黔西肥田區(qū)塊地下水動力條件與煤層氣有序開發(fā)

郭 晨，秦 勇，易同生，高 弟，洪愿進(jìn)，雷 波

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽 550006)

黔西肥田區(qū)塊地下水動力條件與煤層氣有序開發(fā)

郭 晨1，秦 勇1，易同生2，高 弟2，洪愿進(jìn)2，雷 波1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽 550006)

黔西是我國南方煤層氣資源最為豐富的地區(qū)，客觀認(rèn)識多層疊置含煤層氣系統(tǒng)控制下的煤層群有效排水降壓和有序開發(fā)方法，是實(shí)現(xiàn)該區(qū)煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵。筆者以黔西織納煤田肥田區(qū)塊為研究對象，精細(xì)分析了含煤地層水文地質(zhì)條件以及垂向上不同層段開發(fā)條件的差異性，基于抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取了視儲層壓力、壓力梯度、單位涌水量、滲透系數(shù)、影響半徑等有用信息，比較了不同層段水文地質(zhì)條件在三維空間上的差異，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法建立了煤層氣開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子，據(jù)此對不同層段煤層氣開發(fā)潛力和開發(fā)順序進(jìn)行了探討。認(rèn)為肥二井田和肥三井田總體開發(fā)條件優(yōu)于肥一井田，其中肥二中煤組、肥三上煤組和中煤組是較有利開發(fā)層段，各層段遞進(jìn)開發(fā)順序?yàn)椋悍嗜锷隙巍识镏卸巍嗜镏卸巍嗜锵露巍识锵露巍识锷隙巍室痪锷隙?中段→肥一井田下段。

肥田；水文地質(zhì)；多層疊置含煤層氣系統(tǒng)；有序開發(fā)；模糊數(shù)學(xué)

水文地質(zhì)條件是煤層氣勘探與開發(fā)的關(guān)鍵影響因素，從煤層氣形成、運(yùn)移、富集，到煤層氣選區(qū)評價(jià)、井位設(shè)計(jì)、完井方案、排采制度優(yōu)化等諸多方面都受到地下水的影響或控制[1-5]。煤層氣開發(fā)強(qiáng)烈依賴于含煤地層的含水性、導(dǎo)水性、水壓、補(bǔ)徑排等地下水動力學(xué)條件。地層的富水性和導(dǎo)水性決定了排水降壓的效果[6-8]以及壓降傳播特征。煤層水壓力是煤儲層壓力的主要貢獻(xiàn)者，進(jìn)而控制著煤儲層能量的大小，決定了煤層氣的產(chǎn)出潛力，同時對完井方式和增產(chǎn)措施也有一定的控制作用[9-10]。前人將煤層地下水動力系統(tǒng)分為3種類型[11]，具備一定的給水能力和補(bǔ)給條件的煤層將有利于煤層氣排采，補(bǔ)給太強(qiáng)或太弱都將對開發(fā)產(chǎn)生不利影響。對于補(bǔ)給條件良好且富水強(qiáng)的煤層，或者壓裂導(dǎo)致煤層與含水層溝通，煤層氣開發(fā)時容易導(dǎo)致降壓困難，造成水大氣小的不利局面[12-13]。對于補(bǔ)給條件差、富水性弱的煤層，采用哪些增產(chǎn)工藝以克服地層貧水的先天不足，進(jìn)而實(shí)施有效排水降壓，成為決定煤層氣開發(fā)成敗的關(guān)鍵。黔西織納煤田煤層氣資源豐富，煤層層數(shù)多，但含煤地層普遍貧水，水動力條件較弱[14]。同時，含煤地層內(nèi)部致密低滲透巖層的普遍發(fā)育，導(dǎo)致許多地區(qū)煤層(組)間流體相互封閉，形成垂向上疊置的獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)[15-17],這種水文條件和煤層氣成藏特點(diǎn)，一方面為煤層氣保存提供了十分有利的條件，另一方面給排水降壓的有效實(shí)施帶來諸多困難，即如何避免開發(fā)過程中不同含氣系統(tǒng)間能量的相互干擾，充分發(fā)揮各系統(tǒng)的產(chǎn)氣能力，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)效益最優(yōu)化。為此，筆者以織納煤田珠藏向斜肥田區(qū)塊為例，分析含煤地層地下水動力特點(diǎn)及其對煤層氣開發(fā)的影響，以期為本區(qū)煤層氣高效開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造與含煤地層

珠藏向斜位于織納煤田南部，NW翼寬緩，SE翼較陡，整體構(gòu)成一個波幅較寬緩的向斜盆地，肥田區(qū)塊是該向斜的主體部分，由3個井田組成，面積約81.24km2(圖1)，前人研究證實(shí)了本區(qū)塊具有較高的煤層氣開發(fā)潛力[18]。區(qū)塊主構(gòu)造線呈NEE向展布，表現(xiàn)為一系列斷層和次級褶曲，主要斷裂發(fā)育在珠藏向斜南部和北部邊緣。其中，位于向斜NW翼的肥一井田北側(cè)邊緣受斷裂破壞嚴(yán)重，井田內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，對煤層破壞性較弱；位于向斜SE翼的肥二井田和肥三井田斷裂相對發(fā)育，構(gòu)造相對復(fù)雜。

圖1 肥田區(qū)塊構(gòu)造綱要Fig.1 Tectonic outline map of Feitian block

區(qū)內(nèi)出露中二疊統(tǒng)茅口組，上二疊統(tǒng)玄武巖組、龍?zhí)督M、長興組和大隆組，下二疊統(tǒng)飛仙關(guān)組及第四系(圖2)。含煤地層龍?zhí)督M沉積于海陸交互環(huán)境，平均厚度328.50m，分為上、下兩段；含煤30～35層，煤層平均厚度22.40m，可采及局部可采10層，平均可采厚度13.48m。長興組主要形成于海相環(huán)境，含煤1～6層，平均煤厚約1.5m。煤中鏡質(zhì)組最大反射率為2.85%～3.39%，屬于無煙煤。

1.2 水文地質(zhì)條件

因肥一和肥三井田北部邊界的近WE向F2壓扭性斷層的阻水作用，區(qū)塊內(nèi)3個井田構(gòu)成一個獨(dú)立、完整的水文地質(zhì)單元，大氣降水為地下水主要補(bǔ)給源，區(qū)內(nèi)河流組成了較為獨(dú)立的水文網(wǎng)系，是向斜內(nèi)地表水、地下水匯集、排泄的主要渠道，并在一定程度上控制著地下水的主徑流方向。斷層的導(dǎo)水性一般較差，含水性弱。區(qū)塊內(nèi)主要含水層為茅口組、飛仙關(guān)組二段和四段，為強(qiáng)含水層；其次為飛仙關(guān)組三段，為中等含水層；龍?zhí)督M、長興組、大隆組、飛仙關(guān)組五段和六段、第四系為弱含水層，峨嵋山玄武巖組和飛仙關(guān)組一段為隔水層。各含水層因埋藏條件、充水空間發(fā)育程度等差異，具有不同的補(bǔ)、徑、排動力特點(diǎn)。

飛仙關(guān)組二段～四段以灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育，為巖溶裂隙承壓含水層，尤以二段和四段富水性強(qiáng)。地層大面積出露地表，構(gòu)成典型的巖溶地貌，補(bǔ)給與排泄條件良好，大氣降水及地表水可以直接滲入補(bǔ)給地下水，廣泛發(fā)育的地下暗河，巖溶管道為地下水徑流提供了良好的通道，加之地形切割強(qiáng)烈，高差大，更有利于地下水排泄，地下水動力條件良好。飛仙關(guān)組二段與含煤地層之間穩(wěn)定發(fā)育100余米厚的飛仙關(guān)組一段，由粉砂巖和鈣質(zhì)泥巖組成，富水性極其微弱，鉆孔單位涌水量僅為0.000457 6～0.01169L/(s·m)，隔水性能良好。飛仙關(guān)組二段～四段與含煤地層之間一般不存在水力聯(lián)系，但斷層和煤炭開采的垮落帶和斷裂帶可能溝通含水層。

大隆組和長興組由粉砂巖、硅質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及煤層組成，平均厚57.3 m。硅質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r占總厚的76%，屬巖溶裂隙含水帶，但總體上富水性和滲透性都較弱。龍?zhí)督M由泥巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等細(xì)粒碎屑巖和煤層、泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r及菱鐵質(zhì)巖等組成，以碎屑巖為主，夾有數(shù)層薄層或中厚層石灰?guī)r，含水層和隔水層交互發(fā)育，含水層厚度不大，層間水力聯(lián)系不明顯，屬層間裂隙弱含水層，以承壓水為主，導(dǎo)水性弱，鉆孔單位涌水量小，富水性弱。長興、龍?zhí)督M各含水帶由于上覆有較厚的飛仙關(guān)組地層，埋藏較深，還有80余米的飛仙關(guān)組一段隔水層隔離，加之出露地勢較高，地形又有利于大氣降水及地表水的排泄，補(bǔ)給條件差，比較而言，補(bǔ)給條件淺部好于深部。含煤地層地下水淺部沿走向分別向東西兩端流動，以泉水形式排泄，深部沿傾向向向斜軸部流動，是深部承壓水的補(bǔ)給來源，但由于含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水空間不太發(fā)育，總體地下水運(yùn)動非常遲緩。礦化度220～2470mg/L，總體礦化度較高，地下水水質(zhì)主要為HCO3-K+Na類型，其次為HCO3-SO4-K+Na類型，部分為SO4-HCO3-Ca-Mg類型，反映了交替循環(huán)能力較弱的地下水動力學(xué)特點(diǎn)。

峨眉山玄武巖組厚度大于95m，節(jié)理發(fā)育，但多被方解石脈充填。鉆遇該組時，鉆孔水位和沖洗液消耗量無明顯反應(yīng)，富水性極弱，隔水性能良好，構(gòu)成龍?zhí)督M與茅口灰?guī)r之間的區(qū)域性相對隔水層。

茅口組主要由灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r及少量硅質(zhì)灰?guī)r、白云巖組成，巖溶發(fā)育。鉆孔單位涌水量高達(dá)8.182L/(s·m)，水位高出茅口組頂部18.02～45.36 m，具承壓性質(zhì)，屬巖溶裂隙承壓水。峨眉山玄武巖組的存在，有效阻隔了茅口組與含煤地層之間的水力聯(lián)系。

進(jìn)一步分析，含煤地層與上覆下伏含水層之間基本無水力聯(lián)系，煤層氣開發(fā)總體上不會受到上覆下伏含水層的影響，故本文重點(diǎn)研究含煤地層內(nèi)部的水文地質(zhì)條件及含水層、隔水層的精細(xì)結(jié)構(gòu)表征。

2 基于水文地質(zhì)條件的煤儲層能量分析

2.1 含水層段精細(xì)描述

據(jù)煤田勘探成果，肥田區(qū)塊含煤地層內(nèi)部分為4個裂隙型含水層段，即2～6號煤層間、6～16號煤層間、16～30號煤層間和煤系底部層間裂隙含水帶。

2～6煤層間含水帶厚為31.16～50.50m，平均為39.96 m；主要含水層為灰?guī)r，次為砂巖，含水層總厚為11～29m，平均為21.16 m，礦化度為220～350mg/L；含水層單層厚度較小，與隔水層交互產(chǎn)出。標(biāo)3灰?guī)r含水層分布較穩(wěn)定，5-4孔單位涌水量為0.006 33 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.003 88m/d；203孔單位涌水量為0.000532L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000715m/d，恢復(fù)水位比靜止水位低71.73 m，表明地下水運(yùn)動遲緩，補(bǔ)給不足，富水性弱。在礦井生產(chǎn)中，該帶是6煤層開采時直接充水含水層，屬層間裂隙承壓水。

6～16煤層間含水帶平均厚149.65m，含水層主要賦存在6煤～標(biāo)4、8煤～標(biāo)5、13煤～14煤下和15煤下～輔標(biāo)灰?guī)r之間，含水層總厚一般57 m，礦化度270～620mg/L。鉆孔單位涌水量0.0111～0.0629L/(s·m)，滲透系數(shù)0.007 36～0.107 6 m/d，本含水帶富水性相對較強(qiáng)，水頭較高，屬裂隙承壓含水帶。標(biāo)4、標(biāo)5灰?guī)r是本段分布最穩(wěn)定的含水層，也是井田內(nèi)涌水最多的層位。標(biāo)4灰?guī)r及以上含水層是7號煤層的直接充水含水層，標(biāo)5灰?guī)r及其以下含水層是14，16號煤層的直接充水含水層。

16～30煤層間含水帶平均厚為98.13 m。含水層平均厚為39.18m，主要位于標(biāo)7～23煤和27～30煤之間，礦化度為550～1580mg/L，單位涌水量為0.00128L/(s·m)，滲透系數(shù)0.00226 m/d，補(bǔ)給條件極差，富水性很弱。標(biāo)7灰?guī)r含水層分布穩(wěn)定，鉆孔涌水漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，標(biāo)7灰?guī)r及其下伏砂巖是23號煤層的直接充水含水層。

煤系底部層間含水帶平均厚55m，主要含水層是標(biāo)10、標(biāo)11、標(biāo)12、標(biāo)13灰?guī)r，平均總厚26 m，底部的鋁土巖、鐵鋁巖致密完整，具有良好的隔水作用。鉆孔單位涌水量為0.000863～0.005544L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.00106～0.0113 m/d，富水性極微弱，礦化度為990～2470mg/L。

上述4個含水帶的礦化度呈現(xiàn)隨層位降低而逐漸增高的趨勢，表明地下水循環(huán)徑流條件由淺至深逐漸變?nèi)酢?/p>

依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 12719—91)[19]，鉆孔單位涌水量大于5L/(s·m)為極強(qiáng)富水，在1～5L/(s·m)的為強(qiáng)富水，0.1～1.0L/(s·m)的為中等富水，小于0.1L/(s·m)為弱富水。滲透系數(shù)K大于10m/d時為強(qiáng)透水巖層，K在1～10m/d時為透水巖層，K為0.01～1m/d時為微透水巖層，K在0.001～0.01m/d范圍內(nèi)為極弱透水巖層，K小于0.001m/d則為不透水巖層[20]。據(jù)此，肥田區(qū)塊含煤地層總體上為弱富水極弱透水地層，這給煤層氣開發(fā)的排水降壓帶來很大難度。

另外，從簡易水文觀測資料看，標(biāo)3,4,5,7,11,12,13灰?guī)r均有不同程度的漏失，透水性相對較好，表明標(biāo)志層灰?guī)r是龍?zhí)督M中主要含水層，但含水性較弱，單位涌水量小。

總體來講，含煤地層內(nèi)各含水層的涌水量小，分布不均勻，僅龍?zhí)督M水質(zhì)類型就有9種之多，可見各含水層一般呈局部封閉狀態(tài)，為獨(dú)立含氣系統(tǒng)的形成奠定了水文基礎(chǔ)。主要含水層是標(biāo)志層灰?guī)r，其次為砂巖含水層，其中標(biāo)4、標(biāo)5灰?guī)r富水性最強(qiáng)。

2.2 視儲層壓力分布

上述含水層與煤層能量或儲層壓力大小的關(guān)系如何，對于煤層有無補(bǔ)給，補(bǔ)給的方式和強(qiáng)度如何？這些問題，關(guān)系到多煤層條件下煤層氣開發(fā)過程中的有效排水降壓和能量疏導(dǎo)，借鑒水文地質(zhì)資料可對其初步預(yù)測評價(jià)。煤儲層壓力可借用地下水壓力水頭(液柱高度)與靜水壓力梯度之積予以表征，稱之為視儲層壓力。

據(jù)抽水試驗(yàn)成果，肥一和肥二井田呈現(xiàn)出視儲層壓力隨層位降低而增高的總體趨勢，肥三井田與此相反(圖3)。在肥一井田，16號煤層至含煤地層基底玄武巖測試段的視儲層壓力明顯大于上部其他層段，指示下部煤儲層能量相對較高，上部煤儲層壓力較低。肥二依然保持這種趨勢，以16號煤層為界，下部地層水頭較高，往上明顯變小。這一規(guī)律符合儲層壓力隨埋深增大而升高的常規(guī)認(rèn)識。

對于肥三井田，視儲層壓力分布趨勢發(fā)生變化(圖3)。以16號煤層為界，下部層段的壓力水頭明顯小于上部，也顯示區(qū)塊內(nèi)地下水動力條件乃至儲層壓力具有強(qiáng)烈的平面非均質(zhì)性。也就是說，肥三井田為一獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，與肥一～肥二井田單元可能相互封閉，缺乏水力聯(lián)系。究其原因，可能是封閉性斷層所致(圖1)，但其真實(shí)原因有待進(jìn)一步探討。

同時，視儲層壓力和壓力梯度在垂向上呈現(xiàn)波動變化的現(xiàn)象，揭示不同層段之間水力相互封閉，缺乏流體聯(lián)系，在垂向上發(fā)育相對獨(dú)立的含流體單元，為獨(dú)立疊置含煤層氣系統(tǒng)的形成提供了客觀條件，使得垂向上不同層段的儲層能勢分布趨于復(fù)雜。值得注意的是，以16號煤層為界，區(qū)內(nèi)3個井田上、下層段水頭差異均十分明顯(圖3)。據(jù)本區(qū)層序地層研究，16號煤層位于三級層序邊界[21]。層序地層結(jié)構(gòu)限定了獨(dú)立含氣系統(tǒng)的發(fā)育，層序邊界往往為不同含氣系統(tǒng)的邊界[15,22]。無獨(dú)有偶，常會珍(2012)基于對珠藏向斜含氣性研究，發(fā)現(xiàn)含氣量梯度在16號煤層附近存在突變點(diǎn)[18]。據(jù)此可以認(rèn)為，位于三級層序邊界的16號煤層位于獨(dú)立含氣系統(tǒng)邊界附近，上、下層段分屬不同的流體動力系統(tǒng)，相互之間缺乏流體聯(lián)系，造成儲層壓力及壓力梯度差異顯著。

進(jìn)一步分析視儲層壓力梯度剖面，區(qū)內(nèi)含煤地層總體上處于欠壓狀態(tài)，個別井田的個別層段呈現(xiàn)超壓(圖3)。肥一井田7～16煤層段視儲層壓力梯度僅有0.51，嚴(yán)重欠壓，且明顯低于上、下層段的壓力梯度。肥二井田各層段之間壓力梯度差異較小，均為欠壓狀態(tài)，說明該井田含氣系統(tǒng)可能較為簡單，含煤地層內(nèi)部流體聯(lián)系相對較強(qiáng)。肥三井田2～6號層段略微超壓，煤儲層能量較強(qiáng)，但向下至6～16號層段壓力梯度迅速降低，至16～30號層段又有所回升，3個層段壓力梯度差異明顯，獨(dú)立含氣系統(tǒng)發(fā)育特征顯著。

2.3 基于抽水試驗(yàn)的排采動態(tài)初步分析

根據(jù)鉆孔抽水資料，可提取單位涌水量、滲透系數(shù)、影響半徑等與排采動態(tài)相關(guān)的地質(zhì)信息(圖4)。

圖4 肥田區(qū)塊主要層段鉆孔單位涌水量、滲透系數(shù)和影響半徑統(tǒng)計(jì)Fig.4 Assembly of drilling unit water inflow,permeability coefficient and radius of influence of main interval of Feitian block

影響半徑可在一定程度上反映排水壓降傳播效果。肥一井田影響半徑趨于隨層位降低而逐漸降低，表明含煤地層下部層段壓降傳播效果可能較差，給煤層氣開發(fā)帶來不利影響，上部層段壓降傳播效果可能較好(表1，圖4)。滲透系數(shù)K反映地層流體穿透含水層的能力，肥一井田含煤地層滲透系數(shù)總體很低，具有隨層位降低而降低的趨勢；當(dāng)抽水層段邊界包括灰?guī)r標(biāo)志層時，滲透系數(shù)顯著變大，如標(biāo)2、標(biāo)3和標(biāo)5，可達(dá)微透水巖層水平，單位涌水量顯示出相似的規(guī)律(表1，圖4)。因此，查明灰?guī)r含水層與煤層之間的水力聯(lián)系，搞清排采水源補(bǔ)給，對排水壓降及其動態(tài)分析具有指導(dǎo)意義。滲透系數(shù)可概略表征地層的導(dǎo)水能力，并不能代表儲層滲透性，但低滲透系數(shù)無疑會影響煤層氣井排水能力和壓降傳播效果，但儲層壓裂后一般會得到明顯改觀。

肥二井田含煤地層同樣具有弱富水的特征，中間層段(標(biāo)5灰?guī)r～16號煤層和標(biāo)5灰?guī)r～標(biāo)7灰?guī)r)

表1肥一、肥二、肥三井田鉆孔抽水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)
Table1AssemblyofdrillpumpingtestresultsinFeitian1,2,3

井田測試層段單位涌水量/(L·(s·m)-1)影響半徑/m滲透系數(shù)/(m·d-1)標(biāo)2頂～標(biāo)2底0 005490074 350 1142000煤系頂～標(biāo)3上頂0 011355047 050 0570850肥一井田煤系頂～7煤頂0 000458027 300 0011330標(biāo)5～21煤底0 073190015 300 0868100標(biāo)5上～細(xì)砂巖0 009910021 200 0477100標(biāo)5上～玄武巖0 038773020 340 0210930P3c0 003490038 220 0122000肥二井田P3c+d0 005293074 350 1142000標(biāo)30 016167025 050 1679670標(biāo)5～標(biāo)70 055600033 550 0867700T1f10 019400015 000 0981000肥三井田P3c+d0 110167015 500 2197333P3β0 0000016

鉆孔單位涌水量與滲透性明顯大于其他層段，表明其富水性和導(dǎo)水性可能較強(qiáng)，有利于煤層氣井排水降壓。抽水層段邊界為灰?guī)r標(biāo)志層時，鉆孔單位涌水量和滲透系數(shù)顯著增大，與肥一井田相似，灰?guī)r(標(biāo)3、標(biāo)5、標(biāo)7)為主要含水層，影響半徑變化較大(表1，圖4)。

肥三井田含煤地層富水性弱，6～16號層段比其他層段鉆孔單位涌水量要大，富水性相對較強(qiáng)，其滲透系數(shù)也明顯高于其他層段，暗示6～16號層段可能為該井田相對有利的排采層段；影響半徑總體小于肥一和肥二井田，可能對壓降傳播相對不利，這與井田內(nèi)斷層較為發(fā)育的構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān)；長興組和大隆組具有較大的單位涌水量和滲透系數(shù)，是含煤地層中富水性相對較強(qiáng)的層位(表3，圖4)。

以上抽水試驗(yàn)成果在一定程度上揭示了標(biāo)2、標(biāo)3、標(biāo)7灰?guī)r較強(qiáng)的富水性和導(dǎo)水性，這些標(biāo)志層的地下水動力學(xué)特征及其與煤層之間的水動力聯(lián)系以及對排采動態(tài)的影響同樣值得深入研究。綜合考察，中段地層富水性和滲透系數(shù)相對較高，可能是煤層氣開發(fā)的優(yōu)先層組?？傮w來看，整個含煤地層弱富水，導(dǎo)水能力差，采用常規(guī)措施難以取得理想效果，必須打破常規(guī)，創(chuàng)新增產(chǎn)排采管理技術(shù)。

3 煤層氣開采優(yōu)先度因子分析

垂向上不同層段儲層壓力及其梯度的波動變化，表明獨(dú)立疊置含煤層氣系統(tǒng)的客觀存在。不同含氣系統(tǒng)對應(yīng)不同的流體單元和流體壓力系統(tǒng)，導(dǎo)致含氣系統(tǒng)之間儲層能勢的差異，是決定各系統(tǒng)開發(fā)先后順序的重要條件。若采用多系統(tǒng)合排方式，不同系統(tǒng)間儲層能量差異可能導(dǎo)致嚴(yán)重的層間干擾，進(jìn)而制約煤層氣井開采效果。沁水盆地南部15號煤層與3號煤層合排存在這樣的問題，織納煤田目前的煤層氣井生產(chǎn)情況在一定程度上也對此有所驗(yàn)證。例如，中石化集團(tuán)織2井先對20和23號煤進(jìn)行合層排采，日均穩(wěn)定產(chǎn)氣量達(dá)1500m3以上；然后對6-1號、7號、8號、10號、12號、14號、17號煤層壓裂與跨含氣系統(tǒng)合層排采，日均產(chǎn)氣量降至400～500m3?？?井的跨含氣系統(tǒng)合層排采效果同樣不好。為解決這種問題，常規(guī)油氣開采往往將條件類似的儲層劃分為一個開發(fā)層系，然后針對不同開發(fā)層系進(jìn)行開發(fā)，以避免系統(tǒng)間干擾。所以，在多煤層和多含氣系統(tǒng)疊置條件下，必須研究不同含煤層氣系統(tǒng)開發(fā)的先后順序。

鑒于水文條件為本區(qū)煤層氣開發(fā)的主要約束條件，在尚未完全查明獨(dú)立含氣系統(tǒng)劃分的條件下，依據(jù)現(xiàn)有勘探資料，重點(diǎn)評價(jià)各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)在垂向上的差異，包括視儲層壓力、單位涌水量、滲透系數(shù)、影響半徑等，并結(jié)合由鉆孔煤芯解吸實(shí)驗(yàn)獲取的甲烷含量數(shù)據(jù)(表2)，這可能是初步確定不同層段煤層氣的開發(fā)順序的可行途徑。所以筆者選擇上述5項(xiàng)參數(shù)作為確定不同層段煤層氣開發(fā)順序的評價(jià)指標(biāo)體系：壓力梯度(Pgra)代表儲層能量大小；鉆孔單位涌水量(Q)表征含煤層段富水性；滲透系數(shù)(K)在一定程度上反映層段的滲流能力；影響半徑(R)可以間接表示壓降影響范圍；甲烷含量(V)代表煤層氣產(chǎn)出的物質(zhì)基礎(chǔ)，各煤層組甲烷含量取其所包含煤層甲烷含量的平均值。

表2肥田區(qū)塊鉆孔煤芯解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
Table2CBMdesorptionresultsfromdrillingcoalcoresinFeitianblock

肥一井田煤層樣數(shù)/件甲烷含量/(m3·t-1)肥二井田煤層樣數(shù)/件甲烷含量/(m3·t-1)肥三井田煤層樣數(shù)/件甲烷含量/(m3·t-1)6412 206211 96698 546-116 84718 647712 387218 161629 86161514 1116411 412333 822019 171715 773424 7421614 5321211 65231014 332718 6427319 16

為此，筆者采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法來建立各井田不同層段煤層氣開發(fā)條件優(yōu)先度評價(jià)因子[23-24]，以分析各層段煤層氣開發(fā)潛能和開發(fā)順序。具體計(jì)算方法為：首先給上述評價(jià)指標(biāo)賦予權(quán)重(表3)，視儲層壓力梯度決定著儲層能量大小和煤層氣產(chǎn)出潛能，其權(quán)重最高，另外，本區(qū)整個含煤地層弱富水，導(dǎo)水能力差，構(gòu)成煤層氣開發(fā)的主要約束條件，因此單位涌水量、滲透系數(shù)、影響半徑3項(xiàng)參數(shù)權(quán)值次之，本區(qū)多煤層條件下煤層氣資源量及資源豐度高，含氣量不構(gòu)成開發(fā)約束，故其權(quán)值分配最低。

表3煤層氣有序開發(fā)評價(jià)指標(biāo)權(quán)值分配
Table3WeightedvaluesofevaluationindexfororderlyCBMdevelopment

參數(shù)PgraQKRV權(quán)值0 30 20 20 20 1

然后將各指標(biāo)劃分為4個等級，各級賦予一定分值，由高到低依次為85，60，40，15(表4)；據(jù)此對不同層段各指標(biāo)進(jìn)行分級并打分，并結(jié)合表3權(quán)值分配將各層段5項(xiàng)指標(biāo)的得分進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，以得到各井田不同層段煤層氣開發(fā)條件優(yōu)先度評價(jià)因子a，評價(jià)因子a同樣劃分為4個等級，即>70，有利；70～50，較有利；50～30；一般；<30，不利(表5、表6)。

表4各評價(jià)指標(biāo)等級劃分與賦值
Table4Rankclassificationofeachevaluationindexandrelevantvalues

參數(shù)有利較有利一般不利Pgra/(MPa·(100m)-1)>1 030 93～1 030 65～0 93<0 65Q/(L/(s·m)-1)>0 10 01～0 10 001～0 010 0001～0 001K/(m·d-1)>0 10 01～0 10 001～0 010 0001～0 001R/m>7550～7525～50<25V/(m3·t-1)>1212～88～4<4分值85604015

表5肥田區(qū)塊不同層段評價(jià)指標(biāo)得分與煤層氣開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子a計(jì)算結(jié)果
Table5Evaluationindexrankvaluesofdifferentintervalsandcalculationresultofprioritydegreeevaluationfactor“a”forCBMdevelopmentinFeitianblock

井田層段PgraQKRVaa值排序級別煤系頂～7煤頂401540406037 07一般肥17煤～16煤底154040408537 07一般16煤底～玄武巖401540156032 09一般P3c～8煤404040406042 06一般肥2標(biāo)5～16煤底406085606059 02較有利16煤底-玄武巖404060604048 05一般2煤～6煤底604060856061 01較有利肥36煤底～16煤底406060408552 53較有利16煤底～30煤底404040608548 54一般

表6各井田評價(jià)指標(biāo)綜合得分與煤層氣開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子a計(jì)算結(jié)果
Table6Comprehensiverankvaluesofthethreemineareaandcalculationresultofprioritydegreeevaluationfactor“a”forCBMdevelopmentinFeitianblock

井田PgraQKRVa級別肥1401540156032 0一般肥2406060606054 0較有利肥3406060608556 5較有利

由表5,6中優(yōu)先度因子a計(jì)算結(jié)果可知，肥田區(qū)塊總體評價(jià)級別不高，這是本區(qū)水動力條件對開發(fā)較為不利的必然反映。肥二、肥三井田開發(fā)條件較為有利，優(yōu)于肥一井田，較有利開發(fā)層段包括肥二中煤組、肥三上煤組和中煤組，開發(fā)過程中可考慮對這3個煤組進(jìn)行優(yōu)先開發(fā)。綜合比較各層段開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子a，最佳的開發(fā)順序應(yīng)為：肥三井田上段→肥二井田中段→肥三井田中段→肥三井田下段→肥二井田下段→肥二井田上段→肥一井田上段/中段→肥一井田下段。

結(jié)合本區(qū)煤層氣地質(zhì)條件前期研究成果和煤層氣實(shí)際開發(fā)情況對本文所建立煤層氣開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子的可靠性和實(shí)用性進(jìn)行評價(jià)[14,18]。采收率方面，肥一井田平均34.34%，肥二井田平均66.44%，肥三井田平均58.22%，均顯示了較好的開發(fā)潛力，同時肥二、肥三井田采收率顯著高于肥一，這與本文評價(jià)結(jié)果相一致，印證了肥二、肥三井田開發(fā)條件優(yōu)于肥一；資源豐度方面，肥一井田為1.33億m3/km2，肥二井田達(dá)1.86億m3/km2，肥三井田約1.25億m3/km2，3個井田均高于1.12億m3/km2的全國平均水平，顯示了良好的煤層氣物質(zhì)基礎(chǔ)，其中肥二井田顯著較大，而本次評價(jià)其開發(fā)級別為較有利，顯示物質(zhì)基礎(chǔ)和開發(fā)潛力具有一致性，肥三和肥一的資源豐度差異不大；織2井位于肥一井田，其排采歷史表明，當(dāng)合采層位僅位于下煤組，日均穩(wěn)定產(chǎn)氣量達(dá)1500m3以上，顯示了良好的產(chǎn)氣能力，而當(dāng)合采煤層貫穿上、中、下3個煤組，雖然生產(chǎn)層位多，且上煤組、中煤組開發(fā)潛力優(yōu)于下煤組，但由于3個煤組水動力條件差異而產(chǎn)生層間能量干擾效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)能很低，驗(yàn)證了依據(jù)垂向水動力條件的差異分煤組進(jìn)行遞進(jìn)開發(fā)的必要性，而這正是本文建立開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子的目的；本區(qū)煤體結(jié)構(gòu)相對完整，以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層機(jī)械強(qiáng)度大，且煤層頂?shù)装蹇箯垙?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤層抗張強(qiáng)度，具備有利的水力壓裂施工條件，在本區(qū)含煤地層總體貧水、導(dǎo)水性差、煤儲層滲透率較低的不利條件下，水力壓裂可以成為有利的增產(chǎn)手段。

上述結(jié)果盡管只是依據(jù)鉆孔抽水資料得出的粗略認(rèn)識，但在區(qū)塊開發(fā)初期煤層氣勘探開發(fā)試驗(yàn)資料較少的情況下，本文提出方法是對充分利用前期煤田勘探資料指導(dǎo)煤層氣有序開發(fā)的有益嘗試。隨著煤層氣開發(fā)資料的不斷積累，對煤儲層認(rèn)識的不斷加深，開發(fā)順序評價(jià)方法必將更為合理和更為周密。

4 結(jié) 論

(1)肥田區(qū)塊上覆下伏含水層與含煤地層基本無水力聯(lián)系，煤層氣開發(fā)基本不會受到上覆下伏含水層的干擾。龍?zhí)督M層間裂隙承壓含水層富水性弱，含水層與隔水層交互發(fā)育，含水層水量小且分布不均勻，局部的封閉，地下水動力條件較差，為獨(dú)立含氣系統(tǒng)的形成奠定了水文地質(zhì)基礎(chǔ)。標(biāo)志層灰?guī)r是含煤地層內(nèi)部的主要含水層，6～16號煤層段富水性最強(qiáng)，壓力水頭較高。

(2)根據(jù)水文地質(zhì)條件及層序地層特征，將含煤地層劃分為頂部～標(biāo)5灰?guī)r頂、標(biāo)5灰?guī)r～16號煤層底、16號煤層底～玄武巖3個層段。中部層段鉆孔單位涌水量和滲透系數(shù)相對較高，顯示了較好的地下水動力條件，有利于煤層氣優(yōu)先開發(fā)。視儲層壓力及壓力梯度在垂向上的波動變化揭示了獨(dú)立含氣系統(tǒng)的客觀存在，三級層序邊界的16號煤層位于獨(dú)立含氣系統(tǒng)的邊界附近，其上覆下伏層段分屬不同的流體動力系統(tǒng)?？傮w來看，含煤地層富水性弱，導(dǎo)水能力差，構(gòu)成限制本區(qū)煤層氣開發(fā)的主要約束，本區(qū)煤層氣開發(fā)必須依賴技術(shù)創(chuàng)新。

(3)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法建立了煤層氣開發(fā)優(yōu)先度評價(jià)因子，對不同層段煤層氣開發(fā)順序進(jìn)行了初步評價(jià)，認(rèn)為肥二井田和肥三井田總體開發(fā)條件優(yōu)于肥一井田，其中肥二中煤組、肥三上煤組和中煤組是較有利開發(fā)層段，各層段遞進(jìn)開發(fā)順序?yàn)椋悍嗜锷隙巍识镏卸巍嗜镏卸巍嗜锵露巍识锵露巍识锷隙巍室痪锷隙?中段→肥一井田下段。

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GroundwaterdynamicconditionsandorderlycoalbedmethanedevelopmentofFeitianBlockinWesternGuizhou,SouthChina

GUO Chen1,QIN Yong1,YI Tong-sheng2,GAO Di2,HONG Yuan-jin2,LEI Bo1

(1.KeyLaboratoryofCBMResourceandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.GuizhouBureauofCoalGeologicalExploration,Guiyang550006,China)

Western Guizhou has the most abundant coalbed methane resources in South China.In order to efficiently exploit the coalbed methane in this area,it is important to understand the drainage decompression and orderly development methods of coal seam groups under the control of Unattached multiple superposed CBM-bearing system.This paper took Feitian Block of Zhina coal field in Western Guizhou as the researching area,analyzing the meticulous hydrogeological condition of coal-bearing strata and the difference of development condition of different coal seam groups in vertical.Based on pumping test data from previous coal exploration,useful information was generated,including the apparent reservoir pressure,pressure gradient,unit water inflow,permeability coefficient and radius of influence.The difference of hydrogeological condition in different parts of coal-bearing strata in three-dimensional space was compared.Eventually,the factor of evaluating CBM development priority was established through fuzzy mathematics synthetical judgement.Accordingly,the developing potential and development order of different coal seam groups in vertical of the three coal mine areas was discussed.It is concluded that the Feitian 2and Feitian 3 mine areas have a better CBM development condition than Feitian 1,among which Feitian 2medium part,Feitian 3 upper part and medium part are prior for CBM development.Generally,The development order of each part of coal-bearing strata of each coal mine area is:Feitian 3 upper part→Feitian 2medium part→Feitian 3 medium part→Feitian 3 lower part→Feitian 2lower part→Feitian 2upper part→Feitian 1upper part /Feitian 1medium part→Feitian 1lower part.

Feitian；hydrogeology；unattached multiple superposed CBM-bearing system；orderly development;fuzzy mathematics

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0196

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(40730422)；國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034)；煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國礦業(yè)大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(2013-009)

郭 晨(1988—)，男，山西晉城人，博士研究生。Tel:0516-83590091，E-mail:makaay_@126.com

P618.11

A

0253-9993(2014)01-0115-09

郭 晨，秦 勇，易同生,等.黔西肥田區(qū)塊地下水動力條件與煤層氣有序開發(fā)[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):115-123.

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