姚晉芳

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省晉城市，048000)

1 研究區(qū)概述及勘探開發(fā)現(xiàn)狀

寺河礦區(qū)位于山西晉城市西北約60 km處，隸屬沁水縣管轄。寺河礦西二盤區(qū)位于沁河西岸，屬于該礦井的擴(kuò)區(qū)。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

寺河礦屬高瓦斯礦井，本著地面煤層氣抽采降低煤層含氣量、解決煤礦生產(chǎn)瓦斯含量高等安全問題的目的，2010年在西二盤區(qū)共施工地面煤層氣抽采井88口，其中9口井做了含氣量測試，主要排采煤層為山西組的3#煤層，從2011年6月份開始排采，平均單井產(chǎn)量2979 m3/d，至2016年底累計(jì)產(chǎn)氣量3.89×108m3。為了摸清寺河西區(qū)剩余噸煤瓦斯含量，為寺河礦在該區(qū)域的采掘和井下抽放設(shè)計(jì)提供基本參數(shù)，2013年初至4月，施工了8口取芯檢驗(yàn)井。

通過對(duì)研究區(qū)原始含氣量分析、煤層氣井產(chǎn)氣情況分析、不同抽采時(shí)期煤層含氣量變化規(guī)律研究、數(shù)值模擬及抽采效果評(píng)價(jià)、西二盤區(qū)煤層氣抽采效果評(píng)價(jià)等，驗(yàn)證寺河西二盤區(qū)煤層氣地面抽采所產(chǎn)生的效果和作用。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地層與構(gòu)造

寺河井田擴(kuò)區(qū)位于沁水煤田南部，地層發(fā)育正常，地層柱狀圖見圖2，地層從老到新為奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組和第四系松散沉積。

沁水煤田東南部位于華北板塊山西過渡塊體的沁水區(qū)塊，處于沁水復(fù)式向斜南段軸部附近。寺河井田位于沁水復(fù)式向斜盆地南翼，總體構(gòu)造形態(tài)是一傾向北西西的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育的構(gòu)造形跡是與沁水大型復(fù)式向斜走向一致的北北東向的寬緩褶皺和規(guī)模不大的高角度正斷層。

2.2 研究區(qū)地層與構(gòu)造

寺河西二盤區(qū)內(nèi)大部分被黃土覆蓋，地層出露為二疊系上統(tǒng)上石盒子組，第四系分布于山梁和溝谷，結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔資料，西二盤區(qū)地層和構(gòu)造概述分別如表1和表2所示。

2.3 研究區(qū)煤層特征

西二盤區(qū)含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，平均厚度136.02 m，共含煤15層。其中山西組厚30.7～59.1 m，平均厚度45.2 m，含煤4層，煤層總厚6.89 m，含煤系數(shù)15.2%，可采煤層1層，為3#煤層；太原組厚90.82 m，含煤11～13層，煤層平均厚7.78 m，含煤系數(shù)8.6%，可采煤層1層，為15#煤層。

圖2 地層綜合柱狀圖

名稱順序厚度/m特征描述地層由老到新奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)33.18～75.4258.93下部為灰色、深灰色泥質(zhì)石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r;上部為淺灰色、深灰色,局部帶褐紅色的石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r奧統(tǒng)系中統(tǒng)峰峰組(O2f)>100為煤系地層的基底。以深灰、青灰色中、厚層狀石灰?guī)r為主,間夾薄層泥灰?guī)r石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)0.83～52.909.68與下伏峰峰組呈平行不整合接觸,為灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、深灰色、高鐵砂質(zhì)泥巖,偶含透鏡狀鐵礦層(山西式鐵礦)及砂巖、礫巖石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)81.56～115.60100.91為主要含煤地層之一,由多層灰?guī)r、不同粒度的砂巖、灰黑色泥巖及煤組成。有灰?guī)r5～9層,含煤16層,其中,下部的15#煤層為主要可采煤層。底部以KL砂巖與下伏地層呈整合接觸二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)30.70～59.1045.20為主要含煤地層之一,主要由灰色粉砂巖、砂巖和深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及煤層組成。含煤3層,其中3#煤層厚度較大且穩(wěn)定,為主要可采煤層。以K7砂巖與太原組整合接觸二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)35.4～124.470.9頂部為灰白色含鋁泥巖,以高嶺石為主,含大量菱鐵礦及黃鐵礦團(tuán)塊,中、下部為灰綠色、灰色泥巖,夾黃綠色淺灰色砂巖。以K8砂巖與山西組整合接觸二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)290.5～390.5350.19主要為砂巖及雜色泥巖組成。底部以K10砂巖與下伏下石盒子組整合接觸第四系(Q)0～2011.96在本區(qū)溝底和山梁有黃土覆蓋,主要由粘土、亞粘土、砂層等組成,局部底部含礫石層,與下伏地層呈不整合接觸

表2 西二盤區(qū)構(gòu)造概述

2.3.1 3#煤層

3#煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，厚度為5.70～7.48 m，平均6.31 m，西二盤區(qū)3#煤層厚度等值線如圖3所示。含夾矸為1～3層，夾矸總厚小于0.5 m。結(jié)構(gòu)簡單，頂板主要為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，底板主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，為全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層之一。

西二盤區(qū)內(nèi)3#煤層底板標(biāo)高在235～455 m之間，如圖4所示，中部大部分標(biāo)高在280～300 m之間，東、西部標(biāo)高較中部稍高，南北較中部稍低。區(qū)內(nèi)煤層埋深為200～470 m，埋深與地形有關(guān)，總體趨勢為北部埋藏深、南部埋深淺，另外在背斜軸部賦存較淺，向斜軸部較深。3#煤層賦存最淺部位于測區(qū)西南部馬莊村西邊溝中，埋深為215 m左右，最深處在該區(qū)北中部邊緣的山梁上，埋深為620 m，一般為300～500 m。

圖3 西二盤區(qū)3#煤層厚度等值線圖

2.3.2 9#煤層和15#煤層

9#煤層位于太原組中部，沉積穩(wěn)定，上距3#煤層47.57 m，下距15#煤層36.38 m，厚度0.48～2.44 m，平均厚度為1.34 m。含夾矸一般為0～4層，結(jié)構(gòu)簡單。直接頂板為粉砂巖，局部為泥巖，為較穩(wěn)定局部可采煤層。

15#煤層位于太原組下部，上距3#煤層85.29 m。厚度1.48～5.45 m，平均為2.67 m。含夾矸一般為0～4層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直接頂板為石灰?guī)r，局部為泥巖，底板為泥巖，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

3 煤層原始含氣量分析

西二盤區(qū)內(nèi)，2010年施工了88口煤層氣地面抽采井，其中9口井做了含氣量測試，測試方法為自然解吸法，自2011年3月份起排采至2016年底。該區(qū)域煤層含氣量較高，含氣量為20.30～26.33 m3/t，平均為23.33 m3/t，如表3所示，數(shù)據(jù)基準(zhǔn)采用空氣干燥基。西二盤區(qū)含氣量整體上變化不大，僅存在局部以SHX-103(26.33 m3/t)和SHX-125(26.04 m3/t)為中心的大于25 m3/t高值區(qū)和以SHX-109(20.30 m3/t)為中心的相對(duì)低區(qū)域，如圖5所示。

圖4 西二盤區(qū)3#煤層底板等高線圖

圖5 西二盤區(qū)3#煤層原始瓦斯含量等值線圖

井號(hào)埋深/m煤厚/m含氣量/m3·t-1排采時(shí)間SHx101338.306.0022.402011.03SHx103409.446.1026.332011.03SHx105293.315.9424.282011.03SHx107332.895.7924.922011.03SHx109318.516.2020.302011.03SHx111252.575.8822.172011.03SHx125394.765.7026.042011.03SHx127347.706.2121.942011.03SHx129322.286.1521.622011.03

從以上分析來看，西二盤區(qū)煤層原始含氣量平均值均高達(dá)23 m3/t，煤炭開采前提前預(yù)抽瓦斯是非常必要的。

4 地面參數(shù)井抽采效果檢驗(yàn)

4.1 測試點(diǎn)分布

為了驗(yàn)證煤層氣地面抽采的效果，2013年初在寺河西二盤區(qū)施工了8口抽采效果井，如圖6所示，并取芯做了含氣量測試(采用快速加溫解吸法)。該測試結(jié)果代表著目前煤層的剩余含氣量，使用數(shù)據(jù)基準(zhǔn)全部為空氣干燥基。

圖6 西二盤區(qū)剩余含氣量測定點(diǎn)位置圖

4.2 西二盤區(qū)氣含量

由圖6可知，西二盤區(qū)共有9口含氣量測試井，分為A、B、C、D共4個(gè)區(qū)域控制整個(gè)盤區(qū)。根據(jù)本次參數(shù)井測試成果，繪制了西二盤區(qū)剩余含氣量等值線預(yù)測圖，如圖7所示，剩余含氣量呈由北向南逐漸增大趨勢，由12 m3/t增大到18 m3/t。本區(qū)域3#煤層剩余含氣量為11.98～18.07 m3/t，平均為14.13 m3/t，含氣量降幅達(dá)42%，抽采效果同樣非常明顯，如圖8所示。西二盤區(qū)4個(gè)區(qū)域目前剩余煤層含氣量與原始含氣量對(duì)比結(jié)果如表4所示，以下對(duì)各區(qū)域抽采效果分別予以介紹。

圖7 西二盤區(qū)剩余瓦斯含量等值線圖

區(qū)域排采井原始含氣量/m3·t-1檢驗(yàn)井剩余含氣量/m3·t-1含氣量降幅/%區(qū)域ASHX-12526.04SHZK-1112.40SHZK-1212.2053區(qū)域BSHX-12721.94SHZK-1011.9845SHX-12921.62ZX-CC-1014.8631平均值21.7813.4238區(qū)域CSHX-10524.28ZX-CC-0912.7148SHX-10724.92ZX-CC-0716.2635平均值24.614.4842區(qū)域DSHX-10122.40ZX-CC-0812.7548SHX-10326.33ZX-CC-0618.0719平均值23.7115.4134平均值42

圖8 煤層氣地面抽采前后含氣量對(duì)比注：圖8中前9口井為2010年測試孔，后8口井為2013年抽采效果檢驗(yàn)孔

4.2.1 區(qū)域A

區(qū)域A含氣量較高，含氣量在26 m3/t左右。布置SHZK-11、SHZK-12煤層氣抽采效果測試井對(duì)該區(qū)域煤層氣井抽采效果檢測。

區(qū)域A內(nèi)2口井的剩余含氣量顯示，3#煤層剩余含氣量在12.20～12.40 m3/t之間，平均為12.30 m3/t，鄰近SHX-125井原始含氣量為26.04 m3/t，含氣量平均降低幅度已達(dá)53%。

4.2.2 區(qū)域B

區(qū)域B含氣量較高，含氣量在22 m3/t左右。布置SHZK-10、ZX-CC-10煤層氣抽采效果測試井對(duì)該區(qū)域煤層氣井抽采效果檢測。

與抽采前相比，區(qū)域B內(nèi)3#煤層原始含氣量為21.78 m3/t，剩余含氣量平均為13.42 m3/t，抽采后含氣量降低38%。

SHZK-10與鄰近SHX-127井相比，原始含氣量為21.94 m3/t，剩余含氣量為11.98 m3/t，降低幅度達(dá)45%；ZX-CC-10與鄰近SHX-129井相比，原始含氣量為21.62 m3/t，剩余含氣量為14.48 m3/t，降低幅度達(dá)31%。

4.2.3 區(qū)域C

區(qū)域C含氣量較高，含氣量在25 m3/t左右。布置ZX-CC-09、ZX-CC-07煤層氣抽采效果測試井對(duì)該區(qū)域煤層氣井抽采效果檢測。

2口井剩余含氣量計(jì)算結(jié)果顯示，區(qū)域C內(nèi)3#煤層原始含氣量平均值為24.6 m3/t，剩余含氣量平均值為14.48 m3/t，與該區(qū)域原始含氣量對(duì)比，含氣量平均降低了42%。

ZX-CC-09與鄰近SHX-105井相比，原始含氣量為24.28 m3/t，剩余含氣量平均為12.71m3/t，含氣量降低了48%；ZX-CC-07與鄰近SHX-107井相比，原始含氣量為24.92 m3/t，剩余含氣量平均為16.26 m3/t，含氣量降低了35%。

4.2.4 區(qū)域D

區(qū)域D含氣量較高，含氣量在24 m3/t左右。布置ZX-CC-06、ZX-CC-08煤層氣抽采效果測試井，對(duì)該區(qū)域煤層氣井抽采效果檢測。

2口井剩余含氣量測試結(jié)果顯示，區(qū)域D內(nèi)3#煤層原始含氣量平均值為23.71 m3/t，剩余含氣量平均值15.41 m3/t，與該區(qū)域原始含氣量對(duì)比，含氣量降低了34%。

ZX-CC-08與鄰近SHX-103井相比，原始含氣量為26.33 m3/t，剩余含氣量12.75 m3/t，降低了51%；ZX-CC-06與鄰近SHX-101井相比，原始含氣量為22.40 m3/t，剩余含氣量18.07 m3/t，降低了19%。

西二盤區(qū)含氣量降低幅度如圖9所示，由圖9可以看出，西二盤區(qū)含氣量降低幅度由南向北增大，由19%增大至53%。

根據(jù)以上實(shí)測剩余含氣量數(shù)據(jù)與原始含氣量數(shù)據(jù)對(duì)比可知，研究區(qū)的3#煤層剩余含氣量有明顯降低，東五盤區(qū)含氣量下降幅度為45%～69%，平均為55%；西二盤區(qū)含氣量下降幅度為19%～53%，平均為42%，說明地面煤層氣預(yù)抽能有效降低抽采范圍的煤層含氣量。

該區(qū)域3#煤層含氣量下降幅度較大，但剩余含氣量平均值超過了10 m3/t，尤其是西二盤區(qū)剩余含氣量還較大，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，大部分井還在繼續(xù)產(chǎn)氣，含氣量仍有下降空間。

圖9 西二盤區(qū)含氣量降低百分比圖

5 煤層氣井產(chǎn)氣產(chǎn)水情況分析

(1)煤層氣排采井套壓。西二盤區(qū)煤層氣地面排采井的套壓較高，煤層氣排采井套壓在0.06～0.9 MPa，平均值為0.41 MPa。大部分氣井在5年的排采期間套壓基本上都維持在0.4 MPa左右，同樣很穩(wěn)定。

(2)產(chǎn)氣量。自2011年開始排采，西二盤區(qū)東五盤區(qū)累計(jì)煤層氣產(chǎn)量達(dá)3.89×108m3，88口氣井中單井平均日產(chǎn)氣量在16～8326 m3/d，平均為2979 m3/d，最高單井產(chǎn)量為39154 m3/d。

(3)產(chǎn)水量。西二盤區(qū)整體上單井產(chǎn)水量一般在2.65 m3/d，單井日產(chǎn)水量區(qū)間在0～38.86 m3/d，個(gè)別氣井不產(chǎn)水。部分井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量情況如圖10所示。

6 抽采效果模擬評(píng)價(jià)

6.1 歷史擬合分析

對(duì)西二盤區(qū)88口地面抽采井進(jìn)行了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史擬合。初始參數(shù)滲透率取值為2.6 mD，孔隙度為2%，所在3#煤層煤厚5.4～7.48 m，埋深213～467 m，底板等高位于219～503 m，儲(chǔ)層壓力在3.00 MPa左右，含氣量在20～26 m3/t之間，CH4濃度在97%左右。經(jīng)過12d的等溫吸附測試，測得蘭氏體積VL為42 m3/t，蘭氏壓力PL為2.22 MPa，煤的密度為1.46 t/m3。

圖10 西二盤區(qū)煤層氣井產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量分析

其中，部分測試井——SHX-249、SHX-106、SHX-134、SHX-138、SHX-115、SHX-104井的產(chǎn)氣量擬合情況如圖11所示。

通過參數(shù)井歷史擬合修正后，西二盤區(qū)的滲透率調(diào)整為0.8～6.8 mD，平均為4.7 mD。

6.2 產(chǎn)能預(yù)測及含氣量降低情況

在歷史擬合修正參數(shù)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目對(duì)西二盤區(qū)內(nèi)88口井15年內(nèi)的煤層氣總產(chǎn)能作了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果如表5所示。

圖11 西二盤區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣量歷史擬合圖

表5 西二盤區(qū)88口井產(chǎn)能整體模擬結(jié)果及抽采效果

西二盤區(qū)88口煤層氣井抽采效果分析如圖12所示。由圖12(a)可知，最高日產(chǎn)氣量為41.97×104m3/d，平均日產(chǎn)氣量13.4×104m3/d。由圖12(b)可知， 西二盤區(qū)88口煤層氣井實(shí)際4年總產(chǎn)氣量為3.89×108m3，10年累計(jì)產(chǎn)氣量為7.04×108m3，15年累計(jì)產(chǎn)氣量為8.53×108m3。由圖12(c)可知，抽采5年后剩余含氣量為12.27 m3/t，抽采10年后剩余含氣量為6.74 m3/t，抽采15年后剩余含氣量為3.24 m3/t。由圖12(d)可知，抽采5年后含氣量降低幅度達(dá)47%，抽采10年后含氣量降低幅度達(dá)71%，抽采15年后含氣量降低幅度達(dá)86%。

圖12 西二盤區(qū)88口煤層氣井抽采效果分析

西二盤區(qū)通過抽采參數(shù)井檢驗(yàn)，5年內(nèi)含氣量平均降低了8.96 m3/t，平均降低幅度達(dá)42%，模擬結(jié)果降低幅度達(dá)47%。

綜上所述，儲(chǔ)層模擬的結(jié)果顯示，煤層氣排采使煤層含氣量大幅度降低，西二盤區(qū)排采5年后含氣量均下降超過50%，排采10年后下降70%左右，排采15年后下降超過80%。

7 結(jié)論及存在問題

(1)利用8口地面檢驗(yàn)井含氣量數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對(duì)比，得到含氣量實(shí)際降低情況，通過數(shù)據(jù)的擬合、參數(shù)修正來預(yù)測產(chǎn)能及未來含氣量隨時(shí)間抽采變化規(guī)律。

(2)西二盤區(qū)煤層原始含氣量整體上較高，平均值達(dá)到23 m3/t，對(duì)安全造成很大威脅，地面煤層氣抽采是解決該問題的有效途徑。

(3)地面煤層氣預(yù)抽有效降低了煤層含氣量。西二盤區(qū)3#煤層含氣量下降幅度平均為42%，剩余含氣量為14.13 m3/t。

(4)西二盤區(qū)地面抽采5年3#煤層剩余含氣量為12.27 m3/t，含氣量降低幅度達(dá)47%，抽采10年后降低幅度達(dá)71%，抽采15年后剩余含氣量為3.24 m3/t，含氣量降低幅度達(dá)86%。