煤層氣資源勘查布井技術(shù)研究與實踐

張新福周效志逄 礴馬金利孔令珍池 波張國良

(1.東北煤田地質(zhì)局一0三勘探隊,遼寧 111000;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116)

煤層氣資源勘查布井技術(shù)研究與實踐

張新福1周效志2逄 礴1馬金利1孔令珍1池 波1張國良1

(1.東北煤田地質(zhì)局一0三勘探隊,遼寧 111000;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 221116)

井位部署的合理性直接決定著煤層氣資源勘查及后續(xù)開發(fā)工作的成敗?；诿旱V區(qū)煤層氣資源勘查工作的特點,探討了勘查井井位部署的原則與方法,并結(jié)合紅陽煤田徐往子井田煤層氣資源預(yù)探優(yōu)化布井實例,提出了先圈定“單因素有利區(qū)”,進(jìn)而通過“疊合法”圈定“多因素綜合靶區(qū)”,最終根據(jù)靶區(qū)地面情況確定勘查井井位的優(yōu)化布井流程。

煤層氣 勘查 井位部署 優(yōu)化 紅陽煤田

煤層氣資源勘查是后續(xù)規(guī)?；_發(fā)的前提條件,其根本目的在于:通過實施煤層氣勘查工程,查明區(qū)域煤層氣資源賦存狀況,獲取煤層氣資源評價的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù),并基于勘查成果合理評價煤層氣資源后續(xù)開發(fā)利用前景。

1 煤層氣資源勘查工作特點

煤層氣資源勘查在找煤與煤田地質(zhì)勘探工作基礎(chǔ)上進(jìn)行,因此煤礦區(qū)以往煤田地質(zhì)工作程度和水平直接影響到煤層氣資源勘查設(shè)計的難度和控制程度。

(1)對于煤田地質(zhì)勘探與煤炭資源開發(fā)程度較低的研究區(qū),由于缺乏相關(guān)地質(zhì)資料,且難以保證陳舊地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性與真實性,因此煤層氣資源勘查設(shè)計與施工的風(fēng)險顯著提高。

(2)受能源需求和勘探技術(shù)水平的影響,我國以往煤田地質(zhì)勘探工作重點對研究區(qū)地層、煤層、構(gòu)造、巖漿活動等與煤炭資源開發(fā)直接相關(guān)的地質(zhì)情況進(jìn)行勘查,煤田勘探隊伍對煤層氣資源勘查工作不夠重視,因此多數(shù)研究區(qū)缺少煤層氣資源評價的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),這也給煤層氣資源勘查設(shè)計工作帶來了困難。

(3)部分研究區(qū)盡管有一些煤層含氣量的測試數(shù)據(jù),但由于以往含氣量測試取樣時間過長,測試方法不規(guī)范,導(dǎo)致測定結(jié)果存在明顯偏差。基于煤礦區(qū)生產(chǎn)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行換算,發(fā)現(xiàn)煤田地質(zhì)勘探中測得的煤層含氣量明顯小于實際值。含氣量、氣體成分及相關(guān)測試數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確,不利于煤層氣資源富集有利區(qū)的確定,進(jìn)而影響到后續(xù)的煤層氣資源勘查與開發(fā)工作。

2 煤層氣資源勘查井位部署原則與方法

2.1 優(yōu)化布井基本原則

(1)目標(biāo)煤層厚度及穩(wěn)定性要求

煤層既是煤層氣產(chǎn)生的烴源巖,又是煤層氣的儲集層,厚度大、穩(wěn)定性好的簡單結(jié)構(gòu)煤層存在是煤層氣資源富集成藏的前提條件。在煤層氣資源勘查工作中,要優(yōu)先選擇主目標(biāo)煤層厚度大、目標(biāo)煤層總厚度大、穩(wěn)定性強、結(jié)構(gòu)簡單或較簡單的區(qū)域布井。一般情況下,勘查布井有利區(qū)主目標(biāo)煤層厚度需大于3m,目標(biāo)煤層總厚度需大于8m。

(2)目標(biāo)煤層埋藏深度要求

一般來說,目標(biāo)煤層埋藏越淺,上覆巖層對煤層氣藏的封閉能力越差,不利于煤層氣資源的保存;目標(biāo)煤層埋藏越深,含氣量越高,煤層氣資源越富集。然而,目標(biāo)煤層埋深增加,煤層氣資源勘探開發(fā)的技術(shù)要求與資金投入明顯提高,因此在進(jìn)行煤層氣資源勘查時需要通過合理選擇勘查井井位來控制目標(biāo)煤層的埋藏深度,進(jìn)而平衡煤層氣勘查開發(fā)難度與資源量的關(guān)系。依據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平, 500～800m為煤層氣開發(fā)的理想埋深,800～1000m可進(jìn)行煤層氣資源開采,超過1000m后煤層氣資源開采的難度明顯增大。基于煤層氣資源勘查適度超前的原則,部分煤層氣勘查井井深可超過1000m。

(3)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造要求

勘查井周圍地質(zhì)構(gòu)造相對簡單,有利于煤層氣資源的保存及勘查工程施工,為煤層氣資源富集和后續(xù)商業(yè)化開發(fā)的潛在有利區(qū)。在進(jìn)行井位部署時,應(yīng)盡量選擇區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對簡單的地區(qū)布井,并盡量避開研究區(qū)內(nèi)未查明或可能存在的地質(zhì)構(gòu)造,使煤層氣資源勘查結(jié)果更具代表性,更客觀地評價研究區(qū)煤層氣資源賦存及后續(xù)開發(fā)潛力。

(4)煤層氣資源豐度要求

煤層氣資源賦存于煤儲層中,煤層具有較高的含氣量是進(jìn)行煤層氣勘查開發(fā)的基本要求。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)對不同變質(zhì)程度煤在進(jìn)行煤層氣資源勘查的含氣量下限做了規(guī)定。其中:褐煤空氣干燥基含氣量下限為0.5m3/t,長焰煤為1.0m3/t,氣煤-瘦煤為4.0m3/t,貧煤-無煙煤為8.0m3/t。由于多數(shù)研究區(qū)以往煤田地質(zhì)勘探測定的噸煤含氣量數(shù)值相對偏低,因此在進(jìn)行煤層氣資源富集有利區(qū)圈定時,可根據(jù)周邊生產(chǎn)礦井瓦斯涌出量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。當(dāng)研究區(qū)目標(biāo)煤層含氣量普遍較高時,應(yīng)將含氣量相對較高的區(qū)域圈定為有利區(qū)。

(5)與以往煤田地質(zhì)勘探孔空間關(guān)系要求

由于煤層氣資源勘查以前期煤田地質(zhì)勘查工作為基礎(chǔ),因此煤層氣資源勘查井井位應(yīng)盡量靠近以往煤田地質(zhì)勘探鉆孔,以便于利用鉆孔的各項參數(shù),提高設(shè)計的控制程度;另一方面,煤層氣資源勘查孔也要與煤田地質(zhì)勘探鉆孔保持一定距離,一般應(yīng)大于壓裂裂縫半長,防止煤層氣勘查井壓裂后與周圍的煤田地質(zhì)勘探鉆孔導(dǎo)通,影響排采效果。

(6)地面情況與地形條件要求

煤層氣資源勘查井井位部署還受到研究區(qū)地面情況及地形條件的影響。一方面,勘查井所在位置應(yīng)避開地面永久性建筑及河流、湖泊、鐵路等不可移動地物;另一方面,還應(yīng)考慮勘查井所在位置的地形起伏對勘查工程施工及后續(xù)生產(chǎn)的影響,保障煤層氣勘探開發(fā)工程的順利進(jìn)行。

2.2 優(yōu)化布井工作流程

煤層氣資源勘查優(yōu)化布井應(yīng)遵循以下四個步驟進(jìn)行:

(1)在研究區(qū)以往煤田地質(zhì)勘探及煤層氣資源勘查資料收集、整理的基礎(chǔ)上,了解區(qū)域地層及煤層發(fā)育、構(gòu)造及演化史、巖漿活動及水文地質(zhì)條件等煤與煤層氣地質(zhì)資料,完成研究區(qū)地層展布、目標(biāo)煤層參數(shù)的各類地質(zhì)圖件。

(2)基于煤層氣資源勘查優(yōu)化布井原則,根據(jù)各類地質(zhì)圖件所反映的信息確定井位部署“單因素有利區(qū)”,然后采用“疊合法”確定煤層氣資源勘查井位部署的“多因素綜合靶區(qū)”。

(3)結(jié)合研究區(qū)地形地質(zhì)圖及衛(wèi)星遙感影像資料,確定煤層氣資源勘查“多因素綜合靶區(qū)”內(nèi)的地形起伏及道路、建筑、河流、湖泊等地物的分布情況,并根據(jù)勘查工程規(guī)模及勘查井類型初步確定勘查井井位。

(4)通過實地調(diào)研核實靶區(qū)地面情況資料的準(zhǔn)確性與實效性,最終確定勘查井井位。

3 煤層氣資源勘查優(yōu)化布井實例

3.1 井田概況

徐往子井田隸屬于遼寧省紅陽煤田,位于遼河平原東部斜坡帶內(nèi),面積28km2。東北煤田地質(zhì)局一○三勘探隊于1990年完成徐往子普查工作。普查中共施工鉆孔39個,其中見煤鉆孔22個,提交煤炭普查儲量5455.3萬t。

徐往子井田地層由上而下為新生界第四系、中生界上侏羅統(tǒng)、古生界二疊系與石炭系、中奧陶統(tǒng)。其中,石炭二疊系為主要含煤地層 (圖1)。山西組含煤7層,由上而下依次編號為1～7,僅3#、62#煤局部可采;太原組含煤7層,由上而下依次編號為8～14,其中12#煤普遍可采,13#煤大部分可采。井田內(nèi)各可采煤層煤類均為無煙煤3#,各煤層宏觀煤巖成分以鏡煤、亮煤為主。

圖1 紅陽煤田徐往子井田基巖地質(zhì)圖

徐往子井田由兩個小型構(gòu)造單元組成。由 F1斷層分為東、西兩部分。F1斷層以西被F70斷層切割成三角形殘破的向斜輪廓,向斜軸N30°E,東翼地層傾角15°～25°;F1斷層以東在研究區(qū)內(nèi)以單斜形式出現(xiàn),地層傾向 NW,傾角 45°～65°,F79、F71、F72將含煤地層切割成數(shù)段。

井田范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)古近紀(jì)輝綠巖,但在北部四礦發(fā)現(xiàn)其對煤層有吞蝕穿插作用。

3.2 煤層氣資源勘查情況

由于徐往子井田處于遼陽市規(guī)劃區(qū),城市壓煤已成現(xiàn)實,因此開展煤層氣資源的勘查及后續(xù)開發(fā)工作,不僅可以減少煤炭資源損失,而且對紅陽煤田煤層氣勘探開發(fā)具有重要的推動作用。

本次勘查預(yù)計施工煤層氣井6口,其中參數(shù)井3口 (XC-1、XC-2、XC-3),試驗井3口 (直井壓裂1口XS-1、導(dǎo)向?qū)泳?對XS-2與XS-3)。通過開展煤層氣勘查工程,獲取徐往子井田煤儲層含氣量、滲透率等關(guān)鍵參數(shù),提交煤層氣地質(zhì)儲量,查明煤層氣資源的可采性。

圖2 徐往子井田井位部署單因素有利區(qū)圖

3.3 有利區(qū)與靶區(qū)的圈定

收集《紅陽煤田徐往子區(qū)普查地質(zhì)報告》及周圍尖臺子南精查區(qū)、西馬礦地質(zhì)資料,了解區(qū)域地層、構(gòu)造、煤層、煤質(zhì)、含氣量及水文地質(zhì)條件等。統(tǒng)計研究區(qū)及其周邊井田勘探鉆孔資料及煤質(zhì)分析成果,利用MAPGIS軟件完成目標(biāo)煤層 (12#、13#煤)厚度、埋深、有效埋深、頂板標(biāo)高、含氣量等值線圖等地質(zhì)圖件,并基于上述優(yōu)化布井原則,確定“單因素有利區(qū)”,如圖2。

在“單因素有利區(qū)”圈定的基礎(chǔ)上,將4幅單因素有利區(qū)圖疊置,選擇重疊區(qū)作為“多因素綜合靶區(qū)”,并考慮到其與以往的煤田地質(zhì)勘探鉆孔離開70m的距離。采用“疊圖法”處理后,得到徐往子井田范圍內(nèi)5個“多因素綜合靶區(qū)”,如圖3。

圖3 徐往子井田井位部署多因素綜合靶區(qū)圖

3.4 勘查井井位初定與確定

徐往子井田位于太子河沖洪積扇上,地形平坦,海拔標(biāo)高16.1～20.5m,因此地形起伏對煤層氣資源勘查井井位確定基本無影響。通過徐往子井田衛(wèi)星影像資料的分析,結(jié)合勘查工程規(guī)模及勘查井類型,在“多因素綜合靶區(qū)”范圍內(nèi)初步確定勘查井井位。

通過徐往子井田實地調(diào)研,核實勘查井周圍地物分布,最終確定勘查井井位,如圖4。

圖4 徐往子井田煤層氣勘查井井位設(shè)計圖

4 結(jié)論

(1)煤層氣資源勘查井位部署受區(qū)域地層及煤層發(fā)育特征、地質(zhì)構(gòu)造、煤層氣資源富集及水文地質(zhì)條件等多種因素的共同影響,在優(yōu)化布井時需要將目標(biāo)煤層厚度、穩(wěn)定性、埋深、含氣性、區(qū)域構(gòu)造、地形條件及地面情況等多種因素進(jìn)行綜合考慮。

(2)煤層氣資源勘查優(yōu)化布井應(yīng)遵循以下的工作流程:在研究區(qū)地質(zhì)資料整理及相關(guān)圖件繪制的基礎(chǔ)上,根據(jù)優(yōu)化布井原則確定“單因素有利區(qū)”,進(jìn)而通過“疊圖法”確定“多因素綜合靶區(qū)”,再結(jié)合靶區(qū)地形條件及衛(wèi)星遙感影像資料初定井位,最終通過現(xiàn)場調(diào)研確定勘查井井位。

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Study and Practice on Technology for Determination of CBM Resources Prospecting Well Pattern

Zhang Xinfu1,Zhou Xiaozhi2,Pang Bo1,Ma Jinli1,K ong Lingzhen1,Chi Bo1,Zhang Guoliang1
(1.No.103 Prospecting Team,Northeast Coal Field Geology Bureau,Liaoning 111000;2.Resources and Geoscience College,China University of Mining Technology,Jiangsu 221116)

Rational layout of well site determines directly the success of prospection and follow-up development work of CBM resources in the mine field.Based on the characteristics of the CBM resources prospecting work in the mining area the paper discusses the principles and methods for choosing the site of prospecting wells.Taking the optimal pattern of prospecting wells for pre-prospection of CBM resources in Xuwangzi mine field in Hongyang coalfiled as an example,the authors propose an optimal flow-sheet for determining the site of prospecting wells,i.e.first to delineate“the single factor favorable area”;and then to delineate“the multifactor composite target area”by using“method of superposition”;and finally,to determine the flow-sheet for the optimizing the well pattern based on the surface conditions of the target area.

CBM;prospection;layout of well site;optimization;Hongyang Coalfield

遼寧省國土資源廳2009年度省本級礦產(chǎn)資源補償費地質(zhì)勘探項目

張新福,高級工程師、副總工程師,主要從事煤與煤層氣地質(zhì)與勘查技術(shù)管理工作。