杜志強(qiáng)

晉城礦區(qū)王坡井田地面瓦斯抽采效果影響因素

杜志強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

晉城礦區(qū)王坡井田地面瓦斯抽采效果差，為了查明原因，指導(dǎo)今后地面抽采工程施工，將研究區(qū)煤層氣資源賦存條件與抽采效果較好的臨近成莊井田進(jìn)行了對比分析，并對排采井水質(zhì)進(jìn)行檢測，同時(shí)在井下進(jìn)行壓裂裂縫形態(tài)觀測。綜合分析認(rèn)為，煤層瓦斯資源豐度和儲(chǔ)層條件是影響王坡井田抽采效果的主要內(nèi)在基礎(chǔ)因素；大量發(fā)育的陷落柱破壞了煤層氣封閉條件并增強(qiáng)了地下水的補(bǔ)給，造成抽采井的排水降壓難度大；井下裂縫觀測表明，壓裂裂縫順煤層與頂板弱應(yīng)力面水平延展，導(dǎo)致儲(chǔ)層壓裂改造效果欠佳。建議加強(qiáng)對研究區(qū)的瓦斯賦存分布特征及陷落柱發(fā)育規(guī)模深入研究，以指導(dǎo)后期地面井瓦斯抽采工程施工。

瓦斯抽采效果；影響因素；儲(chǔ)層特征；陷落柱；裂縫形態(tài)；晉城礦區(qū)；王坡井田

分析研究地質(zhì)因素對瓦斯抽采效果的影響可指導(dǎo)地面抽采工程部署，提高瓦斯治理效果和經(jīng)濟(jì)效益。地面瓦斯抽采效果受多種因素影響，大致可分為地質(zhì)因素、工程因素和管理因素[1]，工程因素和管理因素可通過加強(qiáng)施工管理等方式進(jìn)行控制，地質(zhì)因素對地面抽采效果的影響往往是決定性的。李俊等[2]在分析樊莊區(qū)塊構(gòu)造與地面井產(chǎn)氣量后，認(rèn)為斷層和褶皺構(gòu)造控氣作用明顯；陳振宏等[3]認(rèn)為臨界解吸壓力與地層壓力的比值及構(gòu)造位置對抽采效果影響較大；張培河等[4]、倪曉明等[5]在對比分析沁水盆地相關(guān)數(shù)據(jù)后指出，資源豐度、含氣飽和度對產(chǎn)氣量的貢獻(xiàn)最大，煤儲(chǔ)層滲透率對產(chǎn)氣量影響較大。劉升貴等[6]、潘建旭等[7]均認(rèn)為煤儲(chǔ)層的臨界解吸壓力、含氣飽和度及滲透率是影響產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素。以往研究工作多從資源開發(fā)角度進(jìn)行，且研究區(qū)域地質(zhì)條件相對較好，地質(zhì)因素在區(qū)域上較為穩(wěn)定，變化幅度小，并未開展壓裂裂縫實(shí)際形態(tài)對抽采效果的影響分析。本文結(jié)合以往及近期補(bǔ)充勘探成果，對壓裂裂縫形態(tài)進(jìn)行了井下觀測，從資源條件、儲(chǔ)層特征、開采地質(zhì)條件及裂縫形態(tài)方面對影響王坡井田地面瓦斯抽采效果的因素進(jìn)行分析討論。

1 井田概況

晉城礦區(qū)王坡井田位于沁水盆地東南緣，構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造，地層走向NW、傾向NE，傾角3°~14°。井田內(nèi)小型構(gòu)造較為發(fā)育，多發(fā)育小型向斜和背斜及落差小、長度不大的正斷層，從采掘的資料可知，研究區(qū)陷落柱較為發(fā)育(圖1)。含煤地層為上石炭統(tǒng)–下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。山西組3號(hào)煤層是礦井主采煤層及煤層氣開發(fā)目標(biāo)層，平均厚度5.6 m，為高變質(zhì)無煙煤，結(jié)構(gòu)屬簡單—較簡單，平均埋深為550 m。相關(guān)瓦斯測試結(jié)果表明，井田東部3號(hào)煤層瓦斯含量為6.0~26.0 m3/t，致使煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)較大，采煤掘進(jìn)過程中多次發(fā)生瓦斯超限。

圖1 王坡井田構(gòu)造及3號(hào)煤含氣量等值線圖(單位：m3/t)(據(jù)張曉輝[8]，修改)

2 地面抽采工程現(xiàn)狀

王坡井田因瓦斯抽采方法較為單一，瓦斯超限時(shí)有發(fā)生，影響正常煤炭生產(chǎn)工作。在井田西部實(shí)施了5口定向井組成的地面瓦斯抽采試驗(yàn)井，對3號(hào)煤層進(jìn)行儲(chǔ)層增產(chǎn)強(qiáng)化及地面排采施工(表1)。抽采井采用定向井、二開井身結(jié)構(gòu)，井間距200 m左右。另外，從鉆探及測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，抽采區(qū)域內(nèi)3號(hào)煤層厚度變化較大，為4.1~7.1 m，平均5.6 m。采用常規(guī)射孔、活性水加砂壓裂措施，其中03井采用N2伴注壓裂。壓裂施工過程中采用地震監(jiān)測壓裂效果，裂縫監(jiān)測結(jié)果顯示，各井裂縫擴(kuò)展方向NE60°左右，裂縫單翼長度90~120 m。排采期間，各井產(chǎn)水產(chǎn)氣差異明顯：01井及03井日平均產(chǎn)水2 m3左右，日平均產(chǎn)氣90~250 m3，排采后期產(chǎn)氣及產(chǎn)水量均降為0；02井及04井日平均產(chǎn)水也在2 m3左右，但不產(chǎn)氣，排采后期產(chǎn)水量亦降為0；05井產(chǎn)水量極大，累計(jì)產(chǎn)水8 683 m3。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

3 抽采效果影響因素

3.1 含氣性

資源豐度由煤厚及煤層含氣量共同決定。出于井下安全和煤炭采掘的需要，煤層含氣量及儲(chǔ)層測試工作多集中于含氣量較高的井田東部，局部含氣量數(shù)據(jù)造成對該井田地面瓦斯抽采潛力評(píng)價(jià)出現(xiàn)偏差[7,9]，與實(shí)際狀況相差較大。3號(hào)煤及15號(hào)煤補(bǔ)充勘探和取樣測試結(jié)果表明：與成莊礦區(qū)相比，王坡井田瓦斯含量相對較低(表2)，呈中部及東部偏高，周邊區(qū)域逐漸降低趨勢(圖1)。3號(hào)煤空氣干燥基瓦斯含量為1.08~9.25 m3/t，平均6.41 m3/t；其中殘余氣含量一般在2~3 m3/t，而殘余氣在地面抽采中極難產(chǎn)出[10]，對地面瓦斯抽采產(chǎn)氣量意義有限。諸多學(xué)者對井田所在區(qū)域煤層含氣量影響因素進(jìn)行了研究分析[1,8,11]，認(rèn)為地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、埋深等諸多因素對煤層含氣量有較大影響。

王坡井田3號(hào)煤層含氣飽和度僅為42.07%，相較于沁水盆地其他地區(qū)近90%的含氣飽和度明顯偏低[9-10]。臨近的樊莊區(qū)塊、成莊區(qū)塊平均資源豐度分別為1.89億m3/km2[12]和1.30億m3/km2[13]，王坡井田煤層氣資源豐度僅僅0.06億~0.52億m3/km2，平均資源豐度0.29億m3/km2，明顯偏低。

煤儲(chǔ)層的含氣飽和度越低，煤層氣的運(yùn)移潛勢及排采潛勢就越低。在微觀上，煤的孔–裂隙表面自由能相對較高，在壓力降低等外部條件改變時(shí)，吸附態(tài)甲烷難以掙脫煤體的束縛進(jìn)行解吸–擴(kuò)散[14]。因此，煤層含氣量較低，煤層氣資源豐度較低，是影響王坡礦區(qū)地面瓦斯抽采效果差的主要地質(zhì)因素。

3.2 儲(chǔ)層特征

王坡井田3號(hào)煤層的儲(chǔ)層壓力為1.41~1.92 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為0.3 MPa/hm；臨界解吸壓力0.49 MPa。王坡井田煤儲(chǔ)層等溫吸附特性同成莊井田接近，但儲(chǔ)層壓力較低。成莊區(qū)塊臨儲(chǔ)比在0.47~0.98，平均0.73，王坡井田臨儲(chǔ)比平均0.3左右。相比地質(zhì)條件相近，產(chǎn)氣條件較好的成莊井田，王坡井田滲透率偏低。分析王坡井田儲(chǔ)層特征對地面抽采效果的影響主要表現(xiàn)在：儲(chǔ)層壓力及臨儲(chǔ)比較低，需要大幅度降低儲(chǔ)層壓力才能夠促使煤基質(zhì)內(nèi)吸附態(tài)甲烷解吸并滲流至孔隙通道，導(dǎo)致部分產(chǎn)水量較大的地面抽采井因排水降壓困難而產(chǎn)氣量有限。

表1 王玻井田3號(hào)煤層抽采工程各井相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 王坡井田與成莊井田3號(hào)煤儲(chǔ)層參數(shù)對比

注：1.08~9.25/6.41表示最小~最大/平均值，其他同。

3.3 開采地質(zhì)條件

a. 陷落柱

物探數(shù)據(jù)表明王坡井田陷落柱較發(fā)育，在井下實(shí)際揭露的發(fā)育較大的12個(gè)陷落柱中，最大長軸長度200 m，多數(shù)陷落柱長軸長度25~75m。水平截面大部分以圓形及近橢圓形為主，垂直剖面多為倒漏斗型[15]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表3)表明，井田內(nèi)多數(shù)陷落柱垂向穿越3號(hào)煤層，對煤層及頂板完整性破壞程度較大，破壞了煤層頂?shù)装宓姆忾]性，使得煤層瓦斯沿裂隙運(yùn)移擴(kuò)散，局部煤層瓦斯含量降低；井下實(shí)測結(jié)果顯示：在其他條件基本相同情況下，陷落柱附近煤層瓦斯含量平均低50%左右[16]；同時(shí)，陷落柱附近的瓦斯涌出量比遠(yuǎn)離陷落柱處的涌出量低[17]。

抽采區(qū)域處于預(yù)采區(qū)，尚未進(jìn)行詳細(xì)的陷落柱探查工作。抽采工程中的02井在鉆井過程中鉆至煤層附近泥漿消耗較大，同時(shí)該井煤層厚度較薄，煤心結(jié)構(gòu)完整性較差。綜合鉆井、測井及排采數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，該井煤層受陷落柱及其附近伴生的小斷層影響較大，局部構(gòu)造破壞增加了煤層內(nèi)瓦斯隨地下水運(yùn)移擴(kuò)散的速率，影響抽采效果。

表3 晉城礦區(qū)王坡井田陷落柱幾何參數(shù)(據(jù)徐勝利[16]，修改)

注：陷落柱長軸長度單位為m。

b. 地下水補(bǔ)給

煤層氣的封閉條件對瓦斯含量的控制至關(guān)重要[14]，同時(shí)也是煤層氣成藏的主要控制因素[18]。相關(guān)研究也證明，高壓條件下，溶解態(tài)甲烷不可忽視[19-20]。游離水溶解了煤基質(zhì)割理面上的甲烷，導(dǎo)致割理面上甲烷濃度降低，使基質(zhì)中的甲烷通過擴(kuò)散由吸附轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)[18]。陷落柱等構(gòu)造破壞了煤層的封閉性，提高了溶解態(tài)煤層氣隨地下水運(yùn)移速度，導(dǎo)致吸附態(tài)甲烷不斷解吸，致使煤層含氣量降低[21]。同時(shí)，地下水的不間斷快速補(bǔ)給造成降壓困難，難以形成有效的壓降區(qū)，影響地面煤層氣抽采效果。

研究區(qū)3號(hào)煤層上部的砂巖裂隙含水層是直接充水含水層[15]。鉆探結(jié)果顯示，3號(hào)煤層上部發(fā)育2層厚度2~3m細(xì)砂巖，該砂巖層為3號(hào)煤層充水主要水源。斷層、陷落柱的存在使各含水層互相溝通，導(dǎo)致井田大部分區(qū)域奧灰水水位標(biāo)高高于3號(hào)煤層底板[16]。

對排采期間產(chǎn)出水的鉀離子(K)質(zhì)量濃度變化情況進(jìn)行分析(圖2)。各井注入壓裂液體積較為接近，但各時(shí)間點(diǎn)相應(yīng)的K離子質(zhì)量濃度曲線形態(tài)差異顯著。各井鉀離子質(zhì)量濃度大小排序與各井產(chǎn)水量大小(表1)排序一致，表明鉀離子質(zhì)量濃度能夠在一定程度上反映各井地下水補(bǔ)給情況。

從圖2可以看出，02井、04井及05井鉀離子質(zhì)量濃度變化曲線較為平直，各時(shí)間點(diǎn)鉀離子濃度變化較小，表明02井、04井及05井地下水補(bǔ)給充足，地下水對壓裂液的稀釋作用明顯，尤其05井產(chǎn)水量最大，產(chǎn)出水中鉀離子質(zhì)量濃度也最低；01井及03井初始產(chǎn)出水中鉀離子質(zhì)量濃度較高，隨著排采的進(jìn)行，后期出現(xiàn)較大幅度的降低，相對而言其產(chǎn)水量也相對較小，表明其地下水補(bǔ)充條件相對較差。

綜合分析認(rèn)為，抽采區(qū)域地下水補(bǔ)給情況較復(fù)雜，部分井地下水補(bǔ)給充足，地下水封閉條件相對較差，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層壓力難以降低，影響壓降漏斗的形成和擴(kuò)展速度，導(dǎo)致降壓影響范圍較小，吸附態(tài)甲烷解吸困難，對02井、04井、05井的地面瓦斯抽采有較大影響。

圖2 王坡井田K離子質(zhì)量濃度變化曲線

3.4 裂縫形態(tài)

王坡井田在采掘過程中施工的3308運(yùn)輸順槽與04井壓裂裂縫部分重合，在該巷道的掘進(jìn)過程中對壓裂裂縫、壓裂砂分布進(jìn)行了觀測(圖3)。巷道掘進(jìn)過程中未在煤層中發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，亦未見壓裂砂。僅交叉段部分頂板探孔在鉆至煤層與巖層交界面處有鉆頭見軟現(xiàn)象，并有壓裂用石英砂流出，伴有淋水。巷道底板及兩幫探孔未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙及壓裂砂分布。

井下觀測表明：04井水力壓裂產(chǎn)生的部分壓裂裂縫位于煤層與頂板交界面處，未能在煤層中產(chǎn)生穩(wěn)定延伸的垂向裂縫。究其原因，煤層抗拉強(qiáng)度僅是抗壓強(qiáng)度的5%~10%，差異明顯[22]。導(dǎo)致煤層與頂板間存在一個(gè)力學(xué)弱面，形成低應(yīng)力區(qū)。在水力壓裂過程中，裂縫垂向延伸至弱面時(shí)，受上部相對高應(yīng)力煤層頂板的阻擋，裂縫沿弱面低應(yīng)力區(qū)的垂直延伸改變?yōu)樗窖由靃23]。相較于煤層內(nèi)的垂向裂縫，處于煤層與頂板界面處的水平裂縫與煤層接觸面積有限，且界面處一般煤質(zhì)較差，煤層內(nèi)泥質(zhì)成分較高，滲透率較低。因此，裂縫形態(tài)欠佳導(dǎo)致04井煤儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造效果不理想，一定程度上影響地面瓦斯抽采效果。

圖3 王坡井田3308運(yùn)輸順槽剖面示意圖

4 結(jié)論

a. 晉城礦區(qū)王坡井田瓦斯抽采區(qū)域平均資源豐度0.29億m3/km2，含氣飽和度42.07%，臨儲(chǔ)比0.3，認(rèn)為資源豐度和儲(chǔ)層條件是影響王坡井田瓦斯抽采效果的主要內(nèi)在基礎(chǔ)因素。

b. 井田采掘過程中揭露的12個(gè)較大陷落柱附近煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)表明，陷落柱周邊區(qū)域瓦斯含量較低；陷落柱對儲(chǔ)層封閉條件影響較大，增加了抽采區(qū)域地下水補(bǔ)給深度，是影響王坡井田地面瓦斯抽采效果的另一個(gè)重要因素。

c.因煤層與頂?shù)装鍘r層物性差異，儲(chǔ)層壓裂改造時(shí)，壓裂裂縫順煤層與巖層弱面低應(yīng)力區(qū)水平方向延伸，未向煤層中產(chǎn)生垂向裂縫，壓裂無效在一定程度上影響地面瓦斯抽采效果。

d. 建議加強(qiáng)井田瓦斯分布的探查工作，研究陷落柱等局部構(gòu)造與瓦斯賦存的關(guān)系，選擇遠(yuǎn)離陷落柱和煤層瓦斯含量較高的區(qū)域布井，以提高瓦斯地面抽采效果及井下瓦斯抽采工作的經(jīng)濟(jì)效益。

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Influencing factors of surface gas extraction effect in Wangpo minefield of Jincheng mining area

DU Zhiqiang

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The effect of surface gas extraction in Wangpo minefield of Jincheng mining area is poor. In order to find out the causes and to guide the construction of future surface gas extraction, the occurrence conditions of CBM resources in the study area were analyzed and compared with those of adjacent Chengzhuang minefield where the extraction effect is good, the quality of the produced water was tested, at the same time the fracture forms were observed underground. The comprehensive analysis indicated that the abundance of coal gas resources and the reservoir conditions were the major intrinsic basic factors influencing the gas extraction effect in Wangpo minefield; Great amount of developed collapse columns have destroyed the confining conditions of CBM and enhanced groundwater recharge, resulting in the difficulties in depressurization by water drainage of extraction wells. Underground fracture observation showed that the fractured fractures extended horizontally along coal seams and the weak stress plane of seam roof, inducing the poor effect of fracturing and transformation of the reservoir. It is recommended to study deeply the characteristics of gas occurrence and distribution as well as the development scale of collapse columns in the study area to later construction of surface gas extraction wells.

gas extraction effect; influencing factors; reservoir characteristics; collapse column; fracture form; Jincheng mining area; Wangpo minefield

P618.13

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.006

1001-1986(2019)04-0033-05

2019-05-05

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-002-004)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD09)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-004)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD09)

杜志強(qiáng)，1983年生，男，山西長治人，碩士，從事煤層氣開發(fā)技術(shù)研究及勘探開發(fā)工作. E-mail：810611744@qq.com

杜志強(qiáng). 晉城礦區(qū)王坡井田地面瓦斯抽采效果影響因素[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：33–37.

DU Zhiqiang. Influencing factors of surface gas extraction effect in Wangpo minefield of Jincheng mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：33–37.

(責(zé)任編輯 范章群)