甘肅省煤層氣產氣潛力定量評價方法探討
——以窯街礦區(qū)海石灣煤礦為例

汪萬紅，降文萍，吳 靜，王正喜，方佳偉

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

甘肅省煤炭資源較為豐富，煤炭資源儲量位居全國第12 位［1］。煤層氣資源量也較大，為5 713.00×108m3［2］。而其煤層氣資源存在勘探開發(fā)程度低、地面開發(fā)潛力認識不明朗等問題。眾所周知，開發(fā)利用煤層氣，可以充分利用能源，改善我國能源結構、減少煤礦瓦斯災害和保護大氣環(huán)境，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”宏偉目標的有效途徑［3］。

煤層氣資源產氣潛力定量評價是煤層氣勘探與開發(fā)的重要決策依據(jù)。近些年來，我國多位學者開展了定量評價的研究工作。其中康永尚等提出了臨儲壓差、臨廢壓差、有效解吸量三個評價指標［4］；秦勇等建立了定量評價方法［5］；此外其他學者對不同礦區(qū)、不同煤階煤儲層產氣潛力進行了定量評價［6-10］。

針對甘肅省煤層氣資源勘探開發(fā)程度低、地面開發(fā)潛力認識不明朗等問題，筆者以窯街礦區(qū)海石灣煤礦為例，采用臨儲壓差、臨廢壓差、有效解吸量等評價指標和數(shù)值模擬軟件中的產氣預測相結合的方法對煤二層產氣潛力進行定量評價，以期為加快甘肅省煤層氣勘探開發(fā)和煤礦瓦斯地面抽采進程提供有效的技術手段和決策依據(jù)。

1 基本概況

窯街礦區(qū)是煤與CO2突出的高危礦區(qū)，是全國瓦斯突出的45 個礦區(qū)之一［11］。海石灣煤礦在窯街礦區(qū)的南部，屬甘肅省蘭州市紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)管轄，是甘肅省重要的煤炭生產基地［12］。礦區(qū)地處蘭州市西北110 km 的甘、青兩省交界處甘肅側，東西寬1.9 km，南北長3.4 km，面積約6.45 km2。礦區(qū)位于民和盆地中央隆起帶的西端，為民和盆地的次一級構造單元。主體構造為向南傾斜的單斜構造，北陡南緩，主要斷裂為F19斷層，呈北西向展布，長達數(shù)十千米，落差從三百米至上千米。

礦區(qū)內含煤地層為中侏羅統(tǒng)窯街群，煤層集中在窯街群下部第二組。含煤3 層，自下而上分別為煤二、煤B2、煤B1。只有煤二層分布較穩(wěn)定，為井田內唯一可采煤層，其余各層分布不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定，為不可采煤層。煤二層總厚度0～60.6 m，平均總厚26.8 m，傾角在3°～25°，煤層埋深508～1 365 m。頂部為煤二層的保護層油A 層（油頁巖層），厚0～11.79 m，平均厚度約5 m；與煤二層間距12～54 m，平均間距30 m，兩層間所夾巖性為灰白色細砂巖。油A 層上方4.8～13.7 m 處，覆蓋有油砂巖層，平均厚度為79.5 m，富含以甲烷為主的油氣氣體。

2 產氣潛力定量評價

2.1 評價方法和指標

本文以等溫吸附曲線為基礎，采用臨廢壓差、臨儲壓差、有效解吸量、敏感壓力、轉折壓力、啟動壓力等評價指標和煤層氣數(shù)值模擬軟件中的產氣預測相結合的方法對海石灣煤礦煤二層進行產氣潛力定量評價。

據(jù)海石灣煤礦參數(shù)井煤二層的等溫吸附曲線概化出一條煤二層代表性的等溫吸附曲線（圖1）。圖1中黑色實線為煤二層代表性等溫吸附曲線。

圖1 海石灣煤礦煤二層等溫吸附曲線Figure1 Isothermal adsorption curve of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

據(jù)煤二層概化出的代表性等溫吸附曲線和測試、排采數(shù)據(jù)，得到海石灣煤礦煤二層儲層參數(shù)。煤二層含氣量平均值為11.60 m3/t，含氣飽和度平均值為92.80 %，儲層壓力平均值為9.31 MPa，臨界解吸壓力平均值為7.00 MPa，Langmuir 體積平均值為16.48 m3/t，Langmuir 壓力平均值為3.03 MPa（表1）。

表1 海石灣煤礦煤二層儲層參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of reservoir parameters of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

據(jù)煤二層等溫吸附曲線和儲層參數(shù)，計算得到煤二層臨儲壓差（p1）、臨廢壓差（p2）、敏感壓力（pse）、轉折壓力（ptu）、啟動壓力（pst）、有效解吸量（Ve）、解吸效率（η）等產氣潛力量化評價指標。取廢棄壓力為0.7 MPa，煤二層臨儲壓差為2.31 MPa、臨廢壓差為6.70 MPa、有效解吸量為8.6 m3/t、解吸效率為3.59 m3/（t·MPa），啟動壓力、轉折壓力及敏感壓力分別為8.80 MPa、4.03 MPa、1.35 MPa（表2、圖2）。

表2 海石灣煤礦煤二層定量評價指標統(tǒng)計Table 2 Statistics of quantitative evaluation indicators of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

圖2 煤二層等溫吸附曲線階段劃分示意圖Figure 2 Schematic diagram for phase division of isothermal adsorption curve of No.2 coal reservoir

2.2 定量評價

據(jù)上述儲層參數(shù)和評價指標，當煤層氣井開始排采后，儲層壓力平均為9.31 MPa，臨界解吸壓力平均為7.00 MPa，臨儲壓差為2.31 MPa，即井筒內液面下降約231 m 后開始產氣，說明排采開始后比較短的時間煤二層就會產氣。產氣開始后，煤二層臨廢壓差為6.70 MPa，表明煤二層產氣階段內的壓降空間比較大。煤二層有效解吸量為8.60 m3/t，說明每噸煤巖中可抽采出的煤層氣量相對比較多。當壓力從7.00 MPa 降到4.03 MPa，屬于緩慢解吸階段。煤層氣解吸量對壓力敏感程度低，解吸效率為0.55～1.00 m3/（t·MPa），這個階段解吸量占總含氣量的比例比較低，對煤層氣井的總產氣量貢獻較??；隨著壓力繼續(xù)下降，當壓力從4.03 MPa降到1.35 MPa，屬于快速解吸階段。煤層氣解吸量對壓力敏感程度比較高，解吸效率為1.00～2.59 m3/（t·MPa），該階段解吸量占總含氣量的比例比較高，對煤層氣井的總產氣量貢獻較大；當壓力從1.35 MPa 降到廢棄壓力0.7 MPa，屬于敏感解吸階段。煤層氣解吸量對壓力敏感程度很高，解吸效率大于2.59 m3/（t·MPa），這個階段解吸量占總含氣量的比例很高，對煤層氣井的總產氣量貢獻最大。

本次采用CBM-SIM 數(shù)值模擬軟件，對海石灣煤礦煤層氣井抽采潛力進行了預測。結果表明，10a抽采產氣量累計為415.55×104m3，日產氣量平均為1 258 m3（表3、圖3），達到工業(yè)氣流煤層氣井日產1 000 m3的標準，說明煤二層具有良好的產氣潛力。

表3 煤二層產氣量預測Table 3 Prediction of gas production of No.2 coal reservoir

圖3 煤二層產氣量預測Figure 3 Prediction of gas production of No.2 coal reservoir

圖4 HSW02-2V井排采曲線Figure 4 Drainage curve of HSW02-2V well

3 排采實踐

HSW02-2V 井是窯街礦區(qū)海石灣煤礦一口煤層氣生產直井，目標儲層是煤二層，煤二層埋深941.57 m，厚15.65 m。當該井開始排采，儲層壓力為8.885 MPa，液面緩慢下降，儲層壓力隨之降低。當儲層壓力降到7.616 MPa，煤儲層開始產氣，由于該井臨儲壓差較小，產氣之前需要排水降壓的幅度小，該井排采至第27 d 開始產氣。該井進入緩慢解吸階段，解吸效率較低；開始產氣后，井筒內液面繼續(xù)緩慢下降，降壓幅度緩慢。該井由緩慢解吸階段進入快速解吸階段和敏感解吸階段，產氣量快速增加。由于該井臨廢壓差大（約6.70 MPa），即產氣階段的壓降空間相對較大，且每噸煤巖中可采出的煤層氣量較多，該井產氣量取得很好的效果。排采至第272 d，產氣量達到最大值2 607 m3/d，后穩(wěn)定至1 500～2 500 m3/d。

依據(jù)煤層氣資源/儲量規(guī)范（DZ/T 0216—2020），煤層埋深介于500 ～1 000 m，直井平均產量下限標準為1 000 m3/d。HSW02-2V 井平均產氣量1 898 m3/d，取得了良好的產氣效果。側面驗證了上述煤二層產氣潛力定量評價結果的可靠性。

4 結論

1）窯街礦區(qū)海石灣煤礦煤二層臨儲壓差為2.31 MPa，臨廢壓差為6.70 MPa，有效解吸量為8.60 m3/t，解吸效率為3.59 m3/（t·MPa）。啟動壓力、轉折壓力及敏感壓力分別為8.80 MPa、4.03 MPa、1.35 MPa。

2）煤二層臨儲壓差較小，排采較短時間后就會產氣；臨廢壓差較大，產氣階段的壓降空間較大；有效解吸量較大，解吸效率較高，每噸煤巖中可采出的煤層氣量相對較多。煤二層在排采過程中經歷緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸階段，產氣壓降空間大，解吸效率逐漸增高。數(shù)值模擬軟件產能預測結果顯示，抽采10a累計產氣量為415.55×104m3，平均日產氣量達1 258 m3，具有良好的產氣潛力?，F(xiàn)場直井排采實踐也顯示煤二層具有良好的產氣效果。

3）采用臨儲壓差、臨廢壓差、有效解吸量等評價指標和數(shù)值模擬軟件中的產氣預測相結合的方法對煤層氣產氣潛力進行定量評價是科學、合理的，可為加快甘肅省煤層氣勘探開發(fā)和煤礦瓦斯地面抽采進程提供有效的技術手段和決策依據(jù)。