海石灣礦區(qū)煤層氣富集高產(chǎn)主控地質(zhì)因素

張吉福，袁崇亮，王 勃，張永成，周曉剛，張小東，李 彤，李德慧

（1.窯街煤電集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730084；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；3.煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實驗室，山西晉城 048000；4.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000；5.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用不僅是發(fā)展清潔能源的重要組成部分，而且是確保煤礦安全生產(chǎn)、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑之一［1-3］。經(jīng)過40余年發(fā)展，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)已初步形成了以沁水盆地、鄂爾多斯盆地兩大產(chǎn)業(yè)基地為代表、多點(diǎn)小規(guī)模突破的產(chǎn)業(yè)格局現(xiàn)狀。目前已初步形成了鉆完井、增產(chǎn)改造、排采及穩(wěn)產(chǎn)、集輸、發(fā)電利用等關(guān)鍵技術(shù)系列［4-6］，推動了煤層氣資源開發(fā)利用的“降本增效”。近10年來，借鑒煤層氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)體系在煤礦后備區(qū)開展瓦斯地面預(yù)抽已成為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的重要手段［7-10］。

窯街煤電集團(tuán)公司海石灣煤礦為煤與瓦斯（CO2）突出礦井，多年來，該礦井一直采用開采保護(hù)層卸壓、底板巷穿層預(yù)抽等瓦斯治理技術(shù)措施，初步形成了以抽采為主、風(fēng)排為輔的瓦斯治理格局，基本解決了煤與瓦斯突出問題，取得了較好的安全成效［11-13］。近年來，隨著礦井采煤深度的不斷增加，井下瓦斯地質(zhì)條件變得愈加復(fù)雜，地應(yīng)力明顯增加且應(yīng)力狀態(tài)變化較大，煤層透氣性變差，造成瓦斯抽采、瓦斯治理難度大大增加［14，15］，嚴(yán)重影響該礦井“保、抽、掘、采”平衡和采掘接替，限制了礦井開采速度優(yōu)勢的發(fā)揮。開展海石灣礦區(qū)煤層氣地面開發(fā)利用既是貫徹國家發(fā)改委提出的“先采氣后采煤、采煤采氣一體化”的煤層氣開發(fā)“安全—資源—環(huán)境”理念，也是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要舉措。基于此，在分析海石灣礦區(qū)地質(zhì)條件、煤層氣賦存特征的基礎(chǔ)上，提出了該礦區(qū)煤層氣資源富集和高產(chǎn)的有利地質(zhì)條件，以期指導(dǎo)該區(qū)煤層氣資源的高效開發(fā)利用。

1 區(qū)域概況

1.1 構(gòu)造

海石灣礦區(qū)位于蘭州市西北紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)，位于民和盆地中央隆起帶的西端，為民和盆地次一級構(gòu)造單元（圖1）。海石灣礦區(qū)主要構(gòu)造運(yùn)動有三期，分別是晚二疊世—三疊紀(jì)的印支運(yùn)動、晚三疊世—白堊紀(jì)的燕山運(yùn)動以及古近紀(jì)至今的喜馬拉雅運(yùn)動，相對應(yīng)的構(gòu)造層為侏羅系構(gòu)造層和下白堊統(tǒng)構(gòu)造層。三疊紀(jì)末—侏羅紀(jì)前的印支期晚期構(gòu)造運(yùn)動，開始了盆地的坳陷，并在局部接受了下侏羅紀(jì)沉積；侏羅紀(jì)末白堊紀(jì)前的中燕山構(gòu)造運(yùn)動，造成了明顯的地層角度不整合及坳陷沉降范圍的擴(kuò)大，控制了海石灣礦區(qū)幾組NNW、NNE 斷裂帶和煤系地層的展布，以及NE 向斜列的侏羅系背斜與向斜，是形成中生代褶皺斷裂的一次重要構(gòu)造運(yùn)動；白堊紀(jì)末新近紀(jì)前的構(gòu)造運(yùn)動造成了上下巖層的角度不整合，控制了上白堊統(tǒng)與新近系的沉積范圍，基本結(jié)束了中央隆起帶的坳陷史［15，16］。隨后礦區(qū)內(nèi)形成了西南部高而北東部低的基底構(gòu)造形態(tài)，侏羅紀(jì)形成一向北東收斂、向南西開口的帚狀褶皺形態(tài)。海石灣礦區(qū)斷裂構(gòu)造目前鉆孔控制及揭露發(fā)現(xiàn)的斷層共有55條（正斷層36條，逆斷層19條），平均每平方千米有斷層8.7條，且多為小型斷裂。

圖1 海石灣礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Structural outline map of Haishiwan mining area

1.2 含煤地層

海石灣礦區(qū)成煤于中侏羅世，為陸相山間盆地型沉積，是一套以砂泥巖為主，夾礫巖、砂巖、油砂巖、油頁巖和煤層的含煤建造。礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)窯街群，含煤6 層，煤厚0～77.2m，平均25.7m，自下而上分別以煤三、煤二、煤B（B3、煤B2、煤B1及油A層相稱（圖2）。其中只有油A層和煤二層分布相對穩(wěn)定，為主采煤層。

圖2 煤系地層綜合柱狀圖Figure 2 Comprehensive column of coal measure strata

2 煤層氣賦存特征

2.1 主力煤層埋深適中,厚度大

煤二層位于窯街群第二巖組含煤段的底部，煤質(zhì)為低灰、特低硫、低磷、高熱值的弱黏煤、不黏煤，為緩傾斜煤層，傾角一般5°～25°，基本上呈一北高南低、向南開闊的簸箕形向斜構(gòu)造形態(tài)。煤二層相對較厚，為0～59.28m，平均厚度19.61m，西部超覆尖滅。煤層厚度具有東厚西薄，呈條帶狀的分布特點(diǎn)，在東部靠近邊界大斷層處，煤層厚度特別大，煤厚變化較大。埋深506.72～1 013.14m，平均685m，埋深變化與向斜具有較好的一致性，呈現(xiàn)軸部深、兩翼淺，南深北淺的特征。

2.2 煤層含氣量

海石灣礦區(qū)東北部煤二層氣體自然成分中主要是以“無機(jī)源” CO2為主，濃度高，含量大。根據(jù)《煤層氣含量測定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T19559—2021），對20余口煤層氣井的70件煤樣進(jìn)行了含氣量測試，結(jié)果表明：煤二層總含氣量為0.32～21.30m3/t，CH4、CO2含量分別為0.26～9.51m3、0.06～21.97m3，平均含量為3.53m3/d、11.07m3/d，另含有少量的C2-C4，平均瓦斯含量為7.89m3/t。煤二層氣體自然組分中，中西部基本上混入了相對較高的CH4成分，和東北部相比，CH4含量增加，南部基本上以CH4為主，不但CH4濃度大幅度升高，而且CH4含量急劇增大。根據(jù)煤田地質(zhì)勘探期間含氣量測試結(jié)果，煤二層氣體自然條件組分中，CO2占15.47%～95.22%，平均55.17%、CH4占2.02%～76.62%，平均37.29%、CO2-CO4占1.36%～13.08%，平均4.17%。

2.3 資源儲量適中、豐度高

海石灣礦區(qū)煤二層煤層氣資源量計算方法采用體積法［17］。計算公式如下：

式中：Gi為煤層氣地質(zhì)儲量，106m3；A為煤層含氣面積，km2；h為煤層凈厚度，m；D為煤的干燥基質(zhì)量密度，t/m3；Cad為煤的干燥基含氣量，m3/t。

按照塊段劃分，將區(qū)內(nèi)煤層氣CO2資源量計算劃分為八個計算單元，CH4資源量計算劃分為七個計算單元。計算結(jié)果：煤二層（CO2）資源量11.44×108m3，CH4資源量3.04×108m3，煤層氣資源總量為14.48×108m3，根據(jù)《煤層氣儲量估算規(guī)范》（DZ/T0216—2020）中附錄D中的D.1和D.2可知，該礦區(qū)屬于中型儲量規(guī)模，地質(zhì)儲量豐度為2.24×108m3/km2，屬于高地質(zhì)儲量豐度煤層氣藏。

3 煤層氣富集主控因素

3.1 煤層厚度大、埋深適中,利于氣體的生成

海石灣礦區(qū)煤層厚度較大，為氣體大量生產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)該區(qū)域煤炭勘查鉆孔數(shù)據(jù)可知，隨著煤層厚度增大CO2含量逐漸增大，通過回歸可知其相關(guān)關(guān)系式為y=0.140 1x+2.832 8（R2=0.448 6），主要原因為CO2氣體含量與井田東部邊界的F19斷裂密切相關(guān)，煤層自西向東逐漸變厚，主要原因是F19斷裂在形成過程中的擠壓變形造成煤層變厚，靠近F19斷裂煤層厚度達(dá)到60m左右。F19斷裂在井田CO2成藏過程中起到了成氣斷裂、輸氣斷裂和封氣斷裂的多重作用。在F19斷裂帶運(yùn)動期，動力變質(zhì)成因CO2在異常高壓作用下，為CO2在F19斷裂帶中提供運(yùn)移動力，當(dāng)斷裂帶停止活動或氣體壓力降低到一定程度，裂隙閉合，滲透性降低；而進(jìn)入煤儲層中，由于煤對CO2吸附膨脹，導(dǎo)致煤體滲透性降低，此時CO2在煤層中的主要運(yùn)移形式為擴(kuò)散，濃度梯度的作用下由F19斷裂帶向井田西部擴(kuò)散（由厚向薄），說明F19斷裂是CO2含量的主要影響因素（圖3）。

圖3 煤層厚度與含氣量關(guān)系Figure 3 Relationship between thickness of coal and gas content

海石灣礦區(qū)煤儲層埋藏深度與CH4含量呈正相關(guān)關(guān)系，通過回歸可知其相關(guān)關(guān)系式為y=0.011 8x-7.558 6（R2=0.616，9），煤儲層CH4含量隨煤層埋深增加而增大，平均每加深100m，CH4噸煤含量增加約1m3；埋深與CO2含量相關(guān)關(guān)系不明顯，說明埋深不是影響CO2含量的主控因素（圖4）。

圖4 煤層埋深與甲烷含量關(guān)系Figure 4 Relationship between depth of coal and CH4 content

3.2 斷層配置有利于煤層氣保存

海石灣礦區(qū)揭露斷層共有55 條，但落差大于5m 斷層僅有6 條，平均0.93 條/km2，落差小于5m 斷層有49 條，平均7.59 條/km2。礦區(qū)內(nèi)小斷層發(fā)育，由于小斷層切割地層不多，規(guī)模相對較小，有利于煤層氣的儲集；礦區(qū)煤二層頂板為泥巖-細(xì)砂巖，底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖，形成了較好的煤層瓦斯儲集空間和有利的保存條件，從瓦斯分布剖面來看，小斷層附近的CO2含量為6～7m3/t，CH4含量為1.5～2m3/t，總體上略高于區(qū)內(nèi)的煤層平均含氣量（圖5）。

圖5 斷層分布與煤層瓦斯賦存關(guān)系示意圖Figure 5 Schematic diagram of the relationship between fault distribution and coal seam gas occurrence

3.3 頂?shù)装宸忾]性好,利于氣體保存

煤二層偽頂一般為泥巖或細(xì)粒砂巖，厚度0～0.4m；直接頂板為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，平均厚20m；老頂為煤一層及其頂板泥灰?guī)r、油頁巖等。老頂油頁巖全區(qū)發(fā)育，厚度平均為20m，有利于該區(qū)域煤層氣藏和煤層頂板致密砂巖氣藏的保存。煤二層底板一般為灰色、深灰色泥巖、炭質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖穩(wěn)定性均好，平均厚度為8.5m。

海石灣井田儲蓋組合與實測含氣量之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。主要表現(xiàn)為頂、底板變化對煤層氣組分的影響較大，當(dāng)煤層直接頂板巖性組合為泥巖，直接底板巖性組合為泥巖、（炭質(zhì)）泥巖—泥巖時，煤層中CH4含量大于4m3/t，CO2含量小于或等于5m3/t；當(dāng)煤層直接頂板巖性組合為泥巖、泥巖—細(xì)粒砂巖、細(xì)粒砂巖時，直接底板巖性組合為泥巖—細(xì)粒砂巖、細(xì)粒砂巖時，煤層中CH4含量小于或等于4m3/t，CO2含量大于5m3/t。原因之一為CO2在煤層中的擴(kuò)散運(yùn)移中表現(xiàn)出對煤層中CH4的驅(qū)替效應(yīng)；另一個原因是煤層對CO2、CH4的吸附解吸以及差異運(yùn)移等因素導(dǎo)致。海石灣井田CO2的成因為深部無機(jī)成因，CO2的擴(kuò)散能力、分子直徑、吸附能均大于CH4，當(dāng)煤層頂、底板為砂巖，利于CO2向煤層中運(yùn)移，導(dǎo)致煤層中CO2的濃度和含量增大。CO2含氣量變化與CO2運(yùn)移有關(guān)，這種變化會在較長的地質(zhì)歷史中保持下來，CO2向煤層中運(yùn)移擴(kuò)散，進(jìn)一步增加了煤層中瓦斯含量（圖6）。

圖6 海石灣區(qū)塊煤二層煤層氣儲蓋組合巖性與含氣量關(guān)系Figure 6 Relationship between the gas content of the second coal seam and caprocks

4 煤層氣高產(chǎn)井生產(chǎn)特征及煤層氣高產(chǎn)主控因素

4.1 煤層氣高產(chǎn)井生產(chǎn)特征

海石灣礦自2020年開始進(jìn)行瓦斯地面抽采，截至2022 年4 月30 日，已累計投產(chǎn)30 口井?？紤]工程施工因素變化差異不大，為便于分析，排除6口井投產(chǎn)時間短未產(chǎn)氣的井。通過對24 口煤層氣井近兩年半生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，將煤層氣井分為高產(chǎn)井（平均日產(chǎn)氣量＞1 500m3）、中產(chǎn)井（1 000～1 500m3）和低產(chǎn)井（＜1 000m3）三種類型，其中高、中、低產(chǎn)氣井分別占29%、33%及38%。

高產(chǎn)氣井的生產(chǎn)特征：見氣相對較晚，平均見氣時間35d；峰值產(chǎn)量不明顯，衰減緩慢，氣量平均可達(dá)1 500m3/d以上。以2-2V井為例，該井2021年1月投產(chǎn)，33d后見氣，304d后產(chǎn)量峰值達(dá)2 607m3/d，未見明顯衰減期，截至2022 年4 月底，日產(chǎn)氣量1 974m3/d，累產(chǎn)氣77.8×104m3。中產(chǎn)氣井與高產(chǎn)氣井生產(chǎn)特征的差異性：平均見氣時間30d，達(dá)產(chǎn)時間較快，達(dá)到產(chǎn)量峰值的時間平均為860d；峰值產(chǎn)氣量較明顯；穩(wěn)產(chǎn)時間很短，衰減快，產(chǎn)氣量為500～1 000m3/d；以2-4D井為例，該井于2021年1月投產(chǎn)，28d后見氣，162d達(dá)到產(chǎn)量高峰2 035m3/d，之后進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段，但穩(wěn)產(chǎn)時間較短，產(chǎn)量穩(wěn)定在1 700～1 900m3/d，穩(wěn)產(chǎn)30d 之后開始明顯遞減，截至2022 年4 月底，日產(chǎn)氣量583m3/d，累產(chǎn)氣28.8×104m3。低產(chǎn)氣井的顯著特征：見氣時間為25d左右，早期產(chǎn)氣量上升到峰值后下降到某一產(chǎn)量，峰值產(chǎn)量低，多為500～800m3/d；之后長期處于低水平穩(wěn)產(chǎn)，穩(wěn)產(chǎn)氣量平均為100～400m3/d。以D1-2井為例，該井2020年1月投產(chǎn)，21d后見氣，120d達(dá)到峰值產(chǎn)量430m3/d，之后產(chǎn)量下降并穩(wěn)定在100m3/d，中間經(jīng)歷幾次提產(chǎn)，產(chǎn)量基本在500m3/d以下，且維持時間短，產(chǎn)量大部分時間維持在120m3/d 左右，截至2022 年4 月底，日產(chǎn)氣量11m3/d，累產(chǎn)氣28.8×104m3（圖7）。

圖7 海石灣礦典型井生產(chǎn)曲線Figure 7 Production curve of a typical well in the Haishiwan coal ming area

4.2 煤層氣高產(chǎn)主控因素

4.2.1 儲層壓力高，利于煤層氣開發(fā)

儲層壓力是地層能量的一種體現(xiàn)，儲層壓力越高，煤層氣開發(fā)越有利。試井結(jié)果顯示，煤二層儲層壓力梯度為0.90～1.10MPa/100m，為正常壓力儲層，根據(jù)抽采井區(qū)試井及排采數(shù)據(jù)（前期壓后自噴）分析可知，靠近東南區(qū)域煤二層儲層壓力大于1.0MPa/100m 更容易形成高產(chǎn)。對比山西沁水盆地相關(guān)區(qū)塊數(shù)據(jù)，可得知，該參數(shù)井的壓力梯度高于沁水盆地相關(guān)區(qū)塊。從國內(nèi)現(xiàn)有開發(fā)區(qū)塊的排采效果來看，儲層壓力梯度越高，更利于地面抽采，從而說明該井區(qū)具備較好的產(chǎn)氣潛力［18，19］。

4.2.2 煤層溫度較高，利于煤層氣解吸產(chǎn)出

礦區(qū)內(nèi)地溫隨著埋深的增加而增大，地溫梯度高。含煤地層從窯街群第四巖組頂部油頁巖層向下增溫加快、地溫梯度增高，該段地溫梯度為7.125℃/100m，高于國內(nèi)其他煤系地層。在區(qū)塊東南部區(qū)域煤二層溫度最高可達(dá)48.9℃。高溫利于煤層氣解吸，對排采較為有利［20］。

4.2.3 孔滲性好，裂隙系統(tǒng)發(fā)育，且連通性好，利于煤層氣的產(chǎn)出

根據(jù)礦區(qū)西南部高產(chǎn)井區(qū)HSW06-3V 井（日產(chǎn)氣量達(dá)1 500m3/d）煤二層煤樣的掃描電鏡觀測結(jié)果（圖8）表明，煤樣中微孔較發(fā)育（圖8a、8c），局部見微裂隙（圖8b），微孔隙常見方解石、高嶺石等充填（圖8b、8c）。在絲質(zhì)體中成群出現(xiàn)的氣孔相互連接（圖8a、8d），利于氣體的擴(kuò)散運(yùn)移。壓汞測試結(jié)果顯示煤二的孔隙度相對較高，達(dá)到9.63%，且過渡孔、微孔占比相近，兩者之和占總孔容達(dá)60%。進(jìn)退汞曲線顯示在注汞壓力30MPa 時，煤樣注汞飽和度約50%，進(jìn)退汞體積差較大，滯后環(huán)較大，反映出開放孔含量較高，孔隙連通性好。

圖8 煤二層孔隙形態(tài)（SEM）Figure 8 Pore morphology of second layer coal（SEM）

海石灣礦區(qū)西南部煤二層中裂隙較為發(fā)育，主裂隙平均寬度為13～20μm，次裂隙平均寬度為14～19μm，且不同煤樣間的裂縫密度相差較小（3.7～4.2條/cm）（表1），但縫寬和縫長不均勻，且形狀各異，在部分觀測點(diǎn)出現(xiàn)若干條裂隙相交。根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，本區(qū)煤二層原始滲透率為（0.692～3.248）×10-3μm2，屬于低滲透率儲層，但與沁水盆地煤層滲透率相比，要高于沁水盆地煤層滲透率（0.01×10-3～0.51×10-3μm2）［21-24］。

表1 煤體顯微裂隙統(tǒng)計Table 1 Statistics of coal micro fractures

4.2.4 含氣飽和度較大,利于氣體產(chǎn)出

根據(jù)樣品等溫吸附曲線和現(xiàn)場實測含氣量數(shù)據(jù)利用下式進(jìn)行含氣飽和度計算：

式中：S為含氣飽和度，%；Q為實測含氣量，m3/t；V為理論含氣量，m3/t。

計算結(jié)果表明，礦區(qū)內(nèi)煤二層含氣飽和度為27.36%～93.8%，平均值為68.17%（表2），大多氣藏處于欠飽和狀態(tài)，局部近飽和，利于煤層氣較早產(chǎn)出。礦區(qū)東南部高產(chǎn)區(qū)域，煤二層含氣飽和度均在70%以上，為煤層氣高產(chǎn)提供了豐厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表2 含氣飽和度計算成果Table 2 Calculation results of gas saturation

5 結(jié)論與建議

1）海石灣礦區(qū)受多重構(gòu)造運(yùn)動影響，褶皺裂隙發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜。含煤地層主要集中分布在中侏羅統(tǒng)窯街群，煤二層為主采煤層，煤層傾角較平緩，一般為5°～15°，東西兩端傾角變陡。

2）海石灣礦區(qū)煤二層煤層氣富集受多種因素控制，其中煤層厚度大、含氣量高、資源儲量豐度適中，而煤層埋深、頂?shù)装鍘r性封閉性好及斷層有利配置等情況，均為區(qū)內(nèi)煤層氣賦存提供了良好的富集條件。

3）煤中孔裂隙較為發(fā)育、煤層氣儲層壓力高、溫度高、含氣飽和度大等因素是影響煤層氣高產(chǎn)的重要因素，后續(xù)煤層氣開發(fā)應(yīng)優(yōu)選具備上述特征的區(qū)塊，該區(qū)域具備良好的產(chǎn)氣潛力，有利于煤層氣產(chǎn)出。