古敘礦區龍潭組煤層氣開發方式研究

柯 軍 尹中山 趙文峰 尹雪松

(1.四川省煤田地質局一三五隊，四川省瀘州市，646000；2.四川省科源煤礦瓦斯煤層氣工程研究中心有限公司，四川省成都市，610072；3.四川省煤田地質局，四川省成都市，610072；4.武漢理工大學自動化學院，湖北省武漢市，430070)

1996年、2002年、2011年對四川省煤層氣資源進行過評價，晚二疊世煤層氣資源量分別為4415億m3(含重慶)、3107億m3、4668億m3,古敘礦區煤層氣資源量分別為788億m3、1001億m3(1500m以淺)、1925億m3(2000 m以淺為中等豐度大型煤層氣田)[1-4]。

古敘礦區劃分為9個礦段，分別為兩河礦段、敘永礦段、古藺礦段、大村礦段、廟林礦段、石寶礦段、觀文礦段、海風礦段和河壩礦段，其煤層屬3號無煙煤。

大村礦段已于2015年完成了煤炭、煤層氣綜合勘查工作，施工參數井、試驗井共17口，試采井6口，其中DCMT-3井組實現地面抽采的突破；另外開展煤層氣探索試驗工作的還有石寶SQ1、SD1等8口井、大寨某50井、兩河川南地2井、海風3803井、河壩49-2井、石屏42-2井等，得到了較多的煤層氣含量、等溫吸附試驗等數據和氣測顯示成果。

從埋藏深度247 m(石屏礦42-2井C17煤層)～1450 m(石寶礦SD1井C17煤層)[5]，大村、大寨、石寶等試氣效果表明僅大村礦段達到工業氣流，卻尚未形成井網試采，未獲取探明儲量，因此該地區煤層(系)氣勘探研究評價與試氣的空間非常大。

1 地質背景

古敘礦區面積近2000 km2，主體構造是受由南向北水平擠壓應力作用形成的縱彎褶皺，即近東西向的古藺復式背斜，背斜東端轉向北東向。北翼傾角較緩，南翼較陡，北翼西段以寬緩的次級褶皺為主，中段和東段以單斜為主，南翼以緊密褶皺為主，主要賦煤構造如古藺復式背斜、新街背斜等共有10個。含煤地層賦存于向斜或背斜翼部。主體較為平緩，煤層結構以原生結構—碎裂結構為主，部分礦段發育有構造煤[3]。

礦區內褶皺發育，規模較大，其中背斜軸部出露最老地層多為寒武系(個別為震旦系)，向斜軸部出露最新一般為侏羅系中下統地層。褶皺帶的展布控制了晚二疊世煤層及煤層氣資源的分布格局。褶皺帶內破壞煤系的區域性大斷層不發育，而由褶皺控制的次級斷層則較發育。

二疊系上統龍潭組主要為瀉湖—三角洲—泥炭沼澤—障壁島及潮坪相的海陸過渡相沉積,沉積環境、聚煤作用基本穩定。巖性為粉砂巖、泥巖、頁巖夾煤層。

古敘礦區含煤20余層，可采煤層有C6、C7-10(或C7、C8-10)、C12-13、C14、C17-20、C21、C22、C23、C24和C2510層，煤層累厚9～11 m，煤炭資源勘查成果表明該地區中富含烴類氣體。其中C7-10(或C7、C8-10)、C17-20、C23、C25為主要可采煤層，含煤平均總厚度8.75 m。古敘礦區煤層瓦斯含量較高，最高瓦斯含量為30.84 m3/t(觀文礦段C11煤層，標高+731 m，埋深647 m)，最高瓦斯壓力3.3 MPa，煤的最大理論吸附量平均為34.85 m3/t，煤的滲透率平均值為0.159 md，煤體破壞類型Ⅱ～Ⅳ為主，構造煤普遍發育[3,8]。

大量研究表明，二疊系龍潭組地層分布面積大，深度范圍廣，有機質豐度高，煤層成組出現、層數多、煤層厚度較薄、煤層厚度變化大，含氣量高，泥頁巖連續厚度大，解吸含氣量0.5～2.89 m3/t，具備開展煤層(系)氣評價試驗的最佳條件。煤系氣由整個含煤巖系中的成煤母質、煤和分散有機質在生物化學及物理化學煤化作用過程中演化生成的全部天然氣。

區內含煤地層厚度具有較好的可比性，發育環境穩定，含煤性及含煤系數基本掌握，體現在淺部采煤地區的龍潭組總厚度較深部薄，深部地層傾角變小、厚度基本穩定、煤體結構較好、含氣量高及氣侵顯示明顯等特征。古敘礦區煤系地層厚度對比如圖1所示，圖中縱向表示地層厚度，橫向從左到右是從西向東的不同井田的對比，紅色和藍色分別代表P3C、P3l地層。部分參數井煤層對比(東西向)如圖2所示。

圖1 古敘礦區煤系地層厚度對比示意圖

圖2 古敘礦區部分參數井煤層對比(東西向)圖

2 開發方式研究

2.1 薄煤層群煤層(系)氣開發技術

古敘礦區龍潭組煤層分為上、中、下煤組，煤層多且薄，煤層間距近，煤層間夾層巖性由砂質泥巖、炭質泥巖、泥頁巖、粉砂巖等成組出現，且厚度變化頻繁，煤層及部分泥頁巖層的含氣量大。礦區綜合柱狀及沉積環境巖相情況如圖3所示。本文重點對龍潭組中、下部C14、C19、C23、C25等煤層開展了試驗。

(1)從煤演化角度分析，煤層具有極強的生氣能力，從褐煤到無煙煤階段，煤生氣可達400 m3/t以上，同時煤系中的炭質泥巖、泥巖對煤系氣的生成貢獻大。隨著煤層埋深增大，煤層中生成的甲烷氣體在溫度、壓力增大的情況下，運移到可能儲集甲烷的場所，如果煤層氣儲層和頁巖氣儲層相鄰或相距很近，煤層氣和頁巖氣就可能會形成兩個相鄰或相近的氣體儲層。

石寶礦區SD1井解吸得到的含氣量是最直觀的證據。在SD1井的深層龍潭組中，龍潭組厚128.01 m，獲得較好的煤層、泥巖、砂巖3種巖石中的含氣( 簡稱“三氣”)顯示。煤層厚17.88 m，含氣量3.1～26.31 m3/t(采樣井深1449.56 m)，平均12.32 m3/t；炭質泥巖厚39.92 m，含氣量0.61～4.7 m3/t(采樣井深1439.00 m)，平均2.16 m3/t；砂巖含氣量在0.11～0.46 m3/t，平均0.24 m3/t。SD1井泥巖、砂巖、煤層解吸測試如圖4所示。在砂質泥巖、炭質泥巖中有較明顯的氣測異常顯示，SD1井龍潭組砂質泥巖氣測異常顯示如圖5所示。

(2)古敘礦作為煤層氣潛力地區由于投入少、礦權不落實等原因，未能開展大規模的勘探試驗工作。為達到采氣的最好效果，開發的關鍵是找準每個煤儲層的產氣貢獻，實施有針對性的精準改造，基本實現裂縫長度、高度或體積改造的目標，充分利用好每一顯示層位的測井、樣品試驗成果等信息，最大化的提升單井、單層的產量。如大村井田DC2試驗井各煤層的氣測、測井和地層巖心的解吸成果均支撐本井采用“分層壓裂、合層排采”改造和采氣方式。通過射孔、壓裂改造、排采等工作的進行，實現了煤儲層產氣目的。依據在于：本區煤層間距較小、儲層壓力及壓力梯度相近、具備典型的多層統一含氣系統特征，主要煤儲層滲透率相差不大、臨界解吸壓力接近、各煤層之間的供液能力差別很小，符合分壓合采的要求。

圖3 礦區綜合柱狀及沉積環境巖相示意圖

2.2 構造煤開發技術

2.2.1 構造煤形成的原因

目前我國煤層氣的開發工業化生產程度低，主要原因是煤體的滲透性低，煤層氣的產出效率和產量較低。從宏觀看，煤與瓦斯突出需要有一定厚度的構造煤，而由縱彎褶皺控制的層滑構造是形成構造煤的主因。

古敘礦區區域上受由南向北水平擠壓應力作用，縱彎褶皺很發育，縱彎褶皺的控制加上層間滑動容易形成順層斷層。由于礦區煤系地層中上部P3c、下部P2m均為灰巖，巖性硬脆，橫張、“X”剪節理或斷層較發育，煤系軟弱巖層則發生部分塑性變形，前者主要發育層間褶曲，伴生走向逆斷層，后者則在主要近距離煤層群及其附近軟巖層中發育順層滑動，形成層滑構造帶等塑性變形構造，部分可顯現為順層斷層。具體看，煤層受到了強有力的擠壓、搓揉，不僅造成煤層厚度大幅度變化，而且還破壞了部分煤層的原生結構，形成的大量巖體破碎系數值一般都小于0.5，煤體破壞類型為Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ類的構造煤。表現為煤層及其頂底板中小斷層較為發育，斷層性質以正斷層居多，據古藺復式背斜北翼東端岔角灘井田宏達煤礦揭露，斷距0.2～1.35 m不等，多小于1.0 m，但對煤層的破壞和瓦斯聚集影響較大。構造煤分布在煤層上部，其厚度為全層厚的2/3左右。總體使井田(礦井)地質構造復雜化。

圖5 龍潭組砂質泥巖氣測異常顯示(井深1457.50～1459.50 m)

2.2.2 開發技術

(1)構造煤發育區的煤層都具有高儲低透的特點，煤體類型以構造煤為主。但構造煤發育區是煤與瓦斯突出的重災區，為達到好的抽采效果，開展了多種形式的試驗研究，但目前每項研究成果都無法大面積推廣，表明構造煤改造的特殊性。歸根到底仍然是儲層改造液、支撐劑的研制與運用。

(2)通過對大村井田煤層氣參數井、盛隆煤礦近40塊樣品的試驗、分析，獲得了大量的針對構造煤改造的納米膜壓裂液的配方，效果較好。

納米膜壓裂液具有降低滲流阻力、提高防膨效果、全程提高有效作用距離、攜砂及破膠性能良好等特點。

同時借鑒張碩等[10-11]的研究成果，基于有機溶劑(CS2)、有機酸(CH3COOH)、無機酸(HCl)、強氧化劑(ClO2)分別對不同煤體結構煤進行溶劑改造試驗,并借助于低溫液氮吸附試驗,探討了溶劑改造下構造煤納米級孔隙的變化規律,認為不同類型的溶劑作用促使不同煤體結構煤中的納米級孔隙發生差異性變化,這種變化主要是因溶劑改造下煤中小分子化合物、表面官能團以及礦物質的變化引起的。相比而言,有機酸、有機溶劑孔隙改造效果最為顯著。有機溶劑的抽提作用,使煤的BET比表面積和BJH孔容顯著增大，具有一定的擴孔效果,特別是對小孔徑段的擴孔效果最為明顯。最終實現促進煤層氣解吸，提高煤層的滲透率，該方法適用于高儲低滲的構造煤發育區的煤層氣開采。

4 結語

(1)古敘礦區煤層(系)氣具有良好的開發前景。小于1000 m埋深的薄煤層群煤層氣的成功試驗、大于1000 m埋深的煤層氣、頁巖氣、砂巖氣的發現，具備煤系氣開發的基礎，須在煤系氣理論的指導下，在大型古藺復背斜復雜構造格局下尋找相對穩定的區塊，實施煤系氣的成功開發。

(2)針對構造煤的儲層改造開展的納米膜壓裂液體針對性強、試驗效果好，宜開展煤層氣井的現場試驗。按照“地質評價——工程措施——試氣一體化”思路推動四川省煤層氣工作，力爭實現資源綜合勘查目標。