云南恩洪-老廠煤層氣勘查區地質特征及勘探開發策略

賈高龍 莫日和 賴文奇 袁 燊 張三科

(中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)

云南恩洪-老廠煤層氣勘查區地質特征及勘探開發策略

賈高龍 莫日和 賴文奇 袁 燊 張三科

(中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)

綜合地質分析表明，云南恩洪-老廠煤層氣勘查區具有煤系發育、埋深適中、中厚煤層、中高階煤、含氣量高、構造復雜、資源潛力大等特點，是我國西南地區最有希望實現煤層氣勘探開發商業化的地區之一。根據該勘查區煤系特征與地形特點，提出了具體的勘探開發策略建議：對煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣應“三氣共探”；應采用叢式井組、壓裂改造和水平井等鉆完井技術，試用N2壓裂和CO2注入等增產措施；煤層氣企業應與煤礦合作，在高瓦斯礦區推廣利用煤層氣地面抽采技術，在降低煤礦安全風險的同時加快煤層氣商業化開發進程。

云南省；恩洪-老廠勘查區；煤層氣；地質特征；勘探開發策略

云南省東部恩洪-老廠含煤區為我國西南地區重要的富煤中心區，可采煤層總厚度均大于20 m[1]；煤層氣總資源量為1 400億m3，屬于大型氣田[2]。該區地域經濟較發達，具有廣闊的煤層氣下游市場[3]，因此在該地區開展煤層氣地質研究，并提出下一步勘探開發策略，具有十分重要的現實意義。

恩洪-老廠煤層氣勘查區總面積1 201.98 km2，兩區塊最近距離不足10 km。其中恩洪勘查區(恩洪區塊)位于曲靖市麒麟區與富源縣境內，面積719.41 km2；老廠勘查區(包括老廠道班房和老廠雨旺兩區塊)位于曲靖市富源縣東南部，面積合計482.57 km2(圖1)。恩洪-老廠煤層氣勘查區內地形切割強烈，溝谷發育，海拔1 800～2 500 m，屬中高山區。

圖1 云南省恩洪-老廠勘查區位置及構造綱要圖

1 勘查區地質特征

1.1 含煤地層特征

恩洪勘查區含煤地層為上二疊統宣威組(P2x)，主要巖性為灰色粉細砂巖、深灰色泥巖、砂質泥巖及煤，含動植物化石，為陸相—海陸交互相沉積；含煤地層厚度205～335 m，平均厚度250 m,埋深500～1 500 m，多在1 000 m以淺；含煤18～73層，煤層總厚度15.99～67.68 m，平均厚度32 m。可采煤層有8～20 層，可采總厚度10～31 m，平均厚度為18 m。全區大面積可采煤層有12層，其中9#、16#、23#等主力煤層厚度較穩定且分布范圍廣。

老廠勘查區含煤地層為上二疊統龍潭組(P2l)和長興組(P2c)，巖性以深灰色細碎屑巖為主，主要由粉砂巖、砂質泥巖及煤組成，為海陸交互相沉積；含煤地層厚度約460 m,埋深500～1 500 m，一般在1 000 m以淺；煤層主要分布在龍潭組中上部，一般含煤層27～42層，煤層總厚度41 m；可采煤層有11～15層，可采總厚度6～33 m，平均厚度為20 m。該區主力煤層為龍潭組7#+8#、9#、13#和19#煤層，各主力煤層厚度較穩定且分布范圍廣。

1.2 構造特征

恩洪勘查區主體為NNE向大型復式向斜構造，地層傾角為10°～ 30°。受到東西向主應力擠壓作用影響，區內斷層發育，走向多為NNE、近SN和NE向，由北向南呈右旋雁行排列，其中以富源彌勒大斷裂為代表的一組NNE向斷層規模大、延伸長，對全區構造起控制作用(圖1)。受其邊界斷層構造運動的影響，恩洪勘查區地層具有東北深、西南淺的埋深特點，煤層發育受沉積和構造因素的控制，具有東北厚、西南薄的特征[4]。

老廠勘查區主要構造為老廠復背斜，總體呈NE向展布。其中，老廠道班房區塊位于老廠復背斜的兩翼，其西北翼構造復雜，煤層被斷層切割破壞，埋藏較深；南東翼保存比較完好，煤層埋藏較淺。老廠雨旺區塊位于老廠復背斜的南東翼，總體為一較平緩的單斜構造，地層走向NE，傾向SE，傾角8°～15°，局部傾角20°，區塊內斷層較稀少(圖1)。

1.3 儲層特征

恩洪勘查區煤層含氣量7.37～23.00 m3/t，深度700 m以淺參數井測試含氣量2.54～10.03 m3/t，且含氣量隨著深度的增加而逐漸增高。煤層全烴含量較高，CH4含量也較高，出現重烴組分C2、C3、nC4、iC4，含少量N2和微量CO2。原煤灰分19.36%～24.35%，垂向上各煤層灰分表現為上部和下部含量略高，中部含量較低，其中以9#煤層灰分最低。主力煤層為中等變質程度，屬于焦煤。煤儲層物性較好，據區內參數井注入壓降測試成果，屬欠壓—正常儲層(表1)。

表1 恩洪和老廠勘查區主力煤層儲層參數

老廠勘查區煤層含氣量為9.23～26.20 m3/t，平均15.20 m3/t ，且隨著深度的增加而逐漸增高。煤層全烴含量較高，CH4含量也較高，出現重烴組分C2、C3、nC4、iC4，含少量N2和微量CO2。原煤灰分約20%，揮發分約8.5%，發熱量28 MJ/kg，鏡質體反射率Ro為3.008%～3.247%，各煤層的煤階單一，屬無煙煤三號。除滲透率較低外，其他煤層物性參數較高，據區內參數井注入壓降測試成果，屬正常—微欠壓儲層(表1)。

根據煤層氣等溫吸附理論，蘭氏體積越大，煤的吸附能力越強；蘭氏壓力越高，煤層氣越容易解吸。煤層等溫吸附實驗結果表明，恩洪勘查區EH-1井9#煤層空氣干燥基蘭氏體積為17.55 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為20.19 cm3/g，蘭氏壓力為2.73 MPa；16#煤層空氣干燥基蘭氏體積為22.75 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為25.65 cm3/g，蘭氏壓力為2.93 MPa(圖2)。老廠勘查區LC-1井7#+8#煤層空氣干燥基蘭氏體積為33.70 cm3/g，干燥無灰基蘭氏體積為37.31 cm3/g，蘭氏壓力為2.06 MPa(圖2)。也就是說，恩洪16#煤層的吸附能力略強于9#煤層；老廠7#+8#煤層與恩洪煤層相比有更強的吸附能力。由表1和圖2可以看出，老廠勘查區的煤層物性參數和生產能力比恩洪勘查區更具優勢。

1.4 煤層氣資源潛力

恩洪和老廠勘查區煤層氣資源豐富，煤層氣資源豐度高(表2)，具備形成大型氣田的基礎條件,而且煤層埋深適中，有利于勘探開發。其中，恩洪勘查區9#、16#、23#主力煤層的煤層氣資源總量為330億m3，占本區的63%；老廠勘查區7#+8#、9#、13#和19#主力煤層的煤層氣資源總量約為300億m3，占本區的35%。

圖2 恩洪和老廠勘查區煤層等溫吸附曲線

表2 恩洪和老廠勘查區煤層氣預測資源量統計表

2 煤層氣勘探進展

2.1 恩洪勘查區

2002年，在恩洪勘查區南部實施6條二維地震測線，完成滿24次覆蓋剖面長度36.62 km，野外采集物理點1 059個；2004年,又在該區中南部實施3條二維地震測線，滿24次覆蓋剖面長度10.24 km，野外采集物理點322個。2002—2010年，在恩洪勘查區共施工煤層氣參數井7口，其中壓裂排采井有2口，氣產量為300～750 m3/d(表3)。

表3 恩洪勘查區煤層氣參數井及采氣試驗井一覽表

EH-2井和EH-5井均具有一定的產氣能力[5-6]，但煤層本身基本不含水，且具有較強的吸水性，造成壓裂液不能完全返排，使增產效果受到了影響。由于該區塊勘探程度低，煤層氣排采井稀少，單井排采未達到井間干擾[7-8]，因此原有生產井的產氣能力不具有普遍代表性，今后有必要進一步試驗新的增產技術。

EH-3井于2007年采用高能氣體多級脈沖加載壓裂10層煤層，合采最高日產氣量僅50 m3左右，儲層改造效果差，產氣能力極低。欣欣煤礦于2011年整體竣工投產，目前主要開采8#煤層，該煤礦采動范圍到達EH-3井附近時，出于煤礦安全考慮，于2014年10月26日對其封井棄井，封井棄井時井口蓋發現有大量氣體涌出；10月26日至11月8日進行排采試驗14天，7#煤層瞬時氣流量最高為26.13 m3/h，自然產氣量600 m3/d以上，累計產氣2 451.60 m3，CH4含量92%。分析認為，在8#煤層被采動后，采動區附近的煤體結構再次遭受松動，在地層壓力的作用下使臨近煤層(如7#煤層)及其頂底板產生微裂縫和裂隙，擴展了煤巖層裂縫的寬度和長度，臨近煤層及其圍巖巖體的滲透率大大提高，從而增加了煤層氣運移通道的輸氣能力。因此，選擇在煤礦采動區附近分析煤礦開采過程中煤巖層松動規律，合理選定煤層氣抽采的目標層段，將能大幅度提高該區低滲欠壓條件下的煤層氣產量，這是一條與煤礦合作在地面開發煤層氣資源的新途徑。

此外，恩洪勘查區中部埋深適中,為勘探開發有利區，尚有大于135 km2的可先期勘探面積，煤層氣資源量約235億m3，預計可提交150億m3探明儲量[2]。

2.2 老廠勘查區

2003—2008年，在老廠道班房區塊施工煤層氣參數井2口；在老廠雨旺區塊施工煤層氣參數井4口，并完成由4口定向井與先期的1口參數直井組成的先導性試驗叢式井組。

2011年1月對老廠雨旺區塊叢式井組進行了壓裂，壓裂5口井共9層。同年3月開始排采試驗，其中LC-CS1-04井最高產氣量達1 851 m3/d，8月13日至10月14日，該井的產氣量一直維持在1 000 m3/d以上，隨后略有下降，維持在500～1 000 m3/d，基本達到了提交探明儲量的要求，但該井地層供液能力低，累計產水僅525 m3。另外，本井組LC-CS1-01和LC-01兩口井的產氣量也達到800 m3/d，顯示了良好的開發前景(圖3)。

LC-CS1-04井高產穩產時間較短，其原因為：一是由于排采后期煤層空隙通道被堵塞；二是由于該井地層的供液能力低導致后期產氣量不足；三是煤層未得到完全溝通。

對排采試驗結果分析表明，叢式井組實現了一定范圍內的井間干擾，有助于提高單井產氣量，是本區今后煤層氣勘探開發的主要手段之一。老廠雨旺區塊煤儲層埋深適中，一般為680～910 m，且煤層氣資源量豐富，屬于勘探開發有利區，預計可提交100億m3探明儲量。

圖3 老廠雨旺區塊叢式井組生產試驗排采曲線圖

3 勘探開發策略

3.1 拓寬勘探思路，實現綜合勘探

鑒于恩洪-老廠勘查區煤系發育、煤層多且厚度適中、含氣量高等特點，首先應拓寬勘探思路，不限于單個煤層，應著眼整個含煤層系尋求氣儲層，對煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣等煤系氣進行綜合勘探(三氣共探)。其次要持續開展煤層氣地質基礎研究，提高對儲層特性與地質構造規律的認識，研究“構造煤”的分布特點，試用適合本區的鉆完井技術和改造工藝，總結適用的排采增產措施。

恩洪-老廠煤層氣勘查區地質構造復雜，斷層發育，煤層氣勘探工程部署首先要按照“動中求靜”的原則，即鉆井目標靶心盡量離開已查明的斷層，尋找構造相對穩定的區位部署煤層氣勘探工程并進行煤層氣生產試驗；其次是利用物探手段提高對地質構造的認識和控制程度，并指導鉆井工程的部署。

3.2 探索使用新技術，提高單井產氣量

根據研究區煤儲層低滲特點，以往煤層氣井均采用了常規的水力加砂壓裂改造措施，但增產效果不理想。今后采氣試驗的關鍵是圍繞提高單井產氣量開展工作，要進一步嘗試使用先進的鉆完井技術[9-13]，試驗新的增產改造工藝，提高煤儲層的導氣能力，獲得理想的煤層氣產量。可具體嘗試以下技術:

1) 根據研究區地質及地形特點，應以布置叢式井組為主要勘探手段，實現一個井場鉆多口定向井，進行井組排采試驗，實現井間干擾，以提高單井產氣量、節約用地和減少鉆前費用。

2) 對煤層頂板附近井段射孔壓裂改造。研究區以往直井均設計在煤層井段射孔，只對煤層進行壓裂改造，排采后期因煤粉堵塞通道而使產氣效果變差。今后應選擇在煤層頂板附近的井段射孔，對煤層近頂壓裂改造，這樣可有效防止排采過程中產出煤粉堵塞通道而影響產氣量。

3) 沿主煤層頂板的U型水平井完井技術。目標主煤層為構造煤時(如恩洪區塊9#煤)，沿煤層中的U型水平井完井方式可能會因煤粉堵塞通道而導致產氣不會太理想，此時應嘗試沿煤層近頂板的U型水平井完井方式，預計可以提高產氣量、延長穩產時間。

4) 水平井分段壓裂改造技術。

5) 使用N2壓裂、CO2注入等增產技術。

6) “弱含水-高應力-低滲-多煤層”條件下的儲層增產改造技術。

7) 針對研究區煤層含水弱的實際，探索多煤層合采的可行性。

3.3 與煤礦合作勘探開發煤層氣

煤層氣與煤炭屬于共生礦產資源，由于歷史原因，煤層氣勘查區與煤炭勘探開采礦區存在著礦權重疊的現實問題，解決這個問題的有效途徑主要是采取雙方合作的模式。

恩洪-老廠勘查區煤炭資源豐富、煤層條件較好，煤炭開采強度較大，但煤炭企業也因礦井瓦斯問題突出而影響采煤生產。因此，通過實施煤層氣地面抽采以大幅度減少井下瓦斯，可降低煤礦生產安全風險、實現安全生產。

鑒于煤層氣井排采的特點，排采設備需要充足、連續的電力供給[14]。因此，煤層氣企業與煤礦合作，可利用煤礦現有專供網電，實現輸電排采，減免電力增容費用，降低單井電耗成本，從而增加經濟效益。

礦井瓦斯負壓抽采系統是高瓦斯礦井不可或缺的部分，需要巨額建設投資。若能在設計之初綜合考慮煤層氣增壓站的相應功能，則可節省大量的建站資金和土地使用面積。另外，礦井抽采的瓦斯濃度通常<35%，若與地面開發的甲烷濃度>95%的煤層氣按適當比例混合，也可拓寬礦井抽采瓦斯的應用范圍[15]。

4 結束語

云南恩洪-老廠煤層氣勘查區煤層含氣量高、資源潛力大，煤層厚度與埋藏深度均適中，是我國西南地區最有希望實現煤層氣勘探開發商業化的地區之一。因此，建議該勘查區應拓寬勘探思路，對煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣等煤系氣進行綜合勘探，推廣使用叢式井組和水平井技術等先進的鉆完井技術，以提高單井產量。當然，在當前煤層氣礦權與煤炭礦權大面積重疊的背景下，煤層氣企業應與煤礦合作，在高瓦斯礦區推廣利用煤層氣地面抽采技術，這樣既能合理開發利用煤層氣資源，又能極大降低煤礦瓦斯事故的風險，實現煤層氣企業與煤礦在經濟效益和安全生產方面的共贏。

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(編輯：張喜林)

CBM geological characteristics and exploration and development strategy of Enhong-Laochang exploration blocks, Yunnan province

Jia Gaolong Mo Rihe Lai Wenqi Yuan Shen Zhang Sanke

(ChinaUnitedCoalbedMethaneCorporation,Ltd.,Beijing100011,China)

Comprehensive geological analysis indicates that the coalbed methane reservoirs of Enhong-Laochang exploration blocks in Yunnan province have such characteristics as rich coal-bearing strata, suitable burial depth, middle thickness, middle-high rank, high gas content, complex geological structure, high potential of resource, which is one of the most hopeful region of commercial exploration and development in the southwest of China. Based on the characteristics of coal-bearing strata and topography, the strategy of exploration and development is proposed. Tight gas, shale gas and CBM should be explored in the same exploration well; the cluster horizontal well groups stimulated by fracturing are suitable methods in which nitrogen foam fracturing and carbon dioxide injection should be tentatively applied; corporation with coal mines should be established and CBM drainage on surface in high gas area should be applied, which can reduce the mine risk and promote the commercial development of CBM.

Yunnan province; Enhong-Laochang exploration blocks; coalbed methane; geological characteristics; exploration and development strategy

賈高龍，男，高級工程師，1982年畢業于原山西礦業學院地質系煤田地質及勘探專業，獲工學學士學位，2001年研究生畢業于中央黨校經濟管理專業，現任中聯煤層氣公司外圍項目部經理，主要從事地質勘探及管理工作。地址：北京市東城區安外大街甲88號中聯大廈(郵編：100011)。電話：010-64260325。E-mail:gaolongjia@263.net。

1673-1506(2016)01-0029-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.004

TE132.2; P618.13

A

2015-07-20 改回日期：2015-10-30

賈高龍,莫日和,賴文奇，等.云南恩洪-老廠煤層氣勘查區地質特征及勘探開發策略[J].中國海上油氣，2016,28(1)：29-34.

Jia Gaolong,Mo Rihe,Lai Wenqi,et al.CBM geological characteristics and exploration and development strategy of Enhong-Laochang exploration blocks, Yunnan province[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):29-34.