煤层气资源勘查布井技术研究与实践

张新福周效志逄 礴马金利孔令珍池 波张国良

(1.东北煤田地质局一0三勘探队,辽宁 111000;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 221116)

煤层气资源勘查布井技术研究与实践

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(1.东北煤田地质局一0三勘探队,辽宁 111000;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 221116)

井位部署的合理性直接决定着煤层气资源勘查及后续开发工作的成败。基于煤矿区煤层气资源勘查工作的特点,探讨了勘查井井位部署的原则与方法,并结合红阳煤田徐往子井田煤层气资源预探优化布井实例,提出了先圈定“单因素有利区”,进而通过“叠合法”圈定“多因素综合靶区”,最终根据靶区地面情况确定勘查井井位的优化布井流程。

煤层气 勘查 井位部署 优化 红阳煤田

煤层气资源勘查是后续规模化开发的前提条件,其根本目的在于:通过实施煤层气勘查工程,查明区域煤层气资源赋存状况,获取煤层气资源评价的关键地质参数,并基于勘查成果合理评价煤层气资源后续开发利用前景。

1 煤层气资源勘查工作特点

煤层气资源勘查在找煤与煤田地质勘探工作基础上进行,因此煤矿区以往煤田地质工作程度和水平直接影响到煤层气资源勘查设计的难度和控制程度。

(1)对于煤田地质勘探与煤炭资源开发程度较低的研究区,由于缺乏相关地质资料,且难以保证陈旧地质资料的准确性与真实性,因此煤层气资源勘查设计与施工的风险显著提高。

(2)受能源需求和勘探技术水平的影响,我国以往煤田地质勘探工作重点对研究区地层、煤层、构造、岩浆活动等与煤炭资源开发直接相关的地质情况进行勘查,煤田勘探队伍对煤层气资源勘查工作不够重视,因此多数研究区缺少煤层气资源评价的相关参数数据,这也给煤层气资源勘查设计工作带来了困难。

(3)部分研究区尽管有一些煤层含气量的测试数据,但由于以往含气量测试取样时间过长,测试方法不规范,导致测定结果存在明显偏差。基于煤矿区生产矿井瓦斯涌出量进行换算,发现煤田地质勘探中测得的煤层含气量明显小于实际值。含气量、气体成分及相关测试数据的不准确,不利于煤层气资源富集有利区的确定,进而影响到后续的煤层气资源勘查与开发工作。

2 煤层气资源勘查井位部署原则与方法

2.1 优化布井基本原则

(1)目标煤层厚度及稳定性要求

煤层既是煤层气产生的烃源岩,又是煤层气的储集层,厚度大、稳定性好的简单结构煤层存在是煤层气资源富集成藏的前提条件。在煤层气资源勘查工作中,要优先选择主目标煤层厚度大、目标煤层总厚度大、稳定性强、结构简单或较简单的区域布井。一般情况下,勘查布井有利区主目标煤层厚度需大于3m,目标煤层总厚度需大于8m。

(2)目标煤层埋藏深度要求

一般来说,目标煤层埋藏越浅,上覆岩层对煤层气藏的封闭能力越差,不利于煤层气资源的保存;目标煤层埋藏越深,含气量越高,煤层气资源越富集。然而,目标煤层埋深增加,煤层气资源勘探开发的技术要求与资金投入明显提高,因此在进行煤层气资源勘查时需要通过合理选择勘查井井位来控制目标煤层的埋藏深度,进而平衡煤层气勘查开发难度与资源量的关系。依据当前技术水平, 500～800m为煤层气开发的理想埋深,800～1000m可进行煤层气资源开采,超过1000m后煤层气资源开采的难度明显增大。基于煤层气资源勘查适度超前的原则,部分煤层气勘查井井深可超过1000m。

(3)区域地质构造要求

勘查井周围地质构造相对简单,有利于煤层气资源的保存及勘查工程施工,为煤层气资源富集和后续商业化开发的潜在有利区。在进行井位部署时,应尽量选择区域地质构造相对简单的地区布井,并尽量避开研究区内未查明或可能存在的地质构造,使煤层气资源勘查结果更具代表性,更客观地评价研究区煤层气资源赋存及后续开发潜力。

(4)煤层气资源丰度要求

煤层气资源赋存于煤储层中,煤层具有较高的含气量是进行煤层气勘查开发的基本要求。中华人民共和国国家标准《煤层气资源勘查技术规范》(征求意见稿)对不同变质程度煤在进行煤层气资源勘查的含气量下限做了规定。其中:褐煤空气干燥基含气量下限为0.5m3/t,长焰煤为1.0m3/t,气煤-瘦煤为4.0m3/t,贫煤-无烟煤为8.0m3/t。由于多数研究区以往煤田地质勘探测定的吨煤含气量数值相对偏低,因此在进行煤层气资源富集有利区圈定时,可根据周边生产矿井瓦斯涌出量数据进行校正。当研究区目标煤层含气量普遍较高时,应将含气量相对较高的区域圈定为有利区。

(5)与以往煤田地质勘探孔空间关系要求

由于煤层气资源勘查以前期煤田地质勘查工作为基础,因此煤层气资源勘查井井位应尽量靠近以往煤田地质勘探钻孔,以便于利用钻孔的各项参数,提高设计的控制程度;另一方面,煤层气资源勘查孔也要与煤田地质勘探钻孔保持一定距离,一般应大于压裂裂缝半长,防止煤层气勘查井压裂后与周围的煤田地质勘探钻孔导通,影响排采效果。

(6)地面情况与地形条件要求

煤层气资源勘查井井位部署还受到研究区地面情况及地形条件的影响。一方面,勘查井所在位置应避开地面永久性建筑及河流、湖泊、铁路等不可移动地物;另一方面,还应考虑勘查井所在位置的地形起伏对勘查工程施工及后续生产的影响,保障煤层气勘探开发工程的顺利进行。

2.2 优化布井工作流程

煤层气资源勘查优化布井应遵循以下四个步骤进行:

(1)在研究区以往煤田地质勘探及煤层气资源勘查资料收集、整理的基础上,了解区域地层及煤层发育、构造及演化史、岩浆活动及水文地质条件等煤与煤层气地质资料,完成研究区地层展布、目标煤层参数的各类地质图件。

(2)基于煤层气资源勘查优化布井原则,根据各类地质图件所反映的信息确定井位部署“单因素有利区”,然后采用“叠合法”确定煤层气资源勘查井位部署的“多因素综合靶区”。

(3)结合研究区地形地质图及卫星遥感影像资料,确定煤层气资源勘查“多因素综合靶区”内的地形起伏及道路、建筑、河流、湖泊等地物的分布情况,并根据勘查工程规模及勘查井类型初步确定勘查井井位。

(4)通过实地调研核实靶区地面情况资料的准确性与实效性,最终确定勘查井井位。

3 煤层气资源勘查优化布井实例

3.1 井田概况

徐往子井田隶属于辽宁省红阳煤田,位于辽河平原东部斜坡带内,面积28km2。东北煤田地质局一○三勘探队于1990年完成徐往子普查工作。普查中共施工钻孔39个,其中见煤钻孔22个,提交煤炭普查储量5455.3万t。

徐往子井田地层由上而下为新生界第四系、中生界上侏罗统、古生界二叠系与石炭系、中奥陶统。其中,石炭二叠系为主要含煤地层 (图1)。山西组含煤7层,由上而下依次编号为1～7,仅3#、62#煤局部可采;太原组含煤7层,由上而下依次编号为8～14,其中12#煤普遍可采,13#煤大部分可采。井田内各可采煤层煤类均为无烟煤3#,各煤层宏观煤岩成分以镜煤、亮煤为主。

图1 红阳煤田徐往子井田基岩地质图

徐往子井田由两个小型构造单元组成。由 F1断层分为东、西两部分。F1断层以西被F70断层切割成三角形残破的向斜轮廓,向斜轴N30°E,东翼地层倾角15°～25°;F1断层以东在研究区内以单斜形式出现,地层倾向 NW,倾角 45°～65°,F79、F71、F72将含煤地层切割成数段。

井田范围内未发现古近纪辉绿岩,但在北部四矿发现其对煤层有吞蚀穿插作用。

3.2 煤层气资源勘查情况

由于徐往子井田处于辽阳市规划区,城市压煤已成现实,因此开展煤层气资源的勘查及后续开发工作,不仅可以减少煤炭资源损失,而且对红阳煤田煤层气勘探开发具有重要的推动作用。

本次勘查预计施工煤层气井6口,其中参数井3口 (XC-1、XC-2、XC-3),试验井3口 (直井压裂1口XS-1、导向对接井1对XS-2与XS-3)。通过开展煤层气勘查工程,获取徐往子井田煤储层含气量、渗透率等关键参数,提交煤层气地质储量,查明煤层气资源的可采性。

图2 徐往子井田井位部署单因素有利区图

3.3 有利区与靶区的圈定

收集《红阳煤田徐往子区普查地质报告》及周围尖台子南精查区、西马矿地质资料,了解区域地层、构造、煤层、煤质、含气量及水文地质条件等。统计研究区及其周边井田勘探钻孔资料及煤质分析成果,利用MAPGIS软件完成目标煤层 (12#、13#煤)厚度、埋深、有效埋深、顶板标高、含气量等值线图等地质图件,并基于上述优化布井原则,确定“单因素有利区”,如图2。

在“单因素有利区”圈定的基础上,将4幅单因素有利区图叠置,选择重叠区作为“多因素综合靶区”,并考虑到其与以往的煤田地质勘探钻孔离开70m的距离。采用“叠图法”处理后,得到徐往子井田范围内5个“多因素综合靶区”,如图3。

图3 徐往子井田井位部署多因素综合靶区图

3.4 勘查井井位初定与确定

徐往子井田位于太子河冲洪积扇上,地形平坦,海拔标高16.1～20.5m,因此地形起伏对煤层气资源勘查井井位确定基本无影响。通过徐往子井田卫星影像资料的分析,结合勘查工程规模及勘查井类型,在“多因素综合靶区”范围内初步确定勘查井井位。

通过徐往子井田实地调研,核实勘查井周围地物分布,最终确定勘查井井位,如图4。

图4 徐往子井田煤层气勘查井井位设计图

4 结论

(1)煤层气资源勘查井位部署受区域地层及煤层发育特征、地质构造、煤层气资源富集及水文地质条件等多种因素的共同影响,在优化布井时需要将目标煤层厚度、稳定性、埋深、含气性、区域构造、地形条件及地面情况等多种因素进行综合考虑。

(2)煤层气资源勘查优化布井应遵循以下的工作流程:在研究区地质资料整理及相关图件绘制的基础上,根据优化布井原则确定“单因素有利区”,进而通过“叠图法”确定“多因素综合靶区”,再结合靶区地形条件及卫星遥感影像资料初定井位,最终通过现场调研确定勘查井井位。

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(责任编辑 黄 岚)

Study and Practice on Technology for Determination of CBM Resources Prospecting Well Pattern

Zhang Xinfu1,Zhou Xiaozhi2,Pang Bo1,Ma Jinli1,K ong Lingzhen1,Chi Bo1,Zhang Guoliang1
(1.No.103 Prospecting Team,Northeast Coal Field Geology Bureau,Liaoning 111000;2.Resources and Geoscience College,China University of Mining Technology,Jiangsu 221116)

Rational layout of well site determines directly the success of prospection and follow-up development work of CBM resources in the mine field.Based on the characteristics of the CBM resources prospecting work in the mining area the paper discusses the principles and methods for choosing the site of prospecting wells.Taking the optimal pattern of prospecting wells for pre-prospection of CBM resources in Xuwangzi mine field in Hongyang coalfiled as an example,the authors propose an optimal flow-sheet for determining the site of prospecting wells,i.e.first to delineate“the single factor favorable area”;and then to delineate“the multifactor composite target area”by using“method of superposition”;and finally,to determine the flow-sheet for the optimizing the well pattern based on the surface conditions of the target area.

CBM;prospection;layout of well site;optimization;Hongyang Coalfield

辽宁省国土资源厅2009年度省本级矿产资源补偿费地质勘探项目

张新福,高级工程师、副总工程师,主要从事煤与煤层气地质与勘查技术管理工作。