貴州煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究

戴 林，原曉珠，夏志剛

（1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州貴陽(yáng)550009；2.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥230000）

貴州煤層氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究

戴 林*1，原曉珠1，夏志剛2

（1.貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院，貴州貴陽(yáng)550009；2.安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥230000）

貴州省煤層氣的分布與煤礦分布一致，以六盤(pán)水煤田最豐富，次為織納煤田與黔北煤田。在分析了貴州省“一弱、兩多、三高、四大”的煤層氣地質(zhì)條件特點(diǎn)以及煤層氣開(kāi)發(fā)利用情況后，對(duì)貴州省有針對(duì)性的煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性分析。

資源量；煤層氣地質(zhì)條件；壓裂工藝技術(shù)

貴州省素來(lái)以“西南煤海”而著稱(chēng)，煤炭資源十分豐富，以煙煤和無(wú)煙煤為主，煤種較全，煤質(zhì)優(yōu)良，在煤層中蘊(yùn)藏有大量的煤層氣[7]。據(jù)全國(guó)第三次煤田預(yù)測(cè)資料，貴州省預(yù)測(cè)1000m以淺的煤炭資源量為1618.25×108t，2000m以淺煤炭的資源量是2436×108t。貴州煤田地質(zhì)局提交了全省埋深2000m以淺、含氣量大于4m3/t可采煤層中的煤層氣地質(zhì)資源量31511.59× 108m3，平均可抽放率40.93%，其中1500m以淺的資源量達(dá)到了23000×108m3。貴州全省可以劃分7個(gè)含煤區(qū)：畢威煤田、黔北煤田、黔東南煤田、織納煤田、六盤(pán)水煤田、貴陽(yáng)煤田、黔南煤田。煤層氣分布與煤礦分布基本上是一致的，而且相對(duì)集中在西部，以六盤(pán)水煤田最為豐富，其次是織納煤田與黔北煤田[6]。

1 貴州煤層氣地質(zhì)條件特點(diǎn)

貴州省的含煤地層多形成于晚二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組。總體來(lái)看，貴州省具有“一弱、兩多、三高、四大”的煤層氣地質(zhì)條件特點(diǎn)[1,5]。

（1）“一弱”是含煤地層及其所賦存的碎屑巖地層富水性比較弱,主要依靠大氣降雨滲透進(jìn)煤層裂隙中。各大煤層與覆蓋其上的第四系孔隙水和老窯積水有直接的水力聯(lián)系，而與地表水和強(qiáng)含水層并沒(méi)有直接的水力聯(lián)系。

（2）“兩多”表現(xiàn)為煤層層數(shù)多和控氣構(gòu)造類(lèi)型多。聚煤期后,由于強(qiáng)烈的改造作用，貴州省內(nèi)的煤層被分割賦存于許多獨(dú)立的次級(jí)向斜單元。貴州省煤層氣富集總體上具有向斜控氣的構(gòu)造特征[1-2]。

（3）“三高”是指煤層資源豐度、含氣量、地應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力均相對(duì)較高。煤層含氣量高和資源豐度高說(shuō)明貴州省煤層氣資源豐富和儲(chǔ)層能量大，而儲(chǔ)層壓力和地應(yīng)力較高則揭示了滲透率區(qū)域性偏低，等效煤儲(chǔ)層壓力多以欠壓狀態(tài)為主。

（4）“四大”包括煤層氣資源量大、煤級(jí)變化大、煤層滲透性變化大以及地質(zhì)條件垂向變化大。全省含氣量大于4m3/t、埋深小于2000m可采煤層中煤層氣資源量3.15×1012m3，占全國(guó)同一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下煤層氣資源總量的18.27%，華南地區(qū)總量的63.44%[3]。貴州境內(nèi)以中變質(zhì)煙煤—高煤級(jí)煤為主，肥煤—無(wú)煙煤均有產(chǎn)出，煤級(jí)成帶狀分布[2]。由于沉積—水文—構(gòu)造條件耦合控氣作用的結(jié)果，含煤地層的地下流體在不同主煤層之間總體上缺乏交換，不同煤層群之間的煤層氣系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，形成了“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”[4]。

2 貴州煤層氣可開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)省內(nèi)外煤層氣資源開(kāi)發(fā)情況，煤層氣具有商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值須具備以下5個(gè)方面和條件：①礦區(qū)面積200～500km2以上。②煤層厚度大于5m，且連續(xù)性良好。③含氣量大于8m3/t。④1500m以淺地段的煤層氣資源量不得小于（100～500）×108m3。⑤氣產(chǎn)地距離用戶小于100km。

根據(jù)以上5個(gè)條件，貴州省適宜近期開(kāi)發(fā)的靶區(qū)有：格木底向斜、大河邊向斜、土地埡向斜、黔西向斜、土城向斜、青山向斜和盤(pán)關(guān)向斜。這些礦區(qū)目前的基本情況如下：盤(pán)關(guān)向斜已經(jīng)成為六盤(pán)水煤田重點(diǎn)生產(chǎn)和建設(shè)地區(qū)；土城向斜已建成土城礦，已經(jīng)開(kāi)工建成松河礦；青山向斜糯東、泥堡井田近期將開(kāi)工建設(shè)，響水井田已開(kāi)工建設(shè)，馬依東、馬依西礦已列入規(guī)劃；格目底向斜資源條件很好，近期在建玉舍礦井；黔西向斜建造有青龍礦、高山礦和桂箐礦，準(zhǔn)備建礦井有楊柳礦、磨盤(pán)山礦、新田礦和官寨礦；織金礦區(qū)已列入開(kāi)發(fā)規(guī)劃。目前貴州省在靶區(qū)安排了少量參數(shù)井，獲取與煤層氣開(kāi)發(fā)有關(guān)的參數(shù)資料，進(jìn)一步進(jìn)行商業(yè)性開(kāi)發(fā)性試驗(yàn)。

3 貴州煤層氣開(kāi)采工藝技術(shù)的適應(yīng)性分析

貴州省內(nèi)各大煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，有著自己獨(dú)有的煤層氣地質(zhì)條件特點(diǎn)，客觀地認(rèn)識(shí)這些特點(diǎn)有利于我們選擇有針對(duì)性的特色開(kāi)采工藝技術(shù)進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)。

3.1 連續(xù)油管壓裂工藝技術(shù)

連續(xù)油管壓裂技術(shù)是應(yīng)用比較廣泛的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，加拿大許多油氣開(kāi)發(fā)公司都擁有這一技術(shù)，其特點(diǎn)是成本低、效率高、排量大和產(chǎn)量高。它利用連續(xù)油管實(shí)現(xiàn)環(huán)空注入或油管注入支撐劑和壓裂液對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造的一項(xiàng)工藝技術(shù)[11,13]。

連續(xù)油管壓裂技術(shù)主要應(yīng)用于煤層層數(shù)多且埋深較淺的煤層，可以進(jìn)行薄煤層的分層壓裂和小井眼壓裂。針對(duì)貴州龍?zhí)督M煤層富水性弱、層數(shù)多、埋藏相對(duì)較淺、煤層氣資源豐富、滲透率區(qū)域性偏低等特點(diǎn)，我們可嘗試采用連續(xù)油管壓裂技術(shù)進(jìn)行煤層氣地面開(kāi)發(fā)。連續(xù)油管壓裂工藝技術(shù)普遍適合于六盤(pán)水煤田以及織納煤田煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)。

3.2 水力壓裂工藝技術(shù)

水力壓裂工藝技術(shù)是普遍應(yīng)用的煤層氣增產(chǎn)技術(shù)手段之一，現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)得出：清潔壓裂液和活性水壓裂液加石英砂的組合是最實(shí)用最經(jīng)濟(jì)的，而應(yīng)用普遍的是活性水壓裂液+石英砂。

活性水壓裂液基本組成是：0.2%助排劑、2.0%氯化鉀和清水。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)得出：當(dāng)煤層氣儲(chǔ)藏于背斜部位和翼部陡峭部位時(shí)，應(yīng)用活性水壓裂施工時(shí)，應(yīng)該采用的施工工藝參數(shù)為前置液量少、低施工排量、低砂比濃度和攜砂液量多。當(dāng)煤氣儲(chǔ)藏于向斜部位和翼部寬緩部位時(shí)，當(dāng)煤儲(chǔ)層滲透率比較高時(shí)，多采用段塞技術(shù)和以中低砂比為主進(jìn)行施工；煤儲(chǔ)層滲透率比較低時(shí)，多以施工排量大和中高砂比為主的施工方式[9-10]。中石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司在沁水地區(qū)選用活性水壓裂液對(duì)煤層氣井進(jìn)行了水力壓裂試驗(yàn)，在沁水煤層氣田樊莊一區(qū)塊共壓裂了104口煤層氣井，施工的成功率達(dá)到了57.7%，平均砂比也在15%左右，最高單層加砂量達(dá)到了40m3。

壓裂用支撐劑一般選用石英砂比較多。石英砂的相對(duì)密度約為2.65，體積密度為1.70g/cm3，能承受的壓力為20～34MPa，孔隙度在30%到38%之間，價(jià)格比較便宜，且抗壓強(qiáng)度和硬度比較低。它特別適用于淺層或中深層、溫度低、閉合壓力低的煤層壓裂，應(yīng)用較多的為16～30目的粗砂、20～40目的中砂和40～70目的粉砂，以及它們的組合。

3.3 N2泡沫加砂壓裂工藝技術(shù)

N2泡沫壓裂液特別適用于低壓、低滲和水敏性地層的壓裂增產(chǎn)。它主要由50%～70%氮?dú)狻⒁后w和表面活性劑組成，屬于非牛頓液體。

N2泡沫壓裂液的優(yōu)點(diǎn)如下：通過(guò)誘生裂縫排液而不會(huì)傷害儲(chǔ)層；施工中用液量少，煤層污染比較小；濾失小，造長(zhǎng)而寬的裂縫比較容易；攜砂和懸砂能力很強(qiáng)；煤層氣解吸速度較快。缺點(diǎn)是成本高、要求地層溫高于31.04℃和泡沫質(zhì)量難以控制。織納煤田部分向斜煤層的地層溫度高于40℃，可能利于N2泡沫加砂壓裂。

3.4 叢式井壓裂工藝技術(shù)

叢式井井身結(jié)構(gòu)一般由2～4口井組成，造斜的方向一定要考慮井網(wǎng)的部署，同時(shí)靶心偏移距保持在150～170m，以使目的層形成約300m×300m的井網(wǎng)，為了保證泵的正常工作，其最大的井斜角不能超過(guò)250o（圖1）。

圖1 叢式井立體結(jié)構(gòu)示意圖

叢式井開(kāi)發(fā)[7-8]最關(guān)鍵的技術(shù)是：煤層壓裂技術(shù)和保護(hù)煤層的空氣鉆井技術(shù)。叢式井投產(chǎn)前必須經(jīng)過(guò)壓裂這一程序，一般采用清水加砂壓裂，少數(shù)井采用活性水加砂壓裂，壓裂液的規(guī)模一般在400～600m3，加砂量28～45m3，平均砂比達(dá)到13%～20%。沁水煤層氣田目前投入壓裂排采的叢式井大約有400口，潘河和寺河井區(qū)的排采時(shí)間最長(zhǎng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)面積降壓和部分井的井間干擾，進(jìn)入了正常排氣階段。織納煤田中南部和西北部的煤層原生結(jié)構(gòu)保存非常完好，且地貌復(fù)雜，地形切割嚴(yán)重，高差較大，具有叢式井成井壓裂開(kāi)采的有利地質(zhì)條件和地形需求。

4 小結(jié)

在系統(tǒng)研究了貴州省內(nèi)外煤層氣現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合了貴州省獨(dú)有的煤層氣地質(zhì)條件特點(diǎn)以及煤層氣開(kāi)發(fā)利用的情況，對(duì)貴州省有針對(duì)性的煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性分析。貴州省內(nèi)各大煤田的煤層層數(shù)多、薄且較淺，連續(xù)油管壓裂工藝技術(shù)適合小井眼壓裂和薄煤層的分層壓裂，普遍適合于省內(nèi)大多數(shù)煤田的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。水力壓裂工藝技術(shù)應(yīng)用較多的壓裂液是活性水壓裂液和清潔壓裂液，而活性水壓裂工藝技術(shù)特別適合于貴州省煤層氣總體上為向斜控氣的構(gòu)造特征的勘探開(kāi)發(fā)。織納煤田部分向斜煤層的溫度高于40℃，可能有利于進(jìn)行N2泡沫加砂壓裂。織納煤田中南部和西北部的煤層原生結(jié)構(gòu)保存非常完好，且地貌復(fù)雜，地形切割嚴(yán)重，高差較大，具有叢式井壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)的有利地質(zhì)條件和地形需求。

[1]高弟,秦勇,易同生.論貴州煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)與勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2009,21(3):1674-1803.

[2]徐彬彬,何明德.貴州煤田地質(zhì)[M].江蘇徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[3]葉建平,秦勇,林大揚(yáng).中國(guó)煤層氣資源[M].江蘇徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[4]秦勇,熊孟輝,易同生，等.論多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)[J].地質(zhì)論評(píng),2008,54(1):65-70.

[5]黃培.貴州省煤層氣地質(zhì)條件及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀[J].煤礦環(huán)保, 2011,17(5):104-105.

[6]王忠奎,羅澤衛(wèi).貴州省煤層氣抽采及綜合利用模式分析[J].中國(guó)煤層氣,2011,8(2):43-45.

[7]王一兵,孫平,鮮保安.沁水煤層氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)及應(yīng)用效果[J].天然氣工業(yè)，2008，28(3)：90-92.

[8]王建中.高能氣體壓裂技術(shù)在云南恩洪盆地煤層氣開(kāi)發(fā)中的試驗(yàn)應(yīng)用[J].中國(guó)煤層氣，2010(5).

[9]叢連鑄.煤層氣井用高效低傷害壓裂液研究[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2002.

[10]張懷文，程維恒.煤層氣開(kāi)采工藝技術(shù)[J].新疆石油科技，2010，20(4):33-45.

[11]Olejniczak S J，Wwaren J A.Dhastead C C Fracturing Bypassed Pay in Tubingless Completions SPE56467，2001.

[12]Gilbert J，Green street C.Applications of Pinpoint Fracturing in the Cooper Basin，Australia，SPE97004，2004.

[13]郭啟文，韓煒，張文勇，等.煤礦井下水力壓裂增透抽采機(jī)理及應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(12):60-64.

表2 礦坑涌水量匯總表

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）在實(shí)際工作中，預(yù)測(cè)礦坑涌水量的方法有很多，但要保證礦坑涌水量預(yù)測(cè)的精度，關(guān)鍵在于查明礦坑充水因素，查明礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件，獲得具代表性的水文地質(zhì)參數(shù)，建立符合客觀實(shí)際的水文地質(zhì)概念模型，選擇合理的計(jì)算方法，建立與水文地質(zhì)模型相符的數(shù)學(xué)模型，而不能盲目地套用計(jì)算公式。

（2）采用比擬法來(lái)預(yù)測(cè)新建礦坑涌水量，對(duì)比采用解析法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，具有很好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊(cè)[M].2版.地質(zhì)出版社，2012.

[2]常士驃，張?zhí)K民，等.工程手冊(cè)[M].4版.中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.

TE32

A

1004-5716(2015)03-0142-03

2014-03-25

2014-04-21

戴林（1985-），男（漢族），湖北黃岡人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)工作。