郭亞水

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 地質(zhì)勘查大隊(duì),山西 長(zhǎng)治 046204)

煤層氣是以自生自儲(chǔ)為主、甲烷為主要成分、吸附于煤顆粒表面的非常規(guī)天然氣[1-3],隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境越來越受重視,煤層氣屬于清潔能源,大力發(fā)掘煤層氣資源是應(yīng)對(duì)空氣污染、氣候變化的能源結(jié)構(gòu)趨勢(shì),同時(shí)地面煤層氣的抽采,也將大大降低煤礦瓦斯含量,促進(jìn)了煤礦安全開采環(huán)境[4-5]。筆者長(zhǎng)期從事山西煤層氣地質(zhì)工作,以高河井田為例,分析了區(qū)內(nèi)煤層氣排采情況及影響因素,以期對(duì)以后山西煤層氣開采起推動(dòng)作用。

1 地質(zhì)概況

高河井田位于長(zhǎng)治市以西,井田所處大地構(gòu)造位置為華北斷塊區(qū)呂梁-太行斷塊內(nèi),屬典型的板內(nèi)構(gòu)造。地層屬華北地層區(qū)山西地層分區(qū)長(zhǎng)治小區(qū),井田內(nèi)煤層主要分布在二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。太原組含煤8—14層,煤層厚4.76 m～15.37 m,平均9.92 m,含煤系數(shù)8.7%。主要可采的15#煤層位于一段中部,局部可采的14#煤層位于一段頂部,局部可采的9#煤層位于三段底部。山西組含煤1—4層,煤層厚5.15 m～13.05 m,平均7.16 m,含煤系數(shù)12.4%。其中3#煤層位于本組下部,厚度大且穩(wěn)定,是井田主采、首采煤層,也是煤層氣主要源儲(chǔ)層。

2 產(chǎn)氣特征

高河礦于 2014年1月投產(chǎn)二十余口煤層氣井,不同井組產(chǎn)氣規(guī)律差異性明顯,產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間也不同,如華高68井自投產(chǎn)以來產(chǎn)氣效果明顯,最高日產(chǎn)氣可超過2 500 m3,日產(chǎn)氣量總體處于500 m3～1 000 m3,而華高89井、華高90井組自2014年投產(chǎn),產(chǎn)氣僅持續(xù)到2016年1月,且日產(chǎn)氣量較低。截止2017年1月,投產(chǎn)的二十余口煤層氣井產(chǎn)量超過550萬m3。

3 影響因素

煤層氣資源量與工程開采直接決定了煤層氣產(chǎn)量[6]。煤層氣是以吸附為主要賦存方式的天然氣藏,煤層既是生氣層也是儲(chǔ)層。因此，煤層的厚度、埋深、地質(zhì)構(gòu)造以及滲透率等因素也直接影響了煤層氣產(chǎn)量。

3.1 地質(zhì)因素

3.1.1煤層厚度及埋深

區(qū)內(nèi)3#煤以貧瘦煤為主,局部為瘦煤,底板標(biāo)高在390 m～500 m之間,中西部較低,西南部較高。3#煤層賦存最淺部位于測(cè)區(qū)西南部,埋深為410 m左右,最深處在測(cè)區(qū)中西部,埋深為540 m,一般埋深在450 m～500 m,煤層主體厚5.80 m～6.90 m,局部可超過10 m,平均厚6.34 m,全區(qū)穩(wěn)定可采,厚度變化不大,屬穩(wěn)定型煤層。

3.1.2含氣性特征

高河井田全區(qū)瓦斯含量在8 m3/t以上,東部小范圍在5 m3/t～8 m3/t甚至5 m3/t以下。據(jù)本區(qū)煤巖樣品分析測(cè)試資料,煤層空氣干燥基含氣量為4.93 cm3/g～9.54 cm3/g,平均7.07 cm3/g,與其他地區(qū)的相當(dāng)煤級(jí)(貧煤、貧瘦煤)相比,高河井田3#煤層含氣量偏低。

3.1.3滲透率特征

煤層滲透率是控制煤層中天然氣運(yùn)移的直接因素,也是影響產(chǎn)氣效率的關(guān)鍵因素。區(qū)內(nèi)3#煤其煤巖孔隙度0.66%～5.73%,孔隙半徑普遍較小,以極微孔為主。根據(jù)高河井田內(nèi)試井測(cè)試成果,3#煤滲透率為0.008 mD～0.195 mD(表1),試井滲透率極低,其中華高24井3#煤層滲透率為0.008 mD,華高47井3#煤層滲透率為0.195 mD,華高1-118井3#煤層滲透率值為0.020 mD,華高1-132井3#煤層滲透率值為0.169 mD。

表1 高河井田3#煤層試井滲透率Table 1 Permeability of testing well in No.3 coal seam in Gaohe coal field

3.1.4地質(zhì)構(gòu)造

煤層氣通常富集在地應(yīng)力高的部位,如褶皺軸部和擠壓斷層附近,一般都是煤層氣含量較高的部位,而處于拉張應(yīng)力的地質(zhì)構(gòu)造附近,通常煤層氣含量低,逸散作用明顯。

本區(qū)總體為一走向近SN,傾向西、傾角4°左右的單斜構(gòu)造,但波狀起伏普遍發(fā)育,并伴有寬緩褶曲,致使局部地層傾角達(dá)8°以上,斷層附近達(dá)25°左右。井田內(nèi)褶曲軸向大體可以分兩組,南部以近 SN 走向?yàn)橹?中東、北部以NNE 向?yàn)橹?。井田?nèi)共發(fā)現(xiàn)5條斷距大于30 m的斷裂,且均為正斷層,分別為二崗山北正斷層、西魏正斷層、藕澤正斷層、安昌正斷層、中華正斷層。小于30 m的斷裂5條,2條正斷層,3條逆斷層。井田內(nèi)斷層的發(fā)育特征是,走向多為 NNE-NEE 向,少數(shù)為 NW 向,以高角度正斷層占優(yōu)勢(shì),少量逆斷層。井田內(nèi)陷落柱發(fā)育,已發(fā)現(xiàn)陷落柱 55 個(gè)。

高河井田煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部為砂巖,底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、深灰色粉砂巖,頂?shù)装寰鶠榉菨B透性泥巖蓋層,封蓋條件好,利于煤層氣藏保存,但張性斷層、陷落柱發(fā)育,增強(qiáng)了煤層氣逸散程度,造成了井田范圍內(nèi)煤層含氣量差異化明顯的局面。

3.2 工程因素

目前國(guó)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層改造的方式一般有水力壓裂、徑向水力噴射及噴射后壓裂等工藝措施。這些方式各有優(yōu)缺點(diǎn),因此,選擇合適的儲(chǔ)層改造方式對(duì)煤層氣的高效開發(fā)至關(guān)重要。水力壓裂是目前最常用的煤層氣儲(chǔ)層改造措施。其目的是在煤層中形成有一定支撐、能夠讓煤層氣順利解吸和流動(dòng)到排采井筒的導(dǎo)流裂縫。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),壓裂前后通過井下抽排孔抽放瓦斯的效率可達(dá)到10倍以上,其主要原因是壓裂形成的人工裂縫溝通了煤層原有的割理和裂隙,使得抽放面積大大增加。壓裂改造中壓裂液的選擇直接關(guān)系到壓裂成功與否,根據(jù)高河的地質(zhì)條件及含氣情況,選擇高河井區(qū)以活性水為主、以活性水氮伴注壓裂為輔的壓裂液體系。同時(shí),在適當(dāng)位置的井進(jìn)行氮?dú)馀菽凸夏z體系壓裂。

4 結(jié)束語

高河井田3#煤層平均厚度6.34 m,全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育,埋深適中,煤級(jí)以貧瘦煤為主,具有較好的氣源條件。井田范圍內(nèi)發(fā)育較多的張性構(gòu)造,導(dǎo)致煤層氣逸散,區(qū)內(nèi)煤層含氣量在不同構(gòu)造位置差異性明顯,且煤層滲透率極低,不利于煤層氣開采,在煤層氣開采的工程技術(shù)上存在很多不穩(wěn)定因素,需要在不同構(gòu)造位置優(yōu)選出適合的壓裂液體系。