【摘要】煤層氣富集控制因素的研究，對煤層氣的勘探開發(fā)具有重要意義。通過收集和實測數(shù)據(jù)，對影響研究鄭莊井田南部3號煤的氣體富集和成藏條件等控制因素進行探討，引用吸附理論對煤層氣的運移、逸散、聚集及成藏分布格局進行分析和資源評價。綜合分析表明：3號煤層穩(wěn)定、吸附能力強、埋藏較淺、圍巖封閉性好是本區(qū)煤層氣成藏的基本條件。褶皺軸部裂隙較發(fā)育、滲透性好是煤層氣的理想開發(fā)區(qū)域。并根據(jù)生產(chǎn)實際，對鄭莊井田南部煤層氣靶區(qū)選擇、井網(wǎng)優(yōu)化及工藝選擇提出合理化建議。

【關鍵詞】鄭莊井田南部；煤層氣；富集；控制因素

1、引言

鄭莊井田位于沁水盆地東南部，晉霍斷裂帶的南側，地形起伏較大，多為切割顯著的黃土地貌，塊段長約6.67km，寬約4.1km，面積約25.4km2。該區(qū)3號煤位于晚古生代山西組中上部，距下石盒子組與山西組分界砂巖（K8）20～30m左右，煤層傾角12°，煤層厚度一般3～6m，視相對密度1.51，水分為1.16﹪～3.12﹪，平均2.24﹪?；曳譃?.14﹪～14.21﹪，平均10.47﹪，揮發(fā)分為5.5﹪，屬低灰、特低揮發(fā)分的高變質無煙煤。

3號煤層含氣量22m3t～34m3t，煤層氣資源量約27.8×108m3。近年來，該地區(qū)已成為煤層氣勘探的區(qū)域之一，對煤層氣富集高滲的控制因素進行研究意義重大，有利于查明鄭莊井田南部3號煤層氣井產(chǎn)能差異的原因和高產(chǎn)井的控制因素，為下一步開發(fā)部署提供依據(jù)；有利于建立鄭莊井田南部煤層氣富集成藏模式和準確預測高滲高產(chǎn)區(qū)。

2、3號煤層地質背景及其吸附特征

研究塊段古構造上屬于華北地臺中帶，是在燕山期，華北地區(qū)剪切擠壓應力作用顯著增強[1]，隆升不斷擴大的背景下形成的殘余構造盆地。從煤層氣的賦存特征來看，它主要以吸附狀態(tài)存儲于煤的微孔隙一裂隙中，而煤層對氣體的吸附情況和吸附量的大小與煤的變質作用有著密切的關系[2]。由于煤層是以區(qū)域熱變質作用為主，在高溫和相對低壓環(huán)境下，煤層孔隙較發(fā)育，孔隙度可達2.98～7.69﹪，孔隙以微孔和過度孔為主，保存了少量的中孔和大孔，這一孔隙特征導致煤的孔面積增大，吸附能力強，并且煤層孔隙具有連通性[5]。該煤層吸附性大，其主要原因是：①煤變質程度高，煤體結構保存好；以光亮煤和半光亮煤為主，鏡質組含量高，占有機質顯微組分的81﹪～93﹪，鏡質組反射率達到2.8﹪～4.1﹪時。②微孔裂隙發(fā)育，吸附能力最大。③煤層吸附量與儲層壓力成正相關，儲層壓力0～1Mpa時，二者是線性關系。等溫吸附試驗如表1，煤中的基質孔隙和表面粗糙度如圖1，煤中的基質孔隙如圖2。

3、儲層壓力與含氣性

3.1儲層壓力

控制煤體變形的主要因素是含煤巖系巖體強度與結構、構造應力場的大小與方向、局部邊界條件[3]。鄭莊井田南部氣藏儲層壓力具有偏低的特點。3號煤層壓力為0.41～3.72Mpa，壓力系數(shù)小于0.7。壓力有隨煤層埋深增加而增加的趨勢，這主要取決于上覆地層和地下水動力條件。3號煤直接蓋層主要為泥巖、粉砂質泥巖。厚度一般5～10m，泥巖、粉砂質泥巖裂隙不發(fā)育，說明了蓋層對煤層氣的保存同樣具有一定的影響[4]。儲層壓力沿露頭的地下水補給、運移，有利于煤層氣的開發(fā)。

3.2含氣性

鄭莊井田南部3號煤層含氣以CH4為主，一般在90﹪以上，此外還有少量的N2和CO2。3號煤層含氣飽和度為49.2﹪～100﹪，以欠飽和為主。表2為排采煤層氣的組分含量分析結果。研究區(qū)煤層氣含量較高，總體表現(xiàn)井田總南部是煤層氣的富集地帶。

石灰?guī)r。依據(jù)鉆井獲取的3號煤層頂、底板巖石樣品，經(jīng)實驗室測試，主要巖石力學參數(shù)如表3所示。鄭莊井田南部是一個構造相對簡單、煤體變形總體比較微弱的地區(qū)，適中的煤體變形形成的碎裂煤，裂隙較為發(fā)育，是滲透性最好的儲層。引用巖體力學方法，用強度因子和分形維數(shù)對煤體變形進行定量評價。研究表明強度因子和分形維數(shù)低值區(qū)碎裂煤較為發(fā)育，即為褶皺的軸部，煤儲層裂隙較為發(fā)育，原始滲透率較高，是煤層氣最佳開發(fā)區(qū)域。煤中外生裂隙如圖3。

5、鄭莊井田南部煤層氣富集規(guī)律

通過對上述煤層氣成藏條件和成藏過程的論述，得到鄭莊井田南部煤層氣富集成藏規(guī)律：①3號煤有利的成煤環(huán)境形成了厚且連續(xù)穩(wěn)定的煤層，連續(xù)性好，埋藏深度較淺，煤儲層吸附能力強，構成了煤層氣富集的物質基礎。②煤層埋深與上覆巖層有效厚度是控制本區(qū)煤層氣含氣量的重要因素之一。3號煤層煤層氣含量隨著煤層埋深與上覆巖層有效厚度的增加而增加。泥巖和粉砂質泥巖為主構成了3號煤較強封閉能力的頂?shù)装?，側向上存在封閉性的邊界。③印支期與燕山期的兩次變質作用，形成了無煙煤，高變質程度的煤級有利于煤層氣的吸附。兩次生烴生成了大量煤層氣，晚期生烴起主要作用。煤層氣含量高，主要以甲烷為主。煤層氣主要為次生熱成因，可能存在著次生生物成因氣。所生成的煤層氣的賦存在喜山期持續(xù)抬升過程中發(fā)生了嚴重的調(diào)整與改造，最終形成了現(xiàn)今的3號煤層氣藏。④地下水在補給—運移—匯聚過程中，在空間上依次形成了補給區(qū)—徑流區(qū)—滯流區(qū)。深部滯流區(qū)是煤層氣的有利聚集區(qū)，形成了高含氣量分布區(qū)。目前的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)煤層氣井多位于地下水滯流區(qū)。

6、鄭莊井田南部煤層氣勘探開發(fā)建議

儲層滲透性的非均質性決定了靶區(qū)的選擇，應優(yōu)先考慮在兩期褶皺疊加部位布井，其次為單一褶皺的軸部區(qū)域，最后探索褶皺的翼部。①煤層主裂隙的方向與現(xiàn)今NE-SW最大主應力的方向基本一致。這一裂隙與應力場的耦合關系，造成了煤層氣井在排采初期，流體壓力不斷降低過程中，裂隙張開度逐漸增加，進而導致煤層滲透率呈現(xiàn)數(shù)量級的增大現(xiàn)象。②高產(chǎn)區(qū)建議以垂直井開發(fā)為首選方案。這是由于高產(chǎn)區(qū)碎裂煤發(fā)育，儲層滲透性好，但同時也存在軟煤，甚至局部存在全層為軟煤的透鏡體。對于以碎裂煤為主的儲層，地面垂直井可進行有效的強化和排采，并易形成高產(chǎn)井。③埋深和地應力是不可忽視的因素。從儲層滲透性的角度，原始狀態(tài)下滲透性與埋深和地應力的關系似乎不明顯。盡管理論上當最大主應力與主裂隙方向一致時，排采過程中滲透率向增加方向發(fā)展，但較高的主應力將導致排采過程中煤體的破碎、吐粉、裂縫閉合，進而造成鄰井地帶的儲層滲透率急劇下降。④水平羽狀井主水平段方向的選擇至關重要。目前水平羽狀井一般采用造斜井—垂直井對接工藝，垂直井為生產(chǎn)井。為了能夠實現(xiàn)井控范圍內(nèi)的整體降壓，建議將垂直井布置在地層下傾方向。⑤鑒于常規(guī)的90°相位螺旋式射孔是隨機的，很難最大程度溝通煤層的裂隙，從而提高強化效果，使儲層滲透性得到有效改善。

參考文獻

[1]邵龍義，肖正輝，何志平等.晉東南沁水盆地石炭二疊紀含煤巖系古地理及聚煤作用研究[J].古地理學報，2006（8）.44-46.

[2]方愛民，侯泉林，雷家錦等.煤變質作用對煤層氣賦存和富集的控制[J].高等地質學報，2003（3）.378-379.

[3]孫平，王一兵.沁南煤層氣藏高滲區(qū)預測[J].天然氣工業(yè)，2008（28）：33-35.

[4]洪峰，宋巖，趙孟軍等.沁水盆地蓋層對煤層氣富集的影響[J].天然氣工業(yè)，2005（25）.34-36.

[5]崔思華，李五忠.鮮保安.沁水盆地煤層氣成藏條件分析 中國煤層氣勘探與開發(fā)，2003.49-56.

作者簡介

郭海英（1966—），女，廣東大埔人，畢業(yè)于鄭州大學，工程師，現(xiàn)從事煤炭地質勘查工作。