抚顺煤田城下压煤区煤层气开发利用研究

谢石　高晓飞　石兆彬

摘  要：抚顺这座资源枯竭型城市，城下压覆大量的煤炭及煤层气资源，如果这些资源能够被开发利用，不仅能带动抚顺经济的发展，还将对我国其它资源枯竭型城市的转型升级起到借鉴作用。通过对抚顺城下压煤现状及煤层赋存特征的研究，提出可先在城区中部老虎台矿附近，选择地面条件较好的地区施工一对水平对接试验井（U型井），进行城下压煤区煤层气资源的开发利用，如果水平对接试验井组产气量较高，则进入修建输气管线、LNG加气站等商业化开发利用阶段。

关键词：抚顺煤田;城下压煤;煤层气;开发利用;水平对接试验井

中图分类号：TE37          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）31-0048-03

Abstract： Fushun， a resource-exhausted city， is overlying a large number of coal and coalbed methane resources. If these resources can be developed and utilized， they can not only promote the economic development of Fushun. It will also play a reference role in the transformation and upgrading of other resource-exhausted cities in China. Based on the study of the present situation of pressurized coal under Fushun City and the occurrence characteristics of coal seam， it is put forward that a pair of horizontal docking test wells（U-shaped wells） can be constructed in the area with better surface conditions near Laohutai Mine in the middle of urban area. To carry out the development and utilization of coalbed methane resources in the pressurized coal area under the city， if the gas production of the horizontal docking test well group is high， it will enter the stage of commercial development and utilization， such as the construction of gas pipeline， LNG filling station and so on.

Keywords： Fushun Coalfield; underground pressurized coal; coalbed methane; development and utilization; horizontal docking test well

引言

撫顺煤田是一个具有近百年煤炭开采历史的老矿区，随着煤矿多年开采，抚顺已成为资源枯竭型城市，但抚顺城市下面压覆大量的煤炭及煤层气资源，根据以往地质资料抚顺城下压煤区煤炭储量为23901.5×104t，煤层气资源量305286×104m3[1]，该区的煤层气储层条件较好，具有含气量高、渗透率好及丰度值高的特点，因此在抚顺煤田城下压煤区进行煤层气开发利用具有重要的经济效益和社会效益，不仅可以缓解沈阳及抚顺周边地区用气紧张的局面，还可对其它煤炭资源枯竭型城市的煤层气资源开发具有借鉴作用。

1 地质特征

1.1 含煤地层及可采煤层

抚顺煤田含煤地层为第三系古新统——始新统抚顺群，沉积基底为太古界鞍山群石栅子组深变质岩系与中生界白垩系下统龙凤坎组砂砾岩。上覆第四系冲洪积砂砾层，含煤岩系是一套以碎屑岩为主的含煤含油页岩系。由下至上划分为老虎台组、栗子沟组、古城子组、计军屯组、西露天组和耿家街组。

主要可采煤层赋存于古城子组，为煤层气开发的主要目的煤层，煤层顶底板均为炭质泥岩及黑色泥岩，含丰富的孢粉组合及植物化石，组厚40-195m，煤层一般厚50-60m，最厚可达120m[2]。

1.2 构造

抚顺煤田为近东西向的不对称向斜、单斜构造，其北翼较陡，倾角30-60°，南翼较缓，倾角15-30°，矿区北部边界为F1断层。F1断层亦为控制盆缘断裂构造[3]，矿区盆地内与走向近于平行NEE-EW向的同沉积纵向正断层，规模较大，延伸数公里。经后期构造影响一系列横向断层的剪切错移，在矿区形成断续次级向斜，单斜构造，区内断裂构造比较发育，区内查明断层按其展布方向有近东西向、北东向及北西向等三个方向的三组断裂构造，共有八条断层，均为正断层[4]。见图1。

1.3 水文地质

抚顺煤田内含水层不发育，岩性含水性弱，除第四系冲积层含水量相对较多外，其它各类含水层含水量皆很小。煤田内断层带多为泥质、碎屑物、方解石矿脉所充填，使断层呈闭合状态，含水性弱。

1.4 煤质

煤质主要为长焰煤，煤的颜色为黑色，条痕为黑褐色，有较强的油脂或玻璃光泽，质较硬性脆，易碎成块，具有垂直与交叉的节理，断口为贝壳状及平坦状，煤岩类型以半亮煤、亮煤为主。胜利井田煤质的各项指标都显示较高的煤化特征，表明有利于煤层气的生成，一般水份为3-4%、灰份为8-15%，属低灰、低硫、低磷煤[5]。

1.5 煤层气含量及组分

抚顺煤田各井田测试的煤层气含量值平均为13.31m3/t。

根据煤田地质资料，煤层气含量是以烷烃气为主的各种气体混合物，其中CH4含量为97.00%、CO2含量为1.80%、O2含量为0.50%、N2含量为0.70%。

1.6 等温吸附常数、渗透率及压力梯度

煤田内各井田的等温吸附常数、渗透率及压力梯度分别为：老虎台矿和龙风矿吸附常数为39.4327-27.2740;胜利井田经参数井兼采气井实测煤储层压力梯度为0.868Mpa/100m、有效渗透率0.851md。

2 城下压煤区煤层气开发利用研究

2.1 城下压煤区现状

抚顺煤田经多年煤田地质勘探，勘探程度较高，已达到精查阶段，累计探明煤炭地质储量为130786.1×104t，现保有地质储量77591.3×104t。其中：城下压煤区煤炭储量为23901.5×104t，煤层气资源量305286×104m3。以往抚顺矿区有关单位曾在井田中部进行地面钻井，抽放本层煤瓦斯，取得了较好的效果。东煤地质局在井田内施工3口煤层气生产试验井，进行了较大规模水力携砂压裂完井，由于施工工艺等原因排水采气效果不理想。

从抚顺城下压煤资源分布条件来看，井田西部即胜利井田煤柱至F16断层间条件最好，是煤层气开发有利区块。

本次以抚顺中部老虎台地区为主要靶区，对城市压煤区煤层气开发利用进行研究。抚顺矿区中部为老虎台井田，西部为胜利井田煤柱与胜利矿相接;东部为龙凤井田煤柱与龙凤矿毗邻;北部为F1断层下盘;南部为老虎台矿现采区下限边界。东西走向长5km，南北倾斜宽平均为0.5km2，面积为2.5km2。

2.2 城下压煤区煤层气开发利用研究

由于城下压煤区的地面建筑物较多，区内钻井场地选择性较差，所以要根据城下压煤区的特点，井型采用水平对接井（U型井），以减少征占土地。

首先施工一对水平对接试验井（采气井+排水井），对本井水平井段进行分段水力压裂、排水采气及产气量评价等工作。

如水平对接试验井组产气量较高，则进入修建输气管线、LNG加气站等商业化开发利用阶段。

根据抚顺地区城下压煤情况及煤层赋存特征，先在城区中部老虎台矿附近，选择地面条件较好的地区施工一对水平对接试验井（U型井），设计情况如图2所示：

采气井（工程井）设计情况：垂直井段1000m，水平井段1200m。

排水井（参数井）设计情况：垂直井段1000m。

根据地质资料及自然地理概况，应用三维地震解释技术设计水平井轨迹图，对煤层及其顶板进行精細的构造解释和横向预测。

钻进过程中使用随钻测井技术、随钻测量技术等先进的施工工艺和方法，能够使排水井与采气井水平井段精确对接。

采用分段压裂方式改造煤储层渗透性，应用电缆射孔与桥塞压裂联作工艺、电缆泵送桥塞-射孔工艺、钻磨桥塞等技术完成水平井段的射孔、压裂任务。

水平井段经压裂改造后，需进行排水采气试验。通过对排采试验数据的实时分析，确定合理的排采工作制度，即：连续缓慢的降低井底压力，形成良好的泄流通道，达到提高泄流能力和产气量的目的。

2.3 评价

抚顺煤田煤层气资源量可靠、丰度值高，具有“小而肥”的特点，城下压煤区煤层气资源量为30.5×108m3，水平对接井控制煤层气资源量2.4×108m3，单井控制资源量巨大。若采出程度按70%计算，水平对接井可累计产出煤层气量为1.68×108m3。

单井日产气量按40000m3计算，服务年限为11.5年，

煤层气单价按2.5元/m3计算，年创造的产值近3650万元，综合分析抚顺煤田城下压煤区煤层气开发利用具有极好的商业开发前景，不仅能够创造巨大的经济效益，还可为这座资源枯竭型城市的煤层气资源开发提供后备基地，进而缓解沈阳及抚顺周边地区用气紧张的局面。

3 结论

我国具有丰富的煤层气资源，提升资源的勘探技术，提高资源的利用率是我们的建设理念。抚顺城下压覆大量的煤层气资源，为了更有效地开发这部分煤层气资源，结合该区城下压煤情况及煤层赋存特征，认为可先在城区中部老虎台矿附近，选择地面条件较好的地区施工一对水平对接试验井（U型井），进行城下压煤区煤层气资源的开发利用，如水平对接试验井组产气量较高，则进入修建输气管线、LNG加气站等商业化开发利用阶段。这项研究的成功，对抚顺及全国其它地区煤炭资源枯竭型城市的转型升级具有重要的借鉴作用。

参考文献：

[1]郭震，裴炳浩.抚顺煤层气赋存特征及资源评价研究[J].中国煤炭地质，2008（05）：26-28.

[2]吕相权，史殿友，赵富有.辽宁省抚顺地下煤层气开发初步浅析[J].吉林地质，2007（02）：32-36.

[3]饶孟余，胡海梅，李明宅.抚顺矿区煤层气资源条件综合分析[J].辽宁工程技术大学学报，2002（05）：549-551.

[4]隋玉林.抚顺煤层气项目规划与发展[J].中国煤层气，2004（01）：42-44.

[5]马银起，崔玉环.抚顺矿区煤层气开发的几点认识[J].中国煤田地质，2002（01）：26-27.