窑街矿区浅层煤系气储层特征及勘探开发关键技术

杜新锋，袁崇亮，王正喜，王君得，李世兵，刘敬丹，何秀清，张天国，单元伟，方佳伟

窑街矿区浅层煤系气储层特征及勘探开发关键技术

杜新锋1，袁崇亮2，王正喜1，王君得2，李世兵2，刘敬丹2，何秀清2，张天国2，单元伟1，方佳伟1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 窑街煤电集团有限公司，甘肃 兰州 730080)

煤系气勘探开发不仅可以减少资源浪费，而且可以缓解我国能源危机，降低煤矿瓦斯事故，保护大气环境，为实现碳达峰、碳中和目标做出贡献。依托窑街矿区海石湾井田三采区浅层煤系气开发示范工程，分析窑街矿区煤系气储层特征，探讨煤系气勘探开发关键技术。研究表明：井田煤系气主要赋存于侏罗系中统窑街群煤系第四岩组(J24)的油页岩、油砂岩和第二岩组(J22)的油A层、煤二层等特厚产层中；油A层、煤二层气含量随着埋深的增加而增大；CO2浓度较高，且随着埋深增加而减小；煤二层吸附能力较强，油A层更容易解吸；各层渗透率为油砂岩>油A层>煤二层>油页岩；抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比和脆性指数显示各产层改造难易程度由小到大依次为油砂岩、油A层、油页岩、煤二层。油页岩有机质丰度4.06%，干酪根类型Ⅱ2–Ⅲ型；油A层有机质丰度43.27%，变质程度呈两极分化，腐泥煤镜质体反射率0.48%～0.53%，腐植煤镜质体反射率0.89%～0.97%；煤二层有机质丰度92.87%，其中镜质组体积分数67.90%，惰质组29.10%，壳质组3.50%，变质程度以肥煤为主，含少量气肥煤。与我国大部分欠压地层相比，各产层储层压力正常，产气潜力大；煤系气开发应优选煤二层、油A层和油页岩；多段分簇、限流法射孔工艺和细砂防滤失、投球暂堵、两高一低(高排量、高砂量、低砂比)的压裂工艺适合于该区致密特厚储层改造，挂泵位置低于煤二层射孔段和重力式螺旋气锚排采工艺可减少CO2的影响，提高排采效率。这些关键技术的应用显著提高了井田示范工程产气效果，单井日产气量超过2 000 m3。

煤系气；储层特征；勘探开发；窑街矿区；侏罗纪

受煤层气长期低效开采工作的延伸和天然气勘探开发领域不断拓展双驱动，近年来我国煤系气综合勘探初见成效，如鄂尔多斯盆地的苏里格、靖边、大牛地和库车坳陷的克拉2、克深、大北等煤系气田的发现[1]、准噶尔盆地煤层气与致密砂岩气勘探[2]、鸡西的薄煤层与砂岩互层勘探[3]，山西临兴、榆社、武乡，陕西延川南，贵州六盘水等区块的煤层气和致密砂岩气共探共采试验都取得了良好的效果[4-8]。勘探开发煤系气不仅可以提高煤矿区煤层气单井产量，减少资源浪费，缓解我国能源危机，还可以降低煤矿瓦斯事故，保护大气环境，为实现碳达峰、碳中和目标做出贡献。甘肃窑街矿区是我国典型的煤油气共生地层，地质条件复杂，煤系气资源丰富。煤系为中生界侏罗系中统窑街群，埋深在800～1 200 m，比国内其他区块的石炭–二叠系煤系气储层埋深较浅。窑街矿区海石湾井田三采区煤系气开发示范工程三期共施工了26口直井和1口水平井，目前，一期、二期施工的14口井均已开始产气，效果良好。笔者结合窑街矿区海石湾井田三采区煤系气勘探开发示范工程，分析井田煤系气储层特征，探讨复杂地质条件下煤系气协同共采关键技术，为相似地质条件煤矿区煤系气勘探开发提供借鉴。

1 地质背景

窑街矿区所处的民和盆地在元古代经历了剧烈的造山运动，形成了古老的构造基底，奠定了区域内构造基础和构造格架。在此基础上，经历了印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动而发展、演变，逐渐形成了一个中–新生代陆相含煤、含油气的山间盆地。该盆地大地构造位置处于中祁连隆起带东南部，由NW–SE向延伸的皋兰隆起、永登坳陷、周家台低隆起和巴州坳陷4个一级构造单元构成(图1)[9-10]。海石湾井田位于周家台低隆起的西北端，基底由元古界变质岩系组成，普遍缺失古生代及中生代三叠纪沉积，地层从下往上依次是元古界变质岩、中生界下统炭洞沟群、中生界侏罗系中统窑街群、中生界侏罗系上统享堂群、中生界白垩系下统河口群、新生界第四系上更新统马兰组不整合覆盖于其上层。

图1 民和盆地构造单元(据卫平生等[11])

井田含煤地层形成于中生代侏罗纪中侏罗世，即中侏罗统窑街群煤系(图2)。窑街群煤系自下而上可分为5个岩组，其中第四岩组(J24)和第二组岩组(J22)富含油、气和煤炭资源。第四岩组(J24)，上部为黑色、黑褐色巨厚油页岩层，夹菱铁矿条带及薄层鲕状菱铁矿泥岩，油页岩中含大量保存完好的银杏、苏铁、鱼类及藻类等化石，是气候湿润、有机质丰富的静水湖泊标志；中部为灰白、灰色长石石英砂岩及粉砂岩，含油，具油臭、油斑及油浸状，局部渗油、流油；下部为灰及灰白色石英细砂岩、粉砂岩、黑褐色油页岩互层，水平波状层理发育。第二岩组(J22)为含煤岩组，下部为黑色炭质泥岩、中细砂岩、含砾细砂岩夹薄煤层(煤三)；中部为特厚及厚煤层(煤二)，厚度0～60.6 m，平均26.8 m；上部为粉砂岩、炭质泥岩及薄层油页岩互层，其中含煤B3、煤B2、煤B1；顶部有一层高灰高油低热值腐泥质油页岩(油A层)，厚度0～11.79 m，平均厚4.14 m。从宏观看，油A层结构简单而均匀，呈块状或板状，光泽暗淡，平整略带棱角状断口，易燃、长焰、烟浓、有沥青味；微观的最大特点是有大量藻类、腐泥基质及矿物杂质，具有腐泥煤的特征。

注：图中表示

2 煤系气储层特征

2.1 含气性

HSW01-2V井油A层埋深890.60～899.80 m，煤二层907.90～923.30 m；HSW06-3V井油A层埋深1 033.7～1 050.4 m，煤二层1 062.70～1 102.15 m。从产层埋深的角度，选择HSW01-2V井和HSW06-3V井作为参数井，采用GB/T 19559—2008《煤层气含量测定方法》对2口井进行测试(表1)。油页岩和油砂岩采用常规的绳索取心方法没有测得含气量，反映本区油页岩和油砂岩主要以游离气为主。

表1 海石湾井田产层气含量和气成分测试结果

从测试结果来看，相比HSW01-2V井，HSW06- 3V井埋深大，油A层、煤二层气含量较大。油A层主要由油页岩和腐泥煤组成，灰分含量高，导致总气含量、甲烷含量中空气干燥基明显低于干燥无灰基。气成分中油A层甲烷浓度高于煤二层，随着埋深的增加，CH4浓度增加，CO2浓度减小。

2.2 吸附性

油A层空气干燥基Langmuir体积6.13 cm3/g，干燥无灰基Langmuir体积14.38 cm3/g，Langmuir压力6.50 MPa(图3a)。煤二层空气干燥基Langmuir体积18.27 cm3/g，干燥无灰基Langmuir体积19.73 cm3/g，Langmuir压力3.00 MPa(图3b)。由此推算，油A层和煤二层的临界解吸压力分别为4.76～6.03 MPa和1.97～2.30 MPa。Langmuir压力是吸附量值为50%时对应压力值，其值反映了煤层气解吸的难易程度，制约着煤层气开采的难易程度。一般认为Langmuir压力大于3.0 MPa时煤层具有高产条件。相比较而言，煤二层的极限吸附能力较大，而油A层更容易解吸。分析油A层和煤二层的等温吸附曲线，油A层Langmuir压力值高，吸附态气体脱附比较容易，对开发有利，排采中需较短时间达到最大气产量，但长期产能稳定性较差。煤二层Langmuir压力小，早期解吸效率低于后期，煤储层达到产气峰值需要的时间较长。

2.3 孔渗性

分别对油砂层、油页岩层、油A层和煤二层做了压汞实验(表2)，结果显示，油砂层的比表面积明显低于其他层，但中位孔径和平均孔径大，孔隙率和渗透率最高。与油页岩相比，油A层因为有炭质泥岩，孔隙比表面积、总孔容、孔隙率较大，但比煤二层小；煤二层孔隙比表面积、总孔容、孔隙率较大，但中位孔径、平均孔径较小，渗透率较小。总体而言，各产层渗透率表现为：油砂岩>油A层>煤二层>油页岩。

图3 样品等温吸附曲线

表2 各产层压汞实验测试结果

2.4 力学特征

按照GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》对各产层力学性质进行测定，并计算其脆性指数。结果显示，各产层的抗压强度、抗拉强度、弹性模量和脆性指数由大到小依次为油砂岩、油A层、油页岩、煤二层(表3)，泊松比则正好相反，测试结果反映了储层改造的难易程度。另外，本次还测了油A层和煤二层的坚固性系数，油A层为2.67～2.78，平均2.73，煤二层为0.71～1.03，平均0.91。

表3 各产层力学参数

2.5 有机地球化学特征

油页岩有机质丰度4.06%，干酪根类型Ⅱ2–Ⅲ型。油砂岩有机质丰度0.22%～0.58%，平均0.33%，透射光下能见到大量棕黄色团块，如图4a所示，图4a中可见分散状腐殖无定形态(E)，少量黄色腐泥无定形态(A)，见一定量棕黄色壳质体碎屑(F)，少量棕色块状镜质体(C)和黑色块状惰质体(B)。蓝光激发下壳质体碎屑发黄色荧光，其他所有有机组分不发荧光(图4b)。

图4 油砂层显微图像

油A层有机质丰度43.27%，显微成分由藻类体及腐泥基质组成，含少量腐植碎屑成分。另外，变质程度呈两极分化(表4)，腐泥基质中镜质体反射率为0.48%～0.53%，大部分属于腐泥褐煤和腐泥亚烟煤，少数属于腐泥烟煤[12-13]，腐植碎屑镜质体反射率为0.89%～0.97%，属于气肥煤和肥煤。

表4 油A层镜质体反射率测试结果

注：表中0.39～0.65/0.50(18)表示最小～最大值/平均值(测点数)。

煤二层有机质丰度81.40%～99.20%，平均92.87%，其中镜质组体积分数67.9%，惰质组29.1%，壳质组3.50%。镜质体反射率0.89%～1.02%，平均0.96%，变质程度以肥煤为主，有少量气肥煤。

2.6 储层压力及地应力

采用注入/压降法对HSW01-2V的油页岩、煤二层和HSW06-3V井的油A层和煤二层进行试井，获取储层压力、地应力等参数(表5)。结果显示，各产层储层压力梯度0.93～1.10 MPa/hm，与我国大部分欠压地层相比，储层压力正常。煤二层闭合压力16.10 MPa，闭合压力梯度1.61 MPa/hm，相比油页岩、油A层，其水平最小主应力较大。油A层破裂压力15.36 MPa，破裂压力梯度1.47 MPa/hm，相比油页岩、煤二层，其储层更容易改造。

3 煤系气开发层位优选

海石湾井田中侏罗统窑街群(J2)第四岩组上部油页岩最厚达47.03 m，平均厚25.55 m，有机质丰度较高；中部油砂岩孔隙率、中位孔径和平均孔径均较大，渗透率高，抗压强度、抗拉强度、弹性模量和脆性指数高，可压性好。第二岩组共含煤5层，自下而上分别为煤三、煤二、煤B3、煤B2、煤B1，其中煤二层为主要可采煤层，厚度0～59.28 m，平均厚度19.61 m，属特厚煤层，其余各层为局部可采或不可采煤层。油A层(腐泥煤)作为保护层采油页岩，岩层结构简单，厚度0～11.79 m，平均厚4.14 m。

表5 各产层储层压力与地应力参数

一期4口试验井根据钻井、测井资料绘制了三采区柱状对比图(图5)，发现油砂层不是很稳定。根据测井解释，HSW02-2V在油页岩上部有1层差气层，厚度8.60 m，HSW01-2V、HSW04-1V和HSW06-3V井缺失。HSW01-2V井和HSW06-3V井在油页岩下部各有1层差气层，厚度分别为1.00 m和1.50 m，另外2口井缺失。HSW02-2V井和HSW04-1V井发现了1个气水层，厚度分别为14.00 m和2.30 m，另外2口井缺失。因此，在层位选择上主要考虑油页岩、油A层和煤二层。另外，考虑到开发成本和油页岩气含量的不确定性，立足于煤矿安全，优选油A层和煤二层作为本次开发的目标层位，同时一期试验油页岩，评价各产层的产气效果。

图5 海石湾一期4口井主要产层柱状对比

4 致密巨厚产层高效压裂改造增产技术

海石湾井田三采区油页岩、油A层和煤二层均属于特厚产层，其中油页岩、煤二层的厚度超过15 m，为了使产层纵向上得到充分改造，设计进行多段分簇射孔，每簇不超过4 m(表6)，以利于形成缝网结构，同时保证地层有足够的净压力维持裂缝的开启。射孔段优选有机质含量(TOC)、孔隙率、渗透率高，气测相应较高的井段，同时，结合电阻率、声波时差、自然伽马、密度、井径等测井曲线，兼顾特厚产层在纵向上的整体改造效果。为了提高液体的携砂能力，采用限流法射孔，孔密度10孔/m，每孔进液量控制在300 L/min左右。采用102型射孔枪、127型深穿透射孔弹，按照初始相位角90°，螺旋布孔，对目标层段进行光套管射孔。油A层和煤二层间距较小，煤二层渗透率低，压后放喷时间长，因此采用电缆输送桥塞+射孔联作的方式带压射孔，实现层间封堵和连续压裂，缩短施工周期。

表6 海石湾一期工程4口井射孔数据

压裂时由于缝内外存在压力差，部分液体会由壁面滤失到地层中，不但会减小缝宽、缝长和裂缝体积，而且会增加缝中的砂比，造成砂堵[14]，这种现象在巨厚煤层压裂中非常普遍。油页岩、油A层和煤二层测试闭合压力最大16.10MPa(表5)，对支撑剂的强度要求不高，选择石英砂作为压裂支撑剂。采用40～70目(212～425 μm)、20～40目(425～850 μm)和16～20目(850～1 180 μm)石英砂组合，其中40～ 70目细砂主要用途就是防滤失，打磨弹眼，降低摩阻。为了保障油页岩、油A层和煤二层等特厚产层的改造效果，采用投球方式进行管内堵塞，以起到堵孔分层压裂的目的。压裂过程中，施工压力16.6～ 42.0 MPa，排量8～11 m3/min，平均砂比6.84%～ 9.27%，加砂量52.49～112.40 m3(表7)。

表7 海石湾一期4口井压裂参数

5 基于高CO2浓度的煤系气排采技术

2口参数井(HSW01-2V、HSW06-3V)测试结果显示，油A层、煤二层CO2体积分数分别为16.62%～ 18.69%和30.02%～42.03%。CO2溶解度与压力、温度有关。示范区油A层储层压力10.52 MPa，温度40.64℃，煤二层储层压力9.31 MPa，温度43.5℃。在压力5 MPa、温度40℃时，CO2溶解度为20.35 m3/t[15]。排采过程中，溶解于水的CO2进入泵筒，容易引起气锁现象，影响泵效。本次主要采用2种技术，一是将挂泵位置(吸入口)放在煤二层射孔位置的下方，排采过程中水向下流，气向上走，大大减小进入泵筒的气量；二是采用重力式螺旋气锚，与常规重力气锚或螺旋气锚相比，其分离气体的能力更强。通过这些技术，提高了泵效，保证排采的顺利进行。

6 示范工程效果

窑街矿区海石湾井田三采区煤系气开发示范工程一期、二期施工的14口井已经开始产气，截至2021年7月31日，8口井日均产气量超过2 000 m3，单井最高日产气量2 580 m3，最高累计产气量24.5万m3，井底流压平均1.1 MPa，后期产气潜力很大。以HSW02-2V为例(图6)，2021年1月9开始排采，2月4日起套压，2月11日套压1.9 MPa放压产气，最高日产气量2 183 m3，累计产气20.5万m3，目前套压0.23 MPa，井底流压2.62 MPa，产气量尚在增加中。

HSW02-4D井仅压裂了煤二层，井底流压5.59 MPa开始产气，临近的HSW02-2V井和HSW02-3D井分别在井底流压7.58 MPa和6.91 MPa时开始产气，井底流压5.59 MPa时日产气815 m3(图7)，由此可以推算油A层的贡献超过800 m3/d。另外，采用分层控压合层排采技术对HSW01-2V井油页岩进行了求产[16]，最高日产气量377 m3。

图6 HSW02-2V井排采曲线(2021年)

图7 3口井产气量与井底流压关系曲线

7 结论

a. 海石湾井田煤系气主要赋存于中侏罗统窑街群煤系第四岩组(J24)的油页岩、油砂岩和第二岩组(J22)的油A层、煤二层中，埋深相对较浅，属特厚产层。

b. 油A层、煤二层CO2浓度较高，两者均随着埋深的增加，CH4浓度增加，CO2浓度减小。煤二层的极限吸附能力较大，而油A层更容易解吸，两者Langmuir压力大于3.0 MPa，具有高产条件。油砂层比表面积小，中位孔径、平均孔径大，孔隙率和渗透率高。煤二层比表面积、总孔容、孔隙率较大，但中位孔径、平均孔径较小，因此渗透率小。各产层渗透率表现为：油砂岩>油A层>煤二层>油页岩。各产层抗压强度、抗拉强度、弹性模量和脆性指数由大到小依次为油砂岩、油A层、油页岩、煤二层，泊松比则正好相反，反映了各储层改造的难易程度。

c. 油页岩有机质丰度4.06%，干酪根类型Ⅱ2–Ⅲ型。油砂岩有机质丰度0.33%；油A层有机质丰度43.27%，变质程度呈两极分化，腐泥煤镜质体反射率0.48%～0.53%，腐植煤镜质体反射率0.89%～0.97%。煤二层有机质丰度92.87%，其中镜质组体积分数67.90%，惰质组29.10%，壳质组3.50%；镜质体反射率0.89%～1.02%，平均0.96%，变质程度以肥煤为主，含少量气肥煤。

d. 通过地质条件和储层特征分析，认为该区煤系气开发应优选煤二层、油A层和油页岩；多段分簇、限流法射孔工艺、细砂防滤失、投球暂堵、两高一低(高排量、高砂量、低砂比)的压裂工艺和挂泵位置低于煤二层射孔段、重力式螺旋气锚术排采工艺等系列关键技术与该区储层条件相匹配，显著提高了示范工程产气效果，单井日产气量超过2 000 m3。

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Characteristics of shallow coal measure gas reservoir and key technologies of exploration and development in Yaojie mining area

DU Xinfeng1, YUAN Chongliang2, WANG Zhengxi1, WANG Junde2, LI Shibing2, LIU Jingdan2, HE Xiuqing2, ZHANG Tianguo2, SHAN Yuanwei1, FANG Jiawei1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Yaojie Coal and Power Group Co. Ltd., Lanzhou 730080, China)

The exploration and development of coal measures gas can not only effectively improve the single well production of coalbed methane in coal mining areas, reduce the waste of resources, but also alleviate the energy crisis in China, reduce coal mine gas accidents, protect the atmospheric environment, and contribute to the realization of carbon peak and carbon neutralization. Based on the shallow coal measure gas development demonstration project in the third mining area of Haishiwan mine field, the characteristics of coal measure gas reservoirs in Yaojie mining area are analyzed, and the key technologies for coal-measure gas exploration and development are discussed. The research showed that coal measure gas in the mine field is mainly present in the oil shale and oil sandstone of the fourth rock group(J24) of the Jurassic Yaojie Formation coal system, and the oil A layer and the second coal layer of the second group(J22). The gas content of oil layer A and second coal layer increases with the increase of burial depth; The CO2concentration in oil layer A and second coal layer is higher, and decreases with the increase of burial depth; The second coal layer has a strong adsorption capacity, and the oil layer A is easier to desorb; Oil sandstone permeability> oil layer A permeability> second coal layer permeability> oil shale permeability; Compressive strength, tensile strength, elastic modulus, Poisson’s ratio and brittleness index show that the difficulty of reformation of them in descending orderis oil sandstone, oil layer A, oil shale, and coal second layer; The organic matter abundance of oil shale is 4.06%, and kerogen type is II2-III. The abundance of organic matter in the oil layer A is 43.27%, and the degree of metamorphism is polarized. The saprolite vitrinite reflectance is 0.48%-0.53%, and the humic coal vitrinite reflectance is 0.89%-0.97%. The abundance of organic matter in the second layer of coal is 92.87%, including vitrinite 67.90%, inertinite 29.10%, exinite 3.5%, the degree of metamorphism is mainly fat coal with a small amount of gas fat coal; Compared with most low pressured formations in China, the reservoir pressure of each producing layer is normal and the gas production potential is great; The second coal layer o, the oil layer A and the oil shale should be optimized in the development of coal measure gas. The fracturing technology of multiple clusters, flow-limiting perforating technology and fine sand filtration loss, ball drop temporary plugging, two large and one low(large displacement, large sand volume, low sand ratio) fracturing technology are suitable for the reservoir transformation of the ultra-thick and tight formation in this area, and the pump hanging position is lower than the two-layer perforating section of coal and the gravity spiral gas anchor drainage process can reduce the effect of CO2and improve the drainage efficiency. The application of these key technologies has significantly improved the gas production effect of the mine field demonstration project. The daily gas production of a single well exceeds 2 000 m3

coal measure gas; reservoir characteristics; exploration and development; Yaojie mining area; Jurassic

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P618.12

A

1001-1986(2021)06-0058-09

2021-09-15；

2021-11-01

国家自然科学基金项目(41972167)；山西省科技重大专项项目(20201101002)

杜新锋，1975年生，男，陕西渭南人，博士，研究员，从事煤层气勘探开发相关研究与工程. E-mail：duxinfeng@cctegxian.com

杜新锋，袁崇亮，王正喜，等. 窑街矿区浅层煤系气储层特征及勘探开发关键技术[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：58–66. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.006

DU Xinfeng，YUAN Chongliang，WANG Zhengxi，et al.Characteristics of shallow coal measure gas reservoir and key technologies of exploration and development in Yaojie mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：58–66. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.06.006

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(责任编辑 范章群)