古敘礦區(qū)龍?zhí)督M煤層氣開發(fā)方式研究

柯 軍 尹中山 趙文峰 尹雪松

(1.四川省煤田地質(zhì)局一三五隊(duì)，四川省瀘州市，646000；2.四川省科源煤礦瓦斯煤層氣工程研究中心有限公司，四川省成都市，610072；3.四川省煤田地質(zhì)局，四川省成都市，610072；4.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北省武漢市，430070)

1996年、2002年、2011年對四川省煤層氣資源進(jìn)行過評價(jià)，晚二疊世煤層氣資源量分別為4415億m3(含重慶)、3107億m3、4668億m3,古敘礦區(qū)煤層氣資源量分別為788億m3、1001億m3(1500m以淺)、1925億m3(2000 m以淺為中等豐度大型煤層氣田)[1-4]。

古敘礦區(qū)劃分為9個(gè)礦段，分別為兩河礦段、敘永礦段、古藺礦段、大村礦段、廟林礦段、石寶礦段、觀文礦段、海風(fēng)礦段和河壩礦段，其煤層屬3號無煙煤。

大村礦段已于2015年完成了煤炭、煤層氣綜合勘查工作，施工參數(shù)井、試驗(yàn)井共17口，試采井6口，其中DCMT-3井組實(shí)現(xiàn)地面抽采的突破；另外開展煤層氣探索試驗(yàn)工作的還有石寶SQ1、SD1等8口井、大寨某50井、兩河川南地2井、海風(fēng)3803井、河壩49-2井、石屏42-2井等，得到了較多的煤層氣含量、等溫吸附試驗(yàn)等數(shù)據(jù)和氣測顯示成果。

從埋藏深度247 m(石屏礦42-2井C17煤層)～1450 m(石寶礦SD1井C17煤層)[5]，大村、大寨、石寶等試氣效果表明僅大村礦段達(dá)到工業(yè)氣流，卻尚未形成井網(wǎng)試采，未獲取探明儲(chǔ)量，因此該地區(qū)煤層(系)氣勘探研究評價(jià)與試氣的空間非常大。

1 地質(zhì)背景

古敘礦區(qū)面積近2000 km2，主體構(gòu)造是受由南向北水平擠壓應(yīng)力作用形成的縱彎褶皺，即近東西向的古藺復(fù)式背斜，背斜東端轉(zhuǎn)向北東向。北翼傾角較緩，南翼較陡，北翼西段以寬緩的次級褶皺為主，中段和東段以單斜為主，南翼以緊密褶皺為主，主要賦煤構(gòu)造如古藺復(fù)式背斜、新街背斜等共有10個(gè)。含煤地層賦存于向斜或背斜翼部。主體較為平緩，煤層結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)—碎裂結(jié)構(gòu)為主，部分礦段發(fā)育有構(gòu)造煤[3]。

礦區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育，規(guī)模較大，其中背斜軸部出露最老地層多為寒武系(個(gè)別為震旦系)，向斜軸部出露最新一般為侏羅系中下統(tǒng)地層。褶皺帶的展布控制了晚二疊世煤層及煤層氣資源的分布格局。褶皺帶內(nèi)破壞煤系的區(qū)域性大斷層不發(fā)育，而由褶皺控制的次級斷層則較發(fā)育。

二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M主要為瀉湖—三角洲—泥炭沼澤—障壁島及潮坪相的海陸過渡相沉積,沉積環(huán)境、聚煤作用基本穩(wěn)定。巖性為粉砂巖、泥巖、頁巖夾煤層。

古敘礦區(qū)含煤20余層，可采煤層有C6、C7-10(或C7、C8-10)、C12-13、C14、C17-20、C21、C22、C23、C24和C2510層，煤層累厚9～11 m，煤炭資源勘查成果表明該地區(qū)中富含烴類氣體。其中C7-10(或C7、C8-10)、C17-20、C23、C25為主要可采煤層，含煤平均總厚度8.75 m。古敘礦區(qū)煤層瓦斯含量較高，最高瓦斯含量為30.84 m3/t(觀文礦段C11煤層，標(biāo)高+731 m，埋深647 m)，最高瓦斯壓力3.3 MPa，煤的最大理論吸附量平均為34.85 m3/t，煤的滲透率平均值為0.159 md，煤體破壞類型Ⅱ～Ⅳ為主，構(gòu)造煤普遍發(fā)育[3,8]。

大量研究表明，二疊系龍?zhí)督M地層分布面積大，深度范圍廣，有機(jī)質(zhì)豐度高，煤層成組出現(xiàn)、層數(shù)多、煤層厚度較薄、煤層厚度變化大，含氣量高，泥頁巖連續(xù)厚度大，解吸含氣量0.5～2.89 m3/t，具備開展煤層(系)氣評價(jià)試驗(yàn)的最佳條件。煤系氣由整個(gè)含煤巖系中的成煤母質(zhì)、煤和分散有機(jī)質(zhì)在生物化學(xué)及物理化學(xué)煤化作用過程中演化生成的全部天然氣。

區(qū)內(nèi)含煤地層厚度具有較好的可比性，發(fā)育環(huán)境穩(wěn)定，含煤性及含煤系數(shù)基本掌握，體現(xiàn)在淺部采煤地區(qū)的龍?zhí)督M總厚度較深部薄，深部地層傾角變小、厚度基本穩(wěn)定、煤體結(jié)構(gòu)較好、含氣量高及氣侵顯示明顯等特征。古敘礦區(qū)煤系地層厚度對比如圖1所示，圖中縱向表示地層厚度，橫向從左到右是從西向東的不同井田的對比，紅色和藍(lán)色分別代表P3C、P3l地層。部分參數(shù)井煤層對比(東西向)如圖2所示。

圖1 古敘礦區(qū)煤系地層厚度對比示意圖

圖2 古敘礦區(qū)部分參數(shù)井煤層對比(東西向)圖

2 開發(fā)方式研究

2.1 薄煤層群煤層(系)氣開發(fā)技術(shù)

古敘礦區(qū)龍?zhí)督M煤層分為上、中、下煤組，煤層多且薄，煤層間距近，煤層間夾層巖性由砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥頁巖、粉砂巖等成組出現(xiàn)，且厚度變化頻繁，煤層及部分泥頁巖層的含氣量大。礦區(qū)綜合柱狀及沉積環(huán)境巖相情況如圖3所示。本文重點(diǎn)對龍?zhí)督M中、下部C14、C19、C23、C25等煤層開展了試驗(yàn)。

(1)從煤演化角度分析，煤層具有極強(qiáng)的生氣能力，從褐煤到無煙煤階段，煤生氣可達(dá)400 m3/t以上，同時(shí)煤系中的炭質(zhì)泥巖、泥巖對煤系氣的生成貢獻(xiàn)大。隨著煤層埋深增大，煤層中生成的甲烷氣體在溫度、壓力增大的情況下，運(yùn)移到可能儲(chǔ)集甲烷的場所，如果煤層氣儲(chǔ)層和頁巖氣儲(chǔ)層相鄰或相距很近，煤層氣和頁巖氣就可能會(huì)形成兩個(gè)相鄰或相近的氣體儲(chǔ)層。

石寶礦區(qū)SD1井解吸得到的含氣量是最直觀的證據(jù)。在SD1井的深層龍?zhí)督M中，龍?zhí)督M厚128.01 m，獲得較好的煤層、泥巖、砂巖3種巖石中的含氣( 簡稱“三氣”)顯示。煤層厚17.88 m，含氣量3.1～26.31 m3/t(采樣井深1449.56 m)，平均12.32 m3/t；炭質(zhì)泥巖厚39.92 m，含氣量0.61～4.7 m3/t(采樣井深1439.00 m)，平均2.16 m3/t；砂巖含氣量在0.11～0.46 m3/t，平均0.24 m3/t。SD1井泥巖、砂巖、煤層解吸測試如圖4所示。在砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖中有較明顯的氣測異常顯示，SD1井龍?zhí)督M砂質(zhì)泥巖氣測異常顯示如圖5所示。

(2)古敘礦作為煤層氣潛力地區(qū)由于投入少、礦權(quán)不落實(shí)等原因，未能開展大規(guī)模的勘探試驗(yàn)工作。為達(dá)到采氣的最好效果，開發(fā)的關(guān)鍵是找準(zhǔn)每個(gè)煤儲(chǔ)層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)，實(shí)施有針對性的精準(zhǔn)改造，基本實(shí)現(xiàn)裂縫長度、高度或體積改造的目標(biāo)，充分利用好每一顯示層位的測井、樣品試驗(yàn)成果等信息，最大化的提升單井、單層的產(chǎn)量。如大村井田DC2試驗(yàn)井各煤層的氣測、測井和地層巖心的解吸成果均支撐本井采用“分層壓裂、合層排采”改造和采氣方式。通過射孔、壓裂改造、排采等工作的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣目的。依據(jù)在于：本區(qū)煤層間距較小、儲(chǔ)層壓力及壓力梯度相近、具備典型的多層統(tǒng)一含氣系統(tǒng)特征，主要煤儲(chǔ)層滲透率相差不大、臨界解吸壓力接近、各煤層之間的供液能力差別很小，符合分壓合采的要求。

圖3 礦區(qū)綜合柱狀及沉積環(huán)境巖相示意圖

2.2 構(gòu)造煤開發(fā)技術(shù)

2.2.1 構(gòu)造煤形成的原因

目前我國煤層氣的開發(fā)工業(yè)化生產(chǎn)程度低，主要原因是煤體的滲透性低，煤層氣的產(chǎn)出效率和產(chǎn)量較低。從宏觀看，煤與瓦斯突出需要有一定厚度的構(gòu)造煤，而由縱彎褶皺控制的層滑構(gòu)造是形成構(gòu)造煤的主因。

古敘礦區(qū)區(qū)域上受由南向北水平擠壓應(yīng)力作用，縱彎褶皺很發(fā)育，縱彎褶皺的控制加上層間滑動(dòng)容易形成順層斷層。由于礦區(qū)煤系地層中上部P3c、下部P2m均為灰?guī)r，巖性硬脆，橫張、“X”剪節(jié)理或斷層較發(fā)育，煤系軟弱巖層則發(fā)生部分塑性變形，前者主要發(fā)育層間褶曲，伴生走向逆斷層，后者則在主要近距離煤層群及其附近軟巖層中發(fā)育順層滑動(dòng)，形成層滑構(gòu)造帶等塑性變形構(gòu)造，部分可顯現(xiàn)為順層斷層。具體看，煤層受到了強(qiáng)有力的擠壓、搓揉，不僅造成煤層厚度大幅度變化，而且還破壞了部分煤層的原生結(jié)構(gòu)，形成的大量巖體破碎系數(shù)值一般都小于0.5，煤體破壞類型為Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ類的構(gòu)造煤。表現(xiàn)為煤層及其頂?shù)装逯行鄬虞^為發(fā)育，斷層性質(zhì)以正斷層居多，據(jù)古藺復(fù)式背斜北翼東端岔角灘井田宏達(dá)煤礦揭露，斷距0.2～1.35 m不等，多小于1.0 m，但對煤層的破壞和瓦斯聚集影響較大。構(gòu)造煤分布在煤層上部，其厚度為全層厚的2/3左右?？傮w使井田(礦井)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜化。

圖5 龍?zhí)督M砂質(zhì)泥巖氣測異常顯示(井深1457.50～1459.50 m)

2.2.2 開發(fā)技術(shù)

(1)構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤層都具有高儲(chǔ)低透的特點(diǎn)，煤體類型以構(gòu)造煤為主。但構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)是煤與瓦斯突出的重災(zāi)區(qū)，為達(dá)到好的抽采效果，開展了多種形式的試驗(yàn)研究，但目前每項(xiàng)研究成果都無法大面積推廣，表明構(gòu)造煤改造的特殊性。歸根到底仍然是儲(chǔ)層改造液、支撐劑的研制與運(yùn)用。

(2)通過對大村井田煤層氣參數(shù)井、盛隆煤礦近40塊樣品的試驗(yàn)、分析，獲得了大量的針對構(gòu)造煤改造的納米膜壓裂液的配方，效果較好。

納米膜壓裂液具有降低滲流阻力、提高防膨效果、全程提高有效作用距離、攜砂及破膠性能良好等特點(diǎn)。

同時(shí)借鑒張碩等[10-11]的研究成果，基于有機(jī)溶劑(CS2)、有機(jī)酸(CH3COOH)、無機(jī)酸(HCl)、強(qiáng)氧化劑(ClO2)分別對不同煤體結(jié)構(gòu)煤進(jìn)行溶劑改造試驗(yàn),并借助于低溫液氮吸附試驗(yàn),探討了溶劑改造下構(gòu)造煤納米級孔隙的變化規(guī)律,認(rèn)為不同類型的溶劑作用促使不同煤體結(jié)構(gòu)煤中的納米級孔隙發(fā)生差異性變化,這種變化主要是因溶劑改造下煤中小分子化合物、表面官能團(tuán)以及礦物質(zhì)的變化引起的。相比而言,有機(jī)酸、有機(jī)溶劑孔隙改造效果最為顯著。有機(jī)溶劑的抽提作用,使煤的BET比表面積和BJH孔容顯著增大，具有一定的擴(kuò)孔效果,特別是對小孔徑段的擴(kuò)孔效果最為明顯。最終實(shí)現(xiàn)促進(jìn)煤層氣解吸，提高煤層的滲透率，該方法適用于高儲(chǔ)低滲的構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤層氣開采。

4 結(jié)語

(1)古敘礦區(qū)煤層(系)氣具有良好的開發(fā)前景。小于1000 m埋深的薄煤層群煤層氣的成功試驗(yàn)、大于1000 m埋深的煤層氣、頁巖氣、砂巖氣的發(fā)現(xiàn)，具備煤系氣開發(fā)的基礎(chǔ)，須在煤系氣理論的指導(dǎo)下，在大型古藺復(fù)背斜復(fù)雜構(gòu)造格局下尋找相對穩(wěn)定的區(qū)塊，實(shí)施煤系氣的成功開發(fā)。

(2)針對構(gòu)造煤的儲(chǔ)層改造開展的納米膜壓裂液體針對性強(qiáng)、試驗(yàn)效果好，宜開展煤層氣井的現(xiàn)場試驗(yàn)。按照“地質(zhì)評價(jià)——工程措施——試氣一體化”思路推動(dòng)四川省煤層氣工作，力爭實(shí)現(xiàn)資源綜合勘查目標(biāo)。