殼質組未見,無機組分占12.6%,鏡質體反射率為0.71%。煤視密度為1.37,灰分為21.97%,揮發份為37.84%,固定碳含量為83.55%。

8#煤煤巖成分由亮煤和暗煤組成,宏觀類型為半亮型煤,條痕為黑灰色。煤芯十分破碎,以至于裂隙無法描述,少部分小碎塊斷口為參差狀,呈線理狀構造。煤顯微組分含量：鏡質組為76.2%～85.5%,惰質組為12.0%～19.5%,含微量殼質組成分,鏡質體反射率為0.76%～0.83%。無機組分含量不高,平均為7.6%,一般為分散狀粘土,個別呈層狀或侵染狀形態。煤視密度為1.32～1.38,灰分為11.72%～16.78%,揮發份為31.08%～33.74%,固定碳含量為 84.88%～85.84%。

10#煤煤巖成分以亮煤為主,暗煤次之,宏觀類型以半亮型煤為主,內生裂隙十分發育,裂隙面光滑平整,面裂隙40～42條/5cm,端裂隙28～32條/5cm。煤芯呈塊狀,條痕為灰黑色,呈金屬光澤和玻璃光澤,斷口參差狀,具孤立網狀結構,裂隙被黃鐵礦部分充填。煤顯微組分含量：鏡質組為76.3%～88.1%,惰質組為10.0%～18.8%,殼質組為1.95%～5.0%,無機組分占2.2%～16.2%,鏡質體反射率為0.83%～0.90%。煤視密度為1.36,灰分含量平均為10.05%,揮發份平均為36.69%,固定碳含量為82.57%～85.57%。

圖3 宿南煤層氣區塊蘆嶺礦區CLG09V-01井煤芯樣品等溫吸附曲線

2.2 含氣量、等溫吸附特性

7#煤的兩個煤芯解吸測試結果表明,其空氣干燥基含氣量為6.10～6.68m3/t;干燥無灰基含氣量為7.30～8.00m3/t,吸附時間變化在4.60～4.67天,平均 4.64天。氣體成分以甲烷為主,占96.67%～96.82%,氮氣含量2.92%～2.96%,重烴含量極微。等溫吸附實驗表明,7#煤的原煤飽和吸附量為12.87cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量為16.71cm3/g,蘭氏壓力為2.21MPa。從等溫吸附曲線上可以看出 (圖3),原煤等溫吸附曲線平緩,干燥無灰基曲率變化明顯。

8#煤的18個煤芯解吸測試結果表明,其空氣干燥基含氣量為8.05～9.85m3/t;干燥無灰基含氣量為9.49～11.26m3/t,吸附時間變化在 1.34～2.35天,平均2.08天。氣體成分以甲烷為主,占94.10%～98.25%,氮氣含量0.65%～4.87%,重烴含量0～0.39%。等溫吸附實驗表明,8#煤的原煤飽和吸附量范圍14.89～17.01cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量范圍18.18～20.12cm3/g,蘭氏壓力平均為2.35MPa。從圖3中可以看出,8#煤等溫吸附性與7#煤相比,其原煤曲線和干燥無灰基曲線相近,曲率變化明顯增大。

10#煤的4個煤芯解吸測試結果表明,其空氣干燥基含氣量為7.28～8.69m3/t;干燥無灰基含氣量為8.82～10.42m3/t,吸附時間變化在 1.37～2.50天,平均1.95天。氣體成分以甲烷為主,占94.10%～95.79%,比前述兩組煤層的甲烷含量略低,氮氣含量變化在3.92%～5.41%,重烴含量0.06%～0.11%。等溫吸附實驗表明,10#煤的原煤飽和吸附量范圍為11.44～15.09cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量范圍為15.91～16.29cm3/g,蘭氏壓力為2.04MPa。從等溫吸附曲線上可以看出 (圖3),較前述兩組煤層其原煤曲線和干燥無灰基曲線形態最為接近,曲率相對較大。

3 生產條件

蘆嶺礦區下二疊統地層主要包含3層可采煤層,分別為下石盒子組的7#煤和8#煤,以及山西組的10#煤。煤層單層厚度較大。煤變質程度相對不高,但隨埋深略微增高,煤類以氣煤為主。受構造作用影響明顯,煤層內部裂隙十分發育。煤顯微組成以較高的鏡質組含量,和較低的惰質組含量為顯著特征。煤層氣含氣量中等偏高,甲烷含量高,重烴含量低。主要目的煤層的原煤飽和吸附量普遍偏低,但含氣飽和度不低。下部煤層的煤層氣解吸速率要高于上部煤層。

從前述CLG09V-01井的地層發育特征描述中我們可以看出;7#煤層的頂底板為泥巖,滲透性極差,按傳統的煤層氣地質觀念來講,其對煤層氣具有較好的保存條件。然而,從煤層氣生成的角度來看,較強的封閉性不利于煤層氣的排出,反而會抑制煤層氣的大量生成。所幸的是,7#煤層不厚且其內部裂隙十分發育,煤層氣的生成才得以持續發生,因此煤層氣含氣飽和度并不低。7#煤相對較低的含氣量與其吸附特性和煤的熱變質程度相對較低有關。8#煤層的頂底板為砂質泥巖,滲透性相對較好。然而厚度近10m的煤層卻成為其內部煤層氣有效排出的障礙,降低了部分煤芯樣品的含氣飽和度。10#煤層的頂底板為細砂巖,滲透性好,且煤層厚度適中,煤層受熱變質程度最高,因此,煤層作為烴源巖其煤層氣得以充分生成并持續排出,同時煤層作為儲層其煤層氣含氣飽和度達到并超過100%。

通過以上分析結合煤層的等溫吸附特性,我們可以看出：CLG09V-01井山西組的10#煤層具有煤層結構穩定,內生裂隙十分發育,煤層氣含氣飽和度高,等溫吸附曲線曲率大,蘭氏壓力低的特點,在三個主要目的煤層中,其生產條件最好,初期產量應該最高。8#煤和7#煤也具有裂隙發育,含氣飽和度高的特點,生產條件也是比較好的,特別是8#煤層巨厚,是煤層氣能夠持續高產穩產的保證。7#煤的等溫吸附曲線最為平緩,表明解吸條件相對較差,測試數據也表明其解吸天數是最多的,此外,其蘭氏壓力也較大,而蘭氏體積相對不高。

另外,有煤田地質工作者在進行煤層氣資源可采性評價工作中,將較高的惰質組顯微組分含量作為煤層氣可采性最為有利的指標。CLG09V-01井的煤芯樣品分析結果表明,本井煤樣中惰質組含量相對沁水盆地等要低,但其對生產條件的影響到底有多大,還需更多的實際資料加以驗證,至少在本井區看不出有多大影響。本井區三套主要目的煤層煤樣品分析結果表明,三層煤的惰質組組分含量幾無差別,均普遍偏低,但煤層氣解吸時間卻相差較大,7#煤解吸時間要比8#煤和10#煤高一倍多,10#煤解吸時間最短。可見,惰質組組分含量不是影響蘆嶺礦區煤層氣可采性的主要因素。

4 結語

蘆嶺礦區所在的宿州煤層氣區塊已有十余年的勘探歷程,商業開采也有兩年以上,目前的煤層氣生產井以直井為主,采取的是套管完井技術,水力壓裂或部分注入氮氣等增產措施。生產井持續高產穩產,實現了商業化利用。

下二疊統山西組的10#煤和下石盒子組的8#和7#煤是本區煤層氣的主要氣源巖和儲集層。原煤鏡質組含量高,中等變質程度,煤吸附能力和煤層厚度適中,頂底板條件好,有利于煤層氣的生成和富集。煤儲層溫度高、滲透率相對較大,內生裂隙十分發育,煤層氣含氣飽和度高,臨儲壓力比大,有利于煤層氣的產出。

10#煤層的儲層壓力大,含氣飽和度高,煤解吸速率高,對煤層氣初期產量貢獻大。8#煤層厚度巨大,煤層氣資源豐富,是煤層氣高產穩產的基礎,但煤層受構造影響而破碎,在一定程度上影響了其初期產量。7#煤含氣量低,但飽和度較高,頂底板封閉性強,使其保持了較高的原始地層能量。三層煤合采可實現優勢互補,合理的控制生產節奏,就可借助7#煤和10#煤先期釋放的游離氣對8#煤層的滲流條件進行有效的改造,從而加快厚煤層中煤層氣的持續析出。

[1] 中國主要煤礦資源圖集第三卷 [R].北京：中煤地質總局,1996.

[2] 中煤地質總局,中國聚煤作用系統分析 [M]徐州：中國礦業大學出版社,2001.

[3] 黃曉明等,煤層氣地質勘探實例分析 [M]蘇州：石油工業出版社,2010.

[4] 吳昱,西山礦區煤層氣資源可采性評價 [J]中國煤層氣,2010(4).