河南省构造煤煤层气开发研究现状及问题探究

刘炎昊，杨 敏，史小卫，赵长江

(1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2. 河南省煤炭地质勘察研究总院，河南 郑州 450016；3. 河南省煤炭煤层气重点实验室，河南 郑州 450016；4. 河南省煤田地质局，河南 郑州 450016)

构造煤是在构造应力场作用下形成的各类地质构造的伴生构造[1]。煤层适度的构造变形为煤层气开发提供了有利条件，但同时在构造煤发育区域又成为影响煤层气开发的负面因素，且构造煤类别越高，开发难度越大[2]。前人进一步研究表明：弱变形脆性系列构造煤发育区往往是煤层气开发的有利区，而韧性变形的糜棱煤分布区则是矿井瓦斯突出的危险地带[3]。河南省受多期次构造作用影响，构造活动强烈，构造煤序列均有分布，为全国构造煤的主要发育地区之一。其煤层气勘查开发工作起步较早，但一直未有突破性的进展，这与构造煤发育关系密切。因此，加强构造煤区域分布规律的研究，有针对性地总结分析构造煤中煤层气勘查开发经验至关重要。本文在整理以往相关的专题研究、专题报告等地质资料基础上，归纳分析河南省构造煤区域分布规律，总结我省在构造煤煤层气勘查开发方面的进展和认识，力求为今后构造煤中煤层气资源的勘查开发提供借鉴。

1 地质背景

河南省地质构造上跨越华北板块、北秦岭造山带和南秦岭造山带3个一级构造单元。其大地构造由两部分组成，即板内构造域与板缘构造域。板内构造域是指华北板块南缘，南部紧邻秦岭-大别山板缘带，东部接近郯庐断裂带；板缘构造是指北秦岭造山带东北缘和东秦岭造山带北缘部分。因此，区域构造格局受这两大构造背景的制约和影响。

河南省煤田构造格局具有南北分带、东西分区的基本特征，以京广线为界可分为东部覆盖区、西部暴露和半暴露区；南北方向可以概括为“四区”(太行区、嵩箕-豫东区、崤熊区、秦大构造区)、“三线”(构造分划线)、“四向”(构造走向)，见表1[4]。

2 构造煤区域分布规律

构造煤的区域分布规律主要受构造控制，与构造分区相对应，可分为4个区，即豫东永夏含煤区、豫西含煤区、豫南平顶山含煤区和豫北太行山东麓含煤区。各含煤区由于所处构造环境条件、构造带力学性质的差异，对构造煤的控制也具有不同特点，形成不同的煤体结构，主要表现为两个方面。

2.1 挤压构造带是构造煤主要分布区

根据研究，豫南、豫东、豫西处于挤压构造带，豫西特殊的滑动构造使本区二1煤层构造煤类型达到Ⅳ-Ⅴ类(碎粒煤、糜棱煤)[5-6]，成为研究区构造煤类型最高的区域；豫南主要发育大型宽缓褶皱和断层，对煤体的破坏较弱，主要形成Ⅲ-Ⅳ结构煤(碎粒煤)；豫东以区域SN-NNE向压扭性正断层为主，构造煤发育较弱，煤层仍然保持原生结构煤的特点，属于Ⅰ-Ⅱ类结构煤(碎裂煤)等。

2.2 伸展构造带边缘是构造煤的次要分布区

伸展构造在研究区主要分布在豫北太行山东麓含煤区，区域构造主要表现为大型的隆起和凹陷盆地，在隆起和凹陷的边缘，构造类型以SN-NNE-NE向正断层为特征，煤体结构类型主要为Ⅱ-Ⅲ类(碎裂煤、碎粒煤)，构造煤呈条带状，其展布方向与构造的展布方向一致。

根据研究[7]，构造煤形成的受力条件是控制构造煤形成区域分布的主要因素，而对构造煤的变形性质影响较小，即构造煤的形成受构造控制，褶皱和顺层断层控制了构造煤的区域分布，切层断层控制了构造煤的局部分布等。构造应力场对构造煤具有间接控制作用，一般认为构造应力场是控制区域构造发育和演化的重要因素之一，不同的构造应力场作用下将产生不同性质的构造及其组合，并对煤层起到强烈的改造作用，致使煤层的赋存状态和煤体结构均发生一定的变化，从而形成具有不同变形机制和变形特点的构造煤。

表1 河南省煤田构造格局特征

3 构造煤煤层气开发研究现状

河南省二叠系含煤地层构造煤普遍发育，煤层气资源存在“三低一高一软”——低渗透、低饱和度、低解吸压力和高地应力以及软煤层普遍发育的不利特征[7-9]，自“六五”以来开展了多批次的煤层气井试采工作，受构造煤发育特征差异影响，试采取的效果并不理想，各区块及各井产气产水差别明显，也与河南省煤层气资源条件所具有的开发潜能大相径庭，至今没有形成产业，直井平均日产尚未超过500 m3，依然处于试验探索阶段。这些井中，除了焦作恩村、九里山、位村区块具有特殊的“两软夹一硬”煤层结构，主要采用避开软煤分层射孔压裂的方式以外，其余区块的试采井煤层结构均较为破碎。因此，根据选择试采改造层位的不同，大致划分为两种类型，即煤层顶板和煤层本身。就改造层位选择和改造措施机理的不同，分别对构造煤顶板压裂、构造煤煤层压裂和糜棱煤掏煤卸压的部分案例进行综述。

3.1 以构造煤煤层顶板围岩为压裂对象的试采案例

焦作中马村矿二叠系山西组二1煤层顶板中施工一组水平对接井，采用水力喷射射孔分段压裂进行围岩、煤储层改造，获得最高日产气量2 275 m3，总产气量近13万m3。由于受巷道安全防护限制，压裂规模和产气量没有达到预期，但一定程度上为本区采用围岩-煤储层改造工艺提供了可行的借鉴经验。另一典型案例是，获嘉县马厂勘查区施工1口煤层气直井，测试结果显示，该井二1煤层全层构造煤发育，以碎粒煤和糜棱煤为主，煤层渗透率0.07 mD，含气饱和度51%，采用活性水压裂液顶板+顶板与煤层合层压裂的工艺完井，因顶板压裂后形成高渗透通道，导致煤层未能破裂、顶板来水较大，进行了为期1 a多的试采，日平均产水量50～65 m3，日平均产气24 m3，该井一定程度上揭示了该区块的地质条件和可采性。

省外淮北矿区在以糜棱煤和鳞片煤为主的8号煤层顶板岩层中进行水平井套管射孔完井[10]，其中，水平段长度为586 m，煤层分7段进行了高强度水力压裂，累计注入压裂液6 627 m3、石英砂542 m3，取得了较好的产气效果，单井连续3、6、12个月平均日产气量达到10 358 m3、9 039 m3、7 921 m3，截至2017年底累计产气500万m3，日产气量依然稳定在3 200 m3以上，创造了我国碎软低渗煤层的煤层气水平井气产量的新纪录，具有重要的指导意义，目前我省在这一构造煤开发的新技术新工艺上正进行进一步探索。

3.2 以构造煤储层本身为压裂对象的试采案例

鹤壁六矿HB01、HB02井组实现软煤层(碎粒煤为主)中水平钻进817 m，煤层钻遇率超过90%。分五段进行水力喷射压裂。获得HB01井日产量达到1 341 m3，连续产气超过27个月，累计产气超过70万m3，HB02井稳定日产气量超过3 000 m3，取得了一定突破，为河南省单一构造煤发育区煤层气开发提供了借鉴。“十二五”期间，在平顶山地区构造煤发育地区，河南省煤层气公司和中煤科工集团西安研究院累计施工了30口直井，分别探索了平顶山中煤级松软低渗欠压煤储层的活性水氮气辅助压裂增产技术。其中，SS-009井获得了单井日产1 708 m3，540 d累计产气50万m3，刷新了构造煤储层煤层气直井开发的历史纪录，打破了传统认为松软低渗储层无法实现煤层气高产的认识禁区。

3.3 以糜棱煤冲孔卸压为主的案例

构造煤结构松软易坍塌的特性为水力冲孔卸压应力释放提供了很好的充分条件，理论上来讲，可以成为构造煤区煤层气高效产出的突破口。这方面，河南荥巩煤田和新安煤田孟津井田做了初步的探索。

美国中美能源公司采用洞穴法、水力冲孔掏煤卸压方式在荥巩煤田进行地面钻井抽采试验，成孔2口直井，历时1个月，各孔冲出煤量250 t左右，单孔日平均产气800～900 m3，分别累计产气1万m3。说明糜棱煤发育储层具有高产的高煤层气含量这一物质基础，通过水力冲孔卸压可使煤层气高效产出，但糜棱煤松软易流变的特性造成松软煤层容易坍塌堵孔、抽采周期较短、产气量衰减较快。

近年来，河南省煤层气公司在孟津井田开展了以糜棱煤为主的煤层中，采取水平井地面水力冲孔掏煤卸压促进解吸的工艺，累计糜棱煤煤层中水平段进尺1 100 m，掏煤275 m3，排采试验取得日产气量478 m3，实现了松软煤层水平井分支钻孔中筛管护孔，初步破解了松软煤层坍塌堵孔的技术难题。

受制于资金和技术等问题，构造煤储层中水力冲孔掏煤卸压技术暂时没有取得完全突破，但这种新型工艺的探索研究得到了有关科研院校的重视，已经着手开始进行系统研究，加快该技术的工业性应用进程。

4 构造煤煤层气开发存在的问题及分析

综上所述，河南省构造煤发育区的煤层气试采工作虽有局部个别井点的突破，但缺乏区域性广泛面上的重大进展，分析原因如下：

4.1 储层评价研究程度不够

构造煤储层中煤层气的赋存状态至今没有达成一致认识，在游离态和吸附态两种赋存状态之外的超临界、固溶等形式存在与否，煤的孔隙结构特征描述研究至今仍在不断更新认识，学术争议不断，对赋存状态的认识不清导致构造煤煤层气解吸行为和产出机制研究深入不够，对试采工作的理论指导和工程分析造成一定困难。

4.2 构造煤储层参数的获取存在一定技术障碍

一是通过试井、测试等手段获取的煤层气含量和煤层渗透率等数据，所用数学模型和测试仪器并不完全统一、规范，尤其是有些数据资料来源于煤田勘探技术标准，不同于煤层气现行国家标准，却相互引用作为重要参考，即便依照同一技术标准，不同的测试人员和仪器得到的结果也可能大相径庭；二是通过测井曲线判识构造煤，以此为依据进行选井选层、避开软煤层射孔时，因判识方法不同和精度不高，实际选层情况显得规律性不强；三是前期投入使用的风险勘探资金以快速获利为主要导向，缺乏对储层的精细研究和区块整体认识，对资料数据共享得少，造成后期不必要的重复试验。

4.3 构造煤松软流变特性与改造工艺技术匹配性不够

常规增产改造工艺技术以水力压裂最为常用，以在坚硬储气层中人工制造产气产液通道为主要目的，但构造煤储层层理结构紊乱、煤体结构较软，采用常规技术增渗增产时，压裂液滤失量大不易形成并保持高效产气产液通道，甚至在糜棱煤中不具备压裂造缝的基本条件。而当前的构造煤中冲孔卸压增渗促解工艺技术因工艺不完善、工具效率低等原因，亦不能长久保留形成的高效通道。因此，构造煤储层改造中，地质约束与工艺适用性存在极大的不匹配性。