高河井田煤层气排采因素分析

郭亚水

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 地质勘查大队,山西 长治 046204)

煤层气是以自生自储为主、甲烷为主要成分、吸附于煤颗粒表面的非常规天然气[1-3],随着我国经济的发展,环境越来越受重视,煤层气属于清洁能源,大力发掘煤层气资源是应对空气污染、气候变化的能源结构趋势,同时地面煤层气的抽采,也将大大降低煤矿瓦斯含量,促进了煤矿安全开采环境[4-5]。笔者长期从事山西煤层气地质工作,以高河井田为例,分析了区内煤层气排采情况及影响因素,以期对以后山西煤层气开采起推动作用。

1 地质概况

高河井田位于长治市以西,井田所处大地构造位置为华北断块区吕梁-太行断块内,属典型的板内构造。地层属华北地层区山西地层分区长治小区,井田内煤层主要分布在二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。太原组含煤8—14层,煤层厚4.76 m～15.37 m,平均9.92 m,含煤系数8.7%。主要可采的15#煤层位于一段中部,局部可采的14#煤层位于一段顶部,局部可采的9#煤层位于三段底部。山西组含煤1—4层,煤层厚5.15 m～13.05 m,平均7.16 m,含煤系数12.4%。其中3#煤层位于本组下部,厚度大且稳定,是井田主采、首采煤层,也是煤层气主要源储层。

2 产气特征

高河矿于 2014年1月投产二十余口煤层气井,不同井组产气规律差异性明显,产气持续时间也不同,如华高68井自投产以来产气效果明显,最高日产气可超过2 500 m3,日产气量总体处于500 m3～1 000 m3,而华高89井、华高90井组自2014年投产,产气仅持续到2016年1月,且日产气量较低。截止2017年1月,投产的二十余口煤层气井产量超过550万m3。

3 影响因素

煤层气资源量与工程开采直接决定了煤层气产量[6]。煤层气是以吸附为主要赋存方式的天然气藏,煤层既是生气层也是储层。因此，煤层的厚度、埋深、地质构造以及渗透率等因素也直接影响了煤层气产量。

3.1 地质因素

3.1.1煤层厚度及埋深

区内3#煤以贫瘦煤为主,局部为瘦煤,底板标高在390 m～500 m之间,中西部较低,西南部较高。3#煤层赋存最浅部位于测区西南部,埋深为410 m左右,最深处在测区中西部,埋深为540 m,一般埋深在450 m～500 m,煤层主体厚5.80 m～6.90 m,局部可超过10 m,平均厚6.34 m,全区稳定可采,厚度变化不大,属稳定型煤层。

3.1.2含气性特征

高河井田全区瓦斯含量在8 m3/t以上,东部小范围在5 m3/t～8 m3/t甚至5 m3/t以下。据本区煤岩样品分析测试资料,煤层空气干燥基含气量为4.93 cm3/g～9.54 cm3/g,平均7.07 cm3/g,与其他地区的相当煤级(贫煤、贫瘦煤)相比,高河井田3#煤层含气量偏低。

3.1.3渗透率特征

煤层渗透率是控制煤层中天然气运移的直接因素,也是影响产气效率的关键因素。区内3#煤其煤岩孔隙度0.66%～5.73%,孔隙半径普遍较小,以极微孔为主。根据高河井田内试井测试成果,3#煤渗透率为0.008 mD～0.195 mD(表1),试井渗透率极低,其中华高24井3#煤层渗透率为0.008 mD,华高47井3#煤层渗透率为0.195 mD,华高1-118井3#煤层渗透率值为0.020 mD,华高1-132井3#煤层渗透率值为0.169 mD。

表1 高河井田3#煤层试井渗透率Table 1 Permeability of testing well in No.3 coal seam in Gaohe coal field

3.1.4地质构造

煤层气通常富集在地应力高的部位,如褶皱轴部和挤压断层附近,一般都是煤层气含量较高的部位,而处于拉张应力的地质构造附近,通常煤层气含量低,逸散作用明显。

本区总体为一走向近SN,倾向西、倾角4°左右的单斜构造,但波状起伏普遍发育,并伴有宽缓褶曲,致使局部地层倾角达8°以上,断层附近达25°左右。井田内褶曲轴向大体可以分两组,南部以近 SN 走向为主,中东、北部以NNE 向为主。井田内共发现5条断距大于30 m的断裂,且均为正断层,分别为二岗山北正断层、西魏正断层、藕泽正断层、安昌正断层、中华正断层。小于30 m的断裂5条,2条正断层,3条逆断层。井田内断层的发育特征是,走向多为 NNE-NEE 向,少数为 NW 向,以高角度正断层占优势,少量逆断层。井田内陷落柱发育,已发现陷落柱 55 个。

高河井田煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,局部为砂岩,底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩,顶底板均为非渗透性泥岩盖层,封盖条件好,利于煤层气藏保存,但张性断层、陷落柱发育,增强了煤层气逸散程度,造成了井田范围内煤层含气量差异化明显的局面。

3.2 工程因素

目前国内煤层气储层改造的方式一般有水力压裂、径向水力喷射及喷射后压裂等工艺措施。这些方式各有优缺点,因此,选择合适的储层改造方式对煤层气的高效开发至关重要。水力压裂是目前最常用的煤层气储层改造措施。其目的是在煤层中形成有一定支撑、能够让煤层气顺利解吸和流动到排采井筒的导流裂缝。据不完全统计,压裂前后通过井下抽排孔抽放瓦斯的效率可达到10倍以上,其主要原因是压裂形成的人工裂缝沟通了煤层原有的割理和裂隙,使得抽放面积大大增加。压裂改造中压裂液的选择直接关系到压裂成功与否,根据高河的地质条件及含气情况,选择高河井区以活性水为主、以活性水氮伴注压裂为辅的压裂液体系。同时,在适当位置的井进行氮气泡沫和瓜胶体系压裂。

4 结束语

高河井田3#煤层平均厚度6.34 m,全区稳定发育,埋深适中,煤级以贫瘦煤为主,具有较好的气源条件。井田范围内发育较多的张性构造,导致煤层气逸散,区内煤层含气量在不同构造位置差异性明显,且煤层渗透率极低,不利于煤层气开采,在煤层气开采的工程技术上存在很多不稳定因素,需要在不同构造位置优选出适合的压裂液体系。