大佛寺井田構(gòu)造對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的控制機(jī)理

汪萬(wàn)紅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

近年來(lái)，隨著礦區(qū)建設(shè)進(jìn)度的加快和開(kāi)采深度的增加，煤層和圍巖瓦斯涌出量也急劇增加，瓦斯治理形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。大佛寺井田位于彬長(zhǎng)礦區(qū)南部，煤層為低階煤，含氣量低。但礦井在開(kāi)拓過(guò)程中瓦斯涌出量較大，被鑒定為高瓦斯礦井[1-2]。為減少大佛寺煤礦瓦斯災(zāi)害，保護(hù)大氣環(huán)境，并充分利用煤層氣這一潔凈能源，陜西彬長(zhǎng)新生能源有限公司開(kāi)始在大佛寺煤礦進(jìn)行地面煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)工作。產(chǎn)氣效果顯示，部分井產(chǎn)氣效果好，垂直井最高日產(chǎn)氣量為3 043m3，部分井產(chǎn)氣效果不好甚至不產(chǎn)氣。

為什么大佛寺井田煤層氣井產(chǎn)能會(huì)有如此大的差異？眾所周知，煤層氣井產(chǎn)能主要來(lái)自兩個(gè)方面的制約，一個(gè)是開(kāi)采技術(shù)工藝，另一個(gè)則是地質(zhì)條件[3]。因大佛寺井田地面垂直井開(kāi)采技術(shù)工藝基本相同，所以地質(zhì)條件就是產(chǎn)能的主要控制因素[4-5]。在眾多地質(zhì)影響因素中，構(gòu)造條件對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響最為關(guān)鍵，構(gòu)造條件不僅本身對(duì)產(chǎn)能具有直接控制作用，而且通過(guò)對(duì)煤質(zhì)、儲(chǔ)層壓力、滲透率、煤厚、埋深等其他因素的控制，間接控制煤層氣井的產(chǎn)能。故本文以大佛寺井田構(gòu)造和演化特征為基礎(chǔ)，結(jié)合地面煤層氣井開(kāi)發(fā)實(shí)際情況，分析構(gòu)造與煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)系，探討構(gòu)造演化和構(gòu)造形態(tài)對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的控制機(jī)理，以期為大佛寺井田后期煤層氣開(kāi)發(fā)部署提供參考和借鑒。

1 大佛寺井田構(gòu)造及演化特征

大佛寺井田位于陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)南部。構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，總體構(gòu)造為一走向近東西、傾向近北的波狀起伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育了一系列北東東(A1、A2、A3)和北北西向(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)的褶皺構(gòu)造，二者相互交織，見(jiàn)圖1。其中以北東東向褶皺為主，即安化向斜(A1)、祁家背斜(A2)和師家店向斜(A3)。地層傾角平緩，一般 3°～5°，最大 17°～21°[6-7]。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造示意圖Figure 1 Structural sketch map of Dafosi minefield

大佛寺井田煤系的現(xiàn)代展布及賦存狀態(tài)主要受聚煤期及聚煤期后地質(zhì)構(gòu)造的控制。煤系沉積之前，受海西—印支運(yùn)動(dòng)影響，煤系基底呈現(xiàn)出明顯的北東東向隆起與凹陷格局，這對(duì)延安組煤系沉積起到了明顯的控制作用。聚煤期后，延安組煤系沉積后，地殼仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)在煤系沉積基礎(chǔ)上，接受連續(xù)沉積，在延安組之上連續(xù)沉積了中侏羅世直羅組和安定組，在中侏羅世末期，受燕山運(yùn)動(dòng)第一幕的影響，彬長(zhǎng)礦區(qū)出現(xiàn)短暫的地殼抬升，先期沉積地層遭受剝蝕，但程度較低。之后，地殼穩(wěn)定繼續(xù)接受沉積，在侏羅紀(jì)末期，受燕山運(yùn)動(dòng)第二幕的影響，延安組煤系經(jīng)歷了第一次明顯的抬升作用，煤系上覆地層遭受?chē)?yán)重剝蝕。在早白堊世，地殼又開(kāi)始了以沉降為主的作用，沉積了宜君組、洛河組和華環(huán)池河組；到早白堊世末期，晚燕山運(yùn)動(dòng)鄂爾多斯盆地邊部經(jīng)歷了擠壓逆沖、抬升剝蝕作用，而且作用時(shí)間長(zhǎng)，活動(dòng)強(qiáng)烈，受到來(lái)自NNW-SSE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)，使礦區(qū)北東東向褶皺(A1、A2、A3)進(jìn)一步強(qiáng)化，并居主導(dǎo)地位，持續(xù)到古近紀(jì)早期，地殼全面隆升，晚白堊世和古近紀(jì)幾乎沒(méi)有接受沉積。之后的新近紀(jì)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)仍然比較劇烈，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的多期作用，對(duì)侏羅紀(jì)煤系的改造和煤層氣聚散影響巨大。喜山早期來(lái)自NE-SW向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)，在井田產(chǎn)生了NNW-SSE方向的次級(jí)褶皺構(gòu)造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，并與北東東向褶皺產(chǎn)生復(fù)合現(xiàn)象。

2 煤層氣井產(chǎn)能與構(gòu)造的關(guān)系

2014年，陜西彬長(zhǎng)新生能源有限公司在大佛寺井田實(shí)施了20余口煤層氣垂直井進(jìn)行地面瓦斯預(yù)抽。為統(tǒng)一對(duì)比煤層氣井的產(chǎn)能，本次選取了21口開(kāi)發(fā)工藝相同的垂直井，都采用二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)、套管射孔完井、水力加砂壓裂、有桿泵排水采氣工藝。其鉆井一開(kāi)采用Ф311.15mm鉆頭鉆至松散層以下20m后，下入Ф244.5mm表層套管固井，二開(kāi)采用Φ215.9mm鉆頭，鉆至4煤層底板以下60m完鉆，下入Ф139.7mm生產(chǎn)套管固井。完井采用102型射孔槍，127型射孔彈，按照孔密度16孔/m，對(duì)目標(biāo)層段進(jìn)行射孔。壓裂采用低傷害、低成本的活性水壓裂液，壓裂支撐劑為石英砂(20-40目中砂和16-20目粗砂)，壓裂施工排量8～10m3/min、砂比11%～12%。排采作業(yè)采用有桿泵進(jìn)行排水采氣。截止2016年12月31日，產(chǎn)氣結(jié)果顯示，產(chǎn)氣好的井有4口，平均日產(chǎn)氣量>1 000 m3；產(chǎn)氣較好的井有2口，500 m3<平均日產(chǎn)氣量<1 000 m3；產(chǎn)氣一般的井有11口，100 m3<平均日產(chǎn)氣量<500 m3；產(chǎn)氣差的井有4口，平均日產(chǎn)氣量<100 m3?？傮w來(lái)看，井田產(chǎn)氣潛力較好，垂直井最高日產(chǎn)氣量達(dá)到3 043m3，但各井產(chǎn)能差異明顯(表1)。

表1 大佛寺井田煤層氣井產(chǎn)氣情況統(tǒng)計(jì)表

將各井產(chǎn)能在井田構(gòu)造圖上投點(diǎn)，得到煤層氣井產(chǎn)能與構(gòu)造關(guān)系圖(圖2)。從圖2可以看出，煤層氣井產(chǎn)能和構(gòu)造部位密切相關(guān)，具有一定的規(guī)律性。產(chǎn)氣好和較好的直井基本都分布在特定的構(gòu)造部位，即分布于主體構(gòu)造A2(祁家背斜)的軸部附近和次級(jí)構(gòu)造B5、B7向斜的軸部附近；產(chǎn)氣一般的直井主要分布于主體構(gòu)造A1(安化向斜)、A2(祁家背斜)、A3(師家店向斜)的翼部和次級(jí)構(gòu)造背斜、向斜的翼部；產(chǎn)氣差的直井主要分布于主體構(gòu)造A3(師家店向斜)的軸部附近和次級(jí)構(gòu)造B6、B8背斜的軸部附近。

3 構(gòu)造對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的控制機(jī)理

滲透性是煤層氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)要素，而含氣性則是煤層氣開(kāi)采的根本。構(gòu)造對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的控制，主要體現(xiàn)于構(gòu)造演化和構(gòu)造形態(tài)控制煤儲(chǔ)層的含氣性和滲透性，進(jìn)而控制煤層氣井產(chǎn)能。

大佛寺井田從煤系沉積之前，受海西—印支運(yùn)動(dòng)影響，煤系基底呈現(xiàn)出明顯的北東東向隆起與凹陷格局，到聚煤期后古近紀(jì)早期，井田主要受到來(lái)自NNW-SSE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)，井田構(gòu)造主要為北東東向褶皺，即安化向斜(A1)、祁家背斜(A2)和師家店向斜(A3)。在祁家背斜(A2)軸部附近，主要受到拉張應(yīng)力作用，發(fā)育張性裂隙，增加了煤儲(chǔ)層滲透性。在安化向斜(A1)和師家店向斜(A3)軸部附近，主要受到擠壓應(yīng)力作用，煤儲(chǔ)層裂隙收縮，滲透性變差。同時(shí)，井田在延安組煤系沉積后，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，經(jīng)歷多次抬升或沉降，如在中侏羅世末期，受燕山運(yùn)動(dòng)第一幕的影響，彬長(zhǎng)礦區(qū)出現(xiàn)短暫的地殼抬升；在侏羅紀(jì)末期，受燕山運(yùn)動(dòng)第二幕的影響，延安組煤系經(jīng)歷了第一次明顯的抬升作用；早白堊世末期，晚燕山運(yùn)動(dòng)鄂爾多斯盆地邊部經(jīng)歷了擠壓逆沖、抬升剝蝕作用，而且作用時(shí)間長(zhǎng)，活動(dòng)強(qiáng)烈，持續(xù)到古近紀(jì)早期，地殼全面隆升。這段時(shí)間因構(gòu)造抬升甚至暴露剝蝕時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致煤層氣賦存量少，造成井田煤儲(chǔ)層含氣量普遍偏低，含氣性較差。

圖2 煤層氣井產(chǎn)能與構(gòu)造關(guān)系圖Figure 2 Relationship between CBM well production capacity and structure

喜山早期來(lái)自NE-SW向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)，在井田產(chǎn)生了NNW-SSE方向的次級(jí)褶皺構(gòu)造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，并與北東東向褶皺產(chǎn)生復(fù)合現(xiàn)象。井田受NE-SW向的擠壓應(yīng)力，在B6、B8背斜軸部，受到拉張應(yīng)力作用，增加煤儲(chǔ)層滲透性，但不利于煤層氣的保存，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層含氣性較差；在B5、B7向斜軸部受到擠壓應(yīng)力的作用，煤儲(chǔ)層裂隙收縮，滲透性變差，但有利于煤層氣的保存，煤儲(chǔ)層含氣性相對(duì)較高。

為論證上述理論分析的可靠性。本次采用CBM-SIM軟件對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣情況和產(chǎn)水情況進(jìn)行歷史擬合。 CBM-SIM軟件是一個(gè)模擬煤層、含氣頁(yè)巖和常規(guī)油藏中的氣體和液體生產(chǎn)的三維、兩相、單、雙、三孔隙模擬器，軟件充分考慮了煤儲(chǔ)層的特點(diǎn)。在氣藏?cái)?shù)值模擬時(shí)，由于測(cè)試方法或人們對(duì)氣藏地質(zhì)情況的認(rèn)識(shí)的局限性，模擬計(jì)算所需的儲(chǔ)層參數(shù)不一定能準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層的實(shí)際情況，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的預(yù)測(cè)必定是不準(zhǔn)確的，為使預(yù)測(cè)結(jié)果盡可能接近實(shí)際，通常需要通過(guò)歷史擬合修正儲(chǔ)層參數(shù)。實(shí)質(zhì)上是運(yùn)用已知的煤層氣井的歷史動(dòng)態(tài)反求未知的煤儲(chǔ)層參數(shù)的“逆過(guò)程”。通過(guò)歷史擬合能發(fā)現(xiàn)和修改錯(cuò)誤的儲(chǔ)層描述參數(shù)，比較客觀地認(rèn)識(shí)煤儲(chǔ)層。通過(guò)歷史擬合得到更加符合實(shí)際情況的儲(chǔ)層參數(shù)含氣量和滲透性。擬合后得到煤儲(chǔ)層含氣量和滲透率參數(shù)見(jiàn)表2、圖3。結(jié)果表明，在北東東向主體褶皺祁家背斜(A2)軸部附近煤儲(chǔ)層滲透率較高，而在北北西向次級(jí)向斜軸部附近煤儲(chǔ)層含氣量較高。這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述理論分析的可靠性。

圖3 構(gòu)造與煤儲(chǔ)層含氣量和滲透率關(guān)系圖Figure 3 Relationship between structure and coal reservoir gas content, permeability

表2 歷史擬合后煤儲(chǔ)層含氣量和滲透率統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

①大佛寺井田煤層氣井產(chǎn)能與構(gòu)造部位密切相關(guān)。產(chǎn)氣好的井基本位于主體構(gòu)造背斜的軸部附近和次級(jí)構(gòu)造向斜的軸部附近；產(chǎn)氣差的井基本位于主體構(gòu)造向斜的軸部附近和次級(jí)構(gòu)造背斜的軸部附近。

②大佛寺井田從煤系沉積之前到到聚煤期后古近紀(jì)早期，受到NNW-SSE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的北東東向主體構(gòu)造，其背斜軸部受拉張應(yīng)力作用滲透性比向斜軸部好，同時(shí)煤儲(chǔ)層受多期構(gòu)造抬升甚至暴露剝蝕時(shí)間長(zhǎng)，煤層氣賦存量均較少，含氣性較差。喜山早期開(kāi)始，井田受NE-SW向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的次級(jí)褶皺構(gòu)造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，其次級(jí)向斜軸部煤儲(chǔ)層裂隙收縮，有利于煤層氣的保存和富集， 煤儲(chǔ)層含氣性較好。井田主體構(gòu)造祁家背斜(A2)軸部附近煤儲(chǔ)層較好的滲透性和次級(jí)構(gòu)造向斜軸部(B5、B7)附近煤儲(chǔ)層較好的含氣性共同控制了井田煤層氣井的高產(chǎn)區(qū)。

由上可知，大佛寺井田主體構(gòu)造背斜軸部滲透性相對(duì)較好，次級(jí)構(gòu)造向斜軸部含氣性相對(duì)較好，前期煤層氣開(kāi)發(fā)實(shí)踐證明二者重疊區(qū)域產(chǎn)氣效果最好，故建議后期井位部署首選次級(jí)構(gòu)造向斜軸部和主體構(gòu)造背斜軸部相互重疊的區(qū)域。