云南恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)地質(zhì)特征及勘探開發(fā)策略

賈高龍 莫日和 賴文奇 袁 燊 張三科

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100011)

云南恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)地質(zhì)特征及勘探開發(fā)策略

賈高龍 莫日和 賴文奇 袁 燊 張三科

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100011)

綜合地質(zhì)分析表明，云南恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)具有煤系發(fā)育、埋深適中、中厚煤層、中高階煤、含氣量高、構(gòu)造復(fù)雜、資源潛力大等特點(diǎn)，是我國西南地區(qū)最有希望實(shí)現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)商業(yè)化的地區(qū)之一。根據(jù)該勘查區(qū)煤系特征與地形特點(diǎn)，提出了具體的勘探開發(fā)策略建議：對(duì)煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣應(yīng)“三氣共探”；應(yīng)采用叢式井組、壓裂改造和水平井等鉆完井技術(shù)，試用N2壓裂和CO2注入等增產(chǎn)措施；煤層氣企業(yè)應(yīng)與煤礦合作，在高瓦斯礦區(qū)推廣利用煤層氣地面抽采技術(shù)，在降低煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)加快煤層氣商業(yè)化開發(fā)進(jìn)程。

云南省；恩洪-老廠勘查區(qū)；煤層氣；地質(zhì)特征；勘探開發(fā)策略

云南省東部恩洪-老廠含煤區(qū)為我國西南地區(qū)重要的富煤中心區(qū)，可采煤層總厚度均大于20 m[1]；煤層氣總資源量為1 400億m3，屬于大型氣田[2]。該區(qū)地域經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，具有廣闊的煤層氣下游市場[3]，因此在該地區(qū)開展煤層氣地質(zhì)研究，并提出下一步勘探開發(fā)策略，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)總面積1 201.98 km2，兩區(qū)塊最近距離不足10 km。其中恩洪勘查區(qū)(恩洪區(qū)塊)位于曲靖市麒麟?yún)^(qū)與富源縣境內(nèi)，面積719.41 km2；老廠勘查區(qū)(包括老廠道班房和老廠雨旺兩區(qū)塊)位于曲靖市富源縣東南部，面積合計(jì)482.57 km2(圖1)。恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育，海拔1 800～2 500 m，屬中高山區(qū)。

圖1 云南省恩洪-老廠勘查區(qū)位置及構(gòu)造綱要圖

1 勘查區(qū)地質(zhì)特征

1.1 含煤地層特征

恩洪勘查區(qū)含煤地層為上二疊統(tǒng)宣威組(P2x)，主要巖性為灰色粉細(xì)砂巖、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤，含動(dòng)植物化石，為陸相—海陸交互相沉積；含煤地層厚度205～335 m，平均厚度250 m,埋深500～1 500 m，多在1 000 m以淺；含煤18～73層，煤層總厚度15.99～67.68 m，平均厚度32 m?？刹擅簩佑?～20 層，可采總厚度10～31 m，平均厚度為18 m。全區(qū)大面積可采煤層有12層，其中9#、16#、23#等主力煤層厚度較穩(wěn)定且分布范圍廣。

老廠勘查區(qū)含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)和長興組(P2c)，巖性以深灰色細(xì)碎屑巖為主，主要由粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤組成，為海陸交互相沉積；含煤地層厚度約460 m,埋深500～1 500 m，一般在1 000 m以淺；煤層主要分布在龍?zhí)督M中上部，一般含煤層27～42層，煤層總厚度41 m；可采煤層有11～15層，可采總厚度6～33 m，平均厚度為20 m。該區(qū)主力煤層為龍?zhí)督M7#+8#、9#、13#和19#煤層，各主力煤層厚度較穩(wěn)定且分布范圍廣。

1.2 構(gòu)造特征

恩洪勘查區(qū)主體為NNE向大型復(fù)式向斜構(gòu)造，地層傾角為10°～ 30°。受到東西向主應(yīng)力擠壓作用影響，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，走向多為NNE、近SN和NE向，由北向南呈右旋雁行排列，其中以富源彌勒大斷裂為代表的一組NNE向斷層規(guī)模大、延伸長，對(duì)全區(qū)構(gòu)造起控制作用(圖1)。受其邊界斷層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，恩洪勘查區(qū)地層具有東北深、西南淺的埋深特點(diǎn)，煤層發(fā)育受沉積和構(gòu)造因素的控制，具有東北厚、西南薄的特征[4]。

老廠勘查區(qū)主要構(gòu)造為老廠復(fù)背斜，總體呈NE向展布。其中，老廠道班房區(qū)塊位于老廠復(fù)背斜的兩翼，其西北翼構(gòu)造復(fù)雜，煤層被斷層切割破壞，埋藏較深；南東翼保存比較完好，煤層埋藏較淺。老廠雨旺區(qū)塊位于老廠復(fù)背斜的南東翼，總體為一較平緩的單斜構(gòu)造，地層走向NE，傾向SE，傾角8°～15°，局部傾角20°，區(qū)塊內(nèi)斷層較稀少(圖1)。

1.3 儲(chǔ)層特征

恩洪勘查區(qū)煤層含氣量7.37～23.00 m3/t，深度700 m以淺參數(shù)井測試含氣量2.54～10.03 m3/t，且含氣量隨著深度的增加而逐漸增高。煤層全烴含量較高，CH4含量也較高，出現(xiàn)重?zé)N組分C2、C3、nC4、iC4，含少量N2和微量CO2。原煤灰分19.36%～24.35%，垂向上各煤層灰分表現(xiàn)為上部和下部含量略高，中部含量較低，其中以9#煤層灰分最低。主力煤層為中等變質(zhì)程度，屬于焦煤。煤儲(chǔ)層物性較好，據(jù)區(qū)內(nèi)參數(shù)井注入壓降測試成果，屬欠壓—正常儲(chǔ)層(表1)。

表1 恩洪和老廠勘查區(qū)主力煤層儲(chǔ)層參數(shù)

老廠勘查區(qū)煤層含氣量為9.23～26.20 m3/t，平均15.20 m3/t ，且隨著深度的增加而逐漸增高。煤層全烴含量較高，CH4含量也較高，出現(xiàn)重?zé)N組分C2、C3、nC4、iC4，含少量N2和微量CO2。原煤灰分約20%，揮發(fā)分約8.5%，發(fā)熱量28 MJ/kg，鏡質(zhì)體反射率Ro為3.008%～3.247%，各煤層的煤階單一，屬無煙煤三號(hào)。除滲透率較低外，其他煤層物性參數(shù)較高，據(jù)區(qū)內(nèi)參數(shù)井注入壓降測試成果，屬正?！⑶穳簝?chǔ)層(表1)。

根據(jù)煤層氣等溫吸附理論，蘭氏體積越大，煤的吸附能力越強(qiáng)；蘭氏壓力越高，煤層氣越容易解吸。煤層等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恩洪勘查區(qū)EH-1井9#煤層空氣干燥基蘭氏體積為17.55 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為20.19 cm3/g，蘭氏壓力為2.73 MPa；16#煤層空氣干燥基蘭氏體積為22.75 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為25.65 cm3/g，蘭氏壓力為2.93 MPa(圖2)。老廠勘查區(qū)LC-1井7#+8#煤層空氣干燥基蘭氏體積為33.70 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為37.31 cm3/g，蘭氏壓力為2.06 MPa(圖2)。也就是說，恩洪16#煤層的吸附能力略強(qiáng)于9#煤層；老廠7#+8#煤層與恩洪煤層相比有更強(qiáng)的吸附能力。由表1和圖2可以看出，老廠勘查區(qū)的煤層物性參數(shù)和生產(chǎn)能力比恩洪勘查區(qū)更具優(yōu)勢(shì)。

1.4 煤層氣資源潛力

恩洪和老廠勘查區(qū)煤層氣資源豐富，煤層氣資源豐度高(表2)，具備形成大型氣田的基礎(chǔ)條件,而且煤層埋深適中，有利于勘探開發(fā)。其中，恩洪勘查區(qū)9#、16#、23#主力煤層的煤層氣資源總量為330億m3，占本區(qū)的63%；老廠勘查區(qū)7#+8#、9#、13#和19#主力煤層的煤層氣資源總量約為300億m3，占本區(qū)的35%。

圖2 恩洪和老廠勘查區(qū)煤層等溫吸附曲線

表2 恩洪和老廠勘查區(qū)煤層氣預(yù)測資源量統(tǒng)計(jì)表

2 煤層氣勘探進(jìn)展

2.1 恩洪勘查區(qū)

2002年，在恩洪勘查區(qū)南部實(shí)施6條二維地震測線，完成滿24次覆蓋剖面長度36.62 km，野外采集物理點(diǎn)1 059個(gè)；2004年,又在該區(qū)中南部實(shí)施3條二維地震測線，滿24次覆蓋剖面長度10.24 km，野外采集物理點(diǎn)322個(gè)。2002—2010年，在恩洪勘查區(qū)共施工煤層氣參數(shù)井7口，其中壓裂排采井有2口，氣產(chǎn)量為300～750 m3/d(表3)。

表3 恩洪勘查區(qū)煤層氣參數(shù)井及采氣試驗(yàn)井一覽表

EH-2井和EH-5井均具有一定的產(chǎn)氣能力[5-6]，但煤層本身基本不含水，且具有較強(qiáng)的吸水性，造成壓裂液不能完全返排，使增產(chǎn)效果受到了影響。由于該區(qū)塊勘探程度低，煤層氣排采井稀少，單井排采未達(dá)到井間干擾[7-8]，因此原有生產(chǎn)井的產(chǎn)氣能力不具有普遍代表性，今后有必要進(jìn)一步試驗(yàn)新的增產(chǎn)技術(shù)。

EH-3井于2007年采用高能氣體多級(jí)脈沖加載壓裂10層煤層，合采最高日產(chǎn)氣量僅50 m3左右，儲(chǔ)層改造效果差，產(chǎn)氣能力極低。欣欣煤礦于2011年整體竣工投產(chǎn)，目前主要開采8#煤層，該煤礦采動(dòng)范圍到達(dá)EH-3井附近時(shí)，出于煤礦安全考慮，于2014年10月26日對(duì)其封井棄井，封井棄井時(shí)井口蓋發(fā)現(xiàn)有大量氣體涌出；10月26日至11月8日進(jìn)行排采試驗(yàn)14天，7#煤層瞬時(shí)氣流量最高為26.13 m3/h，自然產(chǎn)氣量600 m3/d以上，累計(jì)產(chǎn)氣2 451.60 m3，CH4含量92%。分析認(rèn)為，在8#煤層被采動(dòng)后，采動(dòng)區(qū)附近的煤體結(jié)構(gòu)再次遭受松動(dòng)，在地層壓力的作用下使臨近煤層(如7#煤層)及其頂?shù)装瀹a(chǎn)生微裂縫和裂隙，擴(kuò)展了煤巖層裂縫的寬度和長度，臨近煤層及其圍巖巖體的滲透率大大提高，從而增加了煤層氣運(yùn)移通道的輸氣能力。因此，選擇在煤礦采動(dòng)區(qū)附近分析煤礦開采過程中煤巖層松動(dòng)規(guī)律，合理選定煤層氣抽采的目標(biāo)層段，將能大幅度提高該區(qū)低滲欠壓條件下的煤層氣產(chǎn)量，這是一條與煤礦合作在地面開發(fā)煤層氣資源的新途徑。

此外，恩洪勘查區(qū)中部埋深適中,為勘探開發(fā)有利區(qū)，尚有大于135 km2的可先期勘探面積，煤層氣資源量約235億m3，預(yù)計(jì)可提交150億m3探明儲(chǔ)量[2]。

2.2 老廠勘查區(qū)

2003—2008年，在老廠道班房區(qū)塊施工煤層氣參數(shù)井2口；在老廠雨旺區(qū)塊施工煤層氣參數(shù)井4口，并完成由4口定向井與先期的1口參數(shù)直井組成的先導(dǎo)性試驗(yàn)叢式井組。

2011年1月對(duì)老廠雨旺區(qū)塊叢式井組進(jìn)行了壓裂，壓裂5口井共9層。同年3月開始排采試驗(yàn)，其中LC-CS1-04井最高產(chǎn)氣量達(dá)1 851 m3/d，8月13日至10月14日，該井的產(chǎn)氣量一直維持在1 000 m3/d以上，隨后略有下降，維持在500～1 000 m3/d，基本達(dá)到了提交探明儲(chǔ)量的要求，但該井地層供液能力低，累計(jì)產(chǎn)水僅525 m3。另外，本井組LC-CS1-01和LC-01兩口井的產(chǎn)氣量也達(dá)到800 m3/d，顯示了良好的開發(fā)前景(圖3)。

LC-CS1-04井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短，其原因?yàn)椋阂皇怯捎谂挪珊笃诿簩涌障锻ǖ辣欢氯?；二是由于該井地層的供液能力低?dǎo)致后期產(chǎn)氣量不足；三是煤層未得到完全溝通。

對(duì)排采試驗(yàn)結(jié)果分析表明，叢式井組實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的井間干擾，有助于提高單井產(chǎn)氣量，是本區(qū)今后煤層氣勘探開發(fā)的主要手段之一。老廠雨旺區(qū)塊煤儲(chǔ)層埋深適中，一般為680～910 m，且煤層氣資源量豐富，屬于勘探開發(fā)有利區(qū)，預(yù)計(jì)可提交100億m3探明儲(chǔ)量。

圖3 老廠雨旺區(qū)塊叢式井組生產(chǎn)試驗(yàn)排采曲線圖

3 勘探開發(fā)策略

3.1 拓寬勘探思路，實(shí)現(xiàn)綜合勘探

鑒于恩洪-老廠勘查區(qū)煤系發(fā)育、煤層多且厚度適中、含氣量高等特點(diǎn)，首先應(yīng)拓寬勘探思路，不限于單個(gè)煤層，應(yīng)著眼整個(gè)含煤層系尋求氣儲(chǔ)層，對(duì)煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣等煤系氣進(jìn)行綜合勘探(三氣共探)。其次要持續(xù)開展煤層氣地質(zhì)基礎(chǔ)研究，提高對(duì)儲(chǔ)層特性與地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律的認(rèn)識(shí)，研究“構(gòu)造煤”的分布特點(diǎn)，試用適合本區(qū)的鉆完井技術(shù)和改造工藝，總結(jié)適用的排采增產(chǎn)措施。

恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，煤層氣勘探工程部署首先要按照“動(dòng)中求靜”的原則，即鉆井目標(biāo)靶心盡量離開已查明的斷層，尋找構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)位部署煤層氣勘探工程并進(jìn)行煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)；其次是利用物探手段提高對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)和控制程度，并指導(dǎo)鉆井工程的部署。

3.2 探索使用新技術(shù)，提高單井產(chǎn)氣量

根據(jù)研究區(qū)煤儲(chǔ)層低滲特點(diǎn)，以往煤層氣井均采用了常規(guī)的水力加砂壓裂改造措施，但增產(chǎn)效果不理想。今后采氣試驗(yàn)的關(guān)鍵是圍繞提高單井產(chǎn)氣量開展工作，要進(jìn)一步嘗試使用先進(jìn)的鉆完井技術(shù)[9-13]，試驗(yàn)新的增產(chǎn)改造工藝，提高煤儲(chǔ)層的導(dǎo)氣能力，獲得理想的煤層氣產(chǎn)量?？删唧w嘗試以下技術(shù):

1) 根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)及地形特點(diǎn)，應(yīng)以布置叢式井組為主要勘探手段，實(shí)現(xiàn)一個(gè)井場鉆多口定向井，進(jìn)行井組排采試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)井間干擾，以提高單井產(chǎn)氣量、節(jié)約用地和減少鉆前費(fèi)用。

2) 對(duì)煤層頂板附近井段射孔壓裂改造。研究區(qū)以往直井均設(shè)計(jì)在煤層井段射孔，只對(duì)煤層進(jìn)行壓裂改造，排采后期因煤粉堵塞通道而使產(chǎn)氣效果變差。今后應(yīng)選擇在煤層頂板附近的井段射孔，對(duì)煤層近頂壓裂改造，這樣可有效防止排采過程中產(chǎn)出煤粉堵塞通道而影響產(chǎn)氣量。

3) 沿主煤層頂板的U型水平井完井技術(shù)。目標(biāo)主煤層為構(gòu)造煤時(shí)(如恩洪區(qū)塊9#煤)，沿煤層中的U型水平井完井方式可能會(huì)因煤粉堵塞通道而導(dǎo)致產(chǎn)氣不會(huì)太理想，此時(shí)應(yīng)嘗試沿煤層近頂板的U型水平井完井方式，預(yù)計(jì)可以提高產(chǎn)氣量、延長穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。

4) 水平井分段壓裂改造技術(shù)。

5) 使用N2壓裂、CO2注入等增產(chǎn)技術(shù)。

6) “弱含水-高應(yīng)力-低滲-多煤層”條件下的儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)。

7) 針對(duì)研究區(qū)煤層含水弱的實(shí)際，探索多煤層合采的可行性。

3.3 與煤礦合作勘探開發(fā)煤層氣

煤層氣與煤炭屬于共生礦產(chǎn)資源，由于歷史原因，煤層氣勘查區(qū)與煤炭勘探開采礦區(qū)存在著礦權(quán)重疊的現(xiàn)實(shí)問題，解決這個(gè)問題的有效途徑主要是采取雙方合作的模式。

恩洪-老廠勘查區(qū)煤炭資源豐富、煤層條件較好，煤炭開采強(qiáng)度較大，但煤炭企業(yè)也因礦井瓦斯問題突出而影響采煤生產(chǎn)。因此，通過實(shí)施煤層氣地面抽采以大幅度減少井下瓦斯，可降低煤礦生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

鑒于煤層氣井排采的特點(diǎn)，排采設(shè)備需要充足、連續(xù)的電力供給[14]。因此，煤層氣企業(yè)與煤礦合作，可利用煤礦現(xiàn)有專供網(wǎng)電，實(shí)現(xiàn)輸電排采，減免電力增容費(fèi)用，降低單井電耗成本，從而增加經(jīng)濟(jì)效益。

礦井瓦斯負(fù)壓抽采系統(tǒng)是高瓦斯礦井不可或缺的部分，需要巨額建設(shè)投資。若能在設(shè)計(jì)之初綜合考慮煤層氣增壓站的相應(yīng)功能，則可節(jié)省大量的建站資金和土地使用面積。另外，礦井抽采的瓦斯?jié)舛韧ǔ?35%，若與地面開發(fā)的甲烷濃度>95%的煤層氣按適當(dāng)比例混合，也可拓寬礦井抽采瓦斯的應(yīng)用范圍[15]。

4 結(jié)束語

云南恩洪-老廠煤層氣勘查區(qū)煤層含氣量高、資源潛力大，煤層厚度與埋藏深度均適中，是我國西南地區(qū)最有希望實(shí)現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)商業(yè)化的地區(qū)之一。因此，建議該勘查區(qū)應(yīng)拓寬勘探思路，對(duì)煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣等煤系氣進(jìn)行綜合勘探，推廣使用叢式井組和水平井技術(shù)等先進(jìn)的鉆完井技術(shù)，以提高單井產(chǎn)量。當(dāng)然，在當(dāng)前煤層氣礦權(quán)與煤炭礦權(quán)大面積重疊的背景下，煤層氣企業(yè)應(yīng)與煤礦合作，在高瓦斯礦區(qū)推廣利用煤層氣地面抽采技術(shù)，這樣既能合理開發(fā)利用煤層氣資源，又能極大降低煤礦瓦斯事故的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)煤層氣企業(yè)與煤礦在經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)方面的共贏。

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(編輯：張喜林)

CBM geological characteristics and exploration and development strategy of Enhong-Laochang exploration blocks, Yunnan province

Jia Gaolong Mo Rihe Lai Wenqi Yuan Shen Zhang Sanke

(ChinaUnitedCoalbedMethaneCorporation,Ltd.,Beijing100011,China)

Comprehensive geological analysis indicates that the coalbed methane reservoirs of Enhong-Laochang exploration blocks in Yunnan province have such characteristics as rich coal-bearing strata, suitable burial depth, middle thickness, middle-high rank, high gas content, complex geological structure, high potential of resource, which is one of the most hopeful region of commercial exploration and development in the southwest of China. Based on the characteristics of coal-bearing strata and topography, the strategy of exploration and development is proposed. Tight gas, shale gas and CBM should be explored in the same exploration well; the cluster horizontal well groups stimulated by fracturing are suitable methods in which nitrogen foam fracturing and carbon dioxide injection should be tentatively applied; corporation with coal mines should be established and CBM drainage on surface in high gas area should be applied, which can reduce the mine risk and promote the commercial development of CBM.

Yunnan province; Enhong-Laochang exploration blocks; coalbed methane; geological characteristics; exploration and development strategy

賈高龍，男，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于原山西礦業(yè)學(xué)院地質(zhì)系煤田地質(zhì)及勘探專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2001年研究生畢業(yè)于中央黨校經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)，現(xiàn)任中聯(lián)煤層氣公司外圍項(xiàng)目部經(jīng)理，主要從事地質(zhì)勘探及管理工作。地址：北京市東城區(qū)安外大街甲88號(hào)中聯(lián)大廈(郵編：100011)。電話：010-64260325。E-mail:gaolongjia@263.net。

1673-1506(2016)01-0029-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.004

TE132.2; P618.13

A

2015-07-20 改回日期：2015-10-30

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