寺河矿区西二盘区煤层气井抽采效果评价

姚晋芳

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司煤与煤层气共采国家重点实验室，山西省晋城市，048000)

1 研究区概述及勘探开发现状

寺河矿区位于山西晋城市西北约60 km处，隶属沁水县管辖。寺河矿西二盘区位于沁河西岸，属于该矿井的扩区。研究区地理位置如图1所示。

寺河矿属高瓦斯矿井，本着地面煤层气抽采降低煤层含气量、解决煤矿生产瓦斯含量高等安全问题的目的，2010年在西二盘区共施工地面煤层气抽采井88口，其中9口井做了含气量测试，主要排采煤层为山西组的3#煤层，从2011年6月份开始排采，平均单井产量2979 m3/d，至2016年底累计产气量3.89×108m3。为了摸清寺河西区剩余吨煤瓦斯含量，为寺河矿在该区域的采掘和井下抽放设计提供基本参数，2013年初至4月，施工了8口取芯检验井。

通过对研究区原始含气量分析、煤层气井产气情况分析、不同抽采时期煤层含气量变化规律研究、数值模拟及抽采效果评价、西二盘区煤层气抽采效果评价等，验证寺河西二盘区煤层气地面抽采所产生的效果和作用。

图1 研究区地理位置图

2 地质背景

2.1 区域地层与构造

寺河井田扩区位于沁水煤田南部，地层发育正常，地层柱状图见图2，地层从老到新为奥陶系马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组和第四系松散沉积。

沁水煤田东南部位于华北板块山西过渡块体的沁水区块，处于沁水复式向斜南段轴部附近。寺河井田位于沁水复式向斜盆地南翼，总体构造形态是一倾向北西西的单斜构造，在此基础上发育的构造形迹是与沁水大型复式向斜走向一致的北北东向的宽缓褶皱和规模不大的高角度正断层。

2.2 研究区地层与构造

寺河西二盘区内大部分被黄土覆盖，地层出露为二叠系上统上石盒子组，第四系分布于山梁和沟谷，结合区内钻孔资料，西二盘区地层和构造概述分别如表1和表2所示。

2.3 研究区煤层特征

西二盘区含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，平均厚度136.02 m，共含煤15层。其中山西组厚30.7～59.1 m，平均厚度45.2 m，含煤4层，煤层总厚6.89 m，含煤系数15.2%，可采煤层1层，为3#煤层；太原组厚90.82 m，含煤11～13层，煤层平均厚7.78 m，含煤系数8.6%，可采煤层1层，为15#煤层。

图2 地层综合柱状图

名称顺序厚度/m特征描述地层由老到新奥陶系中统马家沟组(O2m)33.18～75.4258.93下部为灰色、深灰色泥质石灰岩、角砾状灰岩、白云质灰岩;上部为浅灰色、深灰色,局部带褐红色的石灰岩、角砾状灰岩奥统系中统峰峰组(O2f)>100为煤系地层的基底。以深灰、青灰色中、厚层状石灰岩为主,间夹薄层泥灰岩石炭系中统本溪组(C2b)0.83～52.909.68与下伏峰峰组呈平行不整合接触,为灰色砂质泥岩、粉砂岩、深灰色、高铁砂质泥岩,偶含透镜状铁矿层(山西式铁矿)及砂岩、砾岩石炭系上统太原组(C3t)81.56～115.60100.91为主要含煤地层之一,由多层灰岩、不同粒度的砂岩、灰黑色泥岩及煤组成。有灰岩5～9层,含煤16层,其中,下部的15#煤层为主要可采煤层。底部以KL砂岩与下伏地层呈整合接触二叠系下统山西组(P1s)30.70～59.1045.20为主要含煤地层之一,主要由灰色粉砂岩、砂岩和深灰色泥岩、砂质泥岩及煤层组成。含煤3层,其中3#煤层厚度较大且稳定,为主要可采煤层。以K7砂岩与太原组整合接触二叠系下统下石盒子组(P1x)35.4～124.470.9顶部为灰白色含铝泥岩,以高岭石为主,含大量菱铁矿及黄铁矿团块,中、下部为灰绿色、灰色泥岩,夹黄绿色浅灰色砂岩。以K8砂岩与山西组整合接触二叠系上统上石盒子组(P2s)290.5～390.5350.19主要为砂岩及杂色泥岩组成。底部以K10砂岩与下伏下石盒子组整合接触第四系(Q)0～2011.96在本区沟底和山梁有黄土覆盖,主要由粘土、亚粘土、砂层等组成,局部底部含砾石层,与下伏地层呈不整合接触

表2 西二盘区构造概述

2.3.1 3#煤层

3#煤层位于山西组下部，沉积稳定，厚度为5.70～7.48 m，平均6.31 m，西二盘区3#煤层厚度等值线如图3所示。含夹矸为1～3层，夹矸总厚小于0.5 m。结构简单，顶板主要为砂质泥岩或粉砂岩，底板主要是砂质泥岩、泥岩和粉砂岩，为全区稳定的主要可采煤层之一。

西二盘区内3#煤层底板标高在235～455 m之间，如图4所示，中部大部分标高在280～300 m之间，东、西部标高较中部稍高，南北较中部稍低。区内煤层埋深为200～470 m，埋深与地形有关，总体趋势为北部埋藏深、南部埋深浅，另外在背斜轴部赋存较浅，向斜轴部较深。3#煤层赋存最浅部位于测区西南部马庄村西边沟中，埋深为215 m左右，最深处在该区北中部边缘的山梁上，埋深为620 m，一般为300～500 m。

图3 西二盘区3#煤层厚度等值线图

2.3.2 9#煤层和15#煤层

9#煤层位于太原组中部，沉积稳定，上距3#煤层47.57 m，下距15#煤层36.38 m，厚度0.48～2.44 m，平均厚度为1.34 m。含夹矸一般为0～4层，结构简单。直接顶板为粉砂岩，局部为泥岩，为较稳定局部可采煤层。

15#煤层位于太原组下部，上距3#煤层85.29 m。厚度1.48～5.45 m，平均为2.67 m。含夹矸一般为0～4层，结构复杂。直接顶板为石灰岩，局部为泥岩，底板为泥岩，为全区稳定可采煤层。

3 煤层原始含气量分析

西二盘区内，2010年施工了88口煤层气地面抽采井，其中9口井做了含气量测试，测试方法为自然解吸法，自2011年3月份起排采至2016年底。该区域煤层含气量较高，含气量为20.30～26.33 m3/t，平均为23.33 m3/t，如表3所示，数据基准采用空气干燥基。西二盘区含气量整体上变化不大，仅存在局部以SHX-103(26.33 m3/t)和SHX-125(26.04 m3/t)为中心的大于25 m3/t高值区和以SHX-109(20.30 m3/t)为中心的相对低区域，如图5所示。

图4 西二盘区3#煤层底板等高线图

图5 西二盘区3#煤层原始瓦斯含量等值线图

井号埋深/m煤厚/m含气量/m3·t-1排采时间SHx101338.306.0022.402011.03SHx103409.446.1026.332011.03SHx105293.315.9424.282011.03SHx107332.895.7924.922011.03SHx109318.516.2020.302011.03SHx111252.575.8822.172011.03SHx125394.765.7026.042011.03SHx127347.706.2121.942011.03SHx129322.286.1521.622011.03

从以上分析来看，西二盘区煤层原始含气量平均值均高达23 m3/t，煤炭开采前提前预抽瓦斯是非常必要的。

4 地面参数井抽采效果检验

4.1 测试点分布

为了验证煤层气地面抽采的效果，2013年初在寺河西二盘区施工了8口抽采效果井，如图6所示，并取芯做了含气量测试(采用快速加温解吸法)。该测试结果代表着目前煤层的剩余含气量，使用数据基准全部为空气干燥基。

图6 西二盘区剩余含气量测定点位置图

4.2 西二盘区气含量

由图6可知，西二盘区共有9口含气量测试井，分为A、B、C、D共4个区域控制整个盘区。根据本次参数井测试成果，绘制了西二盘区剩余含气量等值线预测图，如图7所示，剩余含气量呈由北向南逐渐增大趋势，由12 m3/t增大到18 m3/t。本区域3#煤层剩余含气量为11.98～18.07 m3/t，平均为14.13 m3/t，含气量降幅达42%，抽采效果同样非常明显，如图8所示。西二盘区4个区域目前剩余煤层含气量与原始含气量对比结果如表4所示，以下对各区域抽采效果分别予以介绍。

图7 西二盘区剩余瓦斯含量等值线图

区域排采井原始含气量/m3·t-1检验井剩余含气量/m3·t-1含气量降幅/%区域ASHX-12526.04SHZK-1112.40SHZK-1212.2053区域BSHX-12721.94SHZK-1011.9845SHX-12921.62ZX-CC-1014.8631平均值21.7813.4238区域CSHX-10524.28ZX-CC-0912.7148SHX-10724.92ZX-CC-0716.2635平均值24.614.4842区域DSHX-10122.40ZX-CC-0812.7548SHX-10326.33ZX-CC-0618.0719平均值23.7115.4134平均值42

图8 煤层气地面抽采前后含气量对比注：图8中前9口井为2010年测试孔，后8口井为2013年抽采效果检验孔

4.2.1 区域A

区域A含气量较高，含气量在26 m3/t左右。布置SHZK-11、SHZK-12煤层气抽采效果测试井对该区域煤层气井抽采效果检测。

区域A内2口井的剩余含气量显示，3#煤层剩余含气量在12.20～12.40 m3/t之间，平均为12.30 m3/t，邻近SHX-125井原始含气量为26.04 m3/t，含气量平均降低幅度已达53%。

4.2.2 区域B

区域B含气量较高，含气量在22 m3/t左右。布置SHZK-10、ZX-CC-10煤层气抽采效果测试井对该区域煤层气井抽采效果检测。

与抽采前相比，区域B内3#煤层原始含气量为21.78 m3/t，剩余含气量平均为13.42 m3/t，抽采后含气量降低38%。

SHZK-10与邻近SHX-127井相比，原始含气量为21.94 m3/t，剩余含气量为11.98 m3/t，降低幅度达45%；ZX-CC-10与邻近SHX-129井相比，原始含气量为21.62 m3/t，剩余含气量为14.48 m3/t，降低幅度达31%。

4.2.3 区域C

区域C含气量较高，含气量在25 m3/t左右。布置ZX-CC-09、ZX-CC-07煤层气抽采效果测试井对该区域煤层气井抽采效果检测。

2口井剩余含气量计算结果显示，区域C内3#煤层原始含气量平均值为24.6 m3/t，剩余含气量平均值为14.48 m3/t，与该区域原始含气量对比，含气量平均降低了42%。

ZX-CC-09与邻近SHX-105井相比，原始含气量为24.28 m3/t，剩余含气量平均为12.71m3/t，含气量降低了48%；ZX-CC-07与邻近SHX-107井相比，原始含气量为24.92 m3/t，剩余含气量平均为16.26 m3/t，含气量降低了35%。

4.2.4 区域D

区域D含气量较高，含气量在24 m3/t左右。布置ZX-CC-06、ZX-CC-08煤层气抽采效果测试井，对该区域煤层气井抽采效果检测。

2口井剩余含气量测试结果显示，区域D内3#煤层原始含气量平均值为23.71 m3/t，剩余含气量平均值15.41 m3/t，与该区域原始含气量对比，含气量降低了34%。

ZX-CC-08与邻近SHX-103井相比，原始含气量为26.33 m3/t，剩余含气量12.75 m3/t，降低了51%；ZX-CC-06与邻近SHX-101井相比，原始含气量为22.40 m3/t，剩余含气量18.07 m3/t，降低了19%。

西二盘区含气量降低幅度如图9所示，由图9可以看出，西二盘区含气量降低幅度由南向北增大，由19%增大至53%。

根据以上实测剩余含气量数据与原始含气量数据对比可知，研究区的3#煤层剩余含气量有明显降低，东五盘区含气量下降幅度为45%～69%，平均为55%；西二盘区含气量下降幅度为19%～53%，平均为42%，说明地面煤层气预抽能有效降低抽采范围的煤层含气量。

该区域3#煤层含气量下降幅度较大，但剩余含气量平均值超过了10 m3/t，尤其是西二盘区剩余含气量还较大，从现有数据看，大部分井还在继续产气，含气量仍有下降空间。

图9 西二盘区含气量降低百分比图

5 煤层气井产气产水情况分析

(1)煤层气排采井套压。西二盘区煤层气地面排采井的套压较高，煤层气排采井套压在0.06～0.9 MPa，平均值为0.41 MPa。大部分气井在5年的排采期间套压基本上都维持在0.4 MPa左右，同样很稳定。

(2)产气量。自2011年开始排采，西二盘区东五盘区累计煤层气产量达3.89×108m3，88口气井中单井平均日产气量在16～8326 m3/d，平均为2979 m3/d，最高单井产量为39154 m3/d。

(3)产水量。西二盘区整体上单井产水量一般在2.65 m3/d，单井日产水量区间在0～38.86 m3/d，个别气井不产水。部分井产气量和产水量情况如图10所示。

6 抽采效果模拟评价

6.1 历史拟合分析

对西二盘区88口地面抽采井进行了生产数据的历史拟合。初始参数渗透率取值为2.6 mD，孔隙度为2%，所在3#煤层煤厚5.4～7.48 m，埋深213～467 m，底板等高位于219～503 m，储层压力在3.00 MPa左右，含气量在20～26 m3/t之间，CH4浓度在97%左右。经过12d的等温吸附测试，测得兰氏体积VL为42 m3/t，兰氏压力PL为2.22 MPa，煤的密度为1.46 t/m3。

图10 西二盘区煤层气井产水量和产气量分析

其中，部分测试井——SHX-249、SHX-106、SHX-134、SHX-138、SHX-115、SHX-104井的产气量拟合情况如图11所示。

通过参数井历史拟合修正后，西二盘区的渗透率调整为0.8～6.8 mD，平均为4.7 mD。

6.2 产能预测及含气量降低情况

在历史拟合修正参数的基础上，本项目对西二盘区内88口井15年内的煤层气总产能作了预测。预测结果如表5所示。

图11 西二盘区煤层气井产气量历史拟合图

表5 西二盘区88口井产能整体模拟结果及抽采效果

西二盘区88口煤层气井抽采效果分析如图12所示。由图12(a)可知，最高日产气量为41.97×104m3/d，平均日产气量13.4×104m3/d。由图12(b)可知， 西二盘区88口煤层气井实际4年总产气量为3.89×108m3，10年累计产气量为7.04×108m3，15年累计产气量为8.53×108m3。由图12(c)可知，抽采5年后剩余含气量为12.27 m3/t，抽采10年后剩余含气量为6.74 m3/t，抽采15年后剩余含气量为3.24 m3/t。由图12(d)可知，抽采5年后含气量降低幅度达47%，抽采10年后含气量降低幅度达71%，抽采15年后含气量降低幅度达86%。

图12 西二盘区88口煤层气井抽采效果分析

西二盘区通过抽采参数井检验，5年内含气量平均降低了8.96 m3/t，平均降低幅度达42%，模拟结果降低幅度达47%。

综上所述，储层模拟的结果显示，煤层气排采使煤层含气量大幅度降低，西二盘区排采5年后含气量均下降超过50%，排采10年后下降70%左右，排采15年后下降超过80%。

7 结论及存在问题

(1)利用8口地面检验井含气量数据与原始数据对比，得到含气量实际降低情况，通过数据的拟合、参数修正来预测产能及未来含气量随时间抽采变化规律。

(2)西二盘区煤层原始含气量整体上较高，平均值达到23 m3/t，对安全造成很大威胁，地面煤层气抽采是解决该问题的有效途径。

(3)地面煤层气预抽有效降低了煤层含气量。西二盘区3#煤层含气量下降幅度平均为42%，剩余含气量为14.13 m3/t。

(4)西二盘区地面抽采5年3#煤层剩余含气量为12.27 m3/t，含气量降低幅度达47%，抽采10年后降低幅度达71%，抽采15年后剩余含气量为3.24 m3/t，含气量降低幅度达86%。