構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣特征分析

汪萬(wàn)紅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

我國(guó)的聚煤盆地多數(shù)都經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化，構(gòu)造煤廣泛發(fā)育，而構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)被普遍認(rèn)為是煤與瓦斯突出的高危險(xiǎn)區(qū)域。隨著礦井開拓不斷向深部延伸和開采規(guī)模的加大，構(gòu)造煤礦區(qū)面臨的瓦斯治理壓力日益加重，瓦斯治理形勢(shì)愈加嚴(yán)峻。地面開發(fā)煤層氣可以提前解決煤礦開采中的瓦斯隱患，保證煤礦的安全生產(chǎn)，并可以充分利用能源，改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)大氣環(huán)境。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國(guó)煤層氣基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，取得良好產(chǎn)氣效果的區(qū)域主要集中在煤體結(jié)構(gòu)較好、滲透率較高的山西沁水盆地和晉陜交界的鄂爾多斯盆地東緣，并已建成兩個(gè)產(chǎn)業(yè)基地。此外，在新疆、四川和貴州等地區(qū)煤層氣勘探取得一些新突破。而在構(gòu)造煤發(fā)育的河南平頂山礦區(qū)、焦作礦區(qū)、陜西韓城礦區(qū)、安徽淮南礦區(qū)等進(jìn)行的地面煤層氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)氣效果均不理想，產(chǎn)氣量低甚至不產(chǎn)氣。構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)甚至被視為煤層氣開發(fā)的“禁區(qū)”。因此有必要對(duì)構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣特征進(jìn)行分析。本文以平頂山礦區(qū)首山一礦煤層氣井的地質(zhì)資料和歷史排采數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析煤層氣井的排采曲線特征，并結(jié)合構(gòu)造煤特點(diǎn)，探討構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣特征。以期為構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)和綜合利用提供參考和借鑒。

1 基本概況

平頂山礦區(qū)是我國(guó)構(gòu)造煤發(fā)育的一個(gè)典型礦區(qū)，也是我國(guó)煤與瓦斯突出嚴(yán)重的礦區(qū)之一，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，其煤層孔隙、裂隙比較發(fā)育。但由于先后受到中岳、懷遠(yuǎn)、加里東、印支、燕山和喜山六期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重，煤體破碎，碎粒煤、糜棱煤發(fā)育，具有強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)等特點(diǎn)。

首山一礦位于平頂山市東北方向，井田面積約36 km2。礦區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主體構(gòu)造為一軸向320°的寬緩背斜，地層走向一般為290°～320°，傾角一般變化在8°～20°之間，斷層不甚發(fā)育。區(qū)內(nèi)屬半隱伏地區(qū)，地層自下而上依次為寒武系上統(tǒng)崮山組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組、三疊系下統(tǒng)劉家溝組及第四系。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組。首山一礦可采或局部可采煤層共五層，分別為山西組的二1煤層、下石盒子組的四2、四3、五1、五2煤層，其中二1、四2煤層為全區(qū)可采煤層。煤礦采掘設(shè)計(jì)的主采煤層為山西組的二1煤層和下石盒子組的四2煤層。

四2煤層厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～3層夾矸，屬較穩(wěn)定煤層。煤層氣井測(cè)試結(jié)果顯示：四2煤層空氣干燥基氣含量為4.79～6.48 m3/t，平均5.51 m3/t；滲透率為0.25；四2煤層頂板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，底板大部為泥巖、砂質(zhì)泥巖。四2煤層的直接充水含水層主要是頂板砂巖裂隙含水層。由1～4層細(xì)—中粒砂巖組成，局部粗粒砂巖，含水層富水性弱—極弱。

二1煤層厚2.76～10.22 m，一般5.0～7.0 m，平均6.15 m。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～2層夾矸，屬穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層。上距四2煤層平均170 m。煤層氣井測(cè)試結(jié)果顯示：二1煤層空氣干燥基氣含量為3.37～3.62 m3/t，平均3.50 m3/t，滲透率為0.014。二1煤層直接頂板大部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，直接底板大部為泥巖、砂質(zhì)泥巖。二1煤層的直接充水含水層主要是頂板砂巖孔隙裂隙承壓含水層。主要由2～4層細(xì)—中粗粒砂巖組成，含水層富水性弱-極弱。

2 排采曲線特征

2011年，河南煌龍新能源發(fā)展有限公司在平頂山礦區(qū)首山一礦實(shí)施了5口煤層氣井進(jìn)行地面瓦斯抽采試驗(yàn)，分別為01、02、03、04、05井，對(duì)煤礦主采煤層四2、二1煤層進(jìn)行分層壓裂、合層排采。2012年5月31日，5口井開始排采。截至2013年8月1日，累計(jì)排采420 d。排采結(jié)果顯示，單井最大日產(chǎn)氣量為586 m3，平均日產(chǎn)氣量為41～350 m3，單井最大日產(chǎn)水量為7.7 m3，平均日產(chǎn)水量為1.2～2.8 m3，見表1。總體來(lái)看，5口井產(chǎn)氣效果整體不佳，日常維護(hù)費(fèi)用大。目前，各井已停止排采。

根據(jù)這5口井的排采數(shù)據(jù)繪制了排采曲線，以01井排采曲線為例，見圖1，可以發(fā)現(xiàn)排采曲線具有明顯的規(guī)律性：產(chǎn)氣曲線和產(chǎn)水曲線具有“單峰”特征；當(dāng)井底流壓降至四2煤層臨界解吸壓力附近時(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到最大值，之后快速下降；當(dāng)井筒內(nèi)液面降至四2煤層附近時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，之后快速下降。

表1 首山一礦煤層氣井排采效果

3 產(chǎn)氣特征分析

針對(duì)平頂山礦區(qū)首山一礦5口煤層氣井產(chǎn)氣效果不理想，同時(shí)5口井的排采曲線具有明顯規(guī)律性的情況，結(jié)合構(gòu)造煤煤體結(jié)構(gòu)特征，通過分析煤層氣井的排采曲線特征，探討構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣井的產(chǎn)氣特征。

圖1 01井排采曲線

煤層氣的產(chǎn)出包括3個(gè)相互銜接連續(xù)的過程，即解吸、擴(kuò)散和滲流。煤層氣主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存在煤的孔隙中，通過地面煤層氣井的排水降壓，煤層氣從煤基質(zhì)表面解吸，并從孔隙擴(kuò)散、滲流至煤層氣井筒，最終產(chǎn)出地面。煤的孔隙系統(tǒng)發(fā)育，則吸附儲(chǔ)集的氣體量大；擴(kuò)散滲流通道順暢，煤儲(chǔ)層滲透性好，地面煤層氣井產(chǎn)氣量高。

依據(jù)霍多特孔隙分類體系，煤中孔隙主要?jiǎng)澐譃?類：①氣體吸附孔隙，孔徑<10 nm；②氣體游離孔隙，存在大部分游離氣體，少部分吸附氣體，孔徑在10～100 nm之間；③氣體擴(kuò)散孔隙，孔徑在100～1000 nm之間；④滲流孔隙，孔徑>1000 nm。相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤中吸附孔隙、游離孔隙發(fā)育，主要為墨水瓶形孔和狹縫平板形孔，導(dǎo)致煤層氣含量相對(duì)較大，氣體解吸后難以擴(kuò)散脫離孔隙，氣體運(yùn)移外出難度大。平頂山礦區(qū)由于先后受到中岳、懷遠(yuǎn)、加里東、印支、燕山和喜山六期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重，煤體破碎，碎粒煤、糜棱煤發(fā)育，其煤層孔隙、裂隙比較發(fā)育，故煤體吸附儲(chǔ)集的氣體量大，煤層氣資源豐富。但由于煤體破碎，煤體強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)，其擴(kuò)散滲流通道不順暢。相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤地區(qū)，其煤層氣井產(chǎn)氣量不高。

排采是煤層氣勘探開發(fā)工程的歸結(jié)點(diǎn)，是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一。03井排采曲線如圖2所示。由圖2可以看出，該井壓力計(jì)深度為835 m，四2煤層頂板深度為623 m，四2煤層頂板對(duì)應(yīng)的井底流壓(壓力計(jì)讀數(shù))為2.12 MPa。

當(dāng)該井開始排采后，井筒內(nèi)液面開始下降，井底流壓也隨之降低，在地層流體壓差的作用下，產(chǎn)水量不斷增加。因四2煤儲(chǔ)層壓力未達(dá)到臨界解吸壓力，還未產(chǎn)氣，主要為水的單相流階段，直到日產(chǎn)水量達(dá)到最大值3.0 m3。當(dāng)壓力降到上部四2煤層臨界解吸壓力附近時(shí)，四2煤層開始解吸產(chǎn)氣，隨著煤層孔裂隙中游離氣量增多、氣泡變大，氣水兩相滲流所產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增強(qiáng)。此時(shí)，水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，導(dǎo)致產(chǎn)水量快速下降，日產(chǎn)水量由3.0 m3快速下降；之后隨著井筒內(nèi)液面下降，井底流壓繼續(xù)降低，產(chǎn)氣量開始增加，產(chǎn)水量降低，主要為氣水兩相流階段，至井筒內(nèi)液面降至四2煤層附近時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值411 m3。四2煤層暴露后，井筒附近氣水兩相流態(tài)在短期內(nèi)急劇轉(zhuǎn)換，必然造成儲(chǔ)層傷害。井筒周圍依次形成高含氣帶、液相滯留帶、應(yīng)力敏感帶、高含水帶，近井地帶形成液相低滲區(qū)，使地層水難以排出，壓降漏斗擴(kuò)展困難，四2煤層缺少流體支撐其產(chǎn)氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)氣通道被壓實(shí)破壞，滲透率下降，將導(dǎo)致四2煤層產(chǎn)氣量快速下降，日產(chǎn)氣量從最高411 m3快速下降，產(chǎn)水量繼續(xù)降低。四2煤層暴露后，對(duì)四2煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣通道造成嚴(yán)重傷害，最終造成全井產(chǎn)氣效果不佳。

綜合上述分析，相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重，煤體具有裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，這是其吸附儲(chǔ)集的氣體量大而煤層氣井產(chǎn)氣不高的內(nèi)因。排采過程中，隨著井筒內(nèi)液面下降，地層流體壓差增大，產(chǎn)水量逐漸增大到最大值。當(dāng)產(chǎn)氣開始，氣水兩相滲流所產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)增強(qiáng)。此時(shí)，水相滲流的啟動(dòng)壓力梯度增大，水相滲透率亦快速下降，產(chǎn)水量降低；當(dāng)液面降至煤層附近位置時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值。煤層暴露后，近井地帶形成液相低滲區(qū)，同時(shí)煤層缺少流體支撐其產(chǎn)氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)氣通道被壓實(shí)破壞，滲透率下降，使煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣通道造成嚴(yán)重傷害，地層水、壓裂液難以排出，難以擴(kuò)展壓降漏斗，最終造成全井產(chǎn)氣效果不佳。

4 結(jié)論

(1)平頂山礦區(qū)首山一礦煤層氣井排采曲線具有明顯的規(guī)律性，產(chǎn)氣曲線和產(chǎn)水曲線具有“單峰”特征；當(dāng)井底流壓降至四2煤層臨界解吸壓力附近時(shí)，產(chǎn)水量達(dá)到最大值，之后快速下降；當(dāng)井筒內(nèi)液面降至四2煤層附近時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，之后快速下降。

(2)平頂山礦區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重。相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤，煤體具有裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)，這是其吸附儲(chǔ)集的氣體量大而煤層氣井產(chǎn)氣不高的內(nèi)因。

5 建議

綜合考慮上述因素，對(duì)構(gòu)造煤礦區(qū)煤層氣井排采提出以下建議：

(1)產(chǎn)氣前，降低排采強(qiáng)度，盡可能延長(zhǎng)排水時(shí)間,最大限度地使壓降漏斗沿徑向延伸，增大排泄面積。

(2)產(chǎn)氣后井筒內(nèi)液面保持對(duì)煤層封蓋，避免暴露煤層，防止煤層暴露對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害并導(dǎo)致產(chǎn)氣量大幅下降。