河南省構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)研究現(xiàn)狀及問題探究

劉炎昊，楊 敏，史小衛(wèi)，趙長江

(1. 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2. 河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450016；3. 河南省煤炭煤層氣重點實驗室，河南 鄭州 450016；4. 河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016)

構(gòu)造煤是在構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的各類地質(zhì)構(gòu)造的伴生構(gòu)造[1]。煤層適度的構(gòu)造變形為煤層氣開發(fā)提供了有利條件，但同時在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域又成為影響煤層氣開發(fā)的負(fù)面因素，且構(gòu)造煤類別越高，開發(fā)難度越大[2]。前人進一步研究表明：弱變形脆性系列構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)往往是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)，而韌性變形的糜棱煤分布區(qū)則是礦井瓦斯突出的危險地帶[3]。河南省受多期次構(gòu)造作用影響，構(gòu)造活動強烈，構(gòu)造煤序列均有分布，為全國構(gòu)造煤的主要發(fā)育地區(qū)之一。其煤層氣勘查開發(fā)工作起步較早，但一直未有突破性的進展，這與構(gòu)造煤發(fā)育關(guān)系密切。因此，加強構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律的研究，有針對性地總結(jié)分析構(gòu)造煤中煤層氣勘查開發(fā)經(jīng)驗至關(guān)重要。本文在整理以往相關(guān)的專題研究、專題報告等地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，歸納分析河南省構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律，總結(jié)我省在構(gòu)造煤煤層氣勘查開發(fā)方面的進展和認(rèn)識，力求為今后構(gòu)造煤中煤層氣資源的勘查開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

河南省地質(zhì)構(gòu)造上跨越華北板塊、北秦嶺造山帶和南秦嶺造山帶3個一級構(gòu)造單元。其大地構(gòu)造由兩部分組成，即板內(nèi)構(gòu)造域與板緣構(gòu)造域。板內(nèi)構(gòu)造域是指華北板塊南緣，南部緊鄰秦嶺-大別山板緣帶，東部接近郯廬斷裂帶；板緣構(gòu)造是指北秦嶺造山帶東北緣和東秦嶺造山帶北緣部分。因此，區(qū)域構(gòu)造格局受這兩大構(gòu)造背景的制約和影響。

河南省煤田構(gòu)造格局具有南北分帶、東西分區(qū)的基本特征，以京廣線為界可分為東部覆蓋區(qū)、西部暴露和半暴露區(qū)；南北方向可以概括為“四區(qū)”(太行區(qū)、嵩箕-豫東區(qū)、崤熊區(qū)、秦大構(gòu)造區(qū))、“三線”(構(gòu)造分劃線)、“四向”(構(gòu)造走向)，見表1[4]。

2 構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律

構(gòu)造煤的區(qū)域分布規(guī)律主要受構(gòu)造控制，與構(gòu)造分區(qū)相對應(yīng)，可分為4個區(qū)，即豫東永夏含煤區(qū)、豫西含煤區(qū)、豫南平頂山含煤區(qū)和豫北太行山東麓含煤區(qū)。各含煤區(qū)由于所處構(gòu)造環(huán)境條件、構(gòu)造帶力學(xué)性質(zhì)的差異，對構(gòu)造煤的控制也具有不同特點，形成不同的煤體結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為兩個方面。

2.1 擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤主要分布區(qū)

根據(jù)研究，豫南、豫東、豫西處于擠壓構(gòu)造帶，豫西特殊的滑動構(gòu)造使本區(qū)二1煤層構(gòu)造煤類型達(dá)到Ⅳ-Ⅴ類(碎粒煤、糜棱煤)[5-6]，成為研究區(qū)構(gòu)造煤類型最高的區(qū)域；豫南主要發(fā)育大型寬緩褶皺和斷層，對煤體的破壞較弱，主要形成Ⅲ-Ⅳ結(jié)構(gòu)煤(碎粒煤)；豫東以區(qū)域SN-NNE向壓扭性正斷層為主，構(gòu)造煤發(fā)育較弱，煤層仍然保持原生結(jié)構(gòu)煤的特點，屬于Ⅰ-Ⅱ類結(jié)構(gòu)煤(碎裂煤)等。

2.2 伸展構(gòu)造帶邊緣是構(gòu)造煤的次要分布區(qū)

伸展構(gòu)造在研究區(qū)主要分布在豫北太行山東麓含煤區(qū)，區(qū)域構(gòu)造主要表現(xiàn)為大型的隆起和凹陷盆地，在隆起和凹陷的邊緣，構(gòu)造類型以SN-NNE-NE向正斷層為特征，煤體結(jié)構(gòu)類型主要為Ⅱ-Ⅲ類(碎裂煤、碎粒煤)，構(gòu)造煤呈條帶狀，其展布方向與構(gòu)造的展布方向一致。

根據(jù)研究[7]，構(gòu)造煤形成的受力條件是控制構(gòu)造煤形成區(qū)域分布的主要因素，而對構(gòu)造煤的變形性質(zhì)影響較小，即構(gòu)造煤的形成受構(gòu)造控制，褶皺和順層斷層控制了構(gòu)造煤的區(qū)域分布，切層斷層控制了構(gòu)造煤的局部分布等。構(gòu)造應(yīng)力場對構(gòu)造煤具有間接控制作用，一般認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力場是控制區(qū)域構(gòu)造發(fā)育和演化的重要因素之一，不同的構(gòu)造應(yīng)力場作用下將產(chǎn)生不同性質(zhì)的構(gòu)造及其組合，并對煤層起到強烈的改造作用，致使煤層的賦存狀態(tài)和煤體結(jié)構(gòu)均發(fā)生一定的變化，從而形成具有不同變形機制和變形特點的構(gòu)造煤。

表1 河南省煤田構(gòu)造格局特征

3 構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)研究現(xiàn)狀

河南省二疊系含煤地層構(gòu)造煤普遍發(fā)育，煤層氣資源存在“三低一高一軟”——低滲透、低飽和度、低解吸壓力和高地應(yīng)力以及軟煤層普遍發(fā)育的不利特征[7-9]，自“六五”以來開展了多批次的煤層氣井試采工作，受構(gòu)造煤發(fā)育特征差異影響，試采取的效果并不理想，各區(qū)塊及各井產(chǎn)氣產(chǎn)水差別明顯，也與河南省煤層氣資源條件所具有的開發(fā)潛能大相徑庭，至今沒有形成產(chǎn)業(yè)，直井平均日產(chǎn)尚未超過500 m3，依然處于試驗探索階段。這些井中，除了焦作恩村、九里山、位村區(qū)塊具有特殊的“兩軟夾一硬”煤層結(jié)構(gòu)，主要采用避開軟煤分層射孔壓裂的方式以外，其余區(qū)塊的試采井煤層結(jié)構(gòu)均較為破碎。因此，根據(jù)選擇試采改造層位的不同，大致劃分為兩種類型，即煤層頂板和煤層本身。就改造層位選擇和改造措施機理的不同，分別對構(gòu)造煤頂板壓裂、構(gòu)造煤煤層壓裂和糜棱煤掏煤卸壓的部分案例進行綜述。

3.1 以構(gòu)造煤煤層頂板圍巖為壓裂對象的試采案例

焦作中馬村礦二疊系山西組二1煤層頂板中施工一組水平對接井，采用水力噴射射孔分段壓裂進行圍巖、煤儲層改造，獲得最高日產(chǎn)氣量2 275 m3，總產(chǎn)氣量近13萬m3。由于受巷道安全防護限制，壓裂規(guī)模和產(chǎn)氣量沒有達(dá)到預(yù)期，但一定程度上為本區(qū)采用圍巖-煤儲層改造工藝提供了可行的借鑒經(jīng)驗。另一典型案例是，獲嘉縣馬廠勘查區(qū)施工1口煤層氣直井，測試結(jié)果顯示，該井二1煤層全層構(gòu)造煤發(fā)育，以碎粒煤和糜棱煤為主，煤層滲透率0.07 mD，含氣飽和度51%，采用活性水壓裂液頂板+頂板與煤層合層壓裂的工藝完井，因頂板壓裂后形成高滲透通道，導(dǎo)致煤層未能破裂、頂板來水較大，進行了為期1 a多的試采，日平均產(chǎn)水量50～65 m3，日平均產(chǎn)氣24 m3，該井一定程度上揭示了該區(qū)塊的地質(zhì)條件和可采性。

省外淮北礦區(qū)在以糜棱煤和鱗片煤為主的8號煤層頂板巖層中進行水平井套管射孔完井[10]，其中，水平段長度為586 m，煤層分7段進行了高強度水力壓裂，累計注入壓裂液6 627 m3、石英砂542 m3，取得了較好的產(chǎn)氣效果，單井連續(xù)3、6、12個月平均日產(chǎn)氣量達(dá)到10 358 m3、9 039 m3、7 921 m3，截至2017年底累計產(chǎn)氣500萬m3，日產(chǎn)氣量依然穩(wěn)定在3 200 m3以上，創(chuàng)造了我國碎軟低滲煤層的煤層氣水平井氣產(chǎn)量的新紀(jì)錄，具有重要的指導(dǎo)意義，目前我省在這一構(gòu)造煤開發(fā)的新技術(shù)新工藝上正進行進一步探索。

3.2 以構(gòu)造煤儲層本身為壓裂對象的試采案例

鶴壁六礦HB01、HB02井組實現(xiàn)軟煤層(碎粒煤為主)中水平鉆進817 m，煤層鉆遇率超過90%。分五段進行水力噴射壓裂。獲得HB01井日產(chǎn)量達(dá)到1 341 m3，連續(xù)產(chǎn)氣超過27個月，累計產(chǎn)氣超過70萬m3，HB02井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量超過3 000 m3，取得了一定突破，為河南省單一構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣開發(fā)提供了借鑒?！笆濉逼陂g，在平頂山地區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)，河南省煤層氣公司和中煤科工集團西安研究院累計施工了30口直井，分別探索了平頂山中煤級松軟低滲欠壓煤儲層的活性水氮氣輔助壓裂增產(chǎn)技術(shù)。其中，SS-009井獲得了單井日產(chǎn)1 708 m3，540 d累計產(chǎn)氣50萬m3，刷新了構(gòu)造煤儲層煤層氣直井開發(fā)的歷史紀(jì)錄，打破了傳統(tǒng)認(rèn)為松軟低滲儲層無法實現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)的認(rèn)識禁區(qū)。

3.3 以糜棱煤沖孔卸壓為主的案例

構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)松軟易坍塌的特性為水力沖孔卸壓應(yīng)力釋放提供了很好的充分條件，理論上來講，可以成為構(gòu)造煤區(qū)煤層氣高效產(chǎn)出的突破口。這方面，河南滎鞏煤田和新安煤田孟津井田做了初步的探索。

美國中美能源公司采用洞穴法、水力沖孔掏煤卸壓方式在滎鞏煤田進行地面鉆井抽采試驗，成孔2口直井，歷時1個月，各孔沖出煤量250 t左右，單孔日平均產(chǎn)氣800～900 m3，分別累計產(chǎn)氣1萬m3。說明糜棱煤發(fā)育儲層具有高產(chǎn)的高煤層氣含量這一物質(zhì)基礎(chǔ)，通過水力沖孔卸壓可使煤層氣高效產(chǎn)出，但糜棱煤松軟易流變的特性造成松軟煤層容易坍塌堵孔、抽采周期較短、產(chǎn)氣量衰減較快。

近年來，河南省煤層氣公司在孟津井田開展了以糜棱煤為主的煤層中，采取水平井地面水力沖孔掏煤卸壓促進解吸的工藝，累計糜棱煤煤層中水平段進尺1 100 m，掏煤275 m3，排采試驗取得日產(chǎn)氣量478 m3，實現(xiàn)了松軟煤層水平井分支鉆孔中篩管護孔，初步破解了松軟煤層坍塌堵孔的技術(shù)難題。

受制于資金和技術(shù)等問題，構(gòu)造煤儲層中水力沖孔掏煤卸壓技術(shù)暫時沒有取得完全突破，但這種新型工藝的探索研究得到了有關(guān)科研院校的重視，已經(jīng)著手開始進行系統(tǒng)研究，加快該技術(shù)的工業(yè)性應(yīng)用進程。

4 構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)存在的問題及分析

綜上所述，河南省構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤層氣試采工作雖有局部個別井點的突破，但缺乏區(qū)域性廣泛面上的重大進展，分析原因如下：

4.1 儲層評價研究程度不夠

構(gòu)造煤儲層中煤層氣的賦存狀態(tài)至今沒有達(dá)成一致認(rèn)識，在游離態(tài)和吸附態(tài)兩種賦存狀態(tài)之外的超臨界、固溶等形式存在與否，煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征描述研究至今仍在不斷更新認(rèn)識，學(xué)術(shù)爭議不斷，對賦存狀態(tài)的認(rèn)識不清導(dǎo)致構(gòu)造煤煤層氣解吸行為和產(chǎn)出機制研究深入不夠，對試采工作的理論指導(dǎo)和工程分析造成一定困難。

4.2 構(gòu)造煤儲層參數(shù)的獲取存在一定技術(shù)障礙

一是通過試井、測試等手段獲取的煤層氣含量和煤層滲透率等數(shù)據(jù)，所用數(shù)學(xué)模型和測試儀器并不完全統(tǒng)一、規(guī)范，尤其是有些數(shù)據(jù)資料來源于煤田勘探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同于煤層氣現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，卻相互引用作為重要參考，即便依照同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同的測試人員和儀器得到的結(jié)果也可能大相徑庭；二是通過測井曲線判識構(gòu)造煤，以此為依據(jù)進行選井選層、避開軟煤層射孔時，因判識方法不同和精度不高，實際選層情況顯得規(guī)律性不強；三是前期投入使用的風(fēng)險勘探資金以快速獲利為主要導(dǎo)向，缺乏對儲層的精細(xì)研究和區(qū)塊整體認(rèn)識，對資料數(shù)據(jù)共享得少，造成后期不必要的重復(fù)試驗。

4.3 構(gòu)造煤松軟流變特性與改造工藝技術(shù)匹配性不夠

常規(guī)增產(chǎn)改造工藝技術(shù)以水力壓裂最為常用，以在堅硬儲氣層中人工制造產(chǎn)氣產(chǎn)液通道為主要目的，但構(gòu)造煤儲層層理結(jié)構(gòu)紊亂、煤體結(jié)構(gòu)較軟，采用常規(guī)技術(shù)增滲增產(chǎn)時，壓裂液濾失量大不易形成并保持高效產(chǎn)氣產(chǎn)液通道，甚至在糜棱煤中不具備壓裂造縫的基本條件。而當(dāng)前的構(gòu)造煤中沖孔卸壓增滲促解工藝技術(shù)因工藝不完善、工具效率低等原因，亦不能長久保留形成的高效通道。因此，構(gòu)造煤儲層改造中，地質(zhì)約束與工藝適用性存在極大的不匹配性。