魏家地煤矿煤层气成藏特征及开发对策建议

李作泉， 周晓刚， 邵嗣华， 王 勃， 谢亚东， 权继业， 苗在全

(1.甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃白银 730900； 2.山西尚道能源开发有限公司，山西临汾 042500；3.应急管理部信息研究院，北京 100029)

靖远煤业集团魏家地煤矿为煤与瓦斯突出矿井，魏家地煤矿东二、东三采区后期接续工作面大部分位于煤与瓦斯突出预测区域，直接掘进开采瓦斯危害比较严重，加之魏家地煤矿构造复杂，区域逆断层与伴生次级小型逆断层严重破坏煤储层连续性和稳定性，且煤层厚度大、煤体结构复杂、瓦斯压力高、透气性差[1-2]，给瓦斯治理和煤矿安全生产接续造成了较大的难题。通过地面钻井施工进行井下瓦斯治理和释放突出区域是目前一种有效且成熟的技术手段：通过地面抽采可以最大程度地、高效地降低煤储层中瓦斯含量和瓦斯压力，不仅可以保障井下采掘安全、煤矿生产的接续性和连续性，也可以提高清洁能源的供给和利用。因此开展魏家地煤矿煤层气地面抽采既是贯彻落实国家“先采气、后采煤、采煤采气一体化”的要求，又是保障煤矿安全、连续生产的重要举措[3-5]。

基于上述目的，在分析魏家地煤矿煤层气赋存地质条件、开发条件的基础上，针对性地提出了技术对策，希望可以有效地指导该区煤层气开发和瓦斯治理。

1 煤层气赋存地质特征

1.1 地质构造

魏家地煤矿位于白银市平川区魏家地村，位于宝积山-红会拗褶带，为松山-黄家洼山褶带的次一级构造单元。主体构造为一复式向斜构造，褶皱主要有腰水短轴背斜、花尖子短轴向斜、1号背斜、2号向斜、3号背斜及4号向斜，构造线方向为N60°～70°W转近EW，平面上略呈“S”形(表1)；断层主要有F46，F3，F1-2，走向NW—SE，性质均为逆断层，这三条区域性大断层周边伴生发育较多次一级逆断层(表2)。

表1 褶皱构造要素一览表

表2 主要断裂构造要素一览表

1.2 煤层分布

魏家地煤矿成煤于中生代中侏罗世，为陆相山间盆地型沉积，是一套以砂泥岩为主，夹砾岩、砂岩和煤层的含煤建造。

井田内含煤地层为中侏罗统窑街组，共含煤4层(自上而下编号为1、2、未2、3煤)，其中主要可采煤层为1煤、3煤，分布面积广，厚度大且较稳定，2煤为局部分布局部可采的不稳定煤层，未2煤层为点状分布的不可采煤层。主采煤层一煤层厚度为0.05～45.47m，平均厚度为10.14m；三煤层厚度为0.29～15.03m，平均厚度为5.58m(表3)。

表3 魏家地煤矿含煤(岩)情况一览表

1.3 煤层气赋存特征

魏家地煤矿1煤层气体主要是以CH4为主，浓度高。1煤层瓦斯含量测试结果显示：瓦斯含量为0.31～10.39 m3/t，平均含量为3.57 m3/t；CH4含量为0.13～10.22m3/t，平均含量为3.04m3/t。整体上该井田瓦斯含量平面分布受到埋深和逆断层的影响(图1)：①瓦斯含量随着埋深增大而增大，研究区瓦斯平均含量分别为6.78 m3/t和3.23 m3/t。；②1号背斜、2号向斜和3号背斜区域瓦斯含量明显增大；③F3逆断层下盘区域含量明显增大。

图1 1煤层瓦斯含量等值线

3煤层瓦斯含量为0.44～5.36 m3/t，平均含量为3.32 m3/t；CH4含量为0.12～4.79m3/t，平均含量为2.31m3/t。该煤层瓦斯含量平面分布同样受到埋深和逆断层的影响。

根据以往瓦斯成分测试数据可知该矿煤矿中瓦斯气体中CH4占比为10.7%～79.0%，平均值为31.3%；N2占比为20.6%～87.1%，平均值为62.9%；CO2占比为1.7%～15.6%，平均值为5.8%。

1.4 水文地质特征

魏家地煤矿含煤地层主要为中侏罗统窑街组，主要发育4套含水层：窑街组砂岩裂隙含水层、新河组底部砂岩裂隙含水层、新河组中段砂岩裂隙含水层和第四系洪积潜水含水层；3套隔水层：窑街组顶部隔水层、新河组下段隔水层和中侏罗统上段、上侏罗统隔水层。整体上隔水层的隔水性能较好，各含水层之间不存在水力联系；此外该区域主要发育逆断层，断层面附近由于泥岩涂抹作用不导水[6-7]，成为良好的隔水断层。

2 煤层气开发条件

2.1 煤层厚度大

井田内主采煤层1煤层具有东厚西薄，南厚北薄分布的规律，南部边界区域受到区域性逆断层影响煤层厚度急剧增大，煤层厚度在0.05～45.47m，平均为10.14m。煤层结构复杂，含夹矸1～23层，是该井田主采煤层。研究区内绝大部分煤层厚度在10m以上(图2)，整体从煤层厚度上看，有利于进行地面布井抽采。3煤层在东二、东三采区仅局部发育，不做为该区域开发煤层。

图2 1煤层厚度等值线

2.2 埋深适中

1煤层全井田分布，总体埋藏深度变化范围为317～834m，平均为527m，总体受到区域单斜构造的控制呈“北西浅、南东深”的特征，局部区域受到次级褶皱和逆断层的影响埋深变化相对较大，整体上对于魏家地煤矿东二、东三采区内1煤层埋藏深度主要为500～750m。该深度的煤层气勘探开发技术已经取得突破，完善的技术体系和先进的装备为该区的煤层气勘探开发提供保障，大大降低勘探风险，提高成功率。

2.3 顶底板封闭性好

1煤层直接顶板岩性主要为粉砂岩或砂质泥岩，主要分布在研究区的东西两侧；中—粗粒砂岩，主要分布在研究区中部，砂岩孔隙度为0.4%～4.87%。整体上1煤层顶板属低透气性顶板，底板为砂质泥岩、粉砂岩及细粒砂岩、中—粗粒砂岩，可以为煤层气原位赋存提供良好的封盖条件。

2.4 断层配置有利于煤层气保存

魏家地煤矿内除了三条区域性逆断层外，其周围还伴生发育了较多次一级逆断层，增大了煤层气聚集成藏的复杂性。逆断层上下盘在运移过程中断层面周围岩石附近受到强烈的揉搓和挤压作用发生泥化作用，发生了典型的逆断层面泥岩涂抹作用，形成了断层泥及断层带，具有明显的封闭性，成为阻隔煤层气逸散的构造界面[8]，有利于煤层气封堵和聚集；另外由于受到逆断层的影响，煤层厚度变化急剧增大、断层附近构造煤较发育、地应力相对较集中造成煤储层透气性差，形成瓦斯局部高富集区[9]，特别是逆断层下盘区域该规律更为明显。

2.5 “逆断层封闭式+水力封堵型”成藏模式

研究区内断裂构造主要为逆断层，且断距规模较大，表明逆断层在形成过程中经历了较大规模的滑动和推移，在断层面附近形成了良好的构造界面，气体沿煤层上倾方向运移时就会在逆断层下盘断层面附近被阻挡富集成藏，形成煤层气富集区，研究区典型的逆断层封闭式煤层气藏主要分布在研究逆断层下盘区域(图3)[10]。

图3 “逆断层封闭式+水力封堵型”成藏模式

水力封堵型煤层气藏主要位于F3断层与F46断层组合形成的地垒构造单元内和F46断层与F47断层组合形成的地堑构造单元北部边缘地区。地表降水沿着地层和构造裂隙带向下倾方向流动进入煤系地层含水层，气体沿煤层上倾方向运移，气体在地下水交替停止带聚集，形成煤层气富集区。

3 存在问题

3.1 地应力复杂

研究区最大主应力为12.00～17.66MPa，应力梯度为1.51～2.24 MPa/100m；中间应力为6.871～12.27MPa，应力梯度为0.867～1.603MPa/100m；最小主应力为4.452～6.537MPa。整体上研究区地应力条件复杂，煤储层受到复杂应力和构造应力综合作用下，原生结构煤发生破碎变为碎粒煤-糜棱煤[11]，因此在煤层气后期抽采过程中，应严格控制井底流压日降幅度，防止煤储层受到应力敏感性伤害造成渗透率下降[12-13]。

3.2 煤体结构差，成孔和改造难度较大

研究区内发育有区域性逆断层三条，特别是井田南部的F1-2逆断层，对煤体结构和岩石力学性质影响较大。位于F1-2逆断层下盘煤层由于受到强烈的挤压应力，煤体结构遭受强烈改造形成了松软煤层。松软煤层坚固性系数均在0.5以下，在钻井和成孔过程中由于井壁稳定性差、易垮塌造成成孔难度较大[14-15]；另外由于泊松比低、杨氏模量低，松软煤层在压裂改造过程中难以形成主裂缝或者裂缝长度较小，无法顺利添加支撑剂；即使在主裂缝中铺置了支撑剂，但在后期压力释放缝网闭合时也会发生支撑剂大规模压嵌作用[16-17]，造成储层改造工程失败。

3.3 地质条件较复杂，抽采技术可复制性差

魏家地煤矿构造比较复杂， 区域逆断层附近伴生较多次级小断层，且煤体结构差、瓦斯含量高、透气性差，研究区内接续工作面煤与瓦斯突出危害比较严重。如何达到瓦斯突出灾害治理和资源有效开发利用相结合的“双赢”目标仍需关键技术的突破。目前该矿井瓦斯抽采主要采取“顺层钻孔、上隅角埋管、上出口低位钻场短高位钻孔、顶板岩石走向大直径高位钻孔、地面钻井、顶板瓦斯抽采巷”等手段对井下瓦斯进行抽采治理，虽然取得了一定的成效，但由于地质条件复杂，目前的抽采技术和方法不能直接进行复制，导致瓦斯治理和采煤接续矛盾突出，因此需要结合研究区煤层气成藏地质特点尝试创建新的瓦斯抽采技术和手段，争取早日达到“双赢”目标。

4 思考与建议

针对研究区煤层气地质条件，结合目前国内外已经成熟的煤层气开发技术体系，提出了煤层气地面开发的建议。

4.1 构建“顶板卸压、开采保护层”开发模式

由于研究区地应力复杂、煤体结构差，常规的工艺和技术往往成孔困难和改造困难。在调研国内外先进工艺和技术发展的基础上[18-19]，提出了“对煤层顶板进行卸压、开采保护层”的开发模式[20-21]。本模式的核心就是避开松软煤层，在坚硬的顶板岩层中实施钻井施工：这样既可以保护钻井，维护井壁稳定性，能够顺利成孔；又可以利用定向射孔和压裂实现较长的压裂裂缝，增大单井的控制面积，最终实现煤储层的有效改造和区域降压。

4.2 加强地质研究，落实“一井一策”

鉴于本区地质条件复杂，不能对成功经验进行简单复制，因此建议在以往煤田勘探和煤矿生产地质资料综合分析的基础上，深入研究基础地质、成藏地质、成藏规律等，精细化描述煤体结构、顶板岩性和煤层气成藏特征，进而开展煤层气专项地质选区评价工作和论证主要目的层段，优选煤层气富集有利区。

针对不同的有利区，综合构造的精细化解释和工作面接续计划，做到“一区一策”；然后针对性地部署煤层气井位，最终严格落实“一井一策”[22]。

4.3 加强现场质量监督工作

目前研究区内煤层气藏的关键参数和工程施工工艺参数还比较缺少，因此要重视前期参数井和开发井的现场质量监督管理工作，严格落实国家及行业相关标准规范的要求，保证能够把所有关键参数取全、取准，为后期的资源评价、方案调整和施工工艺优化等提供有效的数据支撑。

4.4 按部就班地开展工作

煤层气勘探开发是一项涉及多学科、多专业、多工序的系统工程，主要包括地质分析评价、勘探试验、开发先导试验及规模化开发等关键环节[23]，因此建议需要围绕各个关键环节中的关键任务，有序地开展以下工作。

4.4.1 煤层气勘探和开发先导试验

在前期地质研究和井位部署的基础上开展现场工程施工，落实区内含煤性、储层物性和含气性等关键参数；在勘探基础上优选煤层气产气有利区，进而通过单井(垂直井、L形水平井、多分支水平井、U形井等)/丛式井组(小井组、大井组)开发试验落实产能数据，确定适合本区煤层气地质条件的勘探开发技术体系。

4.4.2 规模化开发

在深化煤层气地质特征与开发特征认识的基础上，针对不同区域进一步细化、优选适用的开发主体技术。规模化开发的井位部署实施方案是对“一区一策”“一井一策”的更深层次地落实，有针对性地施工工艺，最终形成本区特有的煤层气开发模式。

5 结论

1)研究区煤层气赋存条件好，主采煤层厚度平均达到10.14m、埋深317～834m，煤层气平均含量为3.23～6.78m3/t。

2)研究区煤层气地面开发具有“煤层厚度较大、埋深适中、顶底板封闭性好，逆断层配置合适”等优点。提出了“逆断层封闭式+水力封堵型”煤层气成藏模式。

3)研究区煤层气勘探开发存在“地应力复杂；煤体结构差，成孔和改造难度大；地质条件较复杂，抽采技术可复制性差”等问题。

4)结合研究区煤层气开发优势与存在问题，针对性地提出了技术对策建议：构建了“顶板卸压、开采保护层”的开发模式；加强地质研究，落实“一井一策”；加强现场质量监督工作；按部就班地有序开展工作。