楊紅軍，張遂安，孫延明，趙文，王千瑋

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中國石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心，北京102249）

沁水盆地北部15#煤層欠壓主控因素分析

楊紅軍1，2，3，張遂安1，2，3，孫延明1，2，3，趙文1，2，3，王千瑋1，2，3

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中國石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心，北京102249）

由于沁水盆地北部15#煤儲層欠壓較嚴重而導(dǎo)致煤層氣開發(fā)過程中排水降壓難度大的情況，為了進一步認清煤儲層條件，依托本區(qū)現(xiàn)有的地質(zhì)勘探成果與煤層氣開發(fā)資料，對15#煤儲層欠壓的主控因素進行了分析。結(jié)果表明：煤系沉積以后上覆地層長期的抬升和剝蝕，構(gòu)造演化后期的拉張型應(yīng)力以及煤系發(fā)育的陷落柱致使地層應(yīng)力釋放和煤層氣逸散，煤系富水性差且各含水層間水動力聯(lián)系弱、干旱氣候和地形地貌不利于降水補給是造成沁水盆地北部15#煤儲層壓力普遍偏低的主要原因。

煤層氣；欠壓因素；構(gòu)造抬升；拉張應(yīng)力；陷落柱；水文

0引言

沁水盆地北部陽泉礦區(qū)位于新華夏系沁水凹陷東北邊緣，東依太行隆起，北靠五臺隆起。該區(qū)是我國最大的無煙煤產(chǎn)地之一，煤炭資源和煤層氣資源豐富，自1996年開始，中國煤田地質(zhì)總局、中聯(lián)煤層氣公司等單位先后在此進行煤層氣勘探開發(fā)，目前在壽陽區(qū)塊己施工數(shù)百口煤層氣井［1-4］。該區(qū)主要的含煤地層為石炭系太原組及二疊系山西組［5］，煤系厚度180 m左右，共含煤16層，其中主采3#、12#、15#三個煤層，6#、8#、9#煤層局部可采，煤質(zhì)均為變質(zhì)程度較高的無煙煤。其中，上主采煤層3#煤層在山西組上部，K8砂巖下20～30 m，全區(qū)煤層厚度0～4.75 m，煤層不穩(wěn)定；下主煤層15#煤層位于太原組下部，K2下為其直接頂板，煤厚2.00～11.06 m，全區(qū)穩(wěn)定可采。目前，本區(qū)的煤層氣開發(fā)主要集中在儲層條件較好的15#煤層。但是，從開采效果來看，由于該地區(qū)15#煤層屬于典型的低壓儲層，已投產(chǎn)的多數(shù)煤層氣井產(chǎn)氣情況并未達到預(yù)期目標(biāo)。

煤儲層壓力是指作用于煤孔隙、裂隙內(nèi)流體上的壓力，是煤層氣運移、產(chǎn)出的動力。在一定的封閉條件下，儲層壓力的大小通常以壓力水頭（液注）高度表示；儲層壓力梯度則指從井口到測試層段中點算起的單位深度的壓力數(shù)值［6-8］。作為煤層能量的具體表現(xiàn)形式之一，煤儲層壓力常用來評價煤層氣藏產(chǎn)氣能力。煤層氣主要以吸附態(tài)形式存在于煤層，在開采過程中，儲層壓力降至臨界壓力以下時，吸附態(tài)的煤層氣便開始解吸出來。儲層壓力越低，煤層氣生產(chǎn)過程中排水降壓難度越大，反之則排水降壓越容易，所以煤儲層欠壓無疑增加了煤層氣的開采難度［9-13］。為進一步認識該區(qū)煤儲層條件，找出影響煤層氣井產(chǎn)能的深層次原因，有必要系統(tǒng)研究煤儲層欠壓成因。

1 15號煤儲層壓力特征

根據(jù)煤層氣儲層壓力梯度，將煤層氣儲層壓力梯度為0.93～10.30 MPa/100m的儲層稱為常壓儲層，儲層壓力梯度低于0.93 MPa/100m的儲層稱為欠壓（低壓）儲層［6］。

統(tǒng)計沁水盆地北部各區(qū)塊煤田鉆孔、煤層氣參數(shù)井試井實測的相關(guān)數(shù)據(jù)，該區(qū)15#煤層埋深普遍在500～800 m，儲層壓力為1.57～4.85 MPa，平均為3.38 MPa，儲層壓力梯度為0.27～0.91 MPa/100m，平均為0.49 MPa/100m。整體上欠壓較嚴重（表1）。

表1　沁水盆地北部15#煤儲層壓力數(shù)據(jù)Table 1 Pressure data of coal No.15 reservoir in northern Qinshui Bain

2地質(zhì)背景

沁水盆地北部煤系沉積后，歷經(jīng)印支、燕山和喜山三次構(gòu)造運動改造。印支期，受侯馬-沁水-濟源東西走向為中心的凹陷控制，以持續(xù)沉降為主，沉積了厚達數(shù)千米的三疊系河湖相碎屑巖，厚度由北向南增厚。三疊紀末的印支運動，使華北地臺逐漸解體，沁水盆地開始整體抬升，遭受風(fēng)化剝蝕。燕山期沁水盆地構(gòu)造運動最為強烈，在北西-南東向擠壓應(yīng)力作用下，石炭系、二疊系及三疊系等地層隨山西隆起的上升而抬升、褶皺，形成了軸向近南北的復(fù)式向斜，局部斷裂、抬升并遭受剝蝕。喜山期受鄂爾多斯盆地東緣走滑拉張應(yīng)力場作用，在山西隆起區(qū)產(chǎn)生北西-南東向拉張應(yīng)力，發(fā)育了山西地塹系，沁水盆地內(nèi)形成了榆次-介休一帶的晉中斷陷，沉積了上千米的新近系、第四系陸相碎屑巖，其它地區(qū)石炭系、二疊系和三疊系等地層繼續(xù)遭受剝蝕，并在北部和東南部因拉張而形成北東向正斷裂，致使沁水盆地定型于現(xiàn)今狀態(tài)［14-17］。

3煤儲層欠壓原因

3.1上覆地層的抬升和剝蝕

沁水盆地內(nèi)下古生界及前寒武系地層與華北地區(qū)類似，其中巨厚的前寒武系，包括太古界和元古界，是華北地臺蓋層的古老基底；寒武系為一套海相碳酸巖沉積地層，厚215～415 m，奧陶系僅發(fā)育下統(tǒng)和中統(tǒng)下部地層，上部缺失志留系和泥盆系，石炭-二疊系為本區(qū)主要含煤地層。沁水煤田含煤地層主要是上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，是在奧陶系古風(fēng)化殼之上發(fā)育的一套近海、海陸交互相含煤沉積。本區(qū)煤系形成以后，沉積埋藏大致分為5個階段：

①煤系形成之初至二疊紀末，盆地基底緩慢沉降；

②三疊紀時期，本區(qū)地殼快速沉降；

③早侏羅世，地層開始抬升剝蝕；

④中侏羅世，沁水盆地重新進入緩慢沉降階段；

⑤晚侏羅世至現(xiàn)今，本區(qū)持續(xù)抬升剝蝕，尤其是晚白堊世起，煤系抬升加快，其上覆地層遭受嚴重剝蝕，石炭二疊系煤層埋深不斷變淺，煤層氣藏不斷遭受破壞。

由沉積埋藏史可以看出，從本區(qū)煤系形成到三疊紀末，地殼處于沉降狀態(tài)，之后，除了在侏羅紀中期又發(fā)生短暫沉降外，其它漫長地質(zhì)時代盆地地殼一直處于抬升剝蝕狀態(tài)，導(dǎo)致現(xiàn)今本區(qū)15#煤層埋深普遍在800 m左右，甚至更淺。抬升剝蝕會產(chǎn)生兩方面效應(yīng)：一方面，地層抬升導(dǎo)致地下水向下傾方向泄漏，水位下降，造成靜水柱壓力降低；另一方面，地層被剝蝕，煤層埋深變淺，地層溫度降低，致使孔隙內(nèi)流體體積收縮，造成孔隙壓力減小。以上兩個效應(yīng)都會引起儲層壓力下降［18-20］。

3.2拉張型應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力可直接影響煤儲層孔隙空間內(nèi)流體壓力的大小?，F(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力的性質(zhì)決定著儲層壓力的大小，一般認為處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力場背景中的煤儲層，其壓力值往往偏大，壓力梯度偏高；而處于拉張型構(gòu)造應(yīng)力場中的煤儲層，其壓力值偏小，壓力梯度也偏低［21］。

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力條件是影響割理裂隙發(fā)育的客觀條件［22］，自燕山晚期以來，沁水盆地北部主要以拉張應(yīng)力為主。在喜馬拉雅期，區(qū)內(nèi)受鄂爾多斯盆地東緣走滑拉張應(yīng)力場作用，盆地由擠壓體制轉(zhuǎn)為引張體制（NW-SE向），盆地西部、北部的斷裂廣泛發(fā)育，形成晉中、臨汾地塹系。該時期，強烈的拉張應(yīng)力在本區(qū)形成了大量的NE向正斷層，且有利于煤層割理、裂隙的開啟及張性裂隙的生成，從而導(dǎo)致煤層應(yīng)力釋放，煤層氣逸散，最終導(dǎo)致儲層壓力降低。

3.3陷落柱發(fā)育

煤田勘探及煤礦開采實踐都表明，沁水盆地北部巖溶陷落柱非常發(fā)育［23］。據(jù)不完全通統(tǒng)計，僅沁水盆地北緣陽泉礦區(qū)的6個礦在采掘過程中就揭露742個陷落柱，分布密度達22～44個/km2。

根據(jù)陷落柱塌陷程度不同，可分為通天柱、半截柱及下伏柱3種［24］（圖1）。

圖1　塌陷程度不同的陷落柱Figure 1 Subsided columns with different degrees of collapse

①通天柱：柱口出露地表，上覆地層全部塌陷。

②半截柱：柱內(nèi)下部地層塌陷（包含煤層），上部地層依然如故。

③下伏柱：只限于現(xiàn)成陷落柱的基礎(chǔ)地層塌陷，在沁水盆地即為奧陶系灰?guī)r塌陷。

沁水盆地北部發(fā)育的陷落柱，嚴重破壞了煤層的完整性，對煤層氣的保存也有不同程度的影響。在眾多類型的陷落柱中，對煤儲層影響較大的是通天柱和半截柱。通天柱內(nèi)巖層極度破碎，煤層陷落消失，煤儲層泄壓，煤層氣向上運移散失，造成煤儲層低含氣、低飽和。半截柱會使煤層的頂?shù)装鍦贤ǎ瑢?dǎo)致煤儲層應(yīng)力釋放，同時煤層氣雖不能直接逸散到大氣中，但會被地下水?dāng)y帶走而散失?？傊?，煤系中的陷落柱存在是對煤層封閉性的破壞［25］，陷落柱附近煤層通常由于應(yīng)力釋放而泄壓，煤層氣也會運移散失，造成煤儲層低含氣、低飽和，進而加劇煤儲層壓力的減小。

3.4水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件不僅影響著煤層氣的保存和運移，而且直接影響著煤儲層壓力的高低與分布［26］。沁水盆地北部煤系主要含水層有太原組灰?guī)r含水層（K2灰?guī)r、K3灰?guī)r、K4灰?guī)r）、山西組砂巖含水層，研究區(qū)煤礦太原組主要含水層的抽水試驗結(jié)果（表2，表3）表明，各含水層單位涌水量很小，隨著抽水時間的延長，各含水層水位均逐漸下降，且抽水后的恢復(fù)水位一般低于抽水前的靜水位，部分鉆孔甚至存在短時間被抽干的現(xiàn)象。說明本區(qū)煤系富水性弱，煤系各含水層之間沒有形成有效的水力聯(lián)系，且同其他含水層聯(lián)系微弱，缺乏有效補給，煤系靜水柱壓力減小，導(dǎo)致煤儲層壓力降低［27］。

表2　太原組含水層抽水試驗結(jié)果Table 2 Pumping test results of Taiyuan Formation aquifers

表3　山西組含水層抽水試驗結(jié)果Table 3 Pumping test results of Shanxi Formation aquifers

3.5地面補給條件差

沁水盆地北部地處山西黃土高原東部，屬半干旱大陸性氣候。氣候干燥，晝夜溫差大，年平均氣溫7.4℃，最低氣溫為-26.2℃，最高氣溫為35.7℃。年平均降水量476.7 mm，其中7、8兩個月占全年降水量的45%，年蒸發(fā)量1 755.8 mm。蒸發(fā)量是降水量的3～4倍，會造成地下水水位不斷下降，靜水柱壓力降低自然導(dǎo)致煤儲層壓力減小。

另外，本區(qū)為低山、丘陵地貌，低山多基巖裸露，風(fēng)化嚴重，黃土僅殘存山巔或山坡，植被稀少。黃土沖溝發(fā)育，多呈U字型或V字型，樹枝狀展布（圖2）。因此，該區(qū)地形地貌使得地表徑流條件好，不利于大氣降水的入滲補給。在降水量原本遠小于蒸發(fā)量的情況下，勢必加劇地下水位下降，進而減小煤系上覆地層靜水柱壓力，降低儲層壓力。

圖2　沁水盆地北部地形地貌Figure 2 Topographic features of northern Qinshui Basin

4結(jié)論

沁水盆地15#煤層整體欠壓較嚴重，系統(tǒng)分析其成因有如下幾點：

①本區(qū)石炭二疊系煤層沉積以后，煤系及其上覆地層經(jīng)歷了長期的抬升和剝蝕；

②成煤后期構(gòu)造演化以拉張應(yīng)力為主，有利于煤層割理、裂隙的開啟及張性裂隙的生成，造成煤層應(yīng)力釋放，煤層氣逸散；

③沁水盆地北部陷落柱極其發(fā)育，陷落柱附近煤層通常由于應(yīng)力釋放而泄壓，以及煤層氣運移散失，造成煤儲層低含氣、低飽和；

④煤系富水性差，各含水層水動力聯(lián)系弱，缺乏有效補給；

⑤地面補給條件差：氣候干旱和不利于入滲補給的地形地貌。

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Analysis of Main Controlling Factors of Coal No.15 Underpressure in Northern Qinshui Basin

Yang Hongjun1，2，3，Zhang Suian1，2，3，Sun Yanming1，2，3，Zhao Wen1，2，3and Wang Qianwei1，2，3
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249；2.Ministry of Education Gas Energy Exploitation and Utilization Engineering Research Center，CUPB，Beijing 102249；3.CBM research Center，CUPB，Beijing 102249）

Since the coal No.15 in northern Qinshui Basin is serious underpressure and caused difficult water drainage and depressurization during CBM exploitation process，to get a clear understanding of coal reservoir condition，based on available geological exploration results and CBM exploitation data in the area，carried out analysis of main controlling factors of coal No.15 underpressure.The result has shown that after coal measures strata deposited，overlying strata long-term uplifted and denuded，tectonic evolution later stage tensile stress and subsided columns developed in coal measures strata caused release of stress and CBM dissipated；together with poor water yield property of coal measures strata，and weak hydrodynamic relation between aquifers，arid climate and topographic features not advantageous to precipitation recharge are main causations caused coal No.15 reservoir general underpressure in northern Qinshui Basin.

CBM；underpressure factor；structural uplift；tensile stress；subsided column；hydrology

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.06

1674-1803（2016）09-0026-04

國家科技重大專項基金資助項目（2011ZX05034-003）

楊紅軍（1988—），男，回族，河南遂平人，碩士研究生。

2016-04-26

責(zé)任編輯：宋博輦