黔西小屯井田煤層氣多層合采產(chǎn)層組合優(yōu)化

葉嗣暄 ，曾正端

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.貴州大方煤業(yè)有限公司 小屯煤礦，貴州 畢節(jié) 551600）

煤層氣多層合采是提高多煤層地區(qū)煤層氣開發(fā)效率的重要技術(shù)手段[1]。相比于單層開采，多層合采的關(guān)鍵在于合理確定產(chǎn)層組合，盡量降低因?qū)娱g地質(zhì)條件差異造成的層間干擾，以充分發(fā)揮各煤層產(chǎn)氣潛力，實現(xiàn)開發(fā)效益最大化[2]。前期煤層氣開發(fā)工程實踐表明，合采產(chǎn)層組合對于開發(fā)成敗至關(guān)重要，不合理的產(chǎn)層組合會導致合采效率低下，甚至合采工程失敗[3]。探索科學、可行、高效的煤層氣合采產(chǎn)層組合確定方法，是實現(xiàn)我國多煤層煤系煤層氣高效開發(fā)的關(guān)鍵。

秦勇等[4]基于黔西地區(qū)煤層群條件下煤儲層含氣性與流體壓力的垂向非單調(diào)變化提出了“多層疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)”的學術(shù)觀點，系指含煤地層內(nèi)部不同層段由于致密層的封堵效應(yīng)，彼此缺乏流體聯(lián)系，導致煤層（組合）之間形成相對獨立的流體壓力系統(tǒng)。后續(xù)煤層氣勘探開發(fā)實踐顯示跨煤層氣系統(tǒng)排采會導致嚴重層間干擾，抑制產(chǎn)能充分釋放[5]。究其原因，關(guān)鍵在于系統(tǒng)間煤儲層流體能量與滲透性的差異導致無法實現(xiàn)合采兼容，由此提出“疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性”概念，指出其受控于含氣系統(tǒng)間流體壓力、含氣性、滲透性以及巖石力學性質(zhì)等差異，強調(diào)其是煤層氣/煤系氣高效合采的關(guān)鍵約束條件[6]。因此，疊置煤層氣系統(tǒng)的有效識別是產(chǎn)層組合劃分的重要基礎(chǔ)，前人從含氣性、儲層壓力、水動力條件、沉積格架等方面探討了疊置煤層氣系統(tǒng)的識別標志與劃分方法[7-9]，并結(jié)合黔西-滇東地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件，進一步發(fā)展了產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計方法，形成了主力產(chǎn)層優(yōu)選、主力產(chǎn)層擴展組合、產(chǎn)層貢獻厘定的產(chǎn)層組合優(yōu)化“三步法”[10]，提出了煤層氣合采干擾的綜合判識方法[11]，有效指導了本區(qū)煤層氣勘探開發(fā)。朱文俠等[12]從含氣量和采抽率等多個方面對煤層氣井多層合采的效果進行了綜合評價，結(jié)合地質(zhì)資料對影響煤層氣排采效果的主要因素進行了分析，從而研究得出煤層滲透率、供液能力以及排采制度等都是影響多層合采效果的主要因素。

立足上述研究成果，以黔西大方礦區(qū)小屯井田為例，基于煤田地質(zhì)勘探與煤層氣測試資料，分析煤層氣儲蓋組合特征與資源條件，識別疊置煤層氣系統(tǒng)發(fā)育特點與關(guān)鍵參數(shù)；在此基礎(chǔ)上完成煤層氣多層合采產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計，確立資源條件分析-含氣系統(tǒng)劃分-產(chǎn)層組合優(yōu)化的典型多煤層礦區(qū)煤層氣合采層位優(yōu)選思路；研究成果有望豐富煤層氣合采地質(zhì)技術(shù)體系，為該井田煤層氣勘探開發(fā)與瓦斯治理提供參考依據(jù)，亦可為探索我國南方多、薄煤層疊置條件下的煤層氣高效合采模式提供有益借鑒。

1 地質(zhì)背景

小屯井田位于貴州省大方縣城南，地層整體走向為NE-SW，傾角在5°～15°之間。受白瓦廠向斜和生紙山背斜影響，煤層底板等高線呈現(xiàn)由北東至南西向突出的圓??；在中北部淺層可見較寬的次級褶曲，褶曲軸大致為NNE-SSW 方向。井田內(nèi)發(fā)育3 條主要褶皺，包括大方背斜、白瓦廠背斜、生紙山背斜，斷層以正斷層為主，發(fā)育少量逆斷層。小屯井田構(gòu)造綱要圖如圖1。

圖1 小屯井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Outline map of Xiaotun Wellfield structure

井田內(nèi)含煤巖系為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，龍?zhí)督M系海陸交互相含煤建造，主要由細粒陸源碎屑巖組成，夾煤及碳酸鹽巖，巖性整體致密[13]。龍?zhí)督M包括上、下2 段：上段為龍?zhí)督M頂界到7 煤層底部，平均厚度45.27 m，可采煤層包括6上、6中、6下及7 煤，6上煤以上為厚度較大的灰?guī)r和砂泥巖互層，構(gòu)成區(qū)內(nèi)良好的組合蓋層；下段為7 煤底至煤系底界，平均厚度152.67 m，可采煤層為33煤和34 煤，兩者間距?。?0 m 左右），33 煤頂板為厚層泥巖與砂泥巖互層，封閉性良好。區(qū)內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r性整體以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，少部分為砂巖，煤巖層組合有利于煤層氣富集與疊置煤層氣系統(tǒng)的形成。小屯井田煤層特征見表1。

表1 小屯井田煤層特征表Table 1 Coal seam characteristics table for Xiaotun Wellfield

2 煤巖層組合

有利的煤巖層組合是預測煤層氣發(fā)育狀況和變化情況的主要依據(jù)[14]。煤層氣賦存的煤巖層組合類型如圖2。

圖2 煤層氣賦存的煤巖層組合類型Fig.2 Coalbed methane occurrence type of coal strata combination

1）有利煤巖層組合：泥巖+煤層+泥巖。泥巖作為煤層頂、底板，可有效封蓋煤層氣，形成煤層氣富集的有利組合。例如，該區(qū)補202 鉆孔地層中的6上煤，頂板是泥巖，底板是鋁質(zhì)泥巖，該煤層瓦斯含量達12.15 m3/t；補701 鉆孔地層中的6下煤，其頂板是炭質(zhì)泥巖，底板是鋁質(zhì)泥巖，該煤層瓦斯含量達18.75 m3/t。

2）較有利煤巖層組合：泥巖+煤層+砂巖+泥巖。砂巖為煤層的直接頂板，砂巖上部為封蓋性良好的泥巖，可對煤層氣起到間接封蓋作用。例如Z101 鉆孔中的7 煤，直接頂板是砂巖，砂巖之上是鋁質(zhì)泥巖，底板為泥巖，該煤層瓦斯含氣量是8.03 m3/t；補802 鉆孔中的6下煤，其頂板是1.5 m的細砂巖，砂巖之上又是較厚的泥巖和煤層互相疊置，底板是泥巖，該煤層瓦斯含氣量為8.35 m3/t。這種組合中的潛在砂巖氣值得關(guān)注。

3）不利煤巖層組合：泥巖+煤層+砂巖。煤層和砂巖互層疊置，砂巖構(gòu)成煤層頂板，砂巖封蓋性較差，且組合中缺乏泥巖蓋層，相對不利于煤層氣保存。例如Z602 鉆孔中的6上煤，頂板是厚度達5.27 m 的厚層砂巖，底板是泥巖，該煤層瓦斯含氣量為5.13 m3/t；ZJ302 鉆孔中的6上煤，其頂板是粉細砂巖互層，之上還是巨厚砂巖層，底板是泥巖，該煤層瓦斯含氣量為1.92 m3/t。

3 資源屬性

從含氣量、煤厚與埋深3 個層面考察各可采煤層的資源屬性及其差異。小屯井田可采煤層數(shù)據(jù)見表2?？刹擅簩雨P(guān)鍵儲層參數(shù)平均值垂向變化如圖3。

表2 小屯井田可采煤層數(shù)據(jù)表Table 2 Data sheet of coal seams in Xiaotun Wellfield

圖3 可采煤層關(guān)鍵儲層參數(shù)平均值垂向變化Fig.3 Vertical variation of mean values of key reservoir parameters in recoverable coal seams

從表2 可以看出：整體井田內(nèi)煤層含氣量較高，以6中煤層最高，7 煤層最低；煤層厚度以6中煤層厚度最大，7 號煤厚度最??；6上、6中、6下和7 煤埋深接近，33 煤和34 煤埋深接近，平均介于480～500 m 之間，但33 煤、34 煤與上部可采煤層間距較大，平均間距在150 m 以上，在整體上6中煤層平均厚度為1.87 m，為最大厚度煤層。

由圖3 可以看出：6中煤具有最高的平均厚度與含氣量，具有最佳的資源屬性，宜作為主力產(chǎn)層進行產(chǎn)層組合優(yōu)選，其含氣量最高，應(yīng)與厚度最大相關(guān)；7 煤與其上覆的6下煤層間距小，單從跨度角度滿足合采條件，但仍需考察其他地質(zhì)屬性的兼容性。各煤層的平均含氣量垂向變化在7煤處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由此暗示上下兩側(cè)壓力系統(tǒng)的差異，7 煤與其他煤層可能存在合采兼容性問題；33 煤、34 煤與上覆煤層具有較大的層間距（＞100 m），不宜與上覆煤層進行合層開發(fā)。綜合上述特征來看，以7 煤為界，井田內(nèi)龍?zhí)睹合抵辽賾?yīng)劃分為2 套產(chǎn)層組合獨立進行煤層氣開發(fā)。

4 產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計

對于多煤層聯(lián)合開采，為了提高煤層氣的產(chǎn)氣效率，在開發(fā)時需優(yōu)先選擇1 個煤層作為主力產(chǎn)層，而主力產(chǎn)層的優(yōu)選受煤層瓦斯含氣量、煤層厚度以及與周圍煤層的跨度大小等相關(guān)因素控制[15]。同時，儲層物性、流體壓力等因素的差異性，導致各產(chǎn)層之間存在較大的層間干擾。為此，進行合理的產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計。

4.1 疊置煤層氣系統(tǒng)劃分

試井參數(shù)可為煤層氣儲層評價與含氣系統(tǒng)識別提供重要依據(jù)。X-1 井煤層試井數(shù)據(jù)見表3。

表3 X-1 井煤層試井數(shù)據(jù)Table 3 Well X-1 coal seam test well data

由表3 可知：煤層氣滲透率普遍較低，介于0.001 31～0.059 9×10-15m2，平均0.092 43×10-15m2，滲透率級差為45.73，反映非均質(zhì)性較強；壓力梯度介于0.67～1 MPa/hm，平均0.83 MPa/hm。6上、6中和6下為欠壓儲層，其余為常壓儲層。壓力梯度是壓力系統(tǒng)的直觀反映，7 煤與6下煤層間距僅10 m，但壓力梯度發(fā)生突變，代表兩者流體不連通。

另外，7 煤的滲透率也較上部煤層顯著偏低，反映了該煤層較強的封閉性特點。因此，7 煤與上覆煤層構(gòu)成相互獨立的壓力系統(tǒng)。7 煤與下部的33 煤、34 煤間距達130 m 之多，雖然壓力梯度相近，但在以致密細碎屑巖為主且構(gòu)造相對穩(wěn)定的地質(zhì)條件下，流體難以跨越如此大的間距發(fā)生聯(lián)系，且煤層滲透率均低于0.005×10-15m2，考慮合采產(chǎn)層組跨度一般不大于100 m 的基本原則，可將其視為兩套煤層氣系統(tǒng)。在含氣量與含氣量梯度方面，上部的6上煤、6中煤、6下煤和7 煤，以及下部的33 煤、34 煤分別具有單調(diào)降低趨勢，反映了不同煤組間的含氣性差異。

綜上，本區(qū)含煤地層可識別出Ⅰ（6上煤+6中煤+6下煤）、Ⅱ（7 煤）、Ⅲ（33 煤+34 煤）共3 套疊置煤層氣系統(tǒng)。

基于地層巖性與生儲蓋組合特征分析，各含氣系統(tǒng)內(nèi)部的煤層頂部發(fā)育厚度較薄的次要蓋層，各系統(tǒng)頂部又發(fā)育有厚度較厚的主要蓋層，為系統(tǒng)內(nèi)煤層氣富集與獨立成藏提供了物性基礎(chǔ)。例如：含氣系統(tǒng)Ⅰ的頂部主要蓋層包括4 套巖層，從下至上依次為泥巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，總厚13.8 m；含氣系統(tǒng)Ⅲ的主要蓋層包括3 套巖層，從下至上依次為泥巖、砂巖和泥巖，總厚度為16.2 m?？梢娤到y(tǒng)間封閉性良好。

7 煤各類地質(zhì)屬性的突變反映了該煤層在合采組合設(shè)計中的特殊意義，即宜作為疊置壓力系統(tǒng)的邊界層進行考慮，其本身開發(fā)條件不佳且與其他煤層的合采兼容性差，在產(chǎn)層組合時應(yīng)慎重對待。另外，前人研究顯示該區(qū)地應(yīng)力轉(zhuǎn)換與煤層氣成藏的臨界深度位于埋深300 m 與600 m 處[16]，前者與7 煤的深度范圍高度一致。7 煤不僅位于龍?zhí)督M上、下段的分界處，也位于地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換的邊界，構(gòu)成其諸多煤儲層屬性突變的地質(zhì)基礎(chǔ)。具體而言，作為地層界限，其沉積背景可容納空間不足，煤層頂板以粉砂巖、細砂巖為主，代表河流作用終止泥炭沼澤發(fā)育，不利于厚煤層形成與煤層氣保存，表征為煤層厚度較薄與含氣量較低；作為地應(yīng)力轉(zhuǎn)換界限，垂向主應(yīng)力逐漸發(fā)揮作用，導致儲層壓力升高，壓力狀態(tài)由欠壓向正常壓力轉(zhuǎn)變，煤層由于三軸受壓而滲透率降低。從閉合壓力梯度來看，7 煤處同樣存在突變，揭示地應(yīng)力轉(zhuǎn)換（逆斷機制向正斷機制轉(zhuǎn)變）對疊置煤層氣系統(tǒng)的控制。

進一步選擇4 個典型鉆孔，分析可采煤層含氣量與埋深的相關(guān)關(guān)系以及含氣系統(tǒng)顯現(xiàn)特點。典型鉆孔煤層含氣量與埋深關(guān)系如圖4。

圖4 典型鉆孔煤層含氣量與埋深關(guān)系Fig.4 Relationship between gas content and depth of burial in a typical drilled coal seam

系統(tǒng)內(nèi)部煤層含氣量具有相對一致的變化趨勢而系統(tǒng)間含氣量變化趨勢存在差異。在含氣系統(tǒng)Ⅰ中，6中煤普遍具有最高的含氣量，推測與其厚度最大有關(guān)，煤層越厚，煤層氣生成與保存條件越好，含氣量也就越高，6中煤是煤層氣開發(fā)的主力煤層。由于煤層含氣量影響因素較多，同一含氣系統(tǒng)內(nèi)部煤層含氣量存在波動屬于正?，F(xiàn)象，但不同系統(tǒng)間含氣量的突變與變化趨勢的差異仍然可為煤層氣系統(tǒng)的垂向疊置提供一定意義上的佐證。

4.2 合采產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計

基于前人研究成果，確定產(chǎn)層組合優(yōu)化原則為：①儲層壓力梯度差小于0.1 MPa/hm；②產(chǎn)層跨度＜100 m；③下部煤層與上部煤層臨界解吸壓力差小于產(chǎn)層間距與100 的比值，以保障各層具有充分壓降空間與連續(xù)集中產(chǎn)氣。上述疊置壓力系統(tǒng)劃分結(jié)果可滿足前兩項要求，因此可先劃分出（6上煤+6中煤+6下煤）與（33 煤+34 煤）2 個合采產(chǎn)層組合，進一步結(jié)合等溫吸附實驗數(shù)據(jù)與含氣量測試資料計算臨界解吸壓力，判別上述基于壓力系統(tǒng)的產(chǎn)層組合設(shè)計是否滿足第3 項要求。區(qū)內(nèi)Z901 孔詳細測試了各煤層煤樣的等溫吸附參數(shù)與含氣量，以此為例，按式（1）計算得到各煤層的臨界解吸壓力。

式中：pcd為臨界解吸壓力，MPa；V為煤層實測含氣量，m3/t；a為吸附常數(shù)，為極限吸附量，m3/t；b為吸附常數(shù)，為吸附量達到極限吸附量1/2 時所對應(yīng)吸附壓力的倒數(shù)，MPa-1。

a與b均可通過等溫吸附實驗獲得。Z901 孔煤層臨界解吸壓力計算結(jié)果見表4。

表4 Z901 孔煤層臨界解吸壓力計算結(jié)果Table 4 Calculation of critical desorption pressure of coal seam in hole Z901

根據(jù)煤層解吸壓力、煤層間距與動液面關(guān)系可獲得合采產(chǎn)層組的解吸次序。上部產(chǎn)層組中，6上煤解吸壓力大于6中煤與6下煤，最先解吸，6中煤解吸壓力小于6下煤，差值0.025 MPa，6中煤與6下煤的跨度為9.39 m，因此6中煤先于6下煤解吸。當上部煤層先解吸，合采煤層將逐層解吸產(chǎn)氣，各煤層均具有較大的壓降解吸空間，具有較好的合采潛力。下部產(chǎn)層組中，33 煤的臨界解吸壓力大于34 煤，33 煤優(yōu)先解吸。因此，上、下2 個產(chǎn)層組合均符合產(chǎn)層組優(yōu)化原則的第3 條，能夠保證各煤層由上至下逐層解吸，從而達到較好的合采效果。

綜上，可將研究區(qū)含煤巖系劃分出3 套產(chǎn)層組合：①上部組合：包括6上煤+6中煤+6下煤，考慮資源屬性，可將6中煤作為合采的主力產(chǎn)層，6上煤和6中煤作為次要產(chǎn)層；②下部組合：包括33 煤+34 煤，33 煤具有更高的流體壓力與滲透性，且厚度更大，開發(fā)條件更好，可將33 煤作為該組合的主力產(chǎn)層，34 煤作為次要產(chǎn)層；③7 煤不宜與其他煤層組合，宜單獨開發(fā)。綜合考慮煤層氣資源與開發(fā)條件，上部組合的累計產(chǎn)層厚度、平均含氣量、滲透性均顯著大于下部組合，尤其滲透率較下部組合平均高出1 個數(shù)量級，具有更為有利的高產(chǎn)條件。因此，本區(qū)的煤層氣有序開發(fā)方案為優(yōu)先開發(fā)上部產(chǎn)層組合（6上煤+6中煤+6下煤），其次為下部組合（33 煤+34 煤），最后考慮經(jīng)濟與時間成本確定是否單獨開發(fā)7 煤。另外，上部產(chǎn)層組合中的主力煤層6中煤滲透率偏低，可能與其較大的煤厚有關(guān)，相似構(gòu)造背景與埋深條件下，煤厚與裂隙發(fā)育一般呈反比，煤厚越薄，裂隙越發(fā)育，滲透率也就越高。6中煤這一缺陷可通過壓裂改造予以彌補，不妨礙其成為該區(qū)煤層氣開發(fā)的首選層位。

5 結(jié)語

1）小屯井田龍?zhí)督M發(fā)育6 套可采煤層，可識別出有利、較有利與不利3 類煤巖層組合，整體具備較為有利的巖性封蓋條件，有利于煤層氣富集與保存，含氣量較高，其中6中煤具有最高的含氣量與煤層厚度，資源條件最好，宜作為主力煤層進行合采產(chǎn)層組擴展優(yōu)化。煤系內(nèi)部細粒碎屑巖的發(fā)育有利于獨立疊置煤層氣系統(tǒng)的形成。

2）基于試井數(shù)據(jù)完成了疊置煤層氣系統(tǒng)的劃分，識別出Ⅰ（6上煤+6中煤+6下煤）、Ⅱ（7 煤）、Ⅲ（33 煤+34 煤）共3 套疊置煤層氣系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上指出7 煤存在各類儲層屬性的突變現(xiàn)象，宜作為含氣系統(tǒng)邊界層考慮，不宜與其他煤層組合開采?；诋a(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計原則，提出了本區(qū)煤層氣合采的有利產(chǎn)層組合與有序開發(fā)方案，可有效提高產(chǎn)氣效率，降低潛在層間干擾風險與開發(fā)成本。研究思路可為黔西地區(qū)煤層氣合采方案制定提供參考依據(jù)。