郭燕珩，惠 鵬，陳小軍，陳育通

(1.陜西省煤層氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西東田能源科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

大佛寺井田隸屬的彬長(zhǎng)礦區(qū)是國(guó)家“十二五”“十三五”規(guī)劃建設(shè)的大型、特大型現(xiàn)代化礦井群的重點(diǎn)礦區(qū)，也是國(guó)家規(guī)劃確定的大型煤炭基地—黃隴基地的主力礦區(qū)，煤炭資源地質(zhì)儲(chǔ)量和煤層氣資源量都非常豐富。同時(shí)，彬長(zhǎng)礦區(qū)也是高瓦斯礦區(qū)[1-2]，隨著礦區(qū)各礦井的陸續(xù)投產(chǎn)，瓦斯超限事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約煤炭的正常、安全生產(chǎn)，瓦斯治理形勢(shì)比較嚴(yán)峻。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風(fēng)排放到空氣中，不僅浪費(fèi)潔凈能源，而且污染生態(tài)環(huán)境。

自2009年開(kāi)始，為減少大佛寺煤礦瓦斯災(zāi)害，保護(hù)大氣環(huán)境，并充分利用煤層氣這一潔凈能源，陜西彬長(zhǎng)新生能源有限公司在大佛寺井田進(jìn)行一系列地面煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，截至2019年11月5日，大佛寺井田共計(jì)鉆井53口(組)，且選擇的井位均在瓦斯含量較高、煤層厚度大、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域內(nèi)，符合煤層氣行業(yè)規(guī)律及礦區(qū)瓦斯富集規(guī)律，鉆井過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)大的斷層等復(fù)雜地質(zhì)情況。但產(chǎn)氣量變化較大，有的井產(chǎn)氣量較高，有的井排采1年都沒(méi)有產(chǎn)氣。為此，從本井田宏觀開(kāi)發(fā)的2個(gè)比較大的方向進(jìn)行研究，第一是從目前實(shí)施的直井和水平井2種井型的產(chǎn)氣情況來(lái)進(jìn)行分析對(duì)比；第二是按照煤層氣開(kāi)發(fā)的主控因素進(jìn)行分析，針對(duì)不同的低產(chǎn)原因提出相應(yīng)的增產(chǎn)措施，以期提高單井產(chǎn)氣量，為下一步井田瓦斯地面抽采及綜合利用穩(wěn)步推進(jìn)，盡快實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)30萬(wàn)m3的總體設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 井田地質(zhì)概況

大佛寺井田地處華北板塊鄂爾多斯盆地渭北隆起帶西部的彬長(zhǎng)坳褶帶內(nèi)，區(qū)塊總觀其構(gòu)造形態(tài)為一波狀起伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育了一系列北東東向和北北西向的褶皺構(gòu)造，二者相互交織，其中以北東東向褶皺為主，即安化向斜，如圖1所示。地層傾角平緩，一般3°～5°，最大17°～21°[3]。采掘過(guò)程及地面地震勘探發(fā)現(xiàn)斷層數(shù)條，斷層落差以5 m以下為主，構(gòu)造總體較為簡(jiǎn)單。侏羅系延安組為本區(qū)唯一含煤地層，其中4號(hào)煤為主采煤層，基本全區(qū)可采，煤層全厚0～19.42 m，平均11.65 m，屬特厚煤層，含氣量為1.00～5.57 m3/t，平均2.37 m3/t。煤田勘探階段鉆孔中有關(guān)煤層的描述均認(rèn)為區(qū)內(nèi)煤體未遭受強(qiáng)烈構(gòu)造破壞，煤層為原生-碎裂結(jié)構(gòu)[4]，宏觀煤巖類(lèi)型主要為半暗煤與暗淡煤。2009年中煤科工集團(tuán)西安研究院在大佛寺井下對(duì)4上、4號(hào)煤層又開(kāi)展了透氣性系數(shù)測(cè)試，測(cè)得4上號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.051～2.560 m2/MPa·d，4號(hào)煤層透氣性系數(shù)為2.216～5.340 m2/MPa·d。從測(cè)試結(jié)果看，均反映該區(qū)煤層透氣性系數(shù)相對(duì)較高。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造示意Fig.1 Structure of Dafosi minefield

2 煤層氣井產(chǎn)能分級(jí)

按照煤層氣井產(chǎn)能可以把煤層氣井劃分為4個(gè)級(jí)別。

高產(chǎn)氣井：氣井的日產(chǎn)氣量>4 000 m3/d，穩(wěn)產(chǎn)期一般相對(duì)較長(zhǎng)，在4個(gè)月以上。

中產(chǎn)氣井：氣井的日產(chǎn)氣量在500～4 000 m3/d之間，穩(wěn)產(chǎn)期較短或基本沒(méi)有穩(wěn)產(chǎn)期，排水期較短。

低產(chǎn)氣井：氣井的日產(chǎn)氣量在100～500 m3/d之間，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間很短，基本在產(chǎn)氣量達(dá)到產(chǎn)氣峰值之后就迅速下降。

不產(chǎn)氣井：由于投產(chǎn)時(shí)間較短，氣井還處于排水階段，未開(kāi)始產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量為零或投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，氣井只產(chǎn)水不產(chǎn)氣。

統(tǒng)計(jì)分析礦區(qū)43口井的資料，高產(chǎn)氣井9口，占22%；中產(chǎn)氣井22口，占52%；低產(chǎn)氣井5口，占9%；不產(chǎn)氣井7口，占17%。

3 煤層氣產(chǎn)能主控因素分析

3.1 井型對(duì)產(chǎn)量的影響

大佛寺井田垂直井鉆井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都已相當(dāng)成熟，區(qū)內(nèi)大部分煤層氣井的實(shí)際井身質(zhì)量、井徑擴(kuò)大率表明直井井型在該區(qū)切實(shí)可行，能夠達(dá)到煤層氣鉆井工程技術(shù)的要求。同樣，該區(qū)水平井較好的成孔性、較高的煤層鉆遇率均體現(xiàn)了水平井鉆井技術(shù)在該區(qū)的較好適應(yīng)性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工以及各井后期產(chǎn)氣情況，認(rèn)為以水平井井型為主、直井井型為輔的井型布置，原則上能夠滿(mǎn)足后續(xù)煤層氣鉆井的技術(shù)要求。

煤層主要受祁家背斜、師家店向斜及安化向斜控制，煤層氣的開(kāi)發(fā)尤其以祁家背斜、師家店向斜為主，在這2個(gè)控制帶上布置的近端對(duì)接多分支水平井均取得了非常高的產(chǎn)氣量，DFS-C02多分支井最高日產(chǎn)氣量30 537 m3，累計(jì)產(chǎn)氣1 771萬(wàn)m3；DFS-05多分支井最高日產(chǎn)氣量13 416 m3，累計(jì)產(chǎn)氣1 581萬(wàn)m3；2017年完井的DFS-M68多分支井最高日產(chǎn)氣量10 854 m3，累計(jì)產(chǎn)氣339萬(wàn)m3。并且DFS-02“V”型水平井最高日產(chǎn)氣16 582 m3，累計(jì)產(chǎn)氣841萬(wàn)m3；DFS-C04“V”型水平井最高日產(chǎn)氣量4 408 m3，累計(jì)產(chǎn)氣355萬(wàn)m3。

從2009年建產(chǎn)到2015年，大佛寺井田12口水平井組累計(jì)產(chǎn)氣量5 950萬(wàn)m3，31口直井累計(jì)產(chǎn)氣量2 565萬(wàn)m3，水平井組產(chǎn)能貢獻(xiàn)占43口井總產(chǎn)能的71%。

井下巷道在逐步開(kāi)拓、煤炭開(kāi)采范圍逐步在擴(kuò)大，按照其他煤田煤層氣的普遍抽采特征來(lái)看，如果巷道開(kāi)拓到水平井井眼附近時(shí)，會(huì)造成儲(chǔ)層泄壓不受控制，煤層的解吸機(jī)理破壞，無(wú)法形成正常的煤層氣解吸體系，產(chǎn)氣量迅速下降甚至不產(chǎn)氣[5]。但是DFS-02水平井、DFS-C04水平井、DFS-CO2水平井、DFS-05水平井、DFS-09水平井這一現(xiàn)象并不明顯。

3.2 構(gòu)造對(duì)產(chǎn)量的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的煤層氣抽采情況并結(jié)合已知井下資料對(duì)比顯示，抽采情況受安化向斜、祁家背斜、師家店向斜控制較為明顯，尤其以祁家背斜控制為主產(chǎn)氣較好。

在井位布置上要考慮構(gòu)造造成的影響，在井位確定后，井型的選定也要考慮構(gòu)造情況，即使井型選定后如果確定了水平井，水平井的走向和分支角度的走向都要結(jié)合本區(qū)塊構(gòu)造來(lái)合理確定，同時(shí)要考慮重力、壓力、應(yīng)力這3個(gè)力的結(jié)合確定出合理的井眼軌跡[6]。

3.2.1 構(gòu)造低部位或下傾部位對(duì)產(chǎn)氣量的影響

構(gòu)造位置對(duì)井的供液能力和產(chǎn)氣能力有較大影響，表現(xiàn)出較明顯的“氣、水差異流向”趨勢(shì)。

位于構(gòu)造高部位、大規(guī)模面積降壓區(qū)域中部的直井氣產(chǎn)量相對(duì)較高，位于構(gòu)造低部位及開(kāi)發(fā)區(qū)域邊緣的直井供液能力強(qiáng)，產(chǎn)水量較大，單井產(chǎn)氣量較低。以井田中部區(qū)域5口井(DFS-86井、DFS-84井、DFS-74井、DFS-73井、DFS-71井)煤層氣排采井為例，總體處于構(gòu)造高部位的井產(chǎn)氣量相比低部位的較優(yōu)，產(chǎn)水情況恰好相反，由構(gòu)造高部位到構(gòu)造低部位產(chǎn)氣時(shí)的沉沒(méi)度數(shù)值依次變大：87 m—117 m—126 m—131 m，如圖2所示。

圖2 大佛寺井田延安組4煤頂板構(gòu)造等值線(xiàn)一Fig.2 Coal roof contour 1of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

位于構(gòu)造上傾部位、主支末端上傾的近端對(duì)接多分支水平井產(chǎn)量較高，單井產(chǎn)氣一般超過(guò)5 000 m3/d，部分井超過(guò)10 000 m3/d；而位于構(gòu)造下傾部位、主支末端下傾幅度大于30 m的近端對(duì)接多分支水平井，排采過(guò)程中排水降壓困難，單井產(chǎn)氣一般再難以達(dá)到5 000 m3/d以上，并且產(chǎn)氣量下降明顯，如圖3所示。以區(qū)內(nèi)DFS-M85井為例(圖4)，該井就是典型的下傾走向，傾走向落差達(dá)40 m(DFS-M85-V井煤層厚度8 m左右)，呈比較典型的“凹”軌跡走向，因此，無(wú)法形成有效的降壓采氣通道。

圖3 大佛寺井田DFS-M85-V井生產(chǎn)曲線(xiàn)Fig.3 Production curve of DFS-M85-V well in Dafosi minefield

圖4 大佛寺井田延安組4號(hào)煤頂板構(gòu)造等值線(xiàn)二Fig.4 Coal roof contour 2 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.2.2 斷層對(duì)煤層氣產(chǎn)量的影響

如圖5所示，此小范圍區(qū)域井位受此F6正斷層影響較大。同時(shí)煤層含氣量也受此斷層控制，斷層?xùn)|西兩側(cè)含氣量變化明顯，斷層以西瓦斯含量極低；煤層厚度東西兩側(cè)變化較大，斷層以西4～5 m，斷層?xùn)|側(cè)9～11 m；斷層最大斷距達(dá)到8 m，落差較大。因此，在布井時(shí)應(yīng)充分考慮斷層和含氣量邊界控制線(xiàn)的雙重契合，斷層以西或者直接在斷層剖面上布井風(fēng)險(xiǎn)極大，這是導(dǎo)致DFS-149井、DFS-151井、DFS-153井無(wú)法產(chǎn)氣的主要原因。

圖5 大佛寺井田延安組4號(hào)煤頂板構(gòu)造等值線(xiàn)三Fig.5 Coal roof contour 3 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.3 煤層含氣量對(duì)產(chǎn)量的影響

在大佛寺井田，煤層含氣量是煤層氣抽采比較敏感的因素，是影響產(chǎn)氣量的又一主控因素。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐步驗(yàn)證含氣量高的區(qū)域呈現(xiàn)高采氣量，含氣量較低的區(qū)域采氣效果并不理想，而實(shí)際測(cè)試DFS-132井4號(hào)煤含氣量為1.34 m3/t，DFS-152井4號(hào)煤含氣量為0.73 m3/t，含氣量實(shí)測(cè)值較預(yù)測(cè)值降幅較大。DFS-152井降幅雖然達(dá)到1.6倍系數(shù)，但是相比總體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)2.723倍的系數(shù)要較好。而DFS-132井比較降幅系數(shù)比較符合總體設(shè)計(jì)中的2.723倍的系數(shù)。因此，在以后的布井方案中，要參考和借鑒這2個(gè)含氣量系數(shù)，解讀出實(shí)際含氣量。

地面共實(shí)施6口煤層氣參數(shù)井，采集4上煤、4號(hào)煤共133件氣含量解吸樣品。氣含量測(cè)試結(jié)果顯示，4上煤層空氣干燥基氣含量為0.72～1.7 m3/t，平均1.75 m3/t；4號(hào)煤層空氣干燥基氣含量為0.73～3.65 m3/t，平均1.89 m3/t，見(jiàn)表1。

表1 地面煤層氣井氣含量測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Gas content test results of surface coalbed methane wells

結(jié)果顯示井田煤層氣含量較低，但煤礦瓦斯等級(jí)鑒定為高瓦斯礦，說(shuō)明區(qū)內(nèi)煤層氣含量不會(huì)太低。重慶煤科院也對(duì)該礦井下實(shí)測(cè)與地面進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為實(shí)際瓦斯含量要高于地勘時(shí)的含量[7]。經(jīng)過(guò)對(duì)煤層瓦斯含量與煤層厚度之間的關(guān)系分析表現(xiàn)出微弱的正相關(guān)性，即隨著煤層厚度的總體增大，煤層氣含量有緩慢增大的趨勢(shì)，地面抽采井產(chǎn)量模擬也印證了厚煤區(qū)4號(hào)煤含氣量實(shí)際應(yīng)在3～7 m3/t。

4 結(jié)論

(1)水平井井型對(duì)整體產(chǎn)能貢獻(xiàn)極大，12口水平井貢獻(xiàn)了71%的產(chǎn)能。在后期的開(kāi)發(fā)中要加強(qiáng)水平井井型為主直井井型合理輔助的井型選擇原則。地質(zhì)構(gòu)造總體簡(jiǎn)單，但小斷層的較為發(fā)育對(duì)于水平井井型在排采過(guò)程起到很好的裂隙溝通輔助作用，因此水平井抽采時(shí)容易形成解吸漏斗，產(chǎn)能高。

(2)在井田前期布井時(shí)要綜合考慮井型、構(gòu)造及煤層含氣量對(duì)產(chǎn)量的影響，導(dǎo)致低產(chǎn)井的第一主控因素是布井方案。井型選擇不當(dāng)以及地質(zhì)因素(包括構(gòu)造、煤層氣含量)考慮不全是造成低產(chǎn)井的主要因素之一，其損失往往無(wú)法彌補(bǔ)，只能加強(qiáng)后續(xù)排采，如果持續(xù)無(wú)法改善，只能做停產(chǎn)或封井處理。目前部署的井位大多是為大佛寺煤礦5～10 a的采掘面解放瓦斯，降低瓦斯?jié)舛?，大部分井位均部署在大佛寺井? a采掘規(guī)劃的邊緣地區(qū)，井位布置受到一定局限，同時(shí)受采動(dòng)區(qū)影響較大，但從整體看后續(xù)潛力區(qū)開(kāi)發(fā)前景仍然較大。