貴州合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔滲特征研究

周培明 汪俊 魏元龍 向剛 徐虎

摘 要：貴州省煤層發(fā)育，煤層氣資源富集，對其合層開發(fā)煤層氣產(chǎn)層孔滲特征進(jìn)行研究能夠?yàn)槊簩託飧弋a(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。基于貴州合層排采煤層氣井產(chǎn)層特征統(tǒng)計，綜合現(xiàn)有地質(zhì)及工程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究產(chǎn)層孔滲特征。研究結(jié)果表明：貴州境內(nèi)受煤變質(zhì)程度高的影響，煤層氣產(chǎn)層孔隙度較低，主要在2%～6%之間；煤儲層大多發(fā)育兩組相互近正交的內(nèi)生裂隙，外生裂隙則與區(qū)內(nèi)深大斷裂活動以及煤層厚度有關(guān)；產(chǎn)層滲透率均低于0.35 mD，屬于中低滲透率產(chǎn)層，且以小于0.1 mD 的低滲產(chǎn)層為主。

關(guān)鍵詞：貴州；煤層氣；煤層氣井；孔滲特征

中圖分類號： P631.8 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Study on the production layer porosity and permeabilitycharacteristics of coalbed methane wells in the multi-coal seamdevelopment in Guizhou

ZHOU Peiming1，2，WANG Jun3，WEI Yuanlong1，2，XIANG Gang1，2，XU Hu1，2

（1. Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Evaluation and Development in Complex Tectonic Areas， Ministry ofNatural Resources， Guiyang 550009， China;2. Guizhou Engineering Research Institute of Oil & Gas Exploration andDevelopment， Guiyang 550009， China;3. School of Resources and Geosciences， China University of Miningand Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract：In Guizhou Province， coal seams developed， which concentrated the coalbed methane. The production layer porosity and permeability characteristics of coalbed methane wells in the multi-seam development were studied to provide a basis for high yield?and stable production of coalbed methane. Combining the statistics on the production layer characteristics of coalbed methane wells and the existing geological and engineering data in Guizhou， systematic study on the porosity and permeability characteristics of the production layers was performed. Results show that in Guizhou， the low porosity of 2% to 6% in the coalbed methane production layers is dominated by the high degree of coal metamorphism. Two groups of near-orthogonal endogenous fissuresdevelop in most of coal reservoirs， while the exogenous fissures are related with both the deep fracture activity and coal thickness in the area. The production layers with the permeability less than 0.35 mD belong to medium and low permeability production layer and are dominated by the low permeability of less than 0.1 mD.

Keywords：Guizhou Province; coalbed methane; coalbed gas well; porosity and permeability characteristics

貴州省地處我國西南地區(qū)，境內(nèi)煤層發(fā)育，在煤層中蘊(yùn)藏著大量可供開發(fā)利用的煤層氣資源，是我國南方最大的煤層氣富集區(qū)。近年來，多家單位先后在六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田施工了300余口煤層氣參數(shù)井、排采井（組），積累了大量的地質(zhì)工程資料和施工組織經(jīng)驗(yàn)，極大推動了貴州煤層氣勘探開發(fā)進(jìn)程。貴州省內(nèi)所施工的煤層氣井多采用合層開發(fā)方式，且煤層氣井產(chǎn)層數(shù)量、特征存在顯著差異。為了查明貴州合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔滲特征，本文在省內(nèi)外煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，收集、整理了貴州省及周邊地區(qū)（滇東、川南、重慶）63口合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔滲特征數(shù)據(jù)，對比研究了貴州省合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔滲特征。

1 貴州地區(qū)煤層氣地質(zhì)背景

貴州省位于我國西南地區(qū)，有著“江南煤海”的稱號，煤炭資源儲量十分豐富，總含煤面積大約為7萬 km2，在這其中賦存著大量的煤層氣資源，勘探開發(fā)潛力巨大［1］。

貴州省煤層的主要形成時期為晚二疊世，由于我國南方地區(qū)在二疊紀(jì)之后，構(gòu)造演化發(fā)展頻繁，在沉積發(fā)展過程中經(jīng)歷了多次海陸交互，使得貴州煤層氣與其他地區(qū)煤層氣差異顯著，且特點(diǎn)鮮明，可總結(jié)為“一弱”“兩多”“三高”和“四大”四個方面。其中，“一弱”表現(xiàn)為貴州的主要含煤地層龍?zhí)督M的地下水動力條件較弱，含水量低。“兩多”表現(xiàn)為煤層的層數(shù)多以及控氣構(gòu)造類型多。在聚煤后期，由于強(qiáng)大的改造作用，貴州境內(nèi)的含煤地層被分割從而賦存在多個獨(dú)立次級向斜單元。“三高”包括煤層含氣量高、資源豐度高、儲層壓力以及地應(yīng)力高。在織納地區(qū)，煤層平均含氣量大于18 m3·t?1，最高含氣量甚至可以達(dá)到27 m3·t?1。含氣量大于4 m3·t?1，且埋深小于2000 m的可采煤層中煤層氣資源豐度大于2.2億?m3·t?1，而全國的平均水平只有1.12億?m3·t?1，足以證明貴州地區(qū)有著豐富的煤層氣資源。通過省內(nèi)煤層氣的試井資料得到煤儲層壓力系數(shù)普遍在0.9以上。“四大”指煤層氣資源量大、煤級變化大、煤儲層滲透性變化大、地質(zhì)條件垂向變化大。貴州省煤層氣資源儲量十分豐富，占到全國煤層氣資源總量的18%左右。境內(nèi)從肥煤到無煙煤均有分布，且煤級的分布成帶狀，以中變質(zhì)煙煤?高煤級煤為主要煤級［2］。

2 孔裂隙發(fā)育特征

貴州合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔隙度統(tǒng)計如圖1所示。從圖中可知：產(chǎn)層孔隙度較低，變化范圍在1.04%～6.70%之間，且主要孔隙度在2%～6%，僅少量產(chǎn)層孔隙度小于2%或大于6%。區(qū)內(nèi)煤層氣井產(chǎn)層孔隙度較低，主要受控于煤變質(zhì)程度較高的影響。此外，煤層具有相對較低的孔隙度，也導(dǎo)致煤儲層滲透率偏低［3］。

從貴州各煤田的情況來看：六盤水煤田合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層孔隙度為2.5%～6.7%，且以?nm～μm 級的微孔為主，中孔、大孔占比較低。其中，水城礦區(qū)?DC?1井鉆遇可采煤層孔隙率為3.6%～6.7%，平均為5.8%；盤江礦區(qū)松沙井田?SC?1井主要目的煤層孔隙率為2.8%～3.4%，平均為3.2%；松河井田?GC?1井煤層孔隙率2.5%～5.1%，平均為4.1%。從孔隙度的變化來看，DC?1井主要目的煤層的孔隙度變化較大，表現(xiàn)為隨著煤層埋深增加，孔隙度逐漸減小；?SC?1井主要目的煤層孔隙度相近，與埋深的關(guān)系不明顯；?GC?1井煤層孔隙度與灰分/礦物質(zhì)含量有關(guān)，灰分含量越高，煤層孔隙率越小。由于礦物質(zhì)充填了煤中一部分中、大孔隙，導(dǎo)致煤層總孔容下降，雖然有些礦物本身就存在一些孔隙，但總體而言還是使得煤層孔隙發(fā)育程度降低。與六盤水煤田相比，織納煤田、黔北煤田煤層氣井產(chǎn)層孔隙度相對較低，這與煤變質(zhì)程度高、微孔比例高有密切關(guān)系。

圖2為六盤水煤田盤江礦區(qū)火燒鋪區(qū)塊產(chǎn)層內(nèi)生裂隙發(fā)育情況。由圖中可知：六盤水煤田盤江礦區(qū)、水城礦區(qū)廣泛發(fā)育的中變質(zhì)程度煤層（產(chǎn)層）內(nèi)生裂隙最發(fā)育，裂隙密度大。

以盤關(guān)向斜和格目底向斜為例，盤關(guān)向斜煤層的面裂縫寬度大約為1～36 mm，端裂縫寬的變化在1～30 mm 之間，裂隙密度為5.4～8.7條·m?1；格目底向斜煤層的面裂縫寬度大約為1～26 mm，段裂縫的寬度變化在1～20 mm 之間，裂隙密度5.3～11.3條·m?1。但是，由于地應(yīng)力對煤層裂隙開合及產(chǎn)層滲透率有顯著影響，內(nèi)生裂隙充填（方解石、黃鐵礦等礦物）及地應(yīng)力增加不利于裂隙導(dǎo)流，導(dǎo)致產(chǎn)層滲透率普遍較低。

3 產(chǎn)層滲透率特征

產(chǎn)層滲透率決定了煤層氣滲流的難易程度，因此在煤層氣開發(fā)過程中受到廣泛關(guān)注［4］。產(chǎn)層滲透率高，氣水滲流速度越快，壓降漏斗擴(kuò)展距離越長，影響面積越大，煤層氣井產(chǎn)量越高。但當(dāng)滲透率過高時，在供液能力充足的條件下，使得產(chǎn)水量過大，井底流壓降低越困難，不利于煤層氣的解吸產(chǎn)出［5–7］。當(dāng)滲透率偏低時，煤層中的氣、水滲流速度越慢，壓降速度越小，壓降傳播距離越短，僅在井筒附近存在壓降，最終導(dǎo)致煤層氣井產(chǎn)氣量偏低［8］。

圖3為貴州合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層滲透率統(tǒng)計。由圖中可知：貴州產(chǎn)層滲透率均低于0.35 mD，屬于中低滲透率產(chǎn)層，且以小于0.1 mD 的低滲產(chǎn)層為主。表1為六盤水煤田部分勘查試采井煤層厚度、埋藏深度及滲透率。由表中可知：煤層氣井產(chǎn)層滲透率偏低，主要受區(qū)域高地應(yīng)力、高變質(zhì)程度及局部煤層開發(fā)深度大的共同影響，這與貴州省內(nèi)煤儲層滲透率總體特征及空間變化規(guī)律一致。圖4為六盤水煤田部分勘查試采井煤層厚度、埋藏深度與滲透率關(guān)系。由圖中可知：產(chǎn)層滲透率總體表現(xiàn)為隨著埋藏深度增加而減少，這是由于當(dāng)埋藏深度增加時，煤儲層受到的地應(yīng)力也在增加，地應(yīng)力是影響滲透率的首要因素，且隨地應(yīng)力增大滲透率逐漸減小。

綜上所述，貴州合層開發(fā)煤層氣井產(chǎn)層滲透性差，使得區(qū)域煤層氣開發(fā)面臨挑戰(zhàn)。由于煤層埋深和煤儲層滲透兩者關(guān)系密切，為了降低煤層氣開發(fā)的難度，就需要合理選擇開發(fā)煤層深度，保障煤層氣開發(fā)效果。在織納煤田和黔北煤田中，由于其含氣飽和度相對較低且煤變質(zhì)程度較高，則在開采過程中應(yīng)與煤礦開采工作緊密結(jié)合，在煤層埋藏較淺的位置進(jìn)行瓦斯地面預(yù)抽，以獲得經(jīng)濟(jì)、安全與環(huán)保綜合效益［9–10］。

4 結(jié)論

（1）貴州省內(nèi)受煤變質(zhì)程度高的影響，煤層氣產(chǎn)層孔隙度較低，主要孔隙度在2%～6%左右。

（2）省內(nèi)煤儲層大多發(fā)育兩組相互近正交的內(nèi)生裂隙，且內(nèi)生裂隙的非均質(zhì)性極強(qiáng)，密度很大。外生裂隙及構(gòu)造煤發(fā)育與區(qū)內(nèi)深大斷裂活動有關(guān)，并與煤厚的相關(guān)性明顯。

（3）省內(nèi)產(chǎn)層滲透率均低于0.35 mD，以小于0.1 mD 的低滲產(chǎn)層為主，總體上屬于中低滲率產(chǎn)層。

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