煤層氣賦存特征及其參數井與排采井設計

楊櫻花，徐 影，劉衛娟

(1.河南省資源環境調查一院，河南 鄭州 450000；2.河南豫中地質勘查工程有限公司，河南 鄭州 450000)

研究區以前地質勘查工作主要是：2008—2010年，河南省煤田地質局三隊在本區施工了3個煤層氣鉆孔(JZ-01孔、JZ-02孔、JZ-03孔)，鉆探工程量為3 366.00 m，均揭露二1煤層，煤層厚度分別為2.89、6.40、8.67 m，埋藏深度均小于1 100 m。2013年1月開始在本區進行預查工作，設計主要工作量為：二維地震物理點8 000個，鉆探每4個5 000 m，測井每4個孔4 960 m。現二維地震野外工作已全部結束，共完成二維地震測線21條(主測線15條、聯絡線6條)，地震物理點8 176個(試驗物理點230個、小折射物理點50個、生產物理點7 896個)，完成率102.2%。預查階段共施工4個鉆孔(1201、9201、10801、10802)。目前處于詳查階段，野外地質工作基本結束，共施工97個鉆孔。根據有關文件要求，需施工煤層氣參數+排采試驗井，本文對研究區煤層氣賦存特征及其參數井與排采井進行了設計，研究為煤層氣區塊的定量化排采提供了理論支持。

1 勘查區地質特征

1.1 地層

勘查區為新生界全掩蓋，據鉆孔揭露情況，發育地層由老至新為：奧陶系中統馬家溝組，石炭系上統本溪組、太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組，二疊系上統上石盒子組，新近系和第四系。

1.2 構造

勘查區構造綱要如圖1所示。①董村斷層(F8)。正斷層，位于本區南部邊界，沿薛陳莊南—李村—東張巨—大官莊一線延伸，區內延伸長度20 km。走向北東—東，傾向北西—北，傾角70°，落差大于1 000 m。②鳳凰嶺斷層(F4-2)。正斷層，位于本區南部，沿臥龍崗村—京里村—前倉—龐屯—王莊—獅子營—葛莊一線延伸，區內延伸長度17.50 km。走向近東西，傾向南，傾角75°，落差100～300 m。③南張門斷層(F212)。正斷層，位于本區中部，沿朱營西—碑橋北—常橋北—劉橋北—崔魚池—石佛村南—照鏡北—西倉—陳固一線延伸，區內延伸長度22.5 km。走向北東—東，傾向北西—北，傾角78°，落差100～610 m。④峪河斷層(F20)。正斷層，位于本區東北部邊界，沿張騫屯—后屯北—小贊成—王官營南—南樊村南—范家嶺南一線延伸，區內延伸長度11.00 km。走向北西，傾向南西，傾角55°，落差150～400 m。⑤馬坊泉斷層(F13)。正斷層，位于本區西北部邊界，沿朱營—延和村—肖呂村—后屯一線延伸，向北交于峪河斷層，向南交于鳳凰嶺斷層，區內延伸長度為21.00 km。走向北東，傾向北西，傾角69°，落差200～600 m。本區斷層均為高角度正斷層，落差大，延伸長，破壞了各含、隔水層的完整性及組合關系，并溝通了各含水層間的水力聯系。資料顯示在1401、6401孔抽水時，煤層氣出現自涌的現象，說明斷層溝通了煤層與含水層的聯系。如果在斷層附近布置排采井難以實現排水降壓，因此斷層附近不宜布置井位。

圖1 勘查區構造綱要Fig.1 Structural outline of exploration area

1.3 含煤地層

該區含煤地層為石炭系上統本溪組、太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組和上統上石盒子組，厚度810 m，含煤18層。主要可采煤層為賦存于山西組的二1煤層和太原組底部的一2煤層。

(1)二1煤層。二1煤層賦存于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖75 m，下距L8灰巖20 m，埋藏深度為705～2 300 m，煤層底板標高為-620～-2 220 m。據區內鉆孔資料，二1煤層厚0.91～10.50 m，平均厚6.72 m。煤層結構簡單，多為單一煤層。煤層直接頂板為灰黑色泥巖、砂質泥巖，局部為炭質泥巖，間接頂板為大占砂巖；底板為黑色泥巖、砂質泥巖。本區二1煤層為全區發育、全區可采的較穩定煤層。

(2)一2煤層。一2煤層賦存于太原組底部，上距二1煤層81.50 m；下距奧陶系馬家溝組35.65 m。煤層埋藏深度為800～2 400 m，賦存標高在-720～-2 320 m。據鄰區鉆孔資料，一2煤層一般厚1.05 m，煤層結構較簡單，一般含1層夾矸，巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層直接頂板為L2灰巖，煤層底板為灰色泥巖，含鋁質。該區一2煤層為全區發育、大部分可采的薄煤層。

2 煤層氣賦存特征

2.1 煤層埋深

二1煤層埋深在705～2 300 m，西部和中部小于1 300 m，余下區域均大于1 300 m。二1煤層埋深等值線如圖2所示。

圖2 二1煤層埋深等值線Fig.2 Contour of buried depth of Ⅱ1 coal seam

2.2 煤層厚度

二1煤層結構簡單，多為單一煤層，煤厚0.91～10.50 m，平均6.72 m，除個別(1601、1602、3201、9203)見煤孔煤厚小于2 m外，其余見煤鉆孔煤厚均大于4 m。二1煤層厚度等值線如圖3所示。

圖3 二1煤層厚度等值線Fig.3 Contour thickness of of Ⅱ1 coal seam

2.3 煤層含氣量

據鉆孔測試結果，二1煤層煤層氣成分以CH4為主，占82.39%～99.69%；次為CO2，占0.17%～5.87%；N2含量低，僅個別鉆孔中含量較高，為15.74%。在1 010.55～1 503.13 m取樣范圍內，二1煤層CH4含量為9.89～89.45 m3/t，平均含量38.43 m3/t。據統計，二1煤氣含量遞增梯度為2.72 m3/(t·hm-1)，煤層氣含量峰值出現在煤層埋深1 100 m左右，最高達89.45 m3/t，而后隨煤層埋深增加緩慢降低。煤層在相同埋深條件下，西部煤層瓦斯含量明顯高于東部，南部略高于北部。上述含氣量結果是煤炭勘查的瓦斯解吸結果。由于測定方法的差異，煤層瓦斯測定結果與煤層氣含量測定結果差異較大，不能代替煤層氣含量(如與該區緊臨的EC參-002井煤層氣含量是21.25 mL/g，煤新1井的煤層氣含量16.24 mL/g)，但基本能夠反映煤層氣含量的的變化趨勢，區內煤的瓦斯含量分布大致呈西高東低趨勢(圖4)。

圖4 二1煤層煤層氣(瓦斯)含量等值線Fig.4 Contour map of coalbed methane (gas)content in Ⅱ1 coal seam

2.4 甲烷風化帶

鉆孔揭露勘查區二1煤層有效封蓋層大于300 m，煤層瓦斯解吸量最低在13 cm3/g，區外西部緊臨的EC參-002井和煤新1井的含氣量測試結果顯示，煤層氣體成份主要為甲烷，甲烷濃度平均96%以上，氮氣濃度最大3.75%(表1)。據此判斷勘查區內無甲烷風化帶。

表1 煤層氣成份含量Tab.1 Component content of coalbed methane

2.5 臨儲壓力比

據與該區緊臨的EC參-002井的測試結果，預計該區的臨儲壓力比大約在0.4左右，對煤層氣地面抽采較為不利。

Pcd=V·PL/(VL-V)

(1)

式中，Pcd為臨界解吸壓力；V為實測含氣量；VL為蘭格繆爾體積；PL為蘭格繆爾壓力[1-6]。

可知，在蘭氏體積和蘭氏壓力不變時，只有當實測含氣量較大，臨界解吸壓力才較大，這也表明，井位的選擇應盡量找煤層含氣量較大的區塊。

2.6 滲透率

據施工鉆孔測試資料，二1煤層滲透率0.13×10-3～0.49×10-3μm2。二1煤層滲透率測試結果見表2。

表2 二1煤層滲透率測試結果Tab.2 Permeability test results of Ⅱ1 coal seam

2.7 煤體結構

據煤炭勘查煤層取樣結果，煤層受構造應力破壞較嚴重，南部斷塊以碎粒煤和粉煤為主，次為塊煤，塊煤厚度在2～4 m，中部斷塊以塊煤為主，次為碎粒煤，塊煤厚度多在4 m以上。煤心照片如圖5所示。

圖5 煤心照片Fig.5 Photo of coal core

據鄰區鉆孔資料，一2煤層一般厚1.05m，煤層結構較簡單，一般含1層夾矸，巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層直接頂板為L2灰巖，煤層底板為灰色泥巖，含鋁質。此區一2煤層為全區發育、大部分可采的薄煤層。一2煤層CH4含量0.75～9.20 m3/t，平均5.83 m3/t。一2煤層為薄煤層，含氣量低于規范中煤層氣資源/儲量計算塊段中煤層含氣量下限標準，不考慮該煤層的煤層氣資源[7-8]。

3 參數井與排采井設計

3.1 井位部署原則

結合勘查區影響煤層氣地面抽采效果的地質因素較多，結合該區煤層氣賦存特征，認為關鍵因素按大小依次是煤的滲透率、含氣飽和度、煤層埋深、煤層厚度、煤體結構、含氣量、臨儲壓力比、構造、水文地質條件等。最終井位滿足以下6個條件：①煤層埋深1 300 m以淺；②二1煤層厚度大于5 m；③煤層含氣量(瓦斯含量)大于30 g/cm3；④選擇原生結構煤或碎裂煤發育區塊，盡量避開粉狀煤和碎粒煤發育區塊；⑤避開斷層300 m以上；⑥距離民宅或高壓線大于100 m，距離高速公路大于200 m，避開地面水體和河道。

3.2 參數+排采試驗井選位

勘查區內煤層埋深小于1 300 m區塊主要位于南部斷塊西區、中部斷塊西區和東區及北部斷塊的南區，南部斷塊西區、中部斷塊西區地質可靠程度高，煤層氣(瓦斯)含量大于30 m3/t，更適合布置參數+排采試驗井(圖6)。

圖6 井位選擇示意Fig.6 Schematic of well location selection

綜合分析上述2區的地質資料認為，在4803與4403孔之間和付0004與0403孔之間選擇適當位置煤層氣參數+排采試驗井較好，具體參數見表3。

表3 井位選擇依據Tab.3 Well location selection basis

3.3 井型選擇

根據勘查區人口密度大，村莊密布，地面井位受限制，大位移定向井能夠輕松解決這個問題。此次煤層氣抽采試驗井，建議采用大位移定向套管射孔完井。為了滿足煤層氣參數井的要求，所以先進行直井鉆井，鉆穿二1煤層，完成測試工作后，自井底封固350 m井段，然后進行定向井(最大井斜角72°)施工，鉆穿煤層30 m完鉆，下套管固井，水泥返至地面。該區最大地應力方面近北東向，定向井鉆井方位宜垂直最大地應力方面，即北西或南東向，這樣有利于后期的儲層改造。

3.4 鉆井工程設計

3.4.1 技術路線

先進行直井鉆井，一開下套管固井，二開鉆穿二1煤層10 m，完成測試工作后，自井底封固350 m井段，然后三開進行定向井(最大井斜角72°)施工，鉆穿煤層30 m完鉆，下套管固井，水泥返至地面。直井井身結構如圖7所示。

3.4.2 鉆完井工藝方案設計

3.4.2.1 直井鉆井技術措施

(1)井身結構(表4)。開鉆程序：二開井。鉆頭程序：φ311.1 mm×一開井深+φ215.9 mm×二開井深。表層套管程序：φ244.5 mm×一開套管下深，鋼級：J55；二開不下套管。

表4 直井井身結構參數Tab.4 Parameter of vertical well wellbore structure

(2)井身質量要求。井身質量要求見表5。

表5 直井井身質量要求Tab.5 Vertical well wellbore quality requirements

鉆井取心質量要求：設計要求二開井段全部取心。①非煤層巖心直徑不小于60 mm，平均收獲率不低于90%，對巖心要進行全面細致的描述，砂巖和裂縫段進行清水浸泡試驗。②煤層段要求采用半合式取心內筒取心，煤心直徑不小于60 mm，平均收獲率不低于80%，從割心到取心內筒離開井口時間不超過20 min，從取心內筒離開井口到煤心裝入解吸罐的時間不超過10 min。③單筒取心進尺由現場監督或地質技術員確定[9-14]。

3.4.2.2 定向井鉆井施工設計

(1)井身結構。定向井井身結構見表6。

表6 定向井井身結構Tab.6 Directional well wellbore structure

(2)井身質量要求。井身質量要求見表7。

表7 定向井身質量要求Tab.7 Directional wellbore quality requirements

鉆井質量要求：①完成直井鉆井工作后，自井底起用水泥漿封固，返高350 m，固井質量合格，候凝48 h。②用常規鉆具組合探井內穩固水泥面，達到封固要求。封固水泥面低于設計要求時進行二次封固，若封固水泥面過高，可用鉆具掃至設計要求深度。③調整泥漿性能，按設計要求下入定向鉆具組合進行定向鉆井。④同一按要求使用鉆井參數，每個接單根前進行劃眼作業，測井前除進行劃眼外，需徹底沖出井底巖粉，避免在測井中發生井內事故，必要時在允許的情況下上下活動鉆具。⑤嚴格控制鉆孔軌跡，有變化時應加密測點，全角變化率不能連續三點超標。⑥定向井段選用優質低固相或無固相泥漿，進入目的煤層之前使用無固相或清水鉆進，減少對儲層的污染，杜絕井內事故的發生。⑦定向井段使用單彎螺桿復合鉆進時，需嚴格控制轉速和鉆壓。

(3)定向井軌跡設計。MC參-01、MC參-02井三維立體圖如圖8所示。圖8中，MC參-01井煤層段斜厚22.23 m，MC參-02井煤層段斜厚20.86 m。

圖8 MC參-01、MC參-02井井三維立體圖Fig.8 Three-dimensional diagram of MC Can-01 and MC Can-02 wells

3.4.3 鉆井主要設備及鉆具組合

(1)主要鉆井設備。TSJ-2600型鉆機；JJ120/27-A型井架；TC-120型天車；YD-120型游動滑車；DG-120型大鉤；CH-120型水龍頭；QZ3NB-1300、TBW-1200/7B型鉆井泵；12V135/240HP/6135/150HP、12V190/1200HP型動力機；6135/75型發電機組；VZS-D型振動篩；除砂器；除泥器；SQD型單點測斜儀；MWD儀器；絞車；NY-1型泥漿測試儀。

(2)鉆具組合(表8)。

表8 直井及定向井鉆具組合Tab.8 Vertical well and directional well drilling tool assembly

3.4.4 完井井口裝置

完井井口裝置如圖9所示。

圖9 完井井口裝置示意Fig.9 Schematic of completion wellhead device

3.4.5 鉆井液方案設計

本著穩定與保護井壁、平衡地層壓力、最大限度地減少對煤儲層的傷害等原則，結合該區內地層的實際情況和煤層氣勘探井的經驗，此次施工鉆井液性能的使用要求為：①鉆井液指標要滿足煤層氣鉆井作業規程的要求。第四系地層采用高黏度、高密度的鉆井液，煤系上覆地層段，采用低固相聚合物鉆井液。②煤層段必須使用清水鉆進，密度控制在1.03 g/cm3以下。③固控設備，以除去有害固相、保持低密度。

(1)現場管理措施。①提前做好所需的材料計劃，并做好進場材料的品種、數量、質量的檢查驗收。②開鉆前，認真檢查循環系統、固控設備、加重漏斗、藥劑配制等設備的配置，安裝質量符合規范要求，泥漿測試儀器、試劑配備齊全、好用。③鉆井液性能測試要求：正常鉆進每小時測量1次密度和黏度性能，每班測1次全套性能。④按照設計規范認真測量記錄全井鉆井液工作情況。要求填寫的原始記錄有：班報表，小型實驗記錄和液面監測記錄。⑤加強凈化工作，除砂器每班至少開動4 h以上，含砂量控制在0.3%以下。⑥每班作1次全套性能，處理泥漿前須作試驗，加藥應按照“細水長流”均勻加入的原則進行，切不可急于求成，使性能大幅波動，導致井下復雜情況。⑦任何時間都要防止清水進入泥漿內破壞泥漿性能，導致出現復雜情況。⑧泥漿材料必須按計劃備齊，切不可圖省時、省料勉強維持鉆進。

(2)鉆井廢液處理。鉆井廢液主要指鉆完井后遺留的鉆井液。由于鉆井技術的需要，鉆井液中常常添加各種化學處理劑。因此，廢棄鉆井液影響和危害環境的成分非常復雜，如處理不當會對環境造成污染。目前使用的鉆井廢液處理方法主要包括坑內填埋和泥漿固化。泥漿固化具有施工方便、環境影響小的優點，被廣泛采用。化學固化處理法是指給鉆井廢液中投入固化劑，使其轉化為膠結強度較大的固化體，然后就地填埋。該方法能夠減少鉆井廢液中對水體、土壤和生態環境的影響和危害，它是取代簡單回填法的一種更易為人們所接受的方法。

3.4.6 井控技術要求

井控技術要求：①鉆進中應有專人觀察記錄鉆井液出口管，發現鉆井液液面升高、油氣水侵、鉆井液密度降低、黏度升高等情況應停止鉆進，采取相應措施并匯報。②下鉆控制速度，防止壓力突變造成井漏。分段循環以防止后效誘噴；下鉆到底先頂通水眼，形成循環再逐漸提高排量，以防蹩漏地層中斷循環，失去平衡造成井噴。③下鉆要注意懸重變化和鉆井液返出量是否正常，若連續五柱懸重增加不明顯和鉆井液返出量過大，可能鉆頭水眼被堵，應停止下鉆灌滿鉆井液，接方鉆桿小排量頂通；如開泵不通，必須灌好鉆井液，再低速起出鉆具。④井眼要暢通，防止拔活塞起鉆，起鉆灌好鉆井液(每起出一柱灌滿一次)管內外都要注意灌滿鉆井液。灌入的鉆井液性能與井內鉆井液性能相同，灌入量與起出鉆具體積相符。⑤加強防火工作，工作區域嚴禁吸煙；打開煤層后，井場動用明火必須首先采取防范措施。鉆井隊要配備一定數量、不同規格的消防器材。⑥如發生井噴失控，要立即停車、停爐，消除火災隱患，防止著火，并立即疏散人員、上報、組織搶險。

3.4.7 煤儲層保護要求

煤儲層保護要求：①建立健全保護煤層監督體系，全體施工人員必須牢固樹立保護煤層的意識，保證各項措施的實施。②嚴格執行鉆井液設計，維護好鉆井液性能。鉆井液密度附加值嚴格控制在0.05～0.10 g/cm3，盡量取低值，保證實施近平衡壓力鉆井。煤層段鉆進鉆井液密度附加值盡量控制在0.05 g/cm3以內。如果必須加重，則采用可溶性鹽類 (如KCl)加重。③優化鉆井參數鉆井技術，積極預防井下復雜情況的發生，盡量減少井下事故，提高鉆井速度和井身質量。④進入煤層后，在保證井內安全的前提下使用清水鉆進；鉆遇煤層段時采用低鉆壓、低轉速、低排量、低射流沖擊力的“四低”參數鉆進，減小煤層段井徑擴大率、防止垮塌、卡鉆。⑤各施工單位要密切配合，優選施工措施，保證各施工作業順利進行，縮短建井周期，減少鉆井液對煤層的浸泡時間。⑥為確保該井真正達到既能有效的保持井壁的穩定性、又能盡量減少鉆井液對煤儲層的傷害，該井鉆井液性能使用要求：煤系上覆地層(非煤系)段，采用低固相泥漿鉆井液；煤系地層段，采用低密度、低固相鉆井液。⑦揭露目的煤層至完井必須使用無固相鉆井液或清水鉆進，密度應控制在1.03 g/cm3以下；配備固控設備。

4 結論

(1)二1煤層埋深在705～2 300 m，西部和中部小于1 300 m，余下區域均大于1 300 m；二1煤層結構簡單，多為單一煤層，煤層厚0.91～10.50 m，平均厚6.72 m。二1煤層煤層氣成分以CH4為主，占82.39%～99.69%；次為CO2，占0.17%～5.87%；N2含量低，僅個別鉆孔中含量較高，為15.74%；預計該區的臨儲壓力比在0.4左右，對煤層氣地面抽采較為不利；據施工鉆孔測試資料，二1煤層滲透率0.13×10-3～0.49×10-3μm2。

(2)勘查區內煤層埋深小于1 300 m區塊主要位于南部斷塊西區、中部斷塊西區和東區及北部斷塊的南區，南部斷塊西區、中部斷塊西區地質可靠程度高，煤層氣(瓦斯)含量大于30 m3/t，更適合布置參數+排采試驗井；煤層氣抽采試驗井采用大位移定向套管射孔完井，先進行直井鉆井，一開下套管固井，二開鉆穿二1煤層10 m，完成測試工作后，自井底封固350 m井段，然后三開進行定向井(最大井斜角72°)施工，鉆穿煤層30 m完鉆，下套管固井，水泥返至地面。