杜志強, 吳 艷

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

水城礦區(qū)位于六盤水煤田西北部，含煤面積達2 000km2。礦區(qū)內(nèi)煤層氣資源豐富，預(yù)測煤層氣地質(zhì)資源量3 658億m3，平均地質(zhì)資源豐度3.09億m3/km2 [1]。煤層氣資源豐度高于華北沁水盆地資源豐度[2]。另一方面，水城礦區(qū)內(nèi)幾乎所有礦井均為煤與瓦斯突出礦井或高瓦斯礦井。以往由于勘探程度有限，缺少煤儲層壓力、滲透性、煤巖力學(xué)特征等反映煤儲層特征的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[3]，對礦區(qū)的煤層氣地質(zhì)條件和開發(fā)潛力研究不足，導(dǎo)致對包括楊梅樹向斜在內(nèi)的多個煤層氣賦存區(qū)域的煤層氣地質(zhì)條件認識存在很大的局限性，很大程度上影響了這些區(qū)域的煤層氣勘探開發(fā)。

水城礦區(qū)內(nèi)的楊梅樹向斜煤層層數(shù)及厚度較大，可采系數(shù)較高，對該向斜煤層氣資源的研究對于水城礦區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)具有重要意義。本文綜合現(xiàn)有煤礦開發(fā)和近期煤層氣勘探資料，對水城礦區(qū)楊梅樹向斜煤層氣地質(zhì)條件和開發(fā)潛力進行評價分析，旨在為該區(qū)域煤層氣資源的開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造

楊梅樹向斜主體構(gòu)造形態(tài)為一北西、北北西向的短軸復(fù)式向斜，區(qū)內(nèi)以北東部馬龍向斜、南西部以妥倮向斜為展現(xiàn)形式，次一級褶曲均呈短軸狀(圖1)。

楊梅樹向斜內(nèi)，地層走向和傾向總體受次一級褶曲控制，區(qū)內(nèi)地層傾角隨所處位置和深度不同有所變化：向斜軸部地層傾角一般5°～7°；含煤地層淺部為30°～45°，深部為10°～16°(圖2)。

向斜內(nèi)見斷層F1、F2、F137及鉆孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)落差小于30m的斷層，共計37條，以張性正斷層為主。

2 含煤地層

研究區(qū)內(nèi)出露地層有上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)、龍?zhí)督M(P3l)、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)及第四系(Q)。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為研究區(qū)主要含煤地層。含煤地層厚344～487m，含煤47～78層，平均煤層總厚45.28m。其中，可采煤層10～19層，為l、3、5-2、5-3、7、10、12、13-1、13-2、14、15-2、16、17、21、23-1、23-2、29-1、29-3、 33煤層， 平均厚度為26.82m，可采厚度17.70m，可采系數(shù)4.2%[4]。

圖1 楊梅樹向斜構(gòu)造及可采煤層厚度分布圖Figure 1 Yangmeishu syncline and mineable coal seam thickness distributions

圖2 盤縣-水城地質(zhì)剖面圖Figure 2 Panxian-Shuicheng geological section

3 煤儲層特征

3.1 煤巖特征

研究區(qū)內(nèi)，已經(jīng)施工了多口煤層氣參數(shù)井。主要的煤層氣參數(shù)井有：都參1井、楊煤參1井和黔水參1井。同時向斜內(nèi)的發(fā)耳煤礦在煤炭開采過程中也進行了大量煤心樣品的測試分析，獲取了煤巖煤質(zhì)方面的數(shù)據(jù)(表1)。

研究區(qū)內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主、塊狀構(gòu)造，局部夾碎裂煤、碎粒煤及粉煤等構(gòu)造煤，各煤層多為黑色，瀝青光澤、玻璃光澤，線理狀、中條帶狀結(jié)構(gòu)，似層狀、層狀構(gòu)造，斷口多為參差狀；宏觀煤巖類型以半暗-半亮型及半暗型為主，亮煤、鏡煤少量，微觀煤巖類型以微鏡惰煤為主；在垂向上鏡質(zhì)組含量呈逐漸增高的趨勢，向斜內(nèi)5號、16號和27號煤鏡質(zhì)組含量分別為74.4%、82.74%和85.74%[1]。煤的鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max)介于1.51%～1.98%，為中等變質(zhì)程度的貧瘦煤。

中等變質(zhì)程度的煤層內(nèi)生裂隙最為發(fā)育，提高了煤的滲透性和基質(zhì)孔隙連通性，煤儲層物性條件好。煤層氣開發(fā)過程中易降壓，有利于煤層氣的解吸、擴散和運移，是有利于煤層氣開發(fā)[5]。

3.2 含氣性及影響因素

3.2.1 含氣性特征

在煤炭開采過程中，分析測試結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)煤層含氣量為3.94～35.94m3/t，平均13.58m3/t。煤層含氣量隨煤層層位的降低呈增高的總體趨勢[7]。且隨著煤層埋深的增加，煤層含氣量和甲烷濃度總體亦呈增高趨勢(圖3、圖4)。

表1 煤巖特征數(shù)據(jù)表

圖3 各煤層含氣量及含氣梯度統(tǒng)計圖(參考文獻[7])Figure 3 Statistics of coal seam gas contents andgas-bearing gradients (after reference [7])

圖4 發(fā)耳煤礦煤層甲烷含量和濃度與埋深的關(guān)系圖(參考文獻[7])Figure 4 Relationship between coal seam methane content,concentration and buried depth in Faer coalmine(after reference [7])

煤層氣參數(shù)井測試結(jié)果顯示：5號煤與7號煤含氣量變化幅度較小，平均含氣量分別為9.69m3/t、11.47 m3/t；13號煤、15號煤及23號煤含氣量波動較大，分別為14.5～21.34 m3/t，9.38～18.24 m3/t和5.81～9.81m3/t。該區(qū)煤層平均含氣量15m3/t左右。

綜合煤田和煤層氣鉆井資料，區(qū)內(nèi)含氣量分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：煤層含氣性在平面上基本呈現(xiàn)軸部含量較高，向兩翼逐漸減低的特征；垂向上，隨煤層埋深的增加含氣量呈現(xiàn)減少—增加、減少—增加頻繁波動變化的趨勢，但煤層含氣量隨著埋深線性增大的離散性較大，亦說明其他地質(zhì)因素對煤層的含氣性有較大的影響[10]。

3.2.2 等溫吸附特征

主要煤層蘭氏體積12.14～22.53m3/t，平均為17.75m3/t；蘭氏壓力介于0.79～1.62MPa，平均為1.15MPa。煤層瓦斯放散初速度介于12.7～29.2mL/s，平均為17.52mL/s。臨界解吸壓力介于2.64～4.99MPa，臨儲比介于0.51～0.89，理論含氣飽和度介于61.2%～98.7%，平均為83.2%，反映出區(qū)內(nèi)較高的含氣飽和度、臨界解吸壓力、臨儲比，有利于煤層氣開發(fā)。

等溫吸附實驗結(jié)果：5號、7號、13號煤的含氣飽和度為96.33%、89.71%及85.19%，含氣飽和度較高，對煤層氣開發(fā)較為有利。7號煤臨儲層比較低，對煤層氣開發(fā)有一定影響。

3.2.3 圍巖封蓋性能

煤層氣的保存除與上覆蓋層(頂板)有關(guān)外，下伏隔層(底板)對煤層氣的保存也不可忽視，具有封蓋性好的上覆蓋層和下隔層的煤層有利于煤層氣的富集[8]。

表2 等溫吸附實驗數(shù)據(jù)表

研究區(qū)域內(nèi)主要可采煤層直接頂板巖性略有差異，但含煤地層巖性組合基本相同：煤層直接頂板多為泥質(zhì)粉砂巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖；直接底板為0.20～5.00m厚的泥巖或粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖?？紫抖冉橛?.30%～2.91%，平均為2.24%，隔水性較好，封閉性較強[6]。研究區(qū)煤層頂、底板以及含煤地層上覆地層均為良好的區(qū)域性蓋層，加之主采煤層厚度大，區(qū)域性分布穩(wěn)定[1]，縱向上起到良好的封蓋作用；側(cè)向，下傾水流及高含水飽和度的低孔隙巖石產(chǎn)生的高毛細管壓力形成水封圈閉，保存條件良好[9]。

綜上認為，研究區(qū)內(nèi)圍巖封蓋性能較好，同時圍巖的弱含水性一定的整體上有利于該地區(qū)煤層氣的保存和富集。

3.3 滲透率

煤儲層滲透率是進行煤層氣滲流分析的主要參數(shù)，在煤層氣資源已查明的前提條件下，煤儲層滲透率是制約煤層氣資源開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素之一。

DC-1井和黔水參1井試井結(jié)果表明：井區(qū)主要煤層滲透率為(0.066～0.350)×10-3μm2，平均為0.299×10-3μm2，屬于中孔中滲煤層[6]。

主要煤儲層滲透性在六盤水煤田內(nèi)滲透率較高(表2)。從垂向上不同煤層的對比來看，井區(qū)龍?zhí)督M煤系下煤組滲透率高于測試的7、13煤層滲透率分別為0.066 6mD和0.250 9mD，屬于低和中等滲透率煤層[10]。

根據(jù)10余件主采煤層煤巖樣品的實驗室測定，煤巖滲透率普遍較低，多小于0.1mD，最高為0.61mD。煤層滲透率較低的原因，可能是裂隙部分被方解石充填，阻塞了其連通性所致[1]。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，認為研究區(qū)滲透率中等，在進行儲層改造措施后，具備進行煤層氣商業(yè)開發(fā)的潛力。

3.4 煤儲層壓力

煤儲層壓力是控制煤層吸附氣量的最關(guān)鍵因素。煤儲層壓力受地質(zhì)構(gòu)造演化、生氣階段、水文地質(zhì)條件(水位、礦化度、溫度)、埋深、含氣量、大地構(gòu)造位置、地應(yīng)力等諸多因素的影響，其中埋深和地應(yīng)力是最主要的控制因素[11]。

根據(jù)水頭高度換算資料，水城礦區(qū)內(nèi)煤儲層壓力梯度在0.4～1.2MPa/100m，多數(shù)處于欠壓—正常儲層壓力狀態(tài)[1]。楊梅樹向斜7號煤層為正常壓力儲層系統(tǒng)，13-2號煤層為欠壓儲層系統(tǒng)。同時，研究區(qū)破裂壓力梯度及閉合壓力梯度具有一致的變化性，并隨埋深的增加而增加。儲層壓力梯度、壓力系數(shù)呈波狀變化，表明該區(qū)應(yīng)存在多套壓力系統(tǒng)，煤儲層受不同壓力系統(tǒng)控制，導(dǎo)致了煤儲層含氣量等參數(shù)垂向上波折變化[6]。分析認為主要原因由于區(qū)內(nèi)煤層垂向上阻水隔水性好，煤層間連通性差。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

4 煤層氣資源開發(fā)潛力

4.1 資源條件

由于勘探程度的原因， 以往認為楊梅樹向斜煤層氣資源開發(fā)潛力較低：地質(zhì)資源量僅50.3億 m3，地質(zhì)豐度0.66億m3/km2，可采資源量28.14億m3，可采資源豐度(0.37～1.64)億m3/km2[4,9]。同時，諸多研究表明：水城礦區(qū)煤層氣可采資源豐度0.98億m3km2，埋深1 000m以淺的平均資源豐度亦達到0.61億m3/km2[1]。以往研究中對楊梅樹向斜煤層氣資源開發(fā)潛力存在一定的誤差，影響了該區(qū)域的煤層氣資源的勘探和開發(fā)工作。

表3 注入/壓降試井?dāng)?shù)據(jù)表

根據(jù)楊梅樹向斜已經(jīng)施工的DC-1井、楊煤參1井和黔水參1井獲得的煤層數(shù)據(jù)，楊梅樹向斜含煤區(qū)域面積為76.31km2，加權(quán)含氣量取12.22 m3/t，煤層厚度計30.59m，體積法估計楊梅樹向斜地質(zhì)資源量為285.14億m3，地質(zhì)資源豐度為3.73億m3/km2，可采資源豐度為2.16億m3/km2，可采資源量為165.05×108m3。楊梅樹向斜煤層氣地質(zhì)資源豐富，地質(zhì)資源豐度高于水城礦區(qū)平均水平，資源開發(fā)潛力大。

4.2 抽采試驗

在對相關(guān)地質(zhì)和開發(fā)條件進行研究后，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在楊梅樹向斜施工了多口煤層氣參數(shù)及抽采試驗井。獲取了相關(guān)地質(zhì)及儲層資料后，采用活性水+石英砂，光套管泵注技術(shù)對多個煤儲層進行了壓裂施工。排采期間，楊煤參1井穩(wěn)定期長達7個月，穩(wěn)產(chǎn)期期間產(chǎn)氣量4 000m3/d，最高達5 011m3/d，創(chuàng)下西南地區(qū)煤層氣直井單井日產(chǎn)量新高和穩(wěn)產(chǎn)日產(chǎn)氣量新高。

5 結(jié)論

①水城礦區(qū)楊梅樹向斜構(gòu)造相對簡單，煤層賦存較為穩(wěn)定。含煤地層厚度較大、可采煤層層數(shù)多、煤層可采總厚度大，對于煤層氣開發(fā)較為有利。

②煤儲層含氣量較高，平均含氣量達到15 m3/t，含氣飽和度、滲透率等參數(shù)高于預(yù)期。向斜內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖及砂泥巖為主，封蓋條件好；向斜煤層氣儲層條件有利于煤層氣開發(fā)；

③楊梅樹向斜煤層氣可采資源豐度為2.16億m3/km2，可采資源量為165.05億m3。楊梅樹向斜煤層氣地質(zhì)資源豐富，地質(zhì)資源豐度高于水城礦區(qū)平均水平，資源開發(fā)潛力大

④加強儲層特征研究，合理選擇儲層，采用常規(guī)煤層氣壓裂增產(chǎn)措施，對多煤層分層壓裂合層排采可以得較為理想的產(chǎn)氣效果。

從現(xiàn)有資料及工程實踐分析認為，楊梅樹向斜儲層條件較好，產(chǎn)氣潛力較大，在適當(dāng)?shù)膬痈脑鞐l件下，可以取得較好的開發(fā)效果。