陳 龍 徐建民 張 河 馬 壯 許 聰 趙世亮

(1. 陜西省煤層氣開發(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發(fā)始于2009年，為探索適合大佛寺井田的地面煤層氣開發(fā)方式，陜西省煤層氣開發(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，煤層氣開發(fā)的主力煤層為4號煤。

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明顯水力聯(lián)系，有利于煤層氣的保存。4號煤層下部一般無含水層。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較好但變化較大，離主采煤層距離相對較遠(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礦區(qū)南部路家小靈臺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)造總體較為簡單，如圖1所示。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造示意圖

3 煤儲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，自上而下依次編號為3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4號煤。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號煤層底板埋深圖

4號煤總體埋深在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)域煤層相對較深，總體表現(xiàn)為由東部向西部逐漸加深的趨勢。

3.3 儲層物性特征

3.3.1 儲層孔隙特征

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

表1 大佛寺井田4號煤孔隙度數(shù)據(jù)

3.3.2 儲層滲透性特征

大佛寺井田生產(chǎn)井試井測得的4號煤滲透率為3.0～6.0mD。國內(nèi)煤層氣開發(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號煤層實測滲透率分別為：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號煤儲層滲透率相對較高，為煤層氣解吸提供了良好的天然通道。

3.3.3 煤儲層壓力

煤儲層壓力直接決定著煤對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號煤層埋深為400～900m，儲層壓力為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)。各煤層儲層壓力與埋深呈較好的正相關(guān)關(guān)系，即儲層壓力隨著埋深增加逐漸增大。

3.3.4 4號煤層透氣性系數(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4號煤層井下施工鉆孔進(jìn)行了透氣性測試，4號煤透氣性系數(shù)相對較高為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)及煤層氣井取心測試資料，區(qū)內(nèi)4號煤層的含氣量相對其他區(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)相對應(yīng)的煤層厚度也較大(圖4)。

圖4 大佛寺井田4號煤層含氣量等值線圖

從地面煤層氣參數(shù)井含氣量測試成果來看，區(qū)內(nèi)6口參數(shù)井測試的煤層氣含量為0.73～3.65m3/t，與勘探時期測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(表2)。

表2 地面煤層氣井氣含量測試結(jié)果統(tǒng)計表

4 研究區(qū)煤層氣勘探開發(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m3，累計產(chǎn)量逾5500萬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)全國為數(shù)不多的煤層氣高產(chǎn)井記錄，展現(xiàn)了良好的開發(fā)前景；同時配套建成了日處理能力5萬m3的壓縮提純站一座，共壓縮提純煤層氣1000萬余m3，并全部通過集輸管網(wǎng)銷售。從研究區(qū)煤層氣井排采數(shù)據(jù)來看(選取研究區(qū)內(nèi)各個區(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發(fā)項目推進(jìn)過程中雖取得了一定突破，但仍存在一些問題，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發(fā)思路。

5 相關(guān)建議

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

(1)研究區(qū)煤儲層含氣量分布不均勻，儲層含氣量、含氣飽和度、臨儲比等主控因素尚未查清，應(yīng)進(jìn)一步加強對井田小構(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)域煤層氣地面開發(fā)提供翔實的資料。

(2)研究區(qū)煤層具有非均質(zhì)性，其煤層氣地質(zhì)條件、煤儲層特征存在差異性，造成不同地質(zhì)條件和煤儲層特征的煤層氣井產(chǎn)氣效果存在差異，實際井位部署中應(yīng)增加參數(shù)井的數(shù)量，便于及時分析研究局部煤儲層相關(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。

(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)開發(fā)過程中以水平井為主、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)行開發(fā)。

(4)建議在大佛寺井田實施井下、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題，保障礦井安全生產(chǎn)，同時獲取煤層氣開發(fā)的資源及經(jīng)濟效益。

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