煤層氣資源勘查布井技術研究與實踐

張新福周效志逄 礴馬金利孔令珍池 波張國良

(1.東北煤田地質局一0三勘探隊,遼寧 111000;2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116)

煤層氣資源勘查布井技術研究與實踐

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(1.東北煤田地質局一0三勘探隊,遼寧 111000;2.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇 221116)

井位部署的合理性直接決定著煤層氣資源勘查及后續開發工作的成敗。基于煤礦區煤層氣資源勘查工作的特點,探討了勘查井井位部署的原則與方法,并結合紅陽煤田徐往子井田煤層氣資源預探優化布井實例,提出了先圈定“單因素有利區”,進而通過“疊合法”圈定“多因素綜合靶區”,最終根據靶區地面情況確定勘查井井位的優化布井流程。

煤層氣 勘查 井位部署 優化 紅陽煤田

煤層氣資源勘查是后續規模化開發的前提條件,其根本目的在于:通過實施煤層氣勘查工程,查明區域煤層氣資源賦存狀況,獲取煤層氣資源評價的關鍵地質參數,并基于勘查成果合理評價煤層氣資源后續開發利用前景。

1 煤層氣資源勘查工作特點

煤層氣資源勘查在找煤與煤田地質勘探工作基礎上進行,因此煤礦區以往煤田地質工作程度和水平直接影響到煤層氣資源勘查設計的難度和控制程度。

(1)對于煤田地質勘探與煤炭資源開發程度較低的研究區,由于缺乏相關地質資料,且難以保證陳舊地質資料的準確性與真實性,因此煤層氣資源勘查設計與施工的風險顯著提高。

(2)受能源需求和勘探技術水平的影響,我國以往煤田地質勘探工作重點對研究區地層、煤層、構造、巖漿活動等與煤炭資源開發直接相關的地質情況進行勘查,煤田勘探隊伍對煤層氣資源勘查工作不夠重視,因此多數研究區缺少煤層氣資源評價的相關參數數據,這也給煤層氣資源勘查設計工作帶來了困難。

(3)部分研究區盡管有一些煤層含氣量的測試數據,但由于以往含氣量測試取樣時間過長,測試方法不規范,導致測定結果存在明顯偏差。基于煤礦區生產礦井瓦斯涌出量進行換算,發現煤田地質勘探中測得的煤層含氣量明顯小于實際值。含氣量、氣體成分及相關測試數據的不準確,不利于煤層氣資源富集有利區的確定,進而影響到后續的煤層氣資源勘查與開發工作。

2 煤層氣資源勘查井位部署原則與方法

2.1 優化布井基本原則

(1)目標煤層厚度及穩定性要求

煤層既是煤層氣產生的烴源巖,又是煤層氣的儲集層,厚度大、穩定性好的簡單結構煤層存在是煤層氣資源富集成藏的前提條件。在煤層氣資源勘查工作中,要優先選擇主目標煤層厚度大、目標煤層總厚度大、穩定性強、結構簡單或較簡單的區域布井。一般情況下,勘查布井有利區主目標煤層厚度需大于3m,目標煤層總厚度需大于8m。

(2)目標煤層埋藏深度要求

一般來說,目標煤層埋藏越淺,上覆巖層對煤層氣藏的封閉能力越差,不利于煤層氣資源的保存;目標煤層埋藏越深,含氣量越高,煤層氣資源越富集。然而,目標煤層埋深增加,煤層氣資源勘探開發的技術要求與資金投入明顯提高,因此在進行煤層氣資源勘查時需要通過合理選擇勘查井井位來控制目標煤層的埋藏深度,進而平衡煤層氣勘查開發難度與資源量的關系。依據當前技術水平, 500～800m為煤層氣開發的理想埋深,800～1000m可進行煤層氣資源開采,超過1000m后煤層氣資源開采的難度明顯增大。基于煤層氣資源勘查適度超前的原則,部分煤層氣勘查井井深可超過1000m。

(3)區域地質構造要求

勘查井周圍地質構造相對簡單,有利于煤層氣資源的保存及勘查工程施工,為煤層氣資源富集和后續商業化開發的潛在有利區。在進行井位部署時,應盡量選擇區域地質構造相對簡單的地區布井,并盡量避開研究區內未查明或可能存在的地質構造,使煤層氣資源勘查結果更具代表性,更客觀地評價研究區煤層氣資源賦存及后續開發潛力。

(4)煤層氣資源豐度要求

煤層氣資源賦存于煤儲層中,煤層具有較高的含氣量是進行煤層氣勘查開發的基本要求。中華人民共和國國家標準《煤層氣資源勘查技術規范》(征求意見稿)對不同變質程度煤在進行煤層氣資源勘查的含氣量下限做了規定。其中:褐煤空氣干燥基含氣量下限為0.5m3/t,長焰煤為1.0m3/t,氣煤-瘦煤為4.0m3/t,貧煤-無煙煤為8.0m3/t。由于多數研究區以往煤田地質勘探測定的噸煤含氣量數值相對偏低,因此在進行煤層氣資源富集有利區圈定時,可根據周邊生產礦井瓦斯涌出量數據進行校正。當研究區目標煤層含氣量普遍較高時,應將含氣量相對較高的區域圈定為有利區。

(5)與以往煤田地質勘探孔空間關系要求

由于煤層氣資源勘查以前期煤田地質勘查工作為基礎,因此煤層氣資源勘查井井位應盡量靠近以往煤田地質勘探鉆孔,以便于利用鉆孔的各項參數,提高設計的控制程度;另一方面,煤層氣資源勘查孔也要與煤田地質勘探鉆孔保持一定距離,一般應大于壓裂裂縫半長,防止煤層氣勘查井壓裂后與周圍的煤田地質勘探鉆孔導通,影響排采效果。

(6)地面情況與地形條件要求

煤層氣資源勘查井井位部署還受到研究區地面情況及地形條件的影響。一方面,勘查井所在位置應避開地面永久性建筑及河流、湖泊、鐵路等不可移動地物;另一方面,還應考慮勘查井所在位置的地形起伏對勘查工程施工及后續生產的影響,保障煤層氣勘探開發工程的順利進行。

2.2 優化布井工作流程

煤層氣資源勘查優化布井應遵循以下四個步驟進行:

(1)在研究區以往煤田地質勘探及煤層氣資源勘查資料收集、整理的基礎上,了解區域地層及煤層發育、構造及演化史、巖漿活動及水文地質條件等煤與煤層氣地質資料,完成研究區地層展布、目標煤層參數的各類地質圖件。

(2)基于煤層氣資源勘查優化布井原則,根據各類地質圖件所反映的信息確定井位部署“單因素有利區”,然后采用“疊合法”確定煤層氣資源勘查井位部署的“多因素綜合靶區”。

(3)結合研究區地形地質圖及衛星遙感影像資料,確定煤層氣資源勘查“多因素綜合靶區”內的地形起伏及道路、建筑、河流、湖泊等地物的分布情況,并根據勘查工程規模及勘查井類型初步確定勘查井井位。

(4)通過實地調研核實靶區地面情況資料的準確性與實效性,最終確定勘查井井位。

3 煤層氣資源勘查優化布井實例

3.1 井田概況

徐往子井田隸屬于遼寧省紅陽煤田,位于遼河平原東部斜坡帶內,面積28km2。東北煤田地質局一○三勘探隊于1990年完成徐往子普查工作。普查中共施工鉆孔39個,其中見煤鉆孔22個,提交煤炭普查儲量5455.3萬t。

徐往子井田地層由上而下為新生界第四系、中生界上侏羅統、古生界二疊系與石炭系、中奧陶統。其中,石炭二疊系為主要含煤地層 (圖1)。山西組含煤7層,由上而下依次編號為1～7,僅3#、62#煤局部可采;太原組含煤7層,由上而下依次編號為8～14,其中12#煤普遍可采,13#煤大部分可采。井田內各可采煤層煤類均為無煙煤3#,各煤層宏觀煤巖成分以鏡煤、亮煤為主。

圖1 紅陽煤田徐往子井田基巖地質圖

徐往子井田由兩個小型構造單元組成。由 F1斷層分為東、西兩部分。F1斷層以西被F70斷層切割成三角形殘破的向斜輪廓,向斜軸N30°E,東翼地層傾角15°～25°;F1斷層以東在研究區內以單斜形式出現,地層傾向 NW,傾角 45°～65°,F79、F71、F72將含煤地層切割成數段。

井田范圍內未發現古近紀輝綠巖,但在北部四礦發現其對煤層有吞蝕穿插作用。

3.2 煤層氣資源勘查情況

由于徐往子井田處于遼陽市規劃區,城市壓煤已成現實,因此開展煤層氣資源的勘查及后續開發工作,不僅可以減少煤炭資源損失,而且對紅陽煤田煤層氣勘探開發具有重要的推動作用。

本次勘查預計施工煤層氣井6口,其中參數井3口 (XC-1、XC-2、XC-3),試驗井3口 (直井壓裂1口XS-1、導向對接井1對XS-2與XS-3)。通過開展煤層氣勘查工程,獲取徐往子井田煤儲層含氣量、滲透率等關鍵參數,提交煤層氣地質儲量,查明煤層氣資源的可采性。

圖2 徐往子井田井位部署單因素有利區圖

3.3 有利區與靶區的圈定

收集《紅陽煤田徐往子區普查地質報告》及周圍尖臺子南精查區、西馬礦地質資料,了解區域地層、構造、煤層、煤質、含氣量及水文地質條件等。統計研究區及其周邊井田勘探鉆孔資料及煤質分析成果,利用MAPGIS軟件完成目標煤層 (12#、13#煤)厚度、埋深、有效埋深、頂板標高、含氣量等值線圖等地質圖件,并基于上述優化布井原則,確定“單因素有利區”,如圖2。

在“單因素有利區”圈定的基礎上,將4幅單因素有利區圖疊置,選擇重疊區作為“多因素綜合靶區”,并考慮到其與以往的煤田地質勘探鉆孔離開70m的距離。采用“疊圖法”處理后,得到徐往子井田范圍內5個“多因素綜合靶區”,如圖3。

圖3 徐往子井田井位部署多因素綜合靶區圖

3.4 勘查井井位初定與確定

徐往子井田位于太子河沖洪積扇上,地形平坦,海拔標高16.1～20.5m,因此地形起伏對煤層氣資源勘查井井位確定基本無影響。通過徐往子井田衛星影像資料的分析,結合勘查工程規模及勘查井類型,在“多因素綜合靶區”范圍內初步確定勘查井井位。

通過徐往子井田實地調研,核實勘查井周圍地物分布,最終確定勘查井井位,如圖4。

圖4 徐往子井田煤層氣勘查井井位設計圖

4 結論

(1)煤層氣資源勘查井位部署受區域地層及煤層發育特征、地質構造、煤層氣資源富集及水文地質條件等多種因素的共同影響,在優化布井時需要將目標煤層厚度、穩定性、埋深、含氣性、區域構造、地形條件及地面情況等多種因素進行綜合考慮。

(2)煤層氣資源勘查優化布井應遵循以下的工作流程:在研究區地質資料整理及相關圖件繪制的基礎上,根據優化布井原則確定“單因素有利區”,進而通過“疊圖法”確定“多因素綜合靶區”,再結合靶區地形條件及衛星遙感影像資料初定井位,最終通過現場調研確定勘查井井位。

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(責任編輯 黃 嵐)

Study and Practice on Technology for Determination of CBM Resources Prospecting Well Pattern

Zhang Xinfu1,Zhou Xiaozhi2,Pang Bo1,Ma Jinli1,K ong Lingzhen1,Chi Bo1,Zhang Guoliang1
(1.No.103 Prospecting Team,Northeast Coal Field Geology Bureau,Liaoning 111000;2.Resources and Geoscience College,China University of Mining Technology,Jiangsu 221116)

Rational layout of well site determines directly the success of prospection and follow-up development work of CBM resources in the mine field.Based on the characteristics of the CBM resources prospecting work in the mining area the paper discusses the principles and methods for choosing the site of prospecting wells.Taking the optimal pattern of prospecting wells for pre-prospection of CBM resources in Xuwangzi mine field in Hongyang coalfiled as an example,the authors propose an optimal flow-sheet for determining the site of prospecting wells,i.e.first to delineate“the single factor favorable area”;and then to delineate“the multifactor composite target area”by using“method of superposition”;and finally,to determine the flow-sheet for the optimizing the well pattern based on the surface conditions of the target area.

CBM;prospection;layout of well site;optimization;Hongyang Coalfield

遼寧省國土資源廳2009年度省本級礦產資源補償費地質勘探項目

張新福,高級工程師、副總工程師,主要從事煤與煤層氣地質與勘查技術管理工作。