安徽宿州蘆嶺礦區(qū)煤層氣生產(chǎn)條件分析

黃曉明 安德魯 莫日和 王洪洲 林 亮

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011;2.加拿大英發(fā)能源公司,安徽 235200)

安徽宿州蘆嶺煤礦位于淮北煤田的東南緣,礦區(qū)面積23km2,煤炭年生產(chǎn)能力180萬t[1],礦區(qū)范圍同時(shí)位于中聯(lián)公司擁有探礦權(quán)的宿南煤層氣勘查區(qū)塊的東部 (圖 1)。宿南煤層氣區(qū)塊面積約850km2,是我國第一個(gè)與外國公司簽署的中外合作煤層氣勘探開發(fā)項(xiàng)目,目前外方作業(yè)者為加拿大英發(fā)能源公司。本次調(diào)查工作主要集中在蘆嶺礦區(qū)范圍內(nèi)施工的一口煤層氣參數(shù)+生產(chǎn)試驗(yàn)井,CLG09V-01井。該井連同與其相關(guān)的300m井間距的生產(chǎn)井組已于2010年4開始進(jìn)入煤層氣排采試驗(yàn)階段。

圖1 安徽宿州地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)形勢圖

1 地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造

蘆嶺礦區(qū)位于淮北煤田東南緣,北界為東西向的宿北斷裂,南部靠近板橋斷裂,這兩條東西走向、傾向相向的同生正斷層構(gòu)成了一個(gè)區(qū)域性的地塹,對礦區(qū)的煤系地層沉積起到控制作用。蘆嶺煤礦東界為一北西向的逆斷層,對煤系地層起到明顯的改造和控制作用,礦區(qū)呈北西向展布,地層北傾,使其在淮北煤田具有鮮明的構(gòu)造特點(diǎn)。煤田東部逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育,從東向西呈疊瓦式推覆,礦井下常見層滑小構(gòu)造,對采煤有較大影響。礦區(qū)周邊燕山期火山作用較為頻繁,主要表現(xiàn)為酸性火成巖侵入體,多以巖床、巖株和巖脈的形式侵入到古生界沉積地層中。其中,下二疊統(tǒng)山西組地層受巖漿接觸變質(zhì)和巖漿熱力變質(zhì)作用明顯,煤質(zhì)變化大,煤類復(fù)雜,以貧煤、無煙煤、天然焦為主。然而,巖漿作用主要發(fā)生在宿北斷裂以北地區(qū)。蘆嶺礦區(qū)受巖漿巖侵入體的影響較小,煤變質(zhì)程度相對不高,以氣煤為主。

1.2 地層

蘆嶺礦區(qū)所處的兩淮地區(qū)在沉積地層上屬于南華北地層分區(qū),晚古生界地層為一套三角洲體系和多重障壁體系交替沉積,含多層可采煤層。根據(jù)沉積旋回和巖性組合特征,將地層自下而上劃分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。CLG09V-01井是在蘆嶺礦區(qū)施工的一口煤層氣參數(shù)+生產(chǎn)試驗(yàn)井,鉆井位置見圖1。該井所鉆揭的地層主要包括石炭系太原組地層、二疊系山西組和上、下石盒子組地層,以及約250m厚的新生界松散地層。本文著重討論與主要目的煤層相關(guān)的下二疊統(tǒng)煤系地層的巖性組合特點(diǎn) (圖2)。

從圖2中可以看出,山西組10#煤層的電性特征明顯,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,厚度為2.69m。其直接底板為砂質(zhì)泥巖,厚3.38m,含水性弱,滲透性較差。其下部緊鄰地層到石炭系太原組灰?guī)r頂界之間為厚層狀的粉細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖間互,表現(xiàn)為高伽馬和中高電阻率特征,弱含水,滲透性好于煤層底板。10#煤的直接頂板為6.08m厚的細(xì)砂巖,純凈且滲透性較好。傳統(tǒng)的煤層氣地質(zhì)理論認(rèn)為,滲透性好的煤層頂、底板不利于煤層氣的保存。然而根據(jù)我們多年的煤層氣地質(zhì)勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn),較好的滲透性有利于煤層氣的排出,從而促進(jìn)了煤層氣的大量生成,有效的提高了煤儲層的煤層氣含氣飽和度,這點(diǎn)在本文后面的討論中再次得到印證。

圖2 宿南煤層氣區(qū)塊蘆嶺礦區(qū)CLG09V-01井實(shí)鉆地層剖面

下石盒子組地層中包含了兩套主要目的煤層。8#煤層厚達(dá)9.19m,但井身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,煤芯破碎,擴(kuò)徑明顯。直接頂、底板為砂質(zhì)泥巖,含水性弱,滲透性較差。但其上部緊鄰地層為10m厚的細(xì)砂巖 (圖2),滲透性好,若因斷層錯(cuò)斷導(dǎo)致煤層與該滲透層直接接觸,可有效的提高煤層的排烴效率,從而提高煤儲層的煤層氣含氣飽和度。7#煤層厚2.36m,頂、底板為泥巖,含水性弱,滲透性差,內(nèi)生裂隙發(fā)育,具有較好的煤層氣滲流通道,但煤層頂、底板的封閉性在一定程度上影響了其生烴效率。

CLG09V-01井區(qū)的上、下石盒子組地層分界在井深510m處,以紫斑狀鋁質(zhì)泥巖為地層劃分標(biāo)志層。上石盒子組地層由紫、黃綠和雜色砂巖、粉砂巖和泥巖互層組成。在宿南煤層氣區(qū)塊其它地區(qū)較為發(fā)育的3#煤層,在本井區(qū)不發(fā)育。

2 儲層特征

2.1 煤巖、煤質(zhì)特征

7#煤煤巖成分以亮煤為主,暗煤次之,內(nèi)生裂隙發(fā)育,煤芯呈塊狀,玻璃光澤,斷口呈階梯狀,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。煤顯微組分含量：鏡質(zhì)組為78.9%,惰質(zhì)組為17.4%,殼質(zhì)組未見,無機(jī)組分占12.6%,鏡質(zhì)體反射率為0.71%。煤視密度為1.37,灰分為21.97%,揮發(fā)份為37.84%,固定碳含量為83.55%。

8#煤煤巖成分由亮煤和暗煤組成,宏觀類型為半亮型煤,條痕為黑灰色。煤芯十分破碎,以至于裂隙無法描述,少部分小碎塊斷口為參差狀,呈線理狀構(gòu)造。煤顯微組分含量：鏡質(zhì)組為76.2%～85.5%,惰質(zhì)組為12.0%～19.5%,含微量殼質(zhì)組成分,鏡質(zhì)體反射率為0.76%～0.83%。無機(jī)組分含量不高,平均為7.6%,一般為分散狀粘土,個(gè)別呈層狀或侵染狀形態(tài)。煤視密度為1.32～1.38,灰分為11.72%～16.78%,揮發(fā)份為31.08%～33.74%,固定碳含量為 84.88%～85.84%。

10#煤煤巖成分以亮煤為主,暗煤次之,宏觀類型以半亮型煤為主,內(nèi)生裂隙十分發(fā)育,裂隙面光滑平整,面裂隙40～42條/5cm,端裂隙28～32條/5cm。煤芯呈塊狀,條痕為灰黑色,呈金屬光澤和玻璃光澤,斷口參差狀,具孤立網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),裂隙被黃鐵礦部分充填。煤顯微組分含量：鏡質(zhì)組為76.3%～88.1%,惰質(zhì)組為10.0%～18.8%,殼質(zhì)組為1.95%～5.0%,無機(jī)組分占2.2%～16.2%,鏡質(zhì)體反射率為0.83%～0.90%。煤視密度為1.36,灰分含量平均為10.05%,揮發(fā)份平均為36.69%,固定碳含量為82.57%～85.57%。

圖3 宿南煤層氣區(qū)塊蘆嶺礦區(qū)CLG09V-01井煤芯樣品等溫吸附曲線

2.2 含氣量、等溫吸附特性

7#煤的兩個(gè)煤芯解吸測試結(jié)果表明,其空氣干燥基含氣量為6.10～6.68m3/t;干燥無灰基含氣量為7.30～8.00m3/t,吸附時(shí)間變化在4.60～4.67天,平均 4.64天。氣體成分以甲烷為主,占96.67%～96.82%,氮?dú)夂?.92%～2.96%,重?zé)N含量極微。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明,7#煤的原煤飽和吸附量為12.87cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量為16.71cm3/g,蘭氏壓力為2.21MPa。從等溫吸附曲線上可以看出 (圖3),原煤等溫吸附曲線平緩,干燥無灰基曲率變化明顯。

8#煤的18個(gè)煤芯解吸測試結(jié)果表明,其空氣干燥基含氣量為8.05～9.85m3/t;干燥無灰基含氣量為9.49～11.26m3/t,吸附時(shí)間變化在 1.34～2.35天,平均2.08天。氣體成分以甲烷為主,占94.10%～98.25%,氮?dú)夂?.65%～4.87%,重?zé)N含量0～0.39%。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明,8#煤的原煤飽和吸附量范圍14.89～17.01cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量范圍18.18～20.12cm3/g,蘭氏壓力平均為2.35MPa。從圖3中可以看出,8#煤等溫吸附性與7#煤相比,其原煤曲線和干燥無灰基曲線相近,曲率變化明顯增大。

10#煤的4個(gè)煤芯解吸測試結(jié)果表明,其空氣干燥基含氣量為7.28～8.69m3/t;干燥無灰基含氣量為8.82～10.42m3/t,吸附時(shí)間變化在 1.37～2.50天,平均1.95天。氣體成分以甲烷為主,占94.10%～95.79%,比前述兩組煤層的甲烷含量略低,氮?dú)夂孔兓?.92%～5.41%,重?zé)N含量0.06%～0.11%。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明,10#煤的原煤飽和吸附量范圍為11.44～15.09cm3/g,干燥無灰基飽和吸附量范圍為15.91～16.29cm3/g,蘭氏壓力為2.04MPa。從等溫吸附曲線上可以看出 (圖3),較前述兩組煤層其原煤曲線和干燥無灰基曲線形態(tài)最為接近,曲率相對較大。

3 生產(chǎn)條件

蘆嶺礦區(qū)下二疊統(tǒng)地層主要包含3層可采煤層,分別為下石盒子組的7#煤和8#煤,以及山西組的10#煤。煤層單層厚度較大。煤變質(zhì)程度相對不高,但隨埋深略微增高,煤類以氣煤為主。受構(gòu)造作用影響明顯,煤層內(nèi)部裂隙十分發(fā)育。煤顯微組成以較高的鏡質(zhì)組含量,和較低的惰質(zhì)組含量為顯著特征。煤層氣含氣量中等偏高,甲烷含量高,重?zé)N含量低。主要目的煤層的原煤飽和吸附量普遍偏低,但含氣飽和度不低。下部煤層的煤層氣解吸速率要高于上部煤層。

從前述CLG09V-01井的地層發(fā)育特征描述中我們可以看出;7#煤層的頂?shù)装鍨槟鄮r,滲透性極差,按傳統(tǒng)的煤層氣地質(zhì)觀念來講,其對煤層氣具有較好的保存條件。然而,從煤層氣生成的角度來看,較強(qiáng)的封閉性不利于煤層氣的排出,反而會抑制煤層氣的大量生成。所幸的是,7#煤層不厚且其內(nèi)部裂隙十分發(fā)育,煤層氣的生成才得以持續(xù)發(fā)生,因此煤層氣含氣飽和度并不低。7#煤相對較低的含氣量與其吸附特性和煤的熱變質(zhì)程度相對較低有關(guān)。8#煤層的頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖,滲透性相對較好。然而厚度近10m的煤層卻成為其內(nèi)部煤層氣有效排出的障礙,降低了部分煤芯樣品的含氣飽和度。10#煤層的頂?shù)装鍨榧?xì)砂巖,滲透性好,且煤層厚度適中,煤層受熱變質(zhì)程度最高,因此,煤層作為烴源巖其煤層氣得以充分生成并持續(xù)排出,同時(shí)煤層作為儲層其煤層氣含氣飽和度達(dá)到并超過100%。

通過以上分析結(jié)合煤層的等溫吸附特性,我們可以看出：CLG09V-01井山西組的10#煤層具有煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,內(nèi)生裂隙十分發(fā)育,煤層氣含氣飽和度高,等溫吸附曲線曲率大,蘭氏壓力低的特點(diǎn),在三個(gè)主要目的煤層中,其生產(chǎn)條件最好,初期產(chǎn)量應(yīng)該最高。8#煤和7#煤也具有裂隙發(fā)育,含氣飽和度高的特點(diǎn),生產(chǎn)條件也是比較好的,特別是8#煤層巨厚,是煤層氣能夠持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保證。7#煤的等溫吸附曲線最為平緩,表明解吸條件相對較差,測試數(shù)據(jù)也表明其解吸天數(shù)是最多的,此外,其蘭氏壓力也較大,而蘭氏體積相對不高。

另外,有煤田地質(zhì)工作者在進(jìn)行煤層氣資源可采性評價(jià)工作中,將較高的惰質(zhì)組顯微組分含量作為煤層氣可采性最為有利的指標(biāo)。CLG09V-01井的煤芯樣品分析結(jié)果表明,本井煤樣中惰質(zhì)組含量相對沁水盆地等要低,但其對生產(chǎn)條件的影響到底有多大,還需更多的實(shí)際資料加以驗(yàn)證,至少在本井區(qū)看不出有多大影響。本井區(qū)三套主要目的煤層煤樣品分析結(jié)果表明,三層煤的惰質(zhì)組組分含量幾無差別,均普遍偏低,但煤層氣解吸時(shí)間卻相差較大,7#煤解吸時(shí)間要比8#煤和10#煤高一倍多,10#煤解吸時(shí)間最短?？梢?惰質(zhì)組組分含量不是影響蘆嶺礦區(qū)煤層氣可采性的主要因素。

4 結(jié)語

蘆嶺礦區(qū)所在的宿州煤層氣區(qū)塊已有十余年的勘探歷程,商業(yè)開采也有兩年以上,目前的煤層氣生產(chǎn)井以直井為主,采取的是套管完井技術(shù),水力壓裂或部分注入氮?dú)獾仍霎a(chǎn)措施。生產(chǎn)井持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化利用。

下二疊統(tǒng)山西組的10#煤和下石盒子組的8#和7#煤是本區(qū)煤層氣的主要?dú)庠磶r和儲集層。原煤鏡質(zhì)組含量高,中等變質(zhì)程度,煤吸附能力和煤層厚度適中,頂?shù)装鍡l件好,有利于煤層氣的生成和富集。煤儲層溫度高、滲透率相對較大,內(nèi)生裂隙十分發(fā)育,煤層氣含氣飽和度高,臨儲壓力比大,有利于煤層氣的產(chǎn)出。

10#煤層的儲層壓力大,含氣飽和度高,煤解吸速率高,對煤層氣初期產(chǎn)量貢獻(xiàn)大。8#煤層厚度巨大,煤層氣資源豐富,是煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ),但煤層受構(gòu)造影響而破碎,在一定程度上影響了其初期產(chǎn)量。7#煤含氣量低,但飽和度較高,頂?shù)装宸忾]性強(qiáng),使其保持了較高的原始地層能量。三層煤合采可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),合理的控制生產(chǎn)節(jié)奏,就可借助7#煤和10#煤先期釋放的游離氣對8#煤層的滲流條件進(jìn)行有效的改造,從而加快厚煤層中煤層氣的持續(xù)析出。

[1] 中國主要煤礦資源圖集第三卷 [R].北京：中煤地質(zhì)總局,1996.

[2] 中煤地質(zhì)總局,中國聚煤作用系統(tǒng)分析 [M]徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[3] 黃曉明等,煤層氣地質(zhì)勘探實(shí)例分析 [M]蘇州：石油工業(yè)出版社,2010.

[4] 吳昱,西山礦區(qū)煤層氣資源可采性評價(jià) [J]中國煤層氣,2010(4).