大佛寺區(qū)塊煤層氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及建議

陳 龍 徐建民 張 河 馬 壯 許 聰 趙世亮

(1. 陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 710119；2. 陜西省煤層氣工程技術(shù)研究中心，陜西 710119；3. 陜西新泰能源有限公司，陜西 710119)

大佛寺井田煤層氣開(kāi)發(fā)始于2009年，為探索適合大佛寺井田的地面煤層氣開(kāi)發(fā)方式，陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司分別嘗試了垂直井、多分支水平井、“L”型水平井、“U”型水平井和“V”型水平井等井型，目前已建成煤成氣井40口，并獲得商業(yè)氣流，產(chǎn)氣效果良好。

1 研究區(qū)地層及水文地質(zhì)特征

1.1 研究區(qū)地層

大佛寺井田位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田西部，地層由老至新依次出露有中三疊統(tǒng)銅川組(T2t)，上三疊統(tǒng)胡家村組(T3f)，下侏羅統(tǒng)富縣組(J1f)，中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)和安定組(J2a)，下白堊統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)和環(huán)河—華池組(K1h)，地表覆蓋新近系(N)和第四系(Q)。

圖2 大佛寺井田4號(hào)煤層厚度分布圖

研究區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，煤層氣開(kāi)發(fā)的主力煤層為4號(hào)煤。

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)水文地質(zhì)條件總體簡(jiǎn)單，含煤地層和煤層富水性較弱。延安組煤系含水層與其他含水層之間無(wú)明顯水力聯(lián)系，有利于煤層氣的保存。4號(hào)煤層下部一般無(wú)含水層。區(qū)內(nèi)主要含水層為白堊系洛河組含水層，該含水層組厚度大，富水性與滲透性相對(duì)較好但變化較大，離主采煤層距離相對(duì)較遠(yuǎn)。煤層位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，地表水與地下水的水力聯(lián)系微弱，且煤層頂、底板較為穩(wěn)定，隔水性好，對(duì)煤層氣的保存較為有利。良好的地質(zhì)背景為煤層氣抽采提供了非常有利的條件。

2 研究區(qū)構(gòu)造

大佛寺井田位于彬長(zhǎng)礦區(qū)南部路家小靈臺(tái)背斜與彬縣背斜之間，主要構(gòu)造為師家店向斜、祁家背斜以及安化向斜的南翼，地層傾角平緩，一般3°～5°，最大17°～21°。采掘過(guò)程及地面地震勘探發(fā)現(xiàn)斷層數(shù)條，斷層落差以5m以下為主，構(gòu)造總體較為簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造示意圖

3 煤儲(chǔ)層特征與含氣性特征

3.1 煤層展布特征

研究區(qū)延安組共含煤6層，自上而下依次編號(hào)為3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4號(hào)煤。其中：上段含3-1、3-2煤兩層，中段含4上-1、4上-2、4上煤三層，下段含4號(hào)煤一層。3-1、3-2煤不可采，4上-1、4上-2、4上為局部可采煤層，4號(hào)煤為主采煤層，厚度0～19.23m，平均可達(dá)11.65m，厚度大，橫向分布穩(wěn)定。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單完整，一般含夾矸0～2層。平面上表現(xiàn)為：東部煤層厚度大，向西厚度減薄；南北方向表現(xiàn)為師家店向斜軸部區(qū)域煤層厚度大，向南向北煤層厚度減薄(圖2)。

3.2 煤層埋深

4號(hào)煤平面上展布穩(wěn)定，連續(xù)分布，受褶皺構(gòu)造影響，底板起伏變化較大。標(biāo)高變化在410～800m間，多為400～700m間，東南部標(biāo)高最高，一般為700m左右，祁家背斜控制區(qū)煤層底板標(biāo)高相對(duì)較高，安化向斜與師家店向斜區(qū)煤層底板標(biāo)高較低，尤其是安化向斜的北翼，煤層底板標(biāo)高為全區(qū)最低(圖3)。

圖3 大佛寺井田4號(hào)煤層底板埋深圖

4號(hào)煤總體埋深在800m以淺，祁家背斜分布區(qū)煤層埋深小于500m，師家店向斜區(qū)域煤層相對(duì)較深，總體表現(xiàn)為由東部向西部逐漸加深的趨勢(shì)。

3.3 儲(chǔ)層物性特征

3.3.1 儲(chǔ)層孔隙特征

研究區(qū)暫時(shí)缺少各主力煤層相關(guān)孔隙特征的研究成果。據(jù)煤樣測(cè)試結(jié)果，煤巖總孔隙度都在10%以下，4號(hào)煤的總孔隙度平均為5.06%，具體見(jiàn)表1。

表1 大佛寺井田4號(hào)煤孔隙度數(shù)據(jù)

3.3.2 儲(chǔ)層滲透性特征

大佛寺井田生產(chǎn)井試井測(cè)得的4號(hào)煤滲透率為3.0～6.0mD。國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)塊中，煤的變質(zhì)程度基本都達(dá)到了高煤階或中高煤階，滲透率相對(duì)較高的當(dāng)屬沁水盆地潘莊區(qū)塊，其中PZC02、PZC03、TL-006、TL-007井3號(hào)煤層實(shí)測(cè)滲透率分別為：1.9、0.8、0.61、2.0mD，煤層滲透率總體上在0.5～2.0mD之間(劉升貴等，2013)。因此，相比之下大佛寺井田4號(hào)煤儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較高，為煤層氣解吸提供了良好的天然通道。

3.3.3 煤儲(chǔ)層壓力

煤儲(chǔ)層壓力直接決定著煤對(duì)甲烷等氣體的吸附和煤層瓦斯的解吸能力及程度，是影響煤層瓦斯抽采的重要參數(shù)。據(jù)研究區(qū)煤層氣參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù)顯示，4號(hào)煤層埋深為400～900m，儲(chǔ)層壓力為2.43～3.20MPa，平均2.81MPa，壓力梯度為0.45～0.53MPa/100m，平均0.49MPa/100m。區(qū)內(nèi)各煤儲(chǔ)層壓力梯度小于靜水壓力梯度，為低壓異常狀態(tài)。各煤層儲(chǔ)層壓力與埋深呈較好的正相關(guān)關(guān)系，即儲(chǔ)層壓力隨著埋深增加逐漸增大。

3.3.4 4號(hào)煤層透氣性系數(shù)

煤層透氣性系數(shù)反映瓦斯沿煤層流通的難易程度，是表征煤層滲透性的主要指標(biāo)之一。對(duì)4號(hào)煤層井下施工鉆孔進(jìn)行了透氣性測(cè)試，4號(hào)煤透氣性系數(shù)相對(duì)較高為2.216～5.340m2/MPa2·d。

3.4 煤層含氣性特征

根據(jù)煤田鉆孔數(shù)據(jù)及煤層氣井取心測(cè)試資料，區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層的含氣量相對(duì)其他區(qū)塊較低，在0～6.29m3/t之間(解吸氣量)，含氣量值分布范圍較大，區(qū)域分布規(guī)律明顯。東部含氣量較高，向西煤層含氣量值較低，含氣量高值區(qū)相對(duì)應(yīng)的煤層厚度也較大(圖4)。

圖4 大佛寺井田4號(hào)煤層含氣量等值線圖

從地面煤層氣參數(shù)井含氣量測(cè)試成果來(lái)看，區(qū)內(nèi)6口參數(shù)井測(cè)試的煤層氣含量為0.73～3.65m3/t，與勘探時(shí)期測(cè)試的氣含量分布較為一致，但含氣量數(shù)值差距較大，總體偏小，氣含量分布的不均一性明顯，總體呈現(xiàn)東高西低的特點(diǎn)(表2)。

表2 地面煤層氣井氣含量測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 研究區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

2009年至今，已在大佛寺井田建成地面煤層氣抽采井40口，其中水平井12口，直井28口，主要分布在井田的北部、中部和東部區(qū)域。

圖5 直井DFS-XX1井排采曲線

圖6 多分支水平井DFS-XX2井排采曲線

目前，大佛寺井田煤層氣日產(chǎn)量達(dá)5萬(wàn)m3，累計(jì)產(chǎn)量逾5500萬(wàn)m3，其中，直井DFS-XX1和多分支水平井DFS-XX2日產(chǎn)氣量分別突破2000m3和30000m3(圖5、6)，創(chuàng)全國(guó)為數(shù)不多的煤層氣高產(chǎn)井記錄，展現(xiàn)了良好的開(kāi)發(fā)前景；同時(shí)配套建成了日處理能力5萬(wàn)m3的壓縮提純站一座，共壓縮提純煤層氣1000萬(wàn)余m3，并全部通過(guò)集輸管網(wǎng)銷售。從研究區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)來(lái)看(選取研究區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域煤層氣井排采數(shù)據(jù))，多分支水平井為研究區(qū)最有利的煤層氣抽采井型，而直井產(chǎn)氣效果相對(duì)一般(表3)。

表3 大佛寺井田煤層氣井排采數(shù)據(jù)

大佛寺井田煤層氣勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中雖取得了一定突破，但仍存在一些問(wèn)題，如研究區(qū)參數(shù)井?dāng)?shù)量少，不能全面掌握煤層氣產(chǎn)量主控因素和賦存規(guī)律，且未優(yōu)化煤層氣抽采井型做到科學(xué)合理的井位部署，需進(jìn)一步分析研究并確定下一步開(kāi)發(fā)思路。

5 相關(guān)建議

針對(duì)大佛寺井田煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，參考行業(yè)內(nèi)先進(jìn)做法和經(jīng)驗(yàn)，在煤層氣資源勘探開(kāi)發(fā)工作中應(yīng)重點(diǎn)做好以下幾方面工作：

(1)研究區(qū)煤儲(chǔ)層含氣量分布不均勻，儲(chǔ)層含氣量、含氣飽和度、臨儲(chǔ)比等主控因素尚未查清，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)井田小構(gòu)造、含氣量、滲透率和水文地質(zhì)條件等參數(shù)的勘探和分析，查清影響井田煤層氣產(chǎn)量主控因素和賦存規(guī)律，為進(jìn)一步做好該區(qū)域煤層氣地面開(kāi)發(fā)提供翔實(shí)的資料。

(2)研究區(qū)煤層具有非均質(zhì)性，其煤層氣地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層特征存在差異性，造成不同地質(zhì)條件和煤儲(chǔ)層特征的煤層氣井產(chǎn)氣效果存在差異，實(shí)際井位部署中應(yīng)增加參數(shù)井的數(shù)量，便于及時(shí)分析研究局部煤儲(chǔ)層相關(guān)參數(shù)，為部署生產(chǎn)井提供依據(jù)，減少布井的盲目性和風(fēng)險(xiǎn)。

(3)水平井為研究區(qū)最有利的煤成氣抽采井型，建議后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中以水平井為主、在地形條件復(fù)雜的煤層氣資源富集區(qū)輔以直井或定向井進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

(4)建議在大佛寺井田實(shí)施井下、地面一體化煤層氣立體抽采模式，最大限度地降低煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出量，做到先抽后采，從源頭上解決礦井瓦斯問(wèn)題，保障礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)獲取煤層氣開(kāi)發(fā)的資源及經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 劉會(huì)彬,胡少博,尹潤(rùn)生，等.鄂爾多斯盆地彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層氣賦存特征[J].煤田地質(zhì)與勘探，2011,39(4):20-23.

[2] 田沖，湯達(dá)禎，周志軍，等.彬長(zhǎng)礦區(qū)水文地質(zhì)特征及其對(duì)煤層氣的控制作用[J].2012，40(1)：43-46.

[3] 張培河，原德勝，張進(jìn)軍.鄂爾多斯盆地低變質(zhì)煤的煤層氣抽采潛力—以彬長(zhǎng)大佛寺礦為例[J].煤炭工程，2011，8(5)：13-15.

[4] 祖鵬舉，陳粵強(qiáng).彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及問(wèn)題[C].煤礦瓦斯地質(zhì)與抽采利用研究.陜西省煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2012:117-122.

[5] 杜新鋒,田振林，等.彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層氣水平井鉆井與完井技術(shù) [J]. 中國(guó)煤層氣, 2013, 10 (1): 3-5.

[6] 陳曉智,湯達(dá)禎，等.彬長(zhǎng)礦區(qū)延安組煤層發(fā)育特征及其控制因素分析[J].中國(guó)礦業(yè),2011,20(2):110-113.

[7] 杜嚴(yán)飛，吳財(cái)芳，鄒明俊，等.煤層氣排采過(guò)程中煤儲(chǔ)層壓力傳播規(guī)律研究[J].煤炭工程，2011,7:87-89.