煤炭與煤層氣資源勘查技術(shù)體系對(duì)比研究

趙 欣，程愛國，潘海洋，陳美英，孫 杰，唐朝苗，徐 強(qiáng)

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

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煤炭與煤層氣資源勘查技術(shù)體系對(duì)比研究

趙 欣，程愛國，潘海洋，陳美英，孫 杰，唐朝苗，徐 強(qiáng)

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

煤炭、煤層氣是共生礦產(chǎn)，煤炭資源勘查與煤層氣資源勘查既有很多相似技術(shù)，又具有明顯的差別。從勘查的目的任務(wù)、評(píng)價(jià)內(nèi)容、階段劃分、工程部署與控制程度、勘查技術(shù)手段等五個(gè)方面系統(tǒng)對(duì)比了煤炭與煤層氣資源勘查的異同。研究認(rèn)為煤炭與煤層氣的可共用勘查技術(shù)主要有：地質(zhì)填圖、地震、測井、鉆探、煤樣的測試與分析等，在煤炭與煤層氣綜合勘查時(shí)可作為共用技術(shù)，統(tǒng)一考慮，綜合施工。

煤炭; 煤層氣; 共用技術(shù)

煤炭與煤層氣勘查有很多共性技術(shù)，以往煤炭資源勘查過程中盡管也開展煤層瓦斯評(píng)價(jià)，但主要是從瓦斯地質(zhì)條件角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為煤礦瓦斯防治提供地質(zhì)依據(jù)，從煤層氣地面開發(fā)角度對(duì)煤層氣資源的評(píng)價(jià)力度不夠。同時(shí)，在煤層氣資源勘查過程中，對(duì)煤炭資源評(píng)價(jià)工作不足，尤其是對(duì)煤質(zhì)評(píng)價(jià)十分缺乏。因此，開展煤炭與煤層氣資源勘查技術(shù)體系對(duì)比，探討煤炭與煤層氣資源綜合勘查可共用技術(shù)，以指導(dǎo)煤炭煤層氣綜合勘查工作，減少煤炭勘查和煤層氣勘查的重復(fù)工作量，以最少的投入獲得最佳的地質(zhì)效果。

1 目的任務(wù)對(duì)比

煤炭資源勘查的目的就是尋找和探明煤炭資源，主要任務(wù)是查明煤炭資源賦存規(guī)律，開展煤礦開采技術(shù)條件評(píng)價(jià)，為煤礦區(qū)規(guī)劃和礦井開采提供地質(zhì)依據(jù)[1]。

煤層氣資源評(píng)價(jià)的目的是尋找和探明煤層氣資源，為煤層氣地面開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。主要任務(wù)是開展煤層氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，研究煤層氣排采技術(shù)和工藝，評(píng)價(jià)煤層氣地面開發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性[2]。

盡管煤炭與煤層氣資源評(píng)價(jià)的目的不同，但是，煤炭與煤層氣是一個(gè)整體的兩個(gè)方面，在很多方面可以“一石二鳥”。煤炭資源評(píng)價(jià)結(jié)果可以作為煤層氣資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)；而深入了解煤體特征和煤層割理、滲透率、孔隙率、吸附、解吸等煤層氣儲(chǔ)層特征研究，也有利于加深煤層瓦斯評(píng)價(jià)，對(duì)于煤礦瓦斯治理和抽采具有十分重要意義。

2 評(píng)價(jià)內(nèi)容對(duì)比

煤炭和煤層氣資源評(píng)價(jià)研究內(nèi)容的相同點(diǎn)是均需要對(duì)區(qū)域地質(zhì)、勘查區(qū)含煤地層、構(gòu)造、巖漿巖、水文地質(zhì)條件、煤層厚度和埋深等進(jìn)行研究，對(duì)煤質(zhì)頂?shù)装鍘r性、煤層含氣量等參數(shù)進(jìn)行測試，并估算煤炭、煤層氣資源/儲(chǔ)量。

不同點(diǎn)是煤炭資源勘查主要是基于煤炭開采的環(huán)境和工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，在概略經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤質(zhì)及其相關(guān)開采技術(shù)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。煤層氣資源評(píng)價(jià)主要是基于煤層氣工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對(duì)煤儲(chǔ)層、排采能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 勘查階段對(duì)比

煤炭資源勘查階段分為預(yù)查、普查、詳查、勘探四個(gè)階段，各階段提交相應(yīng)的煤炭勘查報(bào)告，并可根據(jù)工作區(qū)的具體情況和探礦權(quán)人的要求，對(duì)勘查階段進(jìn)行調(diào)整[1]。

煤層氣資源勘查階段分為預(yù)查、普查、預(yù)探、勘探四個(gè)階段，各階段提交相應(yīng)的煤層氣資源/儲(chǔ)量和勘查報(bào)告[2]。但是，由于煤層氣勘探工作一般采用滾動(dòng)勘探的模式，在實(shí)際勘查過程中各階段多沒有明顯的界限，因此，煤層氣勘查按照有階段而不唯階段的原則確定勘查程度。

4 勘查工程部署與控制程度對(duì)比

4.1 工程部署

煤炭與煤層氣工程部署的差異主要表現(xiàn)在井型和井網(wǎng)樣式兩個(gè)方面。井型方面，煤炭勘查工程布置規(guī)則一般只布置直井，煤層氣井型除直井外，還有叢式井和水平井等，見圖1、圖2。井網(wǎng)樣式方面，煤炭勘探線的布設(shè)一般為直線，垂直于地層走向或主要構(gòu)造線方向。煤層氣常采用矩形、正方形和菱形井網(wǎng)，其中矩形井網(wǎng)、正方形井網(wǎng)與煤炭勘查工程布置類似，但煤層氣井網(wǎng)方位通常根據(jù)壓裂裂縫方向和天然裂隙方向確定[3-4]。

圖1 煤層氣叢式井Figure 1 CBM cluster wells

圖2 煤層氣多分支水平井Figure 2 CBM multi-lateral horizontal well

4.2 控制程度

煤炭與煤層氣均以構(gòu)造復(fù)雜程度和煤層穩(wěn)定程度確定勘查類型，并以勘查類型確定基本勘查線距和井距。煤炭勘查將構(gòu)造類別分為四類，煤層穩(wěn)定性分為四種型別，煤層氣勘查將構(gòu)造類別確定為三種類型，煤層穩(wěn)定性確定為三種型別[1,5,6]。盡管兩者劃分不同，但是，兩者之間可以對(duì)比，見表1，表2。

表1 煤炭勘查與煤層氣勘查構(gòu)造類別對(duì)比表

表2 煤炭與煤層氣勘查煤層穩(wěn)定性對(duì)比表

由于煤炭與煤層氣勘查特點(diǎn)顯著不同，因此，煤炭基本線距和煤層氣基本井距的大小存在較大差異，煤層氣基本井距遠(yuǎn)大于煤炭基本線距。例如：對(duì)于構(gòu)造簡單，煤層穩(wěn)定的井田，勘探階段提交煤炭探明的資源/儲(chǔ)量，基本線距要求為500～1000m，而提交煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量的基本井距要求為3000～4000m。

煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量的基本井距，大致相當(dāng)于煤炭推斷資源量的基本線距，因此，在煤層氣勘探結(jié)束后對(duì)煤炭資源的勘查程度基本能夠達(dá)到普查程度要求。

5 勘查技術(shù)手段對(duì)比

5.1 煤炭與煤層氣相同勘查手段對(duì)比分析

煤炭與煤層氣的相同勘查手段主要有地質(zhì)填圖、地震、測井、鉆探、測試與分析等。但由于煤炭、煤層氣勘查的目的、任務(wù)不同，對(duì)于相同勘查技術(shù)的要求也不同。對(duì)比總結(jié)煤炭、煤層氣勘查手段異同，有利于煤炭與煤層氣綜合勘查技術(shù)體系的建立。

5.1.1 地質(zhì)填圖

地質(zhì)填圖技術(shù)是獲得地表和淺層地質(zhì)信息的有效手段。在裸露與半裸露區(qū)，對(duì)于早期煤炭或煤層氣資源勘查，都應(yīng)開展相關(guān)工作，調(diào)查含煤區(qū)的地層、構(gòu)造、煤層和煤質(zhì)及其他有益礦產(chǎn)情況。

5.1.2 地震

煤田地震勘探的主要目的任務(wù)是查明構(gòu)造，同時(shí)對(duì)煤層厚度及變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。煤層氣地震勘探的核心任務(wù)也是查明地質(zhì)構(gòu)造及煤儲(chǔ)層空間分布規(guī)律。

常規(guī)煤田地震勘探重點(diǎn)解決構(gòu)造問題，同時(shí)，也要解決巖性勘探問題。煤層氣地震勘探首先要解決構(gòu)造問題，但是，更加關(guān)注煤儲(chǔ)層物性參數(shù)及煤層氣的富集參數(shù)[7]

5.1.3 測井

煤田鉆孔測井的主要目的是進(jìn)行巖性識(shí)別與分層、解釋斷層與破碎帶、含水層；對(duì)比煤巖層；分析巖性、煤質(zhì)和巖石力學(xué)性質(zhì)等。煤層氣井測井主要是為了進(jìn)行儲(chǔ)層識(shí)別與劃分，計(jì)算儲(chǔ)層參數(shù)，對(duì)煤層及煤層氣進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型及區(qū)域評(píng)價(jià)模型的建立，計(jì)算含氣量等[8]。

煤炭和煤層氣勘查采用的測井方法基本一致，主要有自然電位、自然伽馬補(bǔ)償密度，視電阻率等。除此之外，煤層氣測井還常采用補(bǔ)償中子、補(bǔ)償聲波、聲波變密度和套管接砸井方法。

5.1.4 鉆井

煤田鉆孔和煤層氣井鉆井工藝的差異主要表現(xiàn)在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、取心工藝和完井方式的不同。

5.1.4.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤田鉆孔一般采用一開井身結(jié)構(gòu)，鉆孔大小較煤層氣井口小，對(duì)于金剛石單、雙管鉆具的公稱尺寸為28～146mm，硬質(zhì)合金鉆頭公稱尺寸為75～150mm。

水文地質(zhì)鉆孔方面，為保證抽出更多的水量和便于下入水泵，水文地質(zhì)鉆孔或水井的直徑一般均在300～500mm，最大孔徑可達(dá)1000mm或更大[9-10]。

煤層氣垂直井一般采用二開井身結(jié)構(gòu)，見圖3。通常情況下，煤層氣垂直井井身結(jié)構(gòu)見表3，也可根據(jù)生產(chǎn)需要采用更大直徑的鉆頭和套管[11]。

圖3 煤層氣井身結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 A schematic diagram of CBM well configuration

Figure 3 CBM well conventional well configurations mm

5.1.4.2 取心工藝

煤田鉆孔(包括水文地質(zhì)鉆孔)與煤層氣井取心工藝的差異主要表現(xiàn)在取心鉆具、取心收獲率兩個(gè)方面。

取心鉆具：煤田鉆孔取心工具的公稱尺寸為46～120mm，使用普通煤心管鉆取煤心，一次取煤心長度不小于0.4m。煤層氣井通常選用繩索式半合管取心工具取心，同時(shí)應(yīng)保證煤巖心直徑大于60mm，對(duì)于粉煤不做嚴(yán)格限制[9]。

取心收獲率：煤田鉆孔按確定的煤層厚度計(jì)算，煤層的長度采取率不低于75%，按煤心送樣質(zhì)量計(jì)算，重量采取率不低于60%。煤層氣井取心收獲率，按照取心長度與取心鉆井進(jìn)尺比值進(jìn)行計(jì)算，全井塊煤取心收獲率≥80%，粉煤取心收獲率≥60%，其它巖層取心收獲率≥90%。

5.1.4.3 固井與完井方式

一般情況下，煤田鉆孔終孔后多不固井，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔封閉。

水文地質(zhì)鉆孔：對(duì)于水文地質(zhì)鉆探工作中,孔內(nèi)由于涌水增加、水壓增大，給鉆進(jìn)造成困難的鉆孔，必須在關(guān)鍵層位采取固井措施。其管柱結(jié)構(gòu)主要由井壁管、過濾管和沉淀管等三部分組成[12]。

煤層氣完井方式：根據(jù)煤層氣井的性質(zhì)，同時(shí)為滿足各種不同地層條件的施工要求及煤層氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的需要，確定是否開展完井作業(yè)。針對(duì)煤層氣試驗(yàn)井，在一開鉆井結(jié)束及終孔后都要進(jìn)行固井，之后開展完井及壓裂排采作業(yè)。煤層氣完井作業(yè)方式主要有：裸眼完井、射孔完井、混合完井、裸眼洞穴完井等[7]。

5.1.5 煤樣的測試與分析

煤的物理性質(zhì)和煤巖鑒定：煤炭和煤層氣勘查對(duì)煤的物理性質(zhì)和煤巖鑒定、評(píng)價(jià)的內(nèi)容相同，主要包括煤層顏色、硬度、視密度、真密度、孔隙率，宏觀煤巖組分和類型分析、顯微煤巖組分和類型分析、煤的鏡質(zhì)組反射率測定等。

煤的工業(yè)分析：煤炭地質(zhì)勘查和煤層氣評(píng)價(jià)都需要開展煤的工業(yè)分析，煤炭勘查進(jìn)行工業(yè)分析，主要是評(píng)價(jià)基本煤質(zhì)特征，煤層氣勘查分析煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳，主要是為煤層氣含量換算和計(jì)算煤層氣資源/儲(chǔ)量提供必要的參數(shù)。

煤層瓦斯(煤層氣)含量測試：煤層瓦斯含量測試和煤層氣含量測試的差異主要表現(xiàn)在采樣設(shè)備、取樣標(biāo)準(zhǔn)，解吸氣和殘余氣測試方法的差異等方面。

與煤層氣勘查不同，煤炭勘查還要開展煤的元素分析、自燃傾向、煤塵爆炸性、煤中有害元素及稀有元素，煤的工藝性質(zhì)，煤的可選性，煤的工業(yè)用途等分析。對(duì)煤炭開采地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件及環(huán)境地質(zhì)條件勘查測試分析的要求也更具體。

5.2 煤炭與煤層氣不同勘查手段分析

煤炭勘查與煤層氣勘查也有各自的一些不同手段。煤炭勘查需要開展專門的水文地質(zhì)評(píng)價(jià)工作，對(duì)煤的化學(xué)性質(zhì)、工藝性能等煤質(zhì)指標(biāo)和煤塵爆炸、煤的自燃傾向性等進(jìn)行測試，而煤層氣勘探技術(shù)除上述可共用勘查手段外，還有氣測錄井、試井、等溫吸附試驗(yàn)、壓裂、排采試驗(yàn)等，煤炭勘查中較少使用。

5.3 煤炭與煤層氣勘查可共用技術(shù)

地質(zhì)填圖、地震、測井、鉆探煤樣的測試與分析是煤炭與煤層氣勘查的共用勘查手段。煤層瓦斯含量測試和煤層氣含量測試原理基本相同，只是依據(jù)的測試標(biāo)準(zhǔn)和采用的測試方法不同。另外，煤層氣試井、等溫吸附試驗(yàn)、壓裂、排采試驗(yàn)等技術(shù)手段是煤層氣勘查特有的技術(shù)，但是，這些手段獲取的煤層和煤層氣數(shù)據(jù)，可以提高煤層瓦斯的研究程度。

6 結(jié)論

(1)煤炭資源勘查和煤層氣資源勘查在目的任務(wù)、評(píng)價(jià)內(nèi)容、勘探階段劃分、工程部署、控制程度、勘查技術(shù)等方面，既有共同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。

(2)煤炭與煤層氣的可共用勘查技術(shù)主要有：地質(zhì)填圖、地震、測井、鉆探煤樣的測試與分析，但由于煤炭、煤層氣勘查的目的、任務(wù)不同，對(duì)于這些相同勘查技術(shù)的要求也不同，在煤炭與煤層氣綜合勘查時(shí)可作為共用技術(shù)，統(tǒng)一考慮，綜合施工。

[1]中國人民共和國國土資源部. DZ/T0215-2002. 煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京：中國人民共和國國土資源部, 2002.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T29119-2012. 煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范[S].北京：2013.

[3]楊秀春, 葉建平.煤層氣開發(fā)井網(wǎng)部署與優(yōu)化方法[J].中國煤層氣,2008,5(1):13-17.

[4]趙欣，姜波，徐強(qiáng)，等.煤層氣開發(fā)井網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化部署[J].石油勘探與開發(fā)，2016，43(1)：12-16.

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[10]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T 1042-2007.煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：2007.

[11]中國人民共和國國土資源部.DZ/T 0250-2010.煤層氣鉆井作業(yè)規(guī)范[S].北京：2011.

[12]杜朝敏.水文地質(zhì)鉆孔的固井工藝研究[J].山西焦煤科技. 2008(3): 39-40.

Comparative Study of Coal and CBM Resources Exploration Technical Systems

Zhao Xin, Cheng Aiguo, Pan Haiyang, Chen Meiying, Sun Jie, Tang Chaomiao and Xu Qiang

(Exploration and Research Institute, CNACG, Beijing 100039)

Coal and CBM are paragenetic minerals. In their resource explorations have many similar techniques, but also have significant differences. From five aspects of exploration purpose and task, assessment content, stage division, project deployment and control level, exploration technical means have systematically compared their similarities and differences. The study has considered that similar techniques have mainly geological mapping, seismic prospecting, well logging, drilling, proximate analysis and rock strength test etc., can be used as sharing technologies under unified consideration and operation in coal and CBM integrated exploration.

coal; CBM; sharing technolog

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.04.02

1674-1803(2017)04-0008-04

國土資源部項(xiàng)目“國家礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)項(xiàng)目”子課題(編號(hào)：CB2015-2-3)

趙欣(1986—)，女，陜西西安人，現(xiàn)為中國礦業(yè)大學(xué)博士研究生，工程師，主要從事煤層氣地質(zhì)和勘探開發(fā)研究工作。

2017.01.08

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

責(zé)任編輯：宋博輦