深部煤層氣異常地質(zhì)特征及開發(fā)技術(shù)探討

降文萍，張培河，李忠城，王 晶，李丹丹，吳 靜，段艷寧，白昱熳

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015)

我國煤層氣資源豐富，其中埋深1000m以淺資源為14.31萬億m3、1000～2000m資源為22.5萬億m3[1]，大比例集中在深部，占總資源量的61.2%。目前，國內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)活動主要集中在1000m以淺，對深部煤層氣資源潛力的認(rèn)識以及勘探開發(fā)還處于探索階段。2016年，國家能源局發(fā)布的《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，明確提出要推進(jìn)深部煤層氣的勘探開發(fā)。在此形勢下，深部煤層氣地質(zhì)與開發(fā)的研究逐漸成為煤層氣工作者的聚焦內(nèi)容。秦勇等[2-4]首先從深部地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換、煤層吸附能力地溫場負(fù)效應(yīng)、煤巖物理性質(zhì)特殊性等方面，分析了深部煤層氣成藏的地質(zhì)條件及特殊性。更多的研究者則開展了深部煤層氣含氣性[5-9]、儲層屬性[10，11]、資源潛力[12-14]等等工作，對不同于淺部地質(zhì)特征的認(rèn)識也逐漸明朗。近年來，很多研究者探討了深部煤層氣開發(fā)潛力和技術(shù)工藝，包括壓裂排采工藝[15-19]、高效開發(fā)模式等[20-24]，部分研究者在先導(dǎo)性試驗基礎(chǔ)上探討了深部地質(zhì)對開發(fā)效果的影響[25-29]?？傮w來說，研究者普遍認(rèn)為深部煤層氣地質(zhì)條件具有高地應(yīng)力、高壓、高溫“三高”特征，開發(fā)工程不能簡單照搬淺部技術(shù)工藝。沁水盆地南部是我國煤層氣開發(fā)取得成功的典范地區(qū)，主要開發(fā)淺部山西組3煤層，隨著3煤層煤炭資源逐步減少，煤層氣開發(fā)目光也轉(zhuǎn)向深部及盆地北部太原組15煤層。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司即在盆地北部壽陽區(qū)塊對15煤層開展了比較廣泛的煤層氣勘探開發(fā)活動，但目前大部分井產(chǎn)氣量還沒達(dá)到預(yù)期效果，作者所在項目組在總結(jié)地質(zhì)與工程資料基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)區(qū)塊15煤深部煤層氣儲層特征具有異常和特殊性，不同于國內(nèi)其他地區(qū)“三高”特征，研究區(qū)埋深1000m以深15煤層儲層壓力、儲層溫度、含氣量等都比較低，因此，其煤層氣儲層是否具有開發(fā)性以及應(yīng)用何種開發(fā)方式及技術(shù)，尚需進(jìn)一步深入研究。

1 地質(zhì)背景

壽陽區(qū)塊位于山西省中部、沁水煤田的北端，總面積1718km2。區(qū)塊地質(zhì)背景受控于沁水盆地整體大環(huán)境，早中侏羅世燕山運動作用下形成了盆地主體格架，以及大型構(gòu)造——沁水復(fù)向斜，該期主要表現(xiàn)為擠壓環(huán)境；喜山運動中盆地遭受再次改造，形成了內(nèi)部不同規(guī)模的次級構(gòu)造，研究區(qū)所處沁水向斜北部轉(zhuǎn)折端的陽泉復(fù)向斜即在該時期形成，總體呈東西走向、向南傾斜的單斜構(gòu)造，內(nèi)部發(fā)育一些不同方向的次一級褶曲和斷裂[30]。

區(qū)塊含煤地層主要為二疊系山西組和石炭系太原組，太原組15煤層分布最穩(wěn)定，煤層埋深基本都大于800m。煤層屬于障壁海岸及三角洲體系沉積，為海退序列的泥炭沼澤化產(chǎn)物，沉降和堆積的速率基本相同，故煤層發(fā)育比較穩(wěn)定；區(qū)塊中部部分地區(qū)因受古河道沖刷作用比較嚴(yán)重，導(dǎo)致煤層變薄[30]，其他區(qū)煤層厚度基本穩(wěn)定在3m左右。與國內(nèi)其他含煤區(qū)一樣，15煤分布及厚度發(fā)育特征主要受控于古地理沉積環(huán)境和沉積相分布。

2 煤層氣儲層特征

2.1 含氣性

統(tǒng)計了區(qū)塊內(nèi)近百口煤層氣井15煤層儲層參數(shù)測試數(shù)據(jù)，如圖1所示。區(qū)內(nèi)煤層含氣量較低，大部分區(qū)含氣量在10～12m3/t之間，僅在東部和西部超過14m3/t，埋深超過1400m含氣量最高也僅22m3/t。這與國內(nèi)其他區(qū)深部煤層含氣性分布特征有所不同，陳剛等[7]統(tǒng)計全國大部分埋深1200m以淺含氣量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)含氣量與埋深具有正相關(guān)關(guān)系，但研究區(qū)深部15煤層埋深對含氣量的單一控制作用并不明顯，僅在東部部分區(qū)具有該關(guān)系。

圖1 研究區(qū)15煤層含氣量等值線圖

一般情況下，煤層埋深和變質(zhì)作用都對含氣量具有較大的控制作用，變質(zhì)作用決定煤層生氣量，主要體現(xiàn)在平面展布上；埋深則影響煤層氣保存條件，體現(xiàn)在縱向分布上。秦勇等[2，3，10]認(rèn)為深部煤層含氣量并不隨埋深呈線性增大關(guān)系，而是會在某個深度出現(xiàn)臨界點；顧嬌楊等[9]研究臨興區(qū)塊深部煤層含氣性時發(fā)現(xiàn)了“成熟度主控含氣量”特點。研究區(qū)15煤層受控于深成變質(zhì)和區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用的雙重影響，煤變質(zhì)程度較高，主要為高變質(zhì)貧煤和無煙煤，氣體成因主要為熱成因類型。由15煤含氣量與煤層埋深、鏡質(zhì)組最大反射率的關(guān)系(圖2)，15煤含氣量均表現(xiàn)為在埋深1200～1500m范圍出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即所謂的臨界深度，埋深超過該范圍后含氣量開始減小，這一點與其他區(qū)及盆地南部臨界深度在800～1000m范圍不同[2，3，10]。15煤含氣量與變質(zhì)程度也未呈現(xiàn)出單調(diào)關(guān)系，在鏡質(zhì)組最大反射率約2.25%～2.5%，含氣量達(dá)到最大，此后隨反射率增高呈減小趨勢?？傮w可以看出，15煤含氣量相對較低，縱向上含氣量受埋深和變質(zhì)程度的雙重影響。

圖2 15煤層含氣量與煤層埋深、鏡質(zhì)組最大反射率關(guān)系

2.2 儲層壓力與儲層溫度

儲層壓力與儲層溫度是煤層氣保存條件的主要因素，儲層壓力較高、儲層溫度較低條件下，煤層氣保存條件好，含氣量一般較高。利用煤層氣井注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)分析了15煤層儲層壓力與儲層溫度特點(圖3)。由圖3可以看出，800～1450m范圍內(nèi)15煤儲層壓力基本都低于8MPa、儲層溫度低于40℃，屬于比較嚴(yán)重的低壓力梯度和低地溫梯度類型。儲層壓力低，一方面不利于煤層氣保存，這是15煤含氣量較低的原因之一，另一方面也增加了煤層氣井的排水降壓難度。

圖3 15煤層儲層壓力與溫度和煤層埋深關(guān)系

2.3 滲透性

深部煤層在有效應(yīng)力和儲層溫度的共同作用下，孔隙和裂隙呈現(xiàn)不同程度開閉狀態(tài)，進(jìn)而影響煤層的滲透性[2]。研究區(qū)15煤儲層滲透率總體較低，與煤層埋深的關(guān)系較為明顯，埋深850～900m間滲透率在0.8～1.0mD范圍，埋深超過1000m后滲透率基本都小于0.1mD，為典型低滲儲層特征(圖4)。Kang等[31]根據(jù)大小將地層地應(yīng)力分為四類，大于30MPa為超高應(yīng)力、18～30MPa為高應(yīng)力、10～18MPa為中應(yīng)力、0～10MPa為低應(yīng)力，15煤層地應(yīng)力在埋深850～900m之間呈現(xiàn)一個高值，達(dá)到28MPa；埋深超過900m后，地應(yīng)力基本在20MPa左右，總體為高應(yīng)力，有隨埋深增加逐漸增大的趨勢，而滲透率也具有隨地應(yīng)力增大呈顯著降低的態(tài)勢。

圖4 15煤層地應(yīng)力與滲透率和煤層埋深關(guān)系

15煤層埋深大、有效應(yīng)力高，且經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，都對煤層煤體有不同程度的破壞作用，煤體結(jié)構(gòu)總體較差，基本以碎裂-碎粒結(jié)構(gòu)或碎粒結(jié)構(gòu)為主，這也是煤層滲透性差的一個因素。部分地段煤層氣井取心雖保存比較完整，但煤體致密性比較強，所測滲透率也很低。此外還有一種可能，煤體雖在有效應(yīng)力下看似為一個整體，但在地應(yīng)力釋放后變成松散破碎狀，類似于整塊豆腐被碾碎的情況，故煤體滲透性也很低，這種煤層在沁水盆地南部趙莊等煤礦，云南貴州等西南地區(qū)煤礦井下觀測時具有一定的普遍性。

利用煤真視密度值計算了15煤孔隙度。相比其他區(qū)高變質(zhì)貧煤和無煙煤，15煤孔隙度比較高，平均7.3%，最大甚至達(dá)到10.5%，可見15煤為典型的高孔低滲儲層?？紫抖扰c煤層埋深、地應(yīng)力也有較好的相關(guān)性，均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。深部煤層變質(zhì)程度高、有效應(yīng)力大，孔隙基本以微孔為主，且以氣孔最為發(fā)育，這類孔隙雖有利于氣體吸附，但連通性差，對儲層改造和排采管理等環(huán)節(jié)都具有比較大影響。我國很多地區(qū)煤層氣產(chǎn)氣中具有井底流壓與產(chǎn)氣曲線波動特征，都可能與煤層孔隙系統(tǒng)有很大關(guān)系[32]。

圖5 15煤層孔隙度與地應(yīng)力關(guān)系

2.4 吸附-解吸特征

整理15煤儲層溫度下Langmuir體積和Langmuir壓力，發(fā)現(xiàn)800～1750m埋深范圍內(nèi)吸附參數(shù)分布都比較穩(wěn)定，Langmuir體積平均27.5cm3/g、Langmuir壓力平均2.10MPa，與煤層埋深變化無明顯相關(guān)性(圖6)。收集的等溫吸附實驗中最高壓力點不超過8MPa，利用四個溫度34℃、37℃、44℃、40℃實驗數(shù)據(jù)，推測獲得儲層壓力11MPa下吸附量基本在24～26cm3/g間，且吸附曲線仍處于比較大的上升趨勢(圖7)，表明15煤層吸附能力總體較強，深部壓力對吸附的正效應(yīng)仍高于溫度的負(fù)效應(yīng)，這與張群等[33]開展的不同變質(zhì)程度煤變溫變壓吸附實驗結(jié)果吻合。

圖6 15煤層等溫吸附參數(shù)和煤層埋深關(guān)系

圖7 15煤層等溫吸附曲線

臨界解吸壓力是煤層氣降壓過程中氣體開始解吸所對應(yīng)的壓力值，一般來說，其值越大初始產(chǎn)氣時間越早。利用等溫吸附數(shù)據(jù)和含氣量結(jié)果，計算分析了15煤臨界解吸壓力及其與煤層埋深關(guān)系(圖8)。15煤臨界解吸壓力基本都低于5MPa、平均2.8MPa，總體呈隨煤層埋深增大而逐漸增高的特點。

圖8 15煤層臨界解吸壓力和煤層埋深關(guān)系

2.5 游離氣比例

深部煤層普遍儲層溫度高于淺部，煤層氣解吸能力相對高，游離氣占比也增高。侯曉偉等[34]認(rèn)為煤層游離氣含量隨埋深增加表現(xiàn)為遞增特點。15煤層儲層溫度基本在30～40℃之間，隨埋深增加呈逐漸升高趨勢，故更大埋深存在游離氣占比更高的可能。此外，相比國內(nèi)其他地區(qū)，15煤層孔隙度相對較高、平均超過了6.5%，水分含量相對較低、基本都低于0.5%(圖9)。煤層中水分含量低，孔隙中氣體為主要壓力載體，這也預(yù)示深部煤層存在較高的游離氣量來支撐孔隙壓力。15煤層現(xiàn)有生產(chǎn)井的典型排采曲線如圖10所示，開始排采即出現(xiàn)產(chǎn)氣量突升高產(chǎn)形態(tài)，隨后又突然下降，基本也符合游離氣含量高的特征。

圖9 15煤層孔隙度與煤質(zhì)水分和埋深關(guān)系

圖10 煤層氣井產(chǎn)氣曲線

3 煤層氣開發(fā)技術(shù)對策

根據(jù)研究區(qū)15煤層主要煤層氣儲層特征，結(jié)合近年來國內(nèi)煤層氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀，探討了今后開發(fā)技術(shù)對策。

3.1 開發(fā)方式

3.1.1 水平井

針對國內(nèi)含煤地區(qū)普遍煤體碎軟及煤層氣抽采效果差等問題，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司張群等[35]提出了頂板巖層水平井分段壓裂模式，已在包含沁水盆地南部3煤和15煤的多個地區(qū)取得了產(chǎn)氣突破。根據(jù)該技術(shù)特點及對煤層氣地質(zhì)條件的要求，簡單分析該方式應(yīng)用于研究區(qū)15煤層的可行性。

根據(jù)研究區(qū)多口煤層氣井陣列聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，推算了15煤層及頂板的三向應(yīng)力大小。煤層800m以深三向應(yīng)力基本以垂向應(yīng)力為最大(圖11)。15煤層頂板以泥巖、砂泥巖、灰?guī)r為主，計算也發(fā)現(xiàn)頂板最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力均高于煤層(表1)，這表明頂板圍巖能量超過下部15煤層。這些特征都意味著水力壓裂過程中容易形成垂直裂縫，同時也預(yù)示著頂板巖層壓裂方式容易實現(xiàn)壓裂縫向煤層擴展。因此，初步認(rèn)為頂板巖層水平井分段壓裂模式在研究區(qū)具有一定的適應(yīng)性。

圖11 15煤層三向應(yīng)力特征

此外，也可借鑒煤礦區(qū)梳狀鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，采用煤層頂板或底板多分支水平井開發(fā)方式，水平井主支在頂板或底板圍巖中鉆進(jìn)，減少卡鉆等鉆井事故、提高鉆井效率，其他分支則在15煤層中鉆進(jìn)延伸，如此形成網(wǎng)狀的鉆井軌跡，實現(xiàn)煤層氣多通道滲流產(chǎn)出。

表1 研究區(qū)煤層及頂板巖層地應(yīng)力測井?dāng)?shù)據(jù) MPa

3.1.2 垂直井

研究區(qū)除15煤層發(fā)育穩(wěn)定外，太原組9煤和山西組3煤發(fā)育也相對穩(wěn)定，具有厚度較大、含氣量較高的優(yōu)勢，采用垂直井方式更容易實現(xiàn)多煤層的煤層氣資源回收利用，降低工程成本?？紤]到這些煤層煤體結(jié)構(gòu)也比較破碎，煤層直接壓裂方式壓裂縫延展較差，建議采用圍巖煤層合壓的方式，即“兼壓差氣層、主采煤層氣”模式[20]，以提高深部煤層氣開發(fā)效果。

3.2 增產(chǎn)工藝

3.2.1 水力壓裂改造技術(shù)

深部煤層采用常規(guī)水力壓裂方式，容易出現(xiàn)破裂壓力高、加砂困難、停泵壓力高等現(xiàn)象，導(dǎo)致壓裂縫長度變短；由于深部煤儲層地應(yīng)力高，壓裂支撐劑更容易發(fā)生嵌入造成導(dǎo)流裂縫閉合[22，24]。研究區(qū)前期煤層氣垂直井中均采用了水力壓裂改造工藝，但由于壓裂措施和規(guī)模不同其產(chǎn)氣效果也有很大差異，北部5口井壓裂施工穩(wěn)定、施工排量平均7.5m3/min、平均砂比10.8%、壓裂液總量平均740m3、平均日產(chǎn)氣量超過510m3/d，南部2口井壓裂施工出現(xiàn)多次作業(yè)現(xiàn)象，平均砂比3.9%、壓裂液總量平均625m3、平均日產(chǎn)氣量僅201m3/d。

深部煤層壓裂中需提高施工壓力，壓力過小，更遠(yuǎn)處煤層無法有效壓開，支撐劑大量堆積在近端煤層，裂縫高度也隨之增大，壓裂效果變差。此外，也應(yīng)該加大壓裂液排量，其一可形成較大規(guī)模的裂縫，其二也有利于排采初期時壓裂液返排。對于深部煤層壓裂加砂規(guī)模，還需考慮煤體結(jié)構(gòu)的影響，碎軟煤體中支撐劑不僅難以起到有效支撐裂縫作用，還容易與煤粉粘結(jié)，堵塞裂縫通道。選擇適合的支撐劑種類、合理的加砂量及砂比，是研究區(qū)煤層壓裂工程重點考慮的環(huán)節(jié)。

3.2.2 極小半徑鉆井技術(shù)

極小半徑鉆井技術(shù)是利用高壓水射流能量在地層中側(cè)鉆出多個不同方位的放射狀水平井眼，實現(xiàn)地層壓力釋放、增加氣體產(chǎn)出通道的技術(shù)，已成為石油、煤層氣領(lǐng)域儲層改造、產(chǎn)量增收的有效手段[36]，遼河油田即開展了多口井極小半徑鉆井技術(shù)應(yīng)用，產(chǎn)量是其他井的1.4～7倍；沁水盆地晉城區(qū)塊也開展了多口煤層氣井工程試驗，個別井日產(chǎn)氣量從0增到500m3/d，效果非常明顯。在煤層氣井中從不同方位實施高壓水射流技術(shù)，形成多個井眼及比較長的鉆井軌跡，一方面增大煤層卸壓范圍，另一方面也可溝通煤層天然裂縫，并誘導(dǎo)產(chǎn)生新的裂隙，提高儲層滲透率，達(dá)到提高產(chǎn)氣量目的[19]。該技術(shù)類似于多分支水平井方式，成本低、對煤儲層近乎零污染，可考慮在研究區(qū)進(jìn)行應(yīng)用。

3.2.3 CO2-ECBM技術(shù)

煤層注入CO2提高煤層氣采收率技術(shù)(CO2-ECBM技術(shù))是將CO2注入深部煤層，利用CO2在煤層中高于甲烷的吸附能力以及氣體分壓的作用，將煤層甲烷驅(qū)替產(chǎn)出。目前，國內(nèi)僅在晉城區(qū)塊和柳林區(qū)塊進(jìn)行了先導(dǎo)性現(xiàn)場試驗，煤層氣產(chǎn)量有一定幅度增高。深部煤層采用該技術(shù)相對更有利，一方面儲層溫度較高，比甲烷吸附能力強的CO2氣體更容易被穩(wěn)定吸附，另一方面由于其CO2分子直徑小于甲烷分子更容易進(jìn)入微小孔隙，釋放更多甲烷、儲集更多CO2量。15煤層埋深大部分大于1000m，儲層壓力和溫度相對低，對甲烷吸附-解吸有較大影響，但對CO2吸附儲集影響微弱，因此可以嘗試采用CO2-ECBM技術(shù)。此外，考慮到15煤儲層溫度基本都超過CO2臨界溫度(31.06℃)，在水力壓裂改造中可嘗試采用注CO2泡沫壓裂方式來提高壓裂效果。

3.3 排采制度

煤層氣排采是整個開發(fā)工程的最后環(huán)節(jié)，也是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，排采不當(dāng)可能會前功盡棄。15煤層埋深大、臨界解吸壓力低，需要更長的排水降壓時間才能見氣，意味著更應(yīng)該采取慢、控、穩(wěn)的排采制度。埋深大，煤層氣井壓后返排時間也較長，因此可將壓后返排作為排采管理第一階段考慮。初始排采階段如動液面下降幅度過大或過快，不僅導(dǎo)致解吸半徑小、煤層因應(yīng)力敏感裂縫閉合程度大，而且容易產(chǎn)生“氣鎖”效應(yīng)，致使更遠(yuǎn)處水體難以流向井筒，故而形不成大型的有效壓降漏斗，產(chǎn)氣效果整體不理想；如動液面下降幅度過慢，容易引起煤粉堵塞，降低氣體滲流的通暢性。此外，排采中應(yīng)保持動力穩(wěn)定、排采持續(xù)，頻繁關(guān)井停產(chǎn)和修井都容易引起已有滲流通道閉合，即使在恢復(fù)生產(chǎn)后也可能難以回到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)。研究區(qū)現(xiàn)有15煤氣井部分有產(chǎn)水較低的問題，可以考慮在排采后期將泵吸入口下到15煤下部位置，在加深泵掛位置的同時實施間抽生產(chǎn)，保障井底流壓具有合理的下降空間[17]，此外也可嘗試采用撈水裝置將井筒積液撈出工藝來提高產(chǎn)氣效果[28]。

4 結(jié) 語

不同于國內(nèi)其他深部地區(qū)“高壓、高溫、高應(yīng)力”特征，研究區(qū)15煤深部煤層氣地質(zhì)具有特殊性，通過綜合分析得到如下幾點認(rèn)識；

1)15煤層含氣量縱向上受煤層埋深和變質(zhì)程度的雙重影響，800m以深含氣量總體屬于中等大小規(guī)模，大部分在10～12m3/t之間，僅在東部和西部超過14m3/t、最高也僅22m3/t；在埋深大約1200～1500m出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點后，含氣量隨深度增大開始降低。

2)15煤儲層壓力低，為較嚴(yán)重的欠壓儲層，800～1450m范圍儲層壓力基本在4～8MPa之間；儲層溫度也相對較低，800～1450m范圍儲層溫度在27～40℃之間。地應(yīng)力基本都在20MPa以上，屬高應(yīng)力范疇，最大主應(yīng)力以垂向應(yīng)力為主；煤層為高孔低滲儲層，孔隙度高、滲透率低，滲透性主要受煤層埋深、地應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)和孔隙特征影響。

3)15煤水分含量一般低于0.5%，孔隙度大部分都在6%以上，結(jié)合現(xiàn)有煤層氣井生產(chǎn)曲線，推測深部煤層中具有較高占比的游離氣量。

4)根據(jù)15煤深部煤層氣地質(zhì)特征，提出了相應(yīng)的開發(fā)方式建議，即單煤層采用頂板巖層水平井分段壓裂方式或圍巖多分支水平井方式，多煤層則采用圍巖與煤層合壓的垂直井方式，可嘗試采用極小半徑鉆井、CO2-ECBM等增產(chǎn)工藝，排采工程則應(yīng)堅持貫徹慢、控、穩(wěn)的精細(xì)化管理制度。