魏家地煤礦煤層氣成藏特征及開發(fā)對策建議

李作泉， 周曉剛， 邵嗣華， 王 勃， 謝亞東， 權(quán)繼業(yè)， 苗在全

(1.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅白銀 730900； 2.山西尚道能源開發(fā)有限公司，山西臨汾 042500；3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團魏家地煤礦為煤與瓦斯突出礦井，魏家地煤礦東二、東三采區(qū)后期接續(xù)工作面大部分位于煤與瓦斯突出預(yù)測區(qū)域，直接掘進開采瓦斯危害比較嚴(yán)重，加之魏家地煤礦構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域逆斷層與伴生次級小型逆斷層嚴(yán)重破壞煤儲層連續(xù)性和穩(wěn)定性，且煤層厚度大、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、瓦斯壓力高、透氣性差[1-2]，給瓦斯治理和煤礦安全生產(chǎn)接續(xù)造成了較大的難題。通過地面鉆井施工進行井下瓦斯治理和釋放突出區(qū)域是目前一種有效且成熟的技術(shù)手段：通過地面抽采可以最大程度地、高效地降低煤儲層中瓦斯含量和瓦斯壓力，不僅可以保障井下采掘安全、煤礦生產(chǎn)的接續(xù)性和連續(xù)性，也可以提高清潔能源的供給和利用。因此開展魏家地煤礦煤層氣地面抽采既是貫徹落實國家“先采氣、后采煤、采煤采氣一體化”的要求，又是保障煤礦安全、連續(xù)生產(chǎn)的重要舉措[3-5]。

基于上述目的，在分析魏家地煤礦煤層氣賦存地質(zhì)條件、開發(fā)條件的基礎(chǔ)上，針對性地提出了技術(shù)對策，希望可以有效地指導(dǎo)該區(qū)煤層氣開發(fā)和瓦斯治理。

1 煤層氣賦存地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

魏家地煤礦位于白銀市平川區(qū)魏家地村，位于寶積山-紅會拗褶帶，為松山-黃家洼山褶帶的次一級構(gòu)造單元。主體構(gòu)造為一復(fù)式向斜構(gòu)造，褶皺主要有腰水短軸背斜、花尖子短軸向斜、1號背斜、2號向斜、3號背斜及4號向斜，構(gòu)造線方向為N60°～70°W轉(zhuǎn)近EW，平面上略呈“S”形(表1)；斷層主要有F46，F(xiàn)3，F(xiàn)1-2，走向NW—SE，性質(zhì)均為逆斷層，這三條區(qū)域性大斷層周邊伴生發(fā)育較多次一級逆斷層(表2)。

表1 褶皺構(gòu)造要素一覽表

表2 主要斷裂構(gòu)造要素一覽表

1.2 煤層分布

魏家地煤礦成煤于中生代中侏羅世，為陸相山間盆地型沉積，是一套以砂泥巖為主，夾礫巖、砂巖和煤層的含煤建造。

井田內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)窯街組，共含煤4層(自上而下編號為1、2、未2、3煤)，其中主要可采煤層為1煤、3煤，分布面積廣，厚度大且較穩(wěn)定，2煤為局部分布局部可采的不穩(wěn)定煤層，未2煤層為點狀分布的不可采煤層。主采煤層一煤層厚度為0.05～45.47m，平均厚度為10.14m；三煤層厚度為0.29～15.03m，平均厚度為5.58m(表3)。

表3 魏家地煤礦含煤(巖)情況一覽表

1.3 煤層氣賦存特征

魏家地煤礦1煤層氣體主要是以CH4為主，濃度高。1煤層瓦斯含量測試結(jié)果顯示：瓦斯含量為0.31～10.39 m3/t，平均含量為3.57 m3/t；CH4含量為0.13～10.22m3/t，平均含量為3.04m3/t。整體上該井田瓦斯含量平面分布受到埋深和逆斷層的影響(圖1)：①瓦斯含量隨著埋深增大而增大，研究區(qū)瓦斯平均含量分別為6.78 m3/t和3.23 m3/t。；②1號背斜、2號向斜和3號背斜區(qū)域瓦斯含量明顯增大；③F3逆斷層下盤區(qū)域含量明顯增大。

圖1 1煤層瓦斯含量等值線

3煤層瓦斯含量為0.44～5.36 m3/t，平均含量為3.32 m3/t；CH4含量為0.12～4.79m3/t，平均含量為2.31m3/t。該煤層瓦斯含量平面分布同樣受到埋深和逆斷層的影響。

根據(jù)以往瓦斯成分測試數(shù)據(jù)可知該礦煤礦中瓦斯氣體中CH4占比為10.7%～79.0%，平均值為31.3%；N2占比為20.6%～87.1%，平均值為62.9%；CO2占比為1.7%～15.6%，平均值為5.8%。

1.4 水文地質(zhì)特征

魏家地煤礦含煤地層主要為中侏羅統(tǒng)窯街組，主要發(fā)育4套含水層：窯街組砂巖裂隙含水層、新河組底部砂巖裂隙含水層、新河組中段砂巖裂隙含水層和第四系洪積潛水含水層；3套隔水層：窯街組頂部隔水層、新河組下段隔水層和中侏羅統(tǒng)上段、上侏羅統(tǒng)隔水層。整體上隔水層的隔水性能較好，各含水層之間不存在水力聯(lián)系；此外該區(qū)域主要發(fā)育逆斷層，斷層面附近由于泥巖涂抹作用不導(dǎo)水[6-7]，成為良好的隔水?dāng)鄬印?/p>

2 煤層氣開發(fā)條件

2.1 煤層厚度大

井田內(nèi)主采煤層1煤層具有東厚西薄，南厚北薄分布的規(guī)律，南部邊界區(qū)域受到區(qū)域性逆斷層影響煤層厚度急劇增大，煤層厚度在0.05～45.47m，平均為10.14m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～23層，是該井田主采煤層。研究區(qū)內(nèi)絕大部分煤層厚度在10m以上(圖2)，整體從煤層厚度上看，有利于進行地面布井抽采。3煤層在東二、東三采區(qū)僅局部發(fā)育，不做為該區(qū)域開發(fā)煤層。

圖2 1煤層厚度等值線

2.2 埋深適中

1煤層全井田分布，總體埋藏深度變化范圍為317～834m，平均為527m，總體受到區(qū)域單斜構(gòu)造的控制呈“北西淺、南東深”的特征，局部區(qū)域受到次級褶皺和逆斷層的影響埋深變化相對較大，整體上對于魏家地煤礦東二、東三采區(qū)內(nèi)1煤層埋藏深度主要為500～750m。該深度的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)已經(jīng)取得突破，完善的技術(shù)體系和先進的裝備為該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供保障，大大降低勘探風(fēng)險，提高成功率。

2.3 頂?shù)装宸忾]性好

1煤層直接頂板巖性主要為粉砂巖或砂質(zhì)泥巖，主要分布在研究區(qū)的東西兩側(cè)；中—粗粒砂巖，主要分布在研究區(qū)中部，砂巖孔隙度為0.4%～4.87%。整體上1煤層頂板屬低透氣性頂板，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及細(xì)粒砂巖、中—粗粒砂巖，可以為煤層氣原位賦存提供良好的封蓋條件。

2.4 斷層配置有利于煤層氣保存

魏家地煤礦內(nèi)除了三條區(qū)域性逆斷層外，其周圍還伴生發(fā)育了較多次一級逆斷層，增大了煤層氣聚集成藏的復(fù)雜性。逆斷層上下盤在運移過程中斷層面周圍巖石附近受到強烈的揉搓和擠壓作用發(fā)生泥化作用，發(fā)生了典型的逆斷層面泥巖涂抹作用，形成了斷層泥及斷層帶，具有明顯的封閉性，成為阻隔煤層氣逸散的構(gòu)造界面[8]，有利于煤層氣封堵和聚集；另外由于受到逆斷層的影響，煤層厚度變化急劇增大、斷層附近構(gòu)造煤較發(fā)育、地應(yīng)力相對較集中造成煤儲層透氣性差，形成瓦斯局部高富集區(qū)[9]，特別是逆斷層下盤區(qū)域該規(guī)律更為明顯。

2.5 “逆斷層封閉式+水力封堵型”成藏模式

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要為逆斷層，且斷距規(guī)模較大，表明逆斷層在形成過程中經(jīng)歷了較大規(guī)模的滑動和推移，在斷層面附近形成了良好的構(gòu)造界面，氣體沿煤層上傾方向運移時就會在逆斷層下盤斷層面附近被阻擋富集成藏，形成煤層氣富集區(qū)，研究區(qū)典型的逆斷層封閉式煤層氣藏主要分布在研究逆斷層下盤區(qū)域(圖3)[10]。

圖3 “逆斷層封閉式+水力封堵型”成藏模式

水力封堵型煤層氣藏主要位于F3斷層與F46斷層組合形成的地壘構(gòu)造單元內(nèi)和F46斷層與F47斷層組合形成的地塹構(gòu)造單元北部邊緣地區(qū)。地表降水沿著地層和構(gòu)造裂隙帶向下傾方向流動進入煤系地層含水層，氣體沿煤層上傾方向運移，氣體在地下水交替停止帶聚集，形成煤層氣富集區(qū)。

3 存在問題

3.1 地應(yīng)力復(fù)雜

研究區(qū)最大主應(yīng)力為12.00～17.66MPa，應(yīng)力梯度為1.51～2.24 MPa/100m；中間應(yīng)力為6.871～12.27MPa，應(yīng)力梯度為0.867～1.603MPa/100m；最小主應(yīng)力為4.452～6.537MPa。整體上研究區(qū)地應(yīng)力條件復(fù)雜，煤儲層受到復(fù)雜應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力綜合作用下，原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)生破碎變?yōu)樗榱Ｃ?糜棱煤[11]，因此在煤層氣后期抽采過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制井底流壓日降幅度，防止煤儲層受到應(yīng)力敏感性傷害造成滲透率下降[12-13]。

3.2 煤體結(jié)構(gòu)差，成孔和改造難度較大

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有區(qū)域性逆斷層三條，特別是井田南部的F1-2逆斷層，對煤體結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)性質(zhì)影響較大。位于F1-2逆斷層下盤煤層由于受到強烈的擠壓應(yīng)力，煤體結(jié)構(gòu)遭受強烈改造形成了松軟煤層。松軟煤層堅固性系數(shù)均在0.5以下，在鉆井和成孔過程中由于井壁穩(wěn)定性差、易垮塌造成成孔難度較大[14-15]；另外由于泊松比低、楊氏模量低，松軟煤層在壓裂改造過程中難以形成主裂縫或者裂縫長度較小，無法順利添加支撐劑；即使在主裂縫中鋪置了支撐劑，但在后期壓力釋放縫網(wǎng)閉合時也會發(fā)生支撐劑大規(guī)模壓嵌作用[16-17]，造成儲層改造工程失敗。

3.3 地質(zhì)條件較復(fù)雜，抽采技術(shù)可復(fù)制性差

魏家地煤礦構(gòu)造比較復(fù)雜， 區(qū)域逆斷層附近伴生較多次級小斷層，且煤體結(jié)構(gòu)差、瓦斯含量高、透氣性差，研究區(qū)內(nèi)接續(xù)工作面煤與瓦斯突出危害比較嚴(yán)重。如何達(dá)到瓦斯突出災(zāi)害治理和資源有效開發(fā)利用相結(jié)合的“雙贏”目標(biāo)仍需關(guān)鍵技術(shù)的突破。目前該礦井瓦斯抽采主要采取“順層鉆孔、上隅角埋管、上出口低位鉆場短高位鉆孔、頂板巖石走向大直徑高位鉆孔、地面鉆井、頂板瓦斯抽采巷”等手段對井下瓦斯進行抽采治理，雖然取得了一定的成效，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜，目前的抽采技術(shù)和方法不能直接進行復(fù)制，導(dǎo)致瓦斯治理和采煤接續(xù)矛盾突出，因此需要結(jié)合研究區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特點嘗試創(chuàng)建新的瓦斯抽采技術(shù)和手段，爭取早日達(dá)到“雙贏”目標(biāo)。

4 思考與建議

針對研究區(qū)煤層氣地質(zhì)條件，結(jié)合目前國內(nèi)外已經(jīng)成熟的煤層氣開發(fā)技術(shù)體系，提出了煤層氣地面開發(fā)的建議。

4.1 構(gòu)建“頂板卸壓、開采保護層”開發(fā)模式

由于研究區(qū)地應(yīng)力復(fù)雜、煤體結(jié)構(gòu)差，常規(guī)的工藝和技術(shù)往往成孔困難和改造困難。在調(diào)研國內(nèi)外先進工藝和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上[18-19]，提出了“對煤層頂板進行卸壓、開采保護層”的開發(fā)模式[20-21]。本模式的核心就是避開松軟煤層，在堅硬的頂板巖層中實施鉆井施工：這樣既可以保護鉆井，維護井壁穩(wěn)定性，能夠順利成孔；又可以利用定向射孔和壓裂實現(xiàn)較長的壓裂裂縫，增大單井的控制面積，最終實現(xiàn)煤儲層的有效改造和區(qū)域降壓。

4.2 加強地質(zhì)研究，落實“一井一策”

鑒于本區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，不能對成功經(jīng)驗進行簡單復(fù)制，因此建議在以往煤田勘探和煤礦生產(chǎn)地質(zhì)資料綜合分析的基礎(chǔ)上，深入研究基礎(chǔ)地質(zhì)、成藏地質(zhì)、成藏規(guī)律等，精細(xì)化描述煤體結(jié)構(gòu)、頂板巖性和煤層氣成藏特征，進而開展煤層氣專項地質(zhì)選區(qū)評價工作和論證主要目的層段，優(yōu)選煤層氣富集有利區(qū)。

針對不同的有利區(qū)，綜合構(gòu)造的精細(xì)化解釋和工作面接續(xù)計劃，做到“一區(qū)一策”；然后針對性地部署煤層氣井位，最終嚴(yán)格落實“一井一策”[22]。

4.3 加強現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督工作

目前研究區(qū)內(nèi)煤層氣藏的關(guān)鍵參數(shù)和工程施工工藝參數(shù)還比較缺少，因此要重視前期參數(shù)井和開發(fā)井的現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督管理工作，嚴(yán)格落實國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，保證能夠把所有關(guān)鍵參數(shù)取全、取準(zhǔn)，為后期的資源評價、方案調(diào)整和施工工藝優(yōu)化等提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

4.4 按部就班地開展工作

煤層氣勘探開發(fā)是一項涉及多學(xué)科、多專業(yè)、多工序的系統(tǒng)工程，主要包括地質(zhì)分析評價、勘探試驗、開發(fā)先導(dǎo)試驗及規(guī)?；_發(fā)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)[23]，因此建議需要圍繞各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵任務(wù)，有序地開展以下工作。

4.4.1 煤層氣勘探和開發(fā)先導(dǎo)試驗

在前期地質(zhì)研究和井位部署的基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場工程施工，落實區(qū)內(nèi)含煤性、儲層物性和含氣性等關(guān)鍵參數(shù)；在勘探基礎(chǔ)上優(yōu)選煤層氣產(chǎn)氣有利區(qū)，進而通過單井(垂直井、L形水平井、多分支水平井、U形井等)/叢式井組(小井組、大井組)開發(fā)試驗落實產(chǎn)能數(shù)據(jù)，確定適合本區(qū)煤層氣地質(zhì)條件的勘探開發(fā)技術(shù)體系。

4.4.2 規(guī)?；_發(fā)

在深化煤層氣地質(zhì)特征與開發(fā)特征認(rèn)識的基礎(chǔ)上，針對不同區(qū)域進一步細(xì)化、優(yōu)選適用的開發(fā)主體技術(shù)。規(guī)?；_發(fā)的井位部署實施方案是對“一區(qū)一策”“一井一策”的更深層次地落實，有針對性地施工工藝，最終形成本區(qū)特有的煤層氣開發(fā)模式。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)煤層氣賦存條件好，主采煤層厚度平均達(dá)到10.14m、埋深317～834m，煤層氣平均含量為3.23～6.78m3/t。

2)研究區(qū)煤層氣地面開發(fā)具有“煤層厚度較大、埋深適中、頂?shù)装宸忾]性好，逆斷層配置合適”等優(yōu)點。提出了“逆斷層封閉式+水力封堵型”煤層氣成藏模式。

3)研究區(qū)煤層氣勘探開發(fā)存在“地應(yīng)力復(fù)雜；煤體結(jié)構(gòu)差，成孔和改造難度大；地質(zhì)條件較復(fù)雜，抽采技術(shù)可復(fù)制性差”等問題。

4)結(jié)合研究區(qū)煤層氣開發(fā)優(yōu)勢與存在問題，針對性地提出了技術(shù)對策建議：構(gòu)建了“頂板卸壓、開采保護層”的開發(fā)模式；加強地質(zhì)研究，落實“一井一策”；加強現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)督工作；按部就班地有序開展工作。