汪萬紅，降文萍，吳 靜，王正喜，方佳偉

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

甘肅省煤炭資源較為豐富，煤炭資源儲(chǔ)量位居全國第12 位［1］。煤層氣資源量也較大，為5 713.00×108m3［2］。而其煤層氣資源存在勘探開發(fā)程度低、地面開發(fā)潛力認(rèn)識(shí)不明朗等問題。眾所周知，開發(fā)利用煤層氣，可以充分利用能源，改善我國能源結(jié)構(gòu)、減少煤礦瓦斯災(zāi)害和保護(hù)大氣環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”宏偉目標(biāo)的有效途徑［3］。

煤層氣資源產(chǎn)氣潛力定量評(píng)價(jià)是煤層氣勘探與開發(fā)的重要決策依據(jù)。近些年來，我國多位學(xué)者開展了定量評(píng)價(jià)的研究工作。其中康永尚等提出了臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)［4］；秦勇等建立了定量評(píng)價(jià)方法［5］；此外其他學(xué)者對(duì)不同礦區(qū)、不同煤階煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣潛力進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)［6-10］。

針對(duì)甘肅省煤層氣資源勘探開發(fā)程度低、地面開發(fā)潛力認(rèn)識(shí)不明朗等問題，筆者以窯街礦區(qū)海石灣煤礦為例，采用臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量等評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)值模擬軟件中的產(chǎn)氣預(yù)測相結(jié)合的方法對(duì)煤二層產(chǎn)氣潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以期為加快甘肅省煤層氣勘探開發(fā)和煤礦瓦斯地面抽采進(jìn)程提供有效的技術(shù)手段和決策依據(jù)。

1 基本概況

窯街礦區(qū)是煤與CO2突出的高危礦區(qū)，是全國瓦斯突出的45 個(gè)礦區(qū)之一［11］。海石灣煤礦在窯街礦區(qū)的南部，屬甘肅省蘭州市紅古區(qū)海石灣鎮(zhèn)管轄，是甘肅省重要的煤炭生產(chǎn)基地［12］。礦區(qū)地處蘭州市西北110 km 的甘、青兩省交界處甘肅側(cè)，東西寬1.9 km，南北長3.4 km，面積約6.45 km2。礦區(qū)位于民和盆地中央隆起帶的西端，為民和盆地的次一級(jí)構(gòu)造單元。主體構(gòu)造為向南傾斜的單斜構(gòu)造，北陡南緩，主要斷裂為F19斷層，呈北西向展布，長達(dá)數(shù)十千米，落差從三百米至上千米。

礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)窯街群，煤層集中在窯街群下部第二組。含煤3 層，自下而上分別為煤二、煤B2、煤B1。只有煤二層分布較穩(wěn)定，為井田內(nèi)唯一可采煤層，其余各層分布不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定，為不可采煤層。煤二層總厚度0～60.6 m，平均總厚26.8 m，傾角在3°～25°，煤層埋深508～1 365 m。頂部為煤二層的保護(hù)層油A 層（油頁巖層），厚0～11.79 m，平均厚度約5 m；與煤二層間距12～54 m，平均間距30 m，兩層間所夾巖性為灰白色細(xì)砂巖。油A 層上方4.8～13.7 m 處，覆蓋有油砂巖層，平均厚度為79.5 m，富含以甲烷為主的油氣氣體。

2 產(chǎn)氣潛力定量評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)

本文以等溫吸附曲線為基礎(chǔ)，采用臨廢壓差、臨儲(chǔ)壓差、有效解吸量、敏感壓力、轉(zhuǎn)折壓力、啟動(dòng)壓力等評(píng)價(jià)指標(biāo)和煤層氣數(shù)值模擬軟件中的產(chǎn)氣預(yù)測相結(jié)合的方法對(duì)海石灣煤礦煤二層進(jìn)行產(chǎn)氣潛力定量評(píng)價(jià)。

據(jù)海石灣煤礦參數(shù)井煤二層的等溫吸附曲線概化出一條煤二層代表性的等溫吸附曲線（圖1）。圖1中黑色實(shí)線為煤二層代表性等溫吸附曲線。

圖1 海石灣煤礦煤二層等溫吸附曲線Figure1 Isothermal adsorption curve of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

據(jù)煤二層概化出的代表性等溫吸附曲線和測試、排采數(shù)據(jù)，得到海石灣煤礦煤二層儲(chǔ)層參數(shù)。煤二層含氣量平均值為11.60 m3/t，含氣飽和度平均值為92.80 %，儲(chǔ)層壓力平均值為9.31 MPa，臨界解吸壓力平均值為7.00 MPa，Langmuir 體積平均值為16.48 m3/t，Langmuir 壓力平均值為3.03 MPa（表1）。

表1 海石灣煤礦煤二層儲(chǔ)層參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of reservoir parameters of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

據(jù)煤二層等溫吸附曲線和儲(chǔ)層參數(shù)，計(jì)算得到煤二層臨儲(chǔ)壓差（p1）、臨廢壓差（p2）、敏感壓力（pse）、轉(zhuǎn)折壓力（ptu）、啟動(dòng)壓力（pst）、有效解吸量（Ve）、解吸效率（η）等產(chǎn)氣潛力量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。取廢棄壓力為0.7 MPa，煤二層臨儲(chǔ)壓差為2.31 MPa、臨廢壓差為6.70 MPa、有效解吸量為8.6 m3/t、解吸效率為3.59 m3/（t·MPa），啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力及敏感壓力分別為8.80 MPa、4.03 MPa、1.35 MPa（表2、圖2）。

表2 海石灣煤礦煤二層定量評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of quantitative evaluation indicators of No.2 coal reservoir in Haishiwan coal mine

圖2 煤二層等溫吸附曲線階段劃分示意圖Figure 2 Schematic diagram for phase division of isothermal adsorption curve of No.2 coal reservoir

2.2 定量評(píng)價(jià)

據(jù)上述儲(chǔ)層參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)煤層氣井開始排采后，儲(chǔ)層壓力平均為9.31 MPa，臨界解吸壓力平均為7.00 MPa，臨儲(chǔ)壓差為2.31 MPa，即井筒內(nèi)液面下降約231 m 后開始產(chǎn)氣，說明排采開始后比較短的時(shí)間煤二層就會(huì)產(chǎn)氣。產(chǎn)氣開始后，煤二層臨廢壓差為6.70 MPa，表明煤二層產(chǎn)氣階段內(nèi)的壓降空間比較大。煤二層有效解吸量為8.60 m3/t，說明每噸煤巖中可抽采出的煤層氣量相對(duì)比較多。當(dāng)壓力從7.00 MPa 降到4.03 MPa，屬于緩慢解吸階段。煤層氣解吸量對(duì)壓力敏感程度低，解吸效率為0.55～1.00 m3/（t·MPa），這個(gè)階段解吸量占總含氣量的比例比較低，對(duì)煤層氣井的總產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)較??；隨著壓力繼續(xù)下降，當(dāng)壓力從4.03 MPa降到1.35 MPa，屬于快速解吸階段。煤層氣解吸量對(duì)壓力敏感程度比較高，解吸效率為1.00～2.59 m3/（t·MPa），該階段解吸量占總含氣量的比例比較高，對(duì)煤層氣井的總產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)較大；當(dāng)壓力從1.35 MPa 降到廢棄壓力0.7 MPa，屬于敏感解吸階段。煤層氣解吸量對(duì)壓力敏感程度很高，解吸效率大于2.59 m3/（t·MPa），這個(gè)階段解吸量占總含氣量的比例很高，對(duì)煤層氣井的總產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)最大。

本次采用CBM-SIM 數(shù)值模擬軟件，對(duì)海石灣煤礦煤層氣井抽采潛力進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，10a抽采產(chǎn)氣量累計(jì)為415.55×104m3，日產(chǎn)氣量平均為1 258 m3（表3、圖3），達(dá)到工業(yè)氣流煤層氣井日產(chǎn)1 000 m3的標(biāo)準(zhǔn)，說明煤二層具有良好的產(chǎn)氣潛力。

表3 煤二層產(chǎn)氣量預(yù)測Table 3 Prediction of gas production of No.2 coal reservoir

圖3 煤二層產(chǎn)氣量預(yù)測Figure 3 Prediction of gas production of No.2 coal reservoir

圖4 HSW02-2V井排采曲線Figure 4 Drainage curve of HSW02-2V well

3 排采實(shí)踐

HSW02-2V 井是窯街礦區(qū)海石灣煤礦一口煤層氣生產(chǎn)直井，目標(biāo)儲(chǔ)層是煤二層，煤二層埋深941.57 m，厚15.65 m。當(dāng)該井開始排采，儲(chǔ)層壓力為8.885 MPa，液面緩慢下降，儲(chǔ)層壓力隨之降低。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降到7.616 MPa，煤儲(chǔ)層開始產(chǎn)氣，由于該井臨儲(chǔ)壓差較小，產(chǎn)氣之前需要排水降壓的幅度小，該井排采至第27 d 開始產(chǎn)氣。該井進(jìn)入緩慢解吸階段，解吸效率較低；開始產(chǎn)氣后，井筒內(nèi)液面繼續(xù)緩慢下降，降壓幅度緩慢。該井由緩慢解吸階段進(jìn)入快速解吸階段和敏感解吸階段，產(chǎn)氣量快速增加。由于該井臨廢壓差大（約6.70 MPa），即產(chǎn)氣階段的壓降空間相對(duì)較大，且每噸煤巖中可采出的煤層氣量較多，該井產(chǎn)氣量取得很好的效果。排采至第272 d，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值2 607 m3/d，后穩(wěn)定至1 500～2 500 m3/d。

依據(jù)煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范（DZ/T 0216—2020），煤層埋深介于500 ～1 000 m，直井平均產(chǎn)量下限標(biāo)準(zhǔn)為1 000 m3/d。HSW02-2V 井平均產(chǎn)氣量1 898 m3/d，取得了良好的產(chǎn)氣效果。側(cè)面驗(yàn)證了上述煤二層產(chǎn)氣潛力定量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

1）窯街礦區(qū)海石灣煤礦煤二層臨儲(chǔ)壓差為2.31 MPa，臨廢壓差為6.70 MPa，有效解吸量為8.60 m3/t，解吸效率為3.59 m3/（t·MPa）。啟動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)折壓力及敏感壓力分別為8.80 MPa、4.03 MPa、1.35 MPa。

2）煤二層臨儲(chǔ)壓差較小，排采較短時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)氣；臨廢壓差較大，產(chǎn)氣階段的壓降空間較大；有效解吸量較大，解吸效率較高，每噸煤巖中可采出的煤層氣量相對(duì)較多。煤二層在排采過程中經(jīng)歷緩慢解吸、快速解吸和敏感解吸階段，產(chǎn)氣壓降空間大，解吸效率逐漸增高。數(shù)值模擬軟件產(chǎn)能預(yù)測結(jié)果顯示，抽采10a累計(jì)產(chǎn)氣量為415.55×104m3，平均日產(chǎn)氣量達(dá)1 258 m3，具有良好的產(chǎn)氣潛力?，F(xiàn)場直井排采實(shí)踐也顯示煤二層具有良好的產(chǎn)氣效果。

3）采用臨儲(chǔ)壓差、臨廢壓差、有效解吸量等評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)值模擬軟件中的產(chǎn)氣預(yù)測相結(jié)合的方法對(duì)煤層氣產(chǎn)氣潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)是科學(xué)、合理的，可為加快甘肅省煤層氣勘探開發(fā)和煤礦瓦斯地面抽采進(jìn)程提供有效的技術(shù)手段和決策依據(jù)。