陽(yáng)泉區(qū)塊寺家莊井田分壓合層排采適應(yīng)性探討

田慶玲

(1.河南理工大學(xué)，河南　焦作　454000； 2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西　晉城　048000)

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·專題綜述·

陽(yáng)泉區(qū)塊寺家莊井田分壓合層排采適應(yīng)性探討

田慶玲1，2

(1.河南理工大學(xué)，河南焦作454000； 2.山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西晉城048000)

摘要陽(yáng)煤集團(tuán)寺家莊井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，含煤層較多，可采煤層煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量可觀。本文通過(guò)分析寺家莊區(qū)塊煤層間距、圍巖力學(xué)性質(zhì)、儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力、壓裂前后滲透率對(duì)比、水文地質(zhì)等得出結(jié)論：寺家莊區(qū)塊8、9號(hào)煤層滿足分壓合層排采條件，15號(hào)煤層部分滿足分壓合層排采。加強(qiáng)對(duì)不同地質(zhì)條件下分壓合層排采適應(yīng)性的研究，可有效提高煤層氣抽采率。

關(guān)鍵詞寺家莊井田；煤層氣；主控因素；分壓合層排采

研究與實(shí)踐表明，在多煤層地區(qū)進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)利用時(shí)，如果實(shí)施分層壓裂、合層排采的技術(shù)及工藝，可有效降低煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)亦可以大大提高單井產(chǎn)氣量和可采儲(chǔ)量[1]. 為此，在研究大量礦井地質(zhì)、煤層氣井生產(chǎn)、工程及測(cè)試等資料的基礎(chǔ)上，對(duì)寺家莊區(qū)塊可采煤層分壓合層排采的適應(yīng)性進(jìn)行了探討。

1研究區(qū)概況

寺家莊區(qū)塊位于沁水煤田的東北邊緣，總體表現(xiàn)為東翹西傾的單斜構(gòu)造，巖層走向北北東，區(qū)內(nèi)斷層較少，褶曲發(fā)育，軸向不一，陷落柱較多。抽采區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度總體為簡(jiǎn)單類，北部由于陷落柱發(fā)育，構(gòu)造屬中等類。井田范圍內(nèi)地層由下而上有：古生界奧陶系的峰峰組和上馬家溝組，石炭系的本溪組和太原組，二疊系的山西組、上下盒子組及石千峰組。含煤地層為山西組及太原組，共含煤18層，煤層總厚13.46 m，含煤系數(shù)7.9%，其中可采煤層4層，編號(hào)為81、84、9、15號(hào)。其中， 81、84煤層為局部可采煤層，9號(hào)為大部可采煤層，15號(hào)煤層全區(qū)可采煤層。 同時(shí)可采煤層的煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量亦較為可觀(總84.71×108m3).寺家莊地層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1.

圖1　寺家莊地層綜合柱狀圖

2分壓合層排采適應(yīng)條件

2.1煤層間距及煤與圍巖力學(xué)性質(zhì)

多煤層地區(qū)，煤層間距的大小、煤與圍巖(系指煤層頂?shù)装?的力學(xué)性質(zhì)控制著壓裂的次數(shù)、壓裂規(guī)模、造縫形態(tài)等。當(dāng)煤層間距較小(<10 m)、圍巖厚度大且二者儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力等相近，則可對(duì)其進(jìn)行射孔合層壓裂合層排采，反之進(jìn)行分壓合采。其原理：因煤與巖石的力學(xué)性質(zhì)差異，當(dāng)二者力學(xué)性質(zhì)差異性較大且圍巖厚度大時(shí), 壓裂時(shí)裂縫很難突破煤層圍巖，其多在或僅在煤層中延伸，煤儲(chǔ)層改造效果相對(duì)較好; 反之, 壓裂時(shí)裂縫容易突破圍巖, 既影響壓裂效果, 又可能改變壓力傳播路徑[2,3].就上述條件而言，該區(qū)內(nèi)8、9號(hào)煤層多宜進(jìn)行加密射孔合層壓裂，而8號(hào)、9號(hào)與15號(hào)煤層則滿足分壓合層排采條件。見(jiàn)表1.

表1　寺家莊區(qū)塊主采煤層特性一覽表

2.2儲(chǔ)層壓力(儲(chǔ)層壓力梯度)

儲(chǔ)層壓力梯度是儲(chǔ)層壓力和埋深的綜合體現(xiàn)，基本上可以反映底層能量的大小。多煤層分壓合采共用一個(gè)井筒排采，當(dāng)儲(chǔ)層壓力懸殊太大且高壓煤層位于上部時(shí)，其他條件相近的情況下，高壓煤層中的流體將受到壓差作用倒灌入低壓煤層，不僅使高壓煤層煤粉過(guò)大，而且抑制了煤層的排水降壓，失去分壓合層排采意義。當(dāng)煤層的壓力梯度相差懸殊時(shí)，亦可導(dǎo)致儲(chǔ)層供液能力的差異，上述兩種情況均可導(dǎo)致合層排采失去意義[4,5].

研究區(qū)為典型的低壓儲(chǔ)層區(qū)(壓力梯度均為6.15 kPa/m，正常為9.5～10.0 kPa/m)，按研究區(qū)儲(chǔ)層埋深推算，儲(chǔ)層壓力2.2～7 MPa. 8號(hào)和9號(hào)儲(chǔ)層壓力相差甚微(僅為50 kPa)，二者與15號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力相差0.66 MPa. 由此可知，8、9、15號(hào)煤層均為低(欠)壓儲(chǔ)層且儲(chǔ)層壓力彼此間相差不大，滿足合層排采條件。但排采過(guò)程中要嚴(yán)格控制液面的降幅，使液面控制在上層煤組煤層氣臨界解吸壓力值附近一段時(shí)間，使儲(chǔ)層降壓“漏斗”盡可能的擴(kuò)大，解吸出更多煤層氣，提高動(dòng)用儲(chǔ)量和采收率。

2.3臨界解吸壓力

分壓合采需要有合理的臨界解吸壓力，在其他情況相近時(shí)，若臨界解吸壓力差別較小則合采煤層的見(jiàn)氣時(shí)間相差不大，壓力傳遞相近，該條件適應(yīng)分壓合采。若煤層間的臨界解吸壓力相差較大，首先解吸出來(lái)的煤層會(huì)對(duì)未出氣的煤層產(chǎn)生“氣鎖”效應(yīng)，使得臨界解吸壓力低的煤層不能出氣或產(chǎn)氣甚微，失去合層排采意義[6-8].

研究區(qū)臨界解吸壓力普遍較低(見(jiàn)表2)，前期需平穩(wěn)排水降壓較長(zhǎng)時(shí)間方能見(jiàn)氣。8、9號(hào)煤層臨界解吸壓力相差無(wú)幾，滿足合層排采條件，但15號(hào)煤層臨界解吸壓力整體低下(部分已接近枯竭壓力0.5～0.7 MPa)，煤層氣產(chǎn)出通過(guò)排水降壓已難實(shí)現(xiàn)，該條件下失去合層排采意義。

表2　抽采區(qū)臨界解析壓力對(duì)比表

2.4原始/壓后滲透率

煤層原始滲透率的大小主要受控于煤層的原生裂隙的連通性，研究區(qū)8、9、15號(hào)煤層原生滲透率普遍較低，僅為0.004～0.008 mD(見(jiàn)表3)，但彼此間數(shù)值相差無(wú)幾，為典型的低滲儲(chǔ)層。煤層通過(guò)壓裂改造后，煤層滲透率極大提高，其主要受控于壓裂裂縫的連通性和滲流能力。多煤層合層排采時(shí)，如果煤層之間滲透率相差甚大，必然會(huì)導(dǎo)致各煤層間的供液能力懸殊較大，同時(shí)亦造成各煤層在排采過(guò)程中儲(chǔ)層壓力的變化(或是傳遞速度)差別顯著，從而導(dǎo)致某些層位不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣低下，失去合層排采意義[9].

表3　測(cè)試區(qū)煤層原始?jí)汉鬂B透率對(duì)比表

綜合研究區(qū)試井、測(cè)井、巖心分析所得的滲透率測(cè)試資料分析可知，8、9、15號(hào)煤層破裂壓力明顯，壓后滲透率處于同一數(shù)量級(jí)。由上述可知，8、9、15號(hào)煤層滿足合層排采條件。

2.5水文地質(zhì)條件(供液能力)

水文地質(zhì)條件對(duì)分壓合采的影響主要體現(xiàn)在煤儲(chǔ)層的供液能力的差別上，儲(chǔ)層供液能力的差異必然導(dǎo)致排采過(guò)程中層間壓力傳遞的差異，進(jìn)而導(dǎo)致某些層位不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣較小[10].

8、9、15號(hào)煤層為太原組煤系，太原組主要含水層為灰?guī)r巖溶含水層，據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量為1.9×10-5～0.24 L/s·m，含水層多為弱富水性(見(jiàn)表4).鑒于K2、K3、K4灰?guī)r層離15號(hào)煤層較近，15號(hào)煤層的供液能力可能強(qiáng)于8、9號(hào)，但差別應(yīng)不會(huì)很大。總而言之，8、9、15號(hào)煤層理應(yīng)屬于同一水文地質(zhì)單元，可滿足合層排采。

表4　太原組灰?guī)r抽水試驗(yàn)成果一覽表

3結(jié)論

1) 就煤層及圍巖厚度和力學(xué)性質(zhì)、儲(chǔ)層壓力、臨界解吸壓力、滲透率及水文地質(zhì)條件而言，8、9號(hào)煤層可滿足分壓合層排采條件。

2) 15號(hào)煤層臨界解吸壓力整體較低，必然會(huì)導(dǎo)致前期排水降壓周期長(zhǎng)、見(jiàn)氣慢和加大抽采難度，特別是在臨界解吸壓力極低的區(qū)域(<0.5 MPa時(shí))，煤層氣藏已無(wú)法通過(guò)排水降壓產(chǎn)出，此條件下失去合層排采意義。在15號(hào)煤層臨界解吸壓力較高的區(qū)域，可滿足其與8、9號(hào)煤層合層排采。

3) 可加強(qiáng)不同地質(zhì)塊段下分壓合層排采的適應(yīng)性研究，提高煤層氣開(kāi)發(fā)成效[11].

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Research on the Adaptability of Layered Fracture and Multi Layer Drainage in Sijiazhuang Mine Field of Yangquan Block

TIAN Qingling

AbstractYangquan coal group Sijiazhuang mine field has simple geological structure, more coal seam and considerable coalbed methane reserves. Analyzes the distances between coal seam, mechanics character of surrounding rock, reservoir pressure, critical desorption pressure, permeability contrast by fracturing, hydro geological condition and so on. It obtains that all of the No.8 and No.9 coal seam satisfy the condition of layered fracture and multi layer drainage, part of the No.15 coal seam satisfies the condition. It can effectively increase coalbed methane extraction rate by strengthening the research of layered fracture and multi layer drainage in different geological situations.

Key wordsSijiazhuang mine field; Coalbed methane; Main controlling factor; Layered fracture and multi layer drainage

中圖分類號(hào)：TD163

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0652(2016)01-0046-03

作者簡(jiǎn)介：田慶玲(1986—)，女，山西晉城人，2012年河南理工大學(xué)在職研究生，助理工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)研究與開(kāi)發(fā)工作(E-mail)laoshudingding@qq.com

收稿日期：2015-12-02