构造煤矿区煤层气井产气特征分析

2019-04-12汪万红

中国煤炭 2019年3期

汪万红

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

我国的聚煤盆地多数都经历了复杂的构造演化，构造煤广泛发育，而构造煤发育区被普遍认为是煤与瓦斯突出的高危险区域。随着矿井开拓不断向深部延伸和开采规模的加大，构造煤矿区面临的瓦斯治理压力日益加重，瓦斯治理形势愈加严峻。地面开发煤层气可以提前解决煤矿开采中的瓦斯隐患，保证煤矿的安全生产，并可以充分利用能源，改善我国能源结构和保护大气环境。经过20多年的发展，我国煤层气基本实现了产业化，取得良好产气效果的区域主要集中在煤体结构较好、渗透率较高的山西沁水盆地和晋陕交界的鄂尔多斯盆地东缘，并已建成两个产业基地。此外，在新疆、四川和贵州等地区煤层气勘探取得一些新突破。而在构造煤发育的河南平顶山矿区、焦作矿区、陕西韩城矿区、安徽淮南矿区等进行的地面煤层气开发实验，产气效果均不理想，产气量低甚至不产气。构造煤发育地区甚至被视为煤层气开发的“禁区”。因此有必要对构造煤矿区煤层气井的产气特征进行分析。本文以平顶山矿区首山一矿煤层气井的地质资料和历史排采数据为基础，通过分析煤层气井的排采曲线特征，并结合构造煤特点，探讨构造煤矿区煤层气井的产气特征。以期为构造煤矿区煤层气勘探开发和综合利用提供参考和借鉴。

1 基本概况

平顶山矿区是我国构造煤发育的一个典型矿区，也是我国煤与瓦斯突出严重的矿区之一，瓦斯含量高，瓦斯压力大，其煤层孔隙、裂隙比较发育。但由于先后受到中岳、怀远、加里东、印支、燕山和喜山六期构造运动影响，煤层破坏严重，煤体破碎，碎粒煤、糜棱煤发育，具有强度低、渗透率低、应力敏感性强等特点。

首山一矿位于平顶山市东北方向，井田面积约36 km2。矿区构造简单，主体构造为一轴向320°的宽缓背斜，地层走向一般为290°～320°，倾角一般变化在8°～20°之间，断层不甚发育。区内属半隐伏地区，地层自下而上依次为寒武系上统崮山组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组、三叠系下统刘家沟组及第四系。含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组。首山一矿可采或局部可采煤层共五层，分别为山西组的二1煤层、下石盒子组的四2、四3、五1、五2煤层，其中二1、四2煤层为全区可采煤层。煤矿采掘设计的主采煤层为山西组的二1煤层和下石盒子组的四2煤层。

四2煤层厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，煤层结构较简单，含0～3层夹矸，属较稳定煤层。煤层气井测试结果显示：四2煤层空气干燥基气含量为4.79～6.48 m3/t，平均5.51 m3/t；渗透率为0.25；四2煤层顶板主要由泥岩、砂质泥岩组成，底板大部为泥岩、砂质泥岩。四2煤层的直接充水含水层主要是顶板砂岩裂隙含水层。由1～4层细—中粒砂岩组成，局部粗粒砂岩，含水层富水性弱—极弱。

二1煤层厚2.76～10.22 m，一般5.0～7.0 m，平均6.15 m。煤层结构较简单，含0～2层夹矸，属稳定～较稳定煤层。上距四2煤层平均170 m。煤层气井测试结果显示：二1煤层空气干燥基气含量为3.37～3.62 m3/t，平均3.50 m3/t，渗透率为0.014。二1煤层直接顶板大部为泥岩、砂质泥岩，直接底板大部为泥岩、砂质泥岩。二1煤层的直接充水含水层主要是顶板砂岩孔隙裂隙承压含水层。主要由2～4层细—中粗粒砂岩组成，含水层富水性弱-极弱。

2 排采曲线特征

2011年，河南煌龙新能源发展有限公司在平顶山矿区首山一矿实施了5口煤层气井进行地面瓦斯抽采试验，分别为01、02、03、04、05井，对煤矿主采煤层四2、二1煤层进行分层压裂、合层排采。2012年5月31日，5口井开始排采。截至2013年8月1日，累计排采420 d。排采结果显示，单井最大日产气量为586 m3，平均日产气量为41～350 m3，单井最大日产水量为7.7 m3，平均日产水量为1.2～2.8 m3，见表1。总体来看，5口井产气效果整体不佳，日常维护费用大。目前，各井已停止排采。

根据这5口井的排采数据绘制了排采曲线，以01井排采曲线为例，见图1，可以发现排采曲线具有明显的规律性：产气曲线和产水曲线具有“单峰”特征；当井底流压降至四2煤层临界解吸压力附近时，产水量达到最大值，之后快速下降；当井筒内液面降至四2煤层附近时，产气量达到最大值，之后快速下降。

表1 首山一矿煤层气井排采效果

3 产气特征分析

针对平顶山矿区首山一矿5口煤层气井产气效果不理想，同时5口井的排采曲线具有明显规律性的情况，结合构造煤煤体结构特征，通过分析煤层气井的排采曲线特征，探讨构造煤矿区煤层气井的产气特征。

图1 01井排采曲线

煤层气的产出包括3个相互衔接连续的过程，即解吸、扩散和渗流。煤层气主要以吸附状态储存在煤的孔隙中，通过地面煤层气井的排水降压，煤层气从煤基质表面解吸，并从孔隙扩散、渗流至煤层气井筒，最终产出地面。煤的孔隙系统发育，则吸附储集的气体量大；扩散渗流通道顺畅，煤储层渗透性好，地面煤层气井产气量高。

依据霍多特孔隙分类体系，煤中孔隙主要划分为4类：①气体吸附孔隙，孔径<10 nm；②气体游离孔隙，存在大部分游离气体，少部分吸附气体，孔径在10～100 nm之间；③气体扩散孔隙，孔径在100～1000 nm之间；④渗流孔隙，孔径>1000 nm。相对于原生结构煤，构造煤中吸附孔隙、游离孔隙发育，主要为墨水瓶形孔和狭缝平板形孔，导致煤层气含量相对较大，气体解吸后难以扩散脱离孔隙，气体运移外出难度大。平顶山矿区由于先后受到中岳、怀远、加里东、印支、燕山和喜山六期构造运动影响，煤层破坏严重，煤体破碎，碎粒煤、糜棱煤发育，其煤层孔隙、裂隙比较发育，故煤体吸附储集的气体量大，煤层气资源丰富。但由于煤体破碎，煤体强度低、渗透率低、应力敏感性强，其扩散渗流通道不顺畅。相对于原生结构煤地区，其煤层气井产气量不高。

排采是煤层气勘探开发工程的归结点，是煤层气开发的重要环节之一。03井排采曲线如图2所示。由图2可以看出，该井压力计深度为835 m，四2煤层顶板深度为623 m，四2煤层顶板对应的井底流压(压力计读数)为2.12 MPa。

当该井开始排采后，井筒内液面开始下降，井底流压也随之降低，在地层流体压差的作用下，产水量不断增加。因四2煤储层压力未达到临界解吸压力，还未产气，主要为水的单相流阶段，直到日产水量达到最大值3.0 m3。当压力降到上部四2煤层临界解吸压力附近时，四2煤层开始解吸产气，随着煤层孔裂隙中游离气量增多、气泡变大，气水两相渗流所产生的贾敏效应增强。此时，水相渗流的启动压力梯度增大，水相渗透率亦快速下降，导致产水量快速下降，日产水量由3.0 m3快速下降；之后随着井筒内液面下降，井底流压继续降低，产气量开始增加，产水量降低，主要为气水两相流阶段，至井筒内液面降至四2煤层附近时，产气量达到最大值411 m3。四2煤层暴露后，井筒附近气水两相流态在短期内急剧转换，必然造成储层伤害。井筒周围依次形成高含气带、液相滞留带、应力敏感带、高含水带，近井地带形成液相低渗区，使地层水难以排出，压降漏斗扩展困难，四2煤层缺少流体支撑其产气通道后，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率下降，将导致四2煤层产气量快速下降，日产气量从最高411 m3快速下降，产水量继续降低。四2煤层暴露后，对四2煤储层产气通道造成严重伤害，最终造成全井产气效果不佳。

综合上述分析，相对于原生结构煤，构造煤受构造运动影响，煤层破坏严重，煤体具有裂隙发育、强度低、渗透率低、应力敏感性强的特点，这是其吸附储集的气体量大而煤层气井产气不高的内因。排采过程中，随着井筒内液面下降，地层流体压差增大，产水量逐渐增大到最大值。当产气开始，气水两相渗流所产生的贾敏效应增强。此时，水相渗流的启动压力梯度增大，水相渗透率亦快速下降，产水量降低；当液面降至煤层附近位置时，产气量达到最大值。煤层暴露后，近井地带形成液相低渗区，同时煤层缺少流体支撑其产气通道后，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率下降，使煤储层产气通道造成严重伤害，地层水、压裂液难以排出，难以扩展压降漏斗，最终造成全井产气效果不佳。