貴州保田青山區(qū)塊地瓜勘查區(qū)煤層氣賦存特征及勘探開發(fā)建議

黃 文 屈爭輝

(1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州 550081；2.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 221008)

地瓜勘查區(qū)位于保田青山煤層氣區(qū)塊北部，貴州省普安縣城南約20km，東西長約21km，南北寬約16km，面積165.32km2。區(qū)內(nèi)煤層較穩(wěn)定，煤炭資源儲量大(28.7332億t)，煤層氣資源豐富(345.45億m3)。區(qū)內(nèi)煤炭資源勘探程度高，為煤層氣地質(zhì)研究提供了資料基礎(chǔ)，煤層氣資源豐富，具有煤層氣開發(fā)的先決條件。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

勘查區(qū)大地構(gòu)造位置地處揚子板塊(Ⅰ級)上揚子陸塊(Ⅱ級)南部被動邊緣褶沖帶(Ⅲ級)上的六盤水復雜變形區(qū)(Ⅳ級)。六盤水復雜變形區(qū)以黃泥河-潘家莊斷裂帶和紫云-水城斷裂帶為界。黃泥河-潘家莊斷裂以北、盤縣-晴隆一線以南地區(qū)以隔擋式褶皺為主，褶皺排列較寬緩，背斜除盤南背斜稍寬緩外，其余均緊陡、尖頂，背斜軸部或翼部均有規(guī)模較大的走向正斷層發(fā)育，致使軸線殘缺不全。向斜較寬緩，一般較完整。地瓜二井田位于盤南背斜與黃泥河-潘家莊斷裂之間，為盤南背斜南東翼，黃泥河-潘家莊斷裂之北西盤(圖1)。井田總體為一略有起伏的平緩單斜，斷層較發(fā)育，并發(fā)育次一級褶曲及傾向上褶皺。井田構(gòu)造主要受北東向的區(qū)域構(gòu)造控制和作用，形成了以F5斷層及細格向斜為主的北東向斷層和褶曲。

圖1 區(qū)域構(gòu)造簡圖

1.2 沉積特征

勘查區(qū)內(nèi)含煤地層龍?zhí)督M為一套海陸交互相碎屑巖夾碳酸鹽巖含煤沉積，沉積環(huán)境為瀉湖-潮坪沉積環(huán)境，主要由砂巖、砂泥巖、泥巖、煤層夾灰?guī)r組成。厚度255.09～519.40m，一般在320～360m之間，含煤14～43層，一般23左右，煤層總厚度16.32～47.55m，平均31.04m，其中可采煤層8層(3、12、17-1、17-2、19、24、26、29)，可采煤層總厚度平均18.33m(17-1、17-2、19煤層平均厚度共計8.97m)，煤層、標志層較穩(wěn)定，易于對比。在平面上，區(qū)內(nèi)煤層層數(shù)及可采煤層厚度由北西向南東減少的趨勢(3、12號煤在地瓜三井田不可采)；在垂向上，龍?zhí)督M含煤性具有“中間好、上下差”的特點。

1.3 水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)內(nèi)地表水、地下水排泄條件好。上覆地層富水帶中地下水，正常情況下與煤系水無直接水力聯(lián)系。下伏茅口組富水帶與含煤地層之間，有玄武巖相隔，對煤系充水影響甚微。含煤地層中斷裂帶導水性一般較弱，含煤地層富水性弱～中等。區(qū)內(nèi)地下水呈封閉狀態(tài)，對煤層氣有封隔作用，有利于煤層氣的保存。

2 煤儲層特征

2.1 煤巖特征

宏觀上，區(qū)內(nèi)煤層以半亮型為主。顯微煤巖組分方面，可采煤層鏡質(zhì)組含量73.43%～94.09%，平均為83.31%。惰質(zhì)組含量6.29%～33.58%，平均16.69%；無殼質(zhì)組。全區(qū)鏡質(zhì)組最大反射率1.90%～2.80%，平均為2.19%。井田煤類主要為中灰分、相對富氫、低揮發(fā)分無煙煤三號為主，少量貧煤，灰分平均22.65%，揮發(fā)分平均含量11.89%，硫分平均3.85%，干燥無灰基氫含量平均3.74%。

即該井田煤層為高煤階、煤鏡質(zhì)組含量高、煤質(zhì)較好，具有較高的生烴能力。

2.2 煤體結(jié)構(gòu)

通過對區(qū)內(nèi)鉆孔煤芯觀測鑒定，井田主要可采煤層17煤組較大程度地受到構(gòu)造破壞，煤體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以碎粒煤、糜棱煤為主，煤層強度和滲透性受到較大的影響，不利于煤層氣的產(chǎn)出和開發(fā)；而主要可采煤層19、26、29號煤具有較好的物性條件，細～中帶條帶狀，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤為主，少量碎粒煤，有利于煤層氣的滲流和開發(fā)；其他可采煤層原生結(jié)構(gòu)總體完整，從煤體結(jié)構(gòu)來看較適合煤層氣的開發(fā)(表1)。

表1 可采煤層煤體結(jié)構(gòu)及裂隙特征表

2.3 煤的孔隙/裂隙特征

區(qū)內(nèi)可采煤層瓦斯增測化驗孔隙率為3.01%～5.32%，平均4.26%，通過鉆孔煤芯真、視密度計算孔隙率為2.36%～5.02%，平均4.38%，比全國煤的平均孔隙率5.55%略低。

據(jù)鉆孔煤芯觀測統(tǒng)計了區(qū)內(nèi)可采煤層的裂隙發(fā)育程度，煤層裂隙較發(fā)育，但裂隙密度和方向發(fā)育不均勻，19、26、29局部面裂隙密度可達10條/cm(表1)，裂隙有方解石脈充填，煤層滲透率大小和方向?qū)⑹艿接绊憽?/p>

2.4 煤儲層滲透性

地瓜勘查區(qū)從西到東分為地瓜一、二、三井田，根據(jù)煤層氣注入壓降試驗得出試井滲透率為0.0002～0.0503×10-3μm2(表2)，平均0.01414×10-3μm2。按照我國煤儲層滲透率劃分級別，屬于低滲透率煤儲層，導流能力低。同一層煤在同一深度或者不同深度表現(xiàn)出不同的滲透性，反映了煤層的不均質(zhì)性。

2.5 煤儲層吸附與解吸特征

根據(jù)樣品化驗數(shù)據(jù)，勘查區(qū)原煤干燥基朗格繆爾體積在20.43～38.62m3/t，平均27.32m3/t，其中706孔19號煤的朗格繆爾體積最大為38.62m3/t，原煤干燥無灰基朗格繆爾體積在28.93～44.86m3/t，平均36.49m3/t，其中706孔19號煤的朗格繆爾體積最大為44.86m3/t；煤的吸附能力與煤級高低密切相關(guān)，井田內(nèi)煤類主要為無煙煤三號，吸附能力大。朗格繆爾壓力相對較低且變化不大，為0.94～1.60MPa，平均1.29MPa，一般在1.10～1.50MPa。

對勘查區(qū)內(nèi)可采煤層甲烷解吸階段的構(gòu)成特征進行了分類統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示：煤層氣解吸率變化不大，為46.02%～56.99%，平均51.69%。其中17-1號煤層煤層氣解吸率最低為46.02%，26號煤組煤層氣解吸率最大，分別為56.99%(表3)。

表3 地瓜勘查區(qū)煤樣甲烷等溫吸附實驗結(jié)果

續(xù)表

2.6 煤儲層壓力及地應力特征

據(jù)試井結(jié)果(表2)，地瓜勘查區(qū)試井深度118.65～987.60m，平均621.43m，煤層儲層壓力1.35～10.35MPa，壓力系數(shù)0.75～1.63，平均1.15，從壓力系數(shù)分析煤儲層屬于高異常儲存壓力。閉合壓力7.29～18.14MPa，閉合壓力梯度0.015～0.061MPa/m，平均0.027MPa/m，屬于高閉合梯度，具有明顯的高地應力特征。

表2 地瓜勘查區(qū)煤層氣井試井成果

3 含氣性特征

3.1 煤層氣化學組成特征

剔除不合格及異常值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計地瓜勘查區(qū)范圍內(nèi)各個勘查階段煤芯解吸數(shù)據(jù)666件(表4)。井田內(nèi)可采煤層煤層氣成分主要以甲烷為主，標準狀態(tài)下干燥無灰基甲烷濃度為14.83～99.90%，全區(qū)平均為83.93%。其次為氮濃度，標準狀態(tài)下干燥無灰基N2濃度～47.64%，全區(qū)平均為9.67%。少量二氧化碳，另外還有少量重烴。

3.2 煤層甲烷含量統(tǒng)計特征

根據(jù)地瓜勘查區(qū)煤層氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(共666點)，全勘查區(qū)可采煤層煤層氣含量(干燥無灰基)均超過了8m3/t，以17-2、12號煤最高，平均含量分別為13.51、13.27m3/t，最高出現(xiàn)在17-2號煤，為27.22m3/t；煤層還有少量重烴，重烴含量在0.00～3.52，平均0.18m3/t(表4)。

表4 各煤層煤層氣成分、含量統(tǒng)計表

續(xù)表

4 勘探開發(fā)建議

地瓜勘查區(qū)有著煤層層數(shù)多、單層厚度薄、煤層成組賦存、富水性弱、滲透率及單層煤層氣資源豐度低的特點，煤層氣抽采應采用應力—壓力同時釋放和地面井—礦井鉆孔并舉的方式。地面井優(yōu)先鉆孔類型為直井和叢式井，根據(jù)地形地貌特點，叢式井開發(fā)方式占地面積小，鉆井工藝較成熟，工程施工成本可有效控制，可作為地瓜勘查區(qū)煤層氣地面開發(fā)的首選井型；優(yōu)選完井方式為水力加砂壓裂，優(yōu)選壓裂方式為分段壓裂，優(yōu)選抽采模式為合層排采。

同時，可具體嘗試以下技術(shù)：

(1)根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)及地形特點，布置叢式井組時，實現(xiàn)一個井場鉆多口定向井，進行井組排采試驗，實現(xiàn)井間干擾，以提高單井產(chǎn)氣量、節(jié)約用地和減少鉆前費用。

(2)對煤層頂板附近井段射孔壓裂改造。以往直井均設(shè)計在煤層井段射孔，只對煤層進行壓裂改造，排采后期因煤粉堵塞通道而使產(chǎn)氣效果變差。今后應選擇在煤層頂板附近的井段射孔，對煤層近頂壓裂改造，可有效防止排采過程中產(chǎn)出煤粉堵塞通道而影響產(chǎn)氣量。

(3)沿主煤層頂板的 U 型水平井完井技術(shù)。目標主煤層為構(gòu)造煤時，沿煤層中的 U 型水平井完井方式可能會因煤粉堵塞通道而導致產(chǎn)氣不會太理想，此時應嘗試沿煤層近頂板的U 型水平井完井方式，預計可以提高產(chǎn)氣量、延長穩(wěn)產(chǎn)時間。

(4)使用 N2壓裂、CO2注入等增產(chǎn)技術(shù)。