寺河礦區西二盤區煤層氣井抽采效果評價

姚晉芳

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西省晉城市，048000)

1 研究區概述及勘探開發現狀

寺河礦區位于山西晉城市西北約60 km處，隸屬沁水縣管轄。寺河礦西二盤區位于沁河西岸，屬于該礦井的擴區。研究區地理位置如圖1所示。

寺河礦屬高瓦斯礦井，本著地面煤層氣抽采降低煤層含氣量、解決煤礦生產瓦斯含量高等安全問題的目的，2010年在西二盤區共施工地面煤層氣抽采井88口，其中9口井做了含氣量測試，主要排采煤層為山西組的3#煤層，從2011年6月份開始排采，平均單井產量2979 m3/d，至2016年底累計產氣量3.89×108m3。為了摸清寺河西區剩余噸煤瓦斯含量，為寺河礦在該區域的采掘和井下抽放設計提供基本參數，2013年初至4月，施工了8口取芯檢驗井。

通過對研究區原始含氣量分析、煤層氣井產氣情況分析、不同抽采時期煤層含氣量變化規律研究、數值模擬及抽采效果評價、西二盤區煤層氣抽采效果評價等，驗證寺河西二盤區煤層氣地面抽采所產生的效果和作用。

圖1 研究區地理位置圖

2 地質背景

2.1 區域地層與構造

寺河井田擴區位于沁水煤田南部，地層發育正常，地層柱狀圖見圖2，地層從老到新為奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系松散沉積。

沁水煤田東南部位于華北板塊山西過渡塊體的沁水區塊，處于沁水復式向斜南段軸部附近。寺河井田位于沁水復式向斜盆地南翼，總體構造形態是一傾向北西西的單斜構造，在此基礎上發育的構造形跡是與沁水大型復式向斜走向一致的北北東向的寬緩褶皺和規模不大的高角度正斷層。

2.2 研究區地層與構造

寺河西二盤區內大部分被黃土覆蓋，地層出露為二疊系上統上石盒子組，第四系分布于山梁和溝谷，結合區內鉆孔資料，西二盤區地層和構造概述分別如表1和表2所示。

2.3 研究區煤層特征

西二盤區含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，平均厚度136.02 m，共含煤15層。其中山西組厚30.7～59.1 m，平均厚度45.2 m，含煤4層，煤層總厚6.89 m，含煤系數15.2%，可采煤層1層，為3#煤層；太原組厚90.82 m，含煤11～13層，煤層平均厚7.78 m，含煤系數8.6%，可采煤層1層，為15#煤層。

圖2 地層綜合柱狀圖

名稱順序厚度/m特征描述地層由老到新奧陶系中統馬家溝組(O2m)33.18～75.4258.93下部為灰色、深灰色泥質石灰巖、角礫狀灰巖、白云質灰巖;上部為淺灰色、深灰色,局部帶褐紅色的石灰巖、角礫狀灰巖奧統系中統峰峰組(O2f)>100為煤系地層的基底。以深灰、青灰色中、厚層狀石灰巖為主,間夾薄層泥灰巖石炭系中統本溪組(C2b)0.83～52.909.68與下伏峰峰組呈平行不整合接觸,為灰色砂質泥巖、粉砂巖、深灰色、高鐵砂質泥巖,偶含透鏡狀鐵礦層(山西式鐵礦)及砂巖、礫巖石炭系上統太原組(C3t)81.56～115.60100.91為主要含煤地層之一,由多層灰巖、不同粒度的砂巖、灰黑色泥巖及煤組成。有灰巖5～9層,含煤16層,其中,下部的15#煤層為主要可采煤層。底部以KL砂巖與下伏地層呈整合接觸二疊系下統山西組(P1s)30.70～59.1045.20為主要含煤地層之一,主要由灰色粉砂巖、砂巖和深灰色泥巖、砂質泥巖及煤層組成。含煤3層,其中3#煤層厚度較大且穩定,為主要可采煤層。以K7砂巖與太原組整合接觸二疊系下統下石盒子組(P1x)35.4～124.470.9頂部為灰白色含鋁泥巖,以高嶺石為主,含大量菱鐵礦及黃鐵礦團塊,中、下部為灰綠色、灰色泥巖,夾黃綠色淺灰色砂巖。以K8砂巖與山西組整合接觸二疊系上統上石盒子組(P2s)290.5～390.5350.19主要為砂巖及雜色泥巖組成。底部以K10砂巖與下伏下石盒子組整合接觸第四系(Q)0～2011.96在本區溝底和山梁有黃土覆蓋,主要由粘土、亞粘土、砂層等組成,局部底部含礫石層,與下伏地層呈不整合接觸

表2 西二盤區構造概述

2.3.1 3#煤層

3#煤層位于山西組下部，沉積穩定，厚度為5.70～7.48 m，平均6.31 m，西二盤區3#煤層厚度等值線如圖3所示。含夾矸為1～3層，夾矸總厚小于0.5 m。結構簡單，頂板主要為砂質泥巖或粉砂巖，底板主要是砂質泥巖、泥巖和粉砂巖，為全區穩定的主要可采煤層之一。

西二盤區內3#煤層底板標高在235～455 m之間，如圖4所示，中部大部分標高在280～300 m之間，東、西部標高較中部稍高，南北較中部稍低。區內煤層埋深為200～470 m，埋深與地形有關，總體趨勢為北部埋藏深、南部埋深淺，另外在背斜軸部賦存較淺，向斜軸部較深。3#煤層賦存最淺部位于測區西南部馬莊村西邊溝中，埋深為215 m左右，最深處在該區北中部邊緣的山梁上，埋深為620 m，一般為300～500 m。

圖3 西二盤區3#煤層厚度等值線圖

2.3.2 9#煤層和15#煤層

9#煤層位于太原組中部，沉積穩定，上距3#煤層47.57 m，下距15#煤層36.38 m，厚度0.48～2.44 m，平均厚度為1.34 m。含夾矸一般為0～4層，結構簡單。直接頂板為粉砂巖，局部為泥巖，為較穩定局部可采煤層。

15#煤層位于太原組下部，上距3#煤層85.29 m。厚度1.48～5.45 m，平均為2.67 m。含夾矸一般為0～4層，結構復雜。直接頂板為石灰巖，局部為泥巖，底板為泥巖，為全區穩定可采煤層。

3 煤層原始含氣量分析

西二盤區內，2010年施工了88口煤層氣地面抽采井，其中9口井做了含氣量測試，測試方法為自然解吸法，自2011年3月份起排采至2016年底。該區域煤層含氣量較高，含氣量為20.30～26.33 m3/t，平均為23.33 m3/t，如表3所示，數據基準采用空氣干燥基。西二盤區含氣量整體上變化不大，僅存在局部以SHX-103(26.33 m3/t)和SHX-125(26.04 m3/t)為中心的大于25 m3/t高值區和以SHX-109(20.30 m3/t)為中心的相對低區域，如圖5所示。

圖4 西二盤區3#煤層底板等高線圖

圖5 西二盤區3#煤層原始瓦斯含量等值線圖

井號埋深/m煤厚/m含氣量/m3·t-1排采時間SHx101338.306.0022.402011.03SHx103409.446.1026.332011.03SHx105293.315.9424.282011.03SHx107332.895.7924.922011.03SHx109318.516.2020.302011.03SHx111252.575.8822.172011.03SHx125394.765.7026.042011.03SHx127347.706.2121.942011.03SHx129322.286.1521.622011.03

從以上分析來看，西二盤區煤層原始含氣量平均值均高達23 m3/t，煤炭開采前提前預抽瓦斯是非常必要的。

4 地面參數井抽采效果檢驗

4.1 測試點分布

為了驗證煤層氣地面抽采的效果，2013年初在寺河西二盤區施工了8口抽采效果井，如圖6所示，并取芯做了含氣量測試(采用快速加溫解吸法)。該測試結果代表著目前煤層的剩余含氣量，使用數據基準全部為空氣干燥基。

圖6 西二盤區剩余含氣量測定點位置圖

4.2 西二盤區氣含量

由圖6可知，西二盤區共有9口含氣量測試井，分為A、B、C、D共4個區域控制整個盤區。根據本次參數井測試成果，繪制了西二盤區剩余含氣量等值線預測圖，如圖7所示，剩余含氣量呈由北向南逐漸增大趨勢，由12 m3/t增大到18 m3/t。本區域3#煤層剩余含氣量為11.98～18.07 m3/t，平均為14.13 m3/t，含氣量降幅達42%，抽采效果同樣非常明顯，如圖8所示。西二盤區4個區域目前剩余煤層含氣量與原始含氣量對比結果如表4所示，以下對各區域抽采效果分別予以介紹。

圖7 西二盤區剩余瓦斯含量等值線圖

區域排采井原始含氣量/m3·t-1檢驗井剩余含氣量/m3·t-1含氣量降幅/%區域ASHX-12526.04SHZK-1112.40SHZK-1212.2053區域BSHX-12721.94SHZK-1011.9845SHX-12921.62ZX-CC-1014.8631平均值21.7813.4238區域CSHX-10524.28ZX-CC-0912.7148SHX-10724.92ZX-CC-0716.2635平均值24.614.4842區域DSHX-10122.40ZX-CC-0812.7548SHX-10326.33ZX-CC-0618.0719平均值23.7115.4134平均值42

圖8 煤層氣地面抽采前后含氣量對比注：圖8中前9口井為2010年測試孔，后8口井為2013年抽采效果檢驗孔

4.2.1 區域A

區域A含氣量較高，含氣量在26 m3/t左右。布置SHZK-11、SHZK-12煤層氣抽采效果測試井對該區域煤層氣井抽采效果檢測。

區域A內2口井的剩余含氣量顯示，3#煤層剩余含氣量在12.20～12.40 m3/t之間，平均為12.30 m3/t，鄰近SHX-125井原始含氣量為26.04 m3/t，含氣量平均降低幅度已達53%。

4.2.2 區域B

區域B含氣量較高，含氣量在22 m3/t左右。布置SHZK-10、ZX-CC-10煤層氣抽采效果測試井對該區域煤層氣井抽采效果檢測。

與抽采前相比，區域B內3#煤層原始含氣量為21.78 m3/t，剩余含氣量平均為13.42 m3/t，抽采后含氣量降低38%。

SHZK-10與鄰近SHX-127井相比，原始含氣量為21.94 m3/t，剩余含氣量為11.98 m3/t，降低幅度達45%；ZX-CC-10與鄰近SHX-129井相比，原始含氣量為21.62 m3/t，剩余含氣量為14.48 m3/t，降低幅度達31%。

4.2.3 區域C

區域C含氣量較高，含氣量在25 m3/t左右。布置ZX-CC-09、ZX-CC-07煤層氣抽采效果測試井對該區域煤層氣井抽采效果檢測。

2口井剩余含氣量計算結果顯示，區域C內3#煤層原始含氣量平均值為24.6 m3/t，剩余含氣量平均值為14.48 m3/t，與該區域原始含氣量對比，含氣量平均降低了42%。

ZX-CC-09與鄰近SHX-105井相比，原始含氣量為24.28 m3/t，剩余含氣量平均為12.71m3/t，含氣量降低了48%；ZX-CC-07與鄰近SHX-107井相比，原始含氣量為24.92 m3/t，剩余含氣量平均為16.26 m3/t，含氣量降低了35%。

4.2.4 區域D

區域D含氣量較高，含氣量在24 m3/t左右。布置ZX-CC-06、ZX-CC-08煤層氣抽采效果測試井，對該區域煤層氣井抽采效果檢測。

2口井剩余含氣量測試結果顯示，區域D內3#煤層原始含氣量平均值為23.71 m3/t，剩余含氣量平均值15.41 m3/t，與該區域原始含氣量對比，含氣量降低了34%。

ZX-CC-08與鄰近SHX-103井相比，原始含氣量為26.33 m3/t，剩余含氣量12.75 m3/t，降低了51%；ZX-CC-06與鄰近SHX-101井相比，原始含氣量為22.40 m3/t，剩余含氣量18.07 m3/t，降低了19%。

西二盤區含氣量降低幅度如圖9所示，由圖9可以看出，西二盤區含氣量降低幅度由南向北增大，由19%增大至53%。

根據以上實測剩余含氣量數據與原始含氣量數據對比可知，研究區的3#煤層剩余含氣量有明顯降低，東五盤區含氣量下降幅度為45%～69%，平均為55%；西二盤區含氣量下降幅度為19%～53%，平均為42%，說明地面煤層氣預抽能有效降低抽采范圍的煤層含氣量。

該區域3#煤層含氣量下降幅度較大，但剩余含氣量平均值超過了10 m3/t，尤其是西二盤區剩余含氣量還較大，從現有數據看，大部分井還在繼續產氣，含氣量仍有下降空間。

圖9 西二盤區含氣量降低百分比圖

5 煤層氣井產氣產水情況分析

(1)煤層氣排采井套壓。西二盤區煤層氣地面排采井的套壓較高，煤層氣排采井套壓在0.06～0.9 MPa，平均值為0.41 MPa。大部分氣井在5年的排采期間套壓基本上都維持在0.4 MPa左右，同樣很穩定。

(2)產氣量。自2011年開始排采，西二盤區東五盤區累計煤層氣產量達3.89×108m3，88口氣井中單井平均日產氣量在16～8326 m3/d，平均為2979 m3/d，最高單井產量為39154 m3/d。

(3)產水量。西二盤區整體上單井產水量一般在2.65 m3/d，單井日產水量區間在0～38.86 m3/d，個別氣井不產水。部分井產氣量和產水量情況如圖10所示。

6 抽采效果模擬評價

6.1 歷史擬合分析

對西二盤區88口地面抽采井進行了生產數據的歷史擬合。初始參數滲透率取值為2.6 mD，孔隙度為2%，所在3#煤層煤厚5.4～7.48 m，埋深213～467 m，底板等高位于219～503 m，儲層壓力在3.00 MPa左右，含氣量在20～26 m3/t之間，CH4濃度在97%左右。經過12d的等溫吸附測試，測得蘭氏體積VL為42 m3/t，蘭氏壓力PL為2.22 MPa，煤的密度為1.46 t/m3。

圖10 西二盤區煤層氣井產水量和產氣量分析

其中，部分測試井——SHX-249、SHX-106、SHX-134、SHX-138、SHX-115、SHX-104井的產氣量擬合情況如圖11所示。

通過參數井歷史擬合修正后，西二盤區的滲透率調整為0.8～6.8 mD，平均為4.7 mD。

6.2 產能預測及含氣量降低情況

在歷史擬合修正參數的基礎上，本項目對西二盤區內88口井15年內的煤層氣總產能作了預測。預測結果如表5所示。

圖11 西二盤區煤層氣井產氣量歷史擬合圖

表5 西二盤區88口井產能整體模擬結果及抽采效果

西二盤區88口煤層氣井抽采效果分析如圖12所示。由圖12(a)可知，最高日產氣量為41.97×104m3/d，平均日產氣量13.4×104m3/d。由圖12(b)可知， 西二盤區88口煤層氣井實際4年總產氣量為3.89×108m3，10年累計產氣量為7.04×108m3，15年累計產氣量為8.53×108m3。由圖12(c)可知，抽采5年后剩余含氣量為12.27 m3/t，抽采10年后剩余含氣量為6.74 m3/t，抽采15年后剩余含氣量為3.24 m3/t。由圖12(d)可知，抽采5年后含氣量降低幅度達47%，抽采10年后含氣量降低幅度達71%，抽采15年后含氣量降低幅度達86%。

圖12 西二盤區88口煤層氣井抽采效果分析

西二盤區通過抽采參數井檢驗，5年內含氣量平均降低了8.96 m3/t，平均降低幅度達42%，模擬結果降低幅度達47%。

綜上所述，儲層模擬的結果顯示，煤層氣排采使煤層含氣量大幅度降低，西二盤區排采5年后含氣量均下降超過50%，排采10年后下降70%左右，排采15年后下降超過80%。

7 結論及存在問題

(1)利用8口地面檢驗井含氣量數據與原始數據對比，得到含氣量實際降低情況，通過數據的擬合、參數修正來預測產能及未來含氣量隨時間抽采變化規律。

(2)西二盤區煤層原始含氣量整體上較高，平均值達到23 m3/t，對安全造成很大威脅，地面煤層氣抽采是解決該問題的有效途徑。

(3)地面煤層氣預抽有效降低了煤層含氣量。西二盤區3#煤層含氣量下降幅度平均為42%，剩余含氣量為14.13 m3/t。

(4)西二盤區地面抽采5年3#煤層剩余含氣量為12.27 m3/t，含氣量降低幅度達47%，抽采10年后降低幅度達71%，抽采15年后剩余含氣量為3.24 m3/t，含氣量降低幅度達86%。