高河井田煤層氣排采因素分析

郭亞水

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 地質勘查大隊,山西 長治 046204)

煤層氣是以自生自儲為主、甲烷為主要成分、吸附于煤顆粒表面的非常規天然氣[1-3],隨著我國經濟的發展,環境越來越受重視,煤層氣屬于清潔能源,大力發掘煤層氣資源是應對空氣污染、氣候變化的能源結構趨勢,同時地面煤層氣的抽采,也將大大降低煤礦瓦斯含量,促進了煤礦安全開采環境[4-5]。筆者長期從事山西煤層氣地質工作,以高河井田為例,分析了區內煤層氣排采情況及影響因素,以期對以后山西煤層氣開采起推動作用。

1 地質概況

高河井田位于長治市以西,井田所處大地構造位置為華北斷塊區呂梁-太行斷塊內,屬典型的板內構造。地層屬華北地層區山西地層分區長治小區,井田內煤層主要分布在二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。太原組含煤8—14層,煤層厚4.76 m～15.37 m,平均9.92 m,含煤系數8.7%。主要可采的15#煤層位于一段中部,局部可采的14#煤層位于一段頂部,局部可采的9#煤層位于三段底部。山西組含煤1—4層,煤層厚5.15 m～13.05 m,平均7.16 m,含煤系數12.4%。其中3#煤層位于本組下部,厚度大且穩定,是井田主采、首采煤層,也是煤層氣主要源儲層。

2 產氣特征

高河礦于 2014年1月投產二十余口煤層氣井,不同井組產氣規律差異性明顯,產氣持續時間也不同,如華高68井自投產以來產氣效果明顯,最高日產氣可超過2 500 m3,日產氣量總體處于500 m3～1 000 m3,而華高89井、華高90井組自2014年投產,產氣僅持續到2016年1月,且日產氣量較低。截止2017年1月,投產的二十余口煤層氣井產量超過550萬m3。

3 影響因素

煤層氣資源量與工程開采直接決定了煤層氣產量[6]。煤層氣是以吸附為主要賦存方式的天然氣藏,煤層既是生氣層也是儲層。因此，煤層的厚度、埋深、地質構造以及滲透率等因素也直接影響了煤層氣產量。

3.1 地質因素

3.1.1煤層厚度及埋深

區內3#煤以貧瘦煤為主,局部為瘦煤,底板標高在390 m～500 m之間,中西部較低,西南部較高。3#煤層賦存最淺部位于測區西南部,埋深為410 m左右,最深處在測區中西部,埋深為540 m,一般埋深在450 m～500 m,煤層主體厚5.80 m～6.90 m,局部可超過10 m,平均厚6.34 m,全區穩定可采,厚度變化不大,屬穩定型煤層。

3.1.2含氣性特征

高河井田全區瓦斯含量在8 m3/t以上,東部小范圍在5 m3/t～8 m3/t甚至5 m3/t以下。據本區煤巖樣品分析測試資料,煤層空氣干燥基含氣量為4.93 cm3/g～9.54 cm3/g,平均7.07 cm3/g,與其他地區的相當煤級(貧煤、貧瘦煤)相比,高河井田3#煤層含氣量偏低。

3.1.3滲透率特征

煤層滲透率是控制煤層中天然氣運移的直接因素,也是影響產氣效率的關鍵因素。區內3#煤其煤巖孔隙度0.66%～5.73%,孔隙半徑普遍較小,以極微孔為主。根據高河井田內試井測試成果,3#煤滲透率為0.008 mD～0.195 mD(表1),試井滲透率極低,其中華高24井3#煤層滲透率為0.008 mD,華高47井3#煤層滲透率為0.195 mD,華高1-118井3#煤層滲透率值為0.020 mD,華高1-132井3#煤層滲透率值為0.169 mD。

表1 高河井田3#煤層試井滲透率Table 1 Permeability of testing well in No.3 coal seam in Gaohe coal field

3.1.4地質構造

煤層氣通常富集在地應力高的部位,如褶皺軸部和擠壓斷層附近,一般都是煤層氣含量較高的部位,而處于拉張應力的地質構造附近,通常煤層氣含量低,逸散作用明顯。

本區總體為一走向近SN,傾向西、傾角4°左右的單斜構造,但波狀起伏普遍發育,并伴有寬緩褶曲,致使局部地層傾角達8°以上,斷層附近達25°左右。井田內褶曲軸向大體可以分兩組,南部以近 SN 走向為主,中東、北部以NNE 向為主。井田內共發現5條斷距大于30 m的斷裂,且均為正斷層,分別為二崗山北正斷層、西魏正斷層、藕澤正斷層、安昌正斷層、中華正斷層。小于30 m的斷裂5條,2條正斷層,3條逆斷層。井田內斷層的發育特征是,走向多為 NNE-NEE 向,少數為 NW 向,以高角度正斷層占優勢,少量逆斷層。井田內陷落柱發育,已發現陷落柱 55 個。

高河井田煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖,局部為砂巖,底板為黑色泥巖、砂質泥巖、深灰色粉砂巖,頂底板均為非滲透性泥巖蓋層,封蓋條件好,利于煤層氣藏保存,但張性斷層、陷落柱發育,增強了煤層氣逸散程度,造成了井田范圍內煤層含氣量差異化明顯的局面。

3.2 工程因素

目前國內煤層氣儲層改造的方式一般有水力壓裂、徑向水力噴射及噴射后壓裂等工藝措施。這些方式各有優缺點,因此,選擇合適的儲層改造方式對煤層氣的高效開發至關重要。水力壓裂是目前最常用的煤層氣儲層改造措施。其目的是在煤層中形成有一定支撐、能夠讓煤層氣順利解吸和流動到排采井筒的導流裂縫。據不完全統計,壓裂前后通過井下抽排孔抽放瓦斯的效率可達到10倍以上,其主要原因是壓裂形成的人工裂縫溝通了煤層原有的割理和裂隙,使得抽放面積大大增加。壓裂改造中壓裂液的選擇直接關系到壓裂成功與否,根據高河的地質條件及含氣情況,選擇高河井區以活性水為主、以活性水氮伴注壓裂為輔的壓裂液體系。同時,在適當位置的井進行氮氣泡沫和瓜膠體系壓裂。

4 結束語

高河井田3#煤層平均厚度6.34 m,全區穩定發育,埋深適中,煤級以貧瘦煤為主,具有較好的氣源條件。井田范圍內發育較多的張性構造,導致煤層氣逸散,區內煤層含氣量在不同構造位置差異性明顯,且煤層滲透率極低,不利于煤層氣開采,在煤層氣開采的工程技術上存在很多不穩定因素,需要在不同構造位置優選出適合的壓裂液體系。