海石湾矿区煤层气富集高产主控地质因素

2023-08-07张吉福袁崇亮张永成周晓刚张小东李德慧

中国煤炭地质 2023年6期

张吉福，袁崇亮，王勃，张永成，周晓刚，张小东，李彤，李德慧

（1.窑街煤电集团有限公司，甘肃兰州 730084；2.应急管理部信息研究院，北京 100029；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西晋城 048000；4.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；5.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

煤层气（煤矿瓦斯）开发利用不仅是发展清洁能源的重要组成部分，而且是确保煤矿安全生产、实现“双碳”目标的重要途径之一［1-3］。经过40余年发展，我国煤层气产业已初步形成了以沁水盆地、鄂尔多斯盆地两大产业基地为代表、多点小规模突破的产业格局现状。目前已初步形成了钻完井、增产改造、排采及稳产、集输、发电利用等关键技术系列［4-6］，推动了煤层气资源开发利用的“降本增效”。近10年来，借鉴煤层气开发关键技术体系在煤矿后备区开展瓦斯地面预抽已成为治理煤矿瓦斯灾害的重要手段［7-10］。

窑街煤电集团公司海石湾煤矿为煤与瓦斯（CO2）突出矿井，多年来，该矿井一直采用开采保护层卸压、底板巷穿层预抽等瓦斯治理技术措施，初步形成了以抽采为主、风排为辅的瓦斯治理格局，基本解决了煤与瓦斯突出问题，取得了较好的安全成效［11-13］。近年来，随着矿井采煤深度的不断增加，井下瓦斯地质条件变得愈加复杂，地应力明显增加且应力状态变化较大，煤层透气性变差，造成瓦斯抽采、瓦斯治理难度大大增加［14，15］，严重影响该矿井“保、抽、掘、采”平衡和采掘接替，限制了矿井开采速度优势的发挥。开展海石湾矿区煤层气地面开发利用既是贯彻国家发改委提出的“先采气后采煤、采煤采气一体化”的煤层气开发“安全—资源—环境”理念，也是确保煤矿安全生产的重要举措。基于此，在分析海石湾矿区地质条件、煤层气赋存特征的基础上，提出了该矿区煤层气资源富集和高产的有利地质条件，以期指导该区煤层气资源的高效开发利用。

1 区域概况

1.1 构造

海石湾矿区位于兰州市西北红古区海石湾镇，位于民和盆地中央隆起带的西端，为民和盆地次一级构造单元（图1）。海石湾矿区主要构造运动有三期，分别是晚二叠世—三叠纪的印支运动、晚三叠世—白垩纪的燕山运动以及古近纪至今的喜马拉雅运动，相对应的构造层为侏罗系构造层和下白垩统构造层。三叠纪末—侏罗纪前的印支期晚期构造运动，开始了盆地的坳陷，并在局部接受了下侏罗纪沉积；侏罗纪末白垩纪前的中燕山构造运动，造成了明显的地层角度不整合及坳陷沉降范围的扩大，控制了海石湾矿区几组NNW、NNE 断裂带和煤系地层的展布，以及NE 向斜列的侏罗系背斜与向斜，是形成中生代褶皱断裂的一次重要构造运动；白垩纪末新近纪前的构造运动造成了上下岩层的角度不整合，控制了上白垩统与新近系的沉积范围，基本结束了中央隆起带的坳陷史［15，16］。随后矿区内形成了西南部高而北东部低的基底构造形态，侏罗纪形成一向北东收敛、向南西开口的帚状褶皱形态。海石湾矿区断裂构造目前钻孔控制及揭露发现的断层共有55条（正断层36条，逆断层19条），平均每平方千米有断层8.7条，且多为小型断裂。

图1 海石湾矿区构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Haishiwan mining area

1.2 含煤地层

海石湾矿区成煤于中侏罗世，为陆相山间盆地型沉积，是一套以砂泥岩为主，夹砾岩、砂岩、油砂岩、油页岩和煤层的含煤建造。矿区内含煤地层为中侏罗统窑街群，含煤6 层，煤厚0～77.2m，平均25.7m，自下而上分别以煤三、煤二、煤B（B3、煤B2、煤B1及油A层相称（图2）。其中只有油A层和煤二层分布相对稳定，为主采煤层。

图2 煤系地层综合柱状图Figure 2 Comprehensive column of coal measure strata

2 煤层气赋存特征

2.1 主力煤层埋深适中,厚度大

煤二层位于窑街群第二岩组含煤段的底部，煤质为低灰、特低硫、低磷、高热值的弱黏煤、不黏煤，为缓倾斜煤层，倾角一般5°～25°，基本上呈一北高南低、向南开阔的簸箕形向斜构造形态。煤二层相对较厚，为0～59.28m，平均厚度19.61m，西部超覆尖灭。煤层厚度具有东厚西薄，呈条带状的分布特点，在东部靠近边界大断层处，煤层厚度特别大，煤厚变化较大。埋深506.72～1 013.14m，平均685m，埋深变化与向斜具有较好的一致性，呈现轴部深、两翼浅，南深北浅的特征。

2.2 煤层含气量

海石湾矿区东北部煤二层气体自然成分中主要是以“无机源” CO2为主，浓度高，含量大。根据《煤层气含量测定标准》（GB/T19559—2021），对20余口煤层气井的70件煤样进行了含气量测试，结果表明：煤二层总含气量为0.32～21.30m3/t，CH4、CO2含量分别为0.26～9.51m3、0.06～21.97m3，平均含量为3.53m3/d、11.07m3/d，另含有少量的C2-C4，平均瓦斯含量为7.89m3/t。煤二层气体自然组分中，中西部基本上混入了相对较高的CH4成分，和东北部相比，CH4含量增加，南部基本上以CH4为主，不但CH4浓度大幅度升高，而且CH4含量急剧增大。根据煤田地质勘探期间含气量测试结果，煤二层气体自然条件组分中，CO2占15.47%～95.22%，平均55.17%、CH4占2.02%～76.62%，平均37.29%、CO2-CO4占1.36%～13.08%，平均4.17%。

2.3 资源储量适中、丰度高

海石湾矿区煤二层煤层气资源量计算方法采用体积法［17］。计算公式如下：

式中：Gi为煤层气地质储量，106m3；A为煤层含气面积，km2；h为煤层净厚度，m；D为煤的干燥基质量密度，t/m3；Cad为煤的干燥基含气量，m3/t。

按照块段划分，将区内煤层气CO2资源量计算划分为八个计算单元，CH4资源量计算划分为七个计算单元。计算结果：煤二层（CO2）资源量11.44×108m3，CH4资源量3.04×108m3，煤层气资源总量为14.48×108m3，根据《煤层气储量估算规范》（DZ/T0216—2020）中附录D中的D.1和D.2可知，该矿区属于中型储量规模，地质储量丰度为2.24×108m3/km2，属于高地质储量丰度煤层气藏。

3 煤层气富集主控因素

3.1 煤层厚度大、埋深适中,利于气体的生成

海石湾矿区煤层厚度较大，为气体大量生产奠定了物质基础。根据该区域煤炭勘查钻孔数据可知，随着煤层厚度增大CO2含量逐渐增大，通过回归可知其相关关系式为y=0.140 1x+2.832 8（R2=0.448 6），主要原因为CO2气体含量与井田东部边界的F19断裂密切相关，煤层自西向东逐渐变厚，主要原因是F19断裂在形成过程中的挤压变形造成煤层变厚，靠近F19断裂煤层厚度达到60m左右。F19断裂在井田CO2成藏过程中起到了成气断裂、输气断裂和封气断裂的多重作用。在F19断裂带运动期，动力变质成因CO2在异常高压作用下，为CO2在F19断裂带中提供运移动力，当断裂带停止活动或气体压力降低到一定程度，裂隙闭合，渗透性降低；而进入煤储层中，由于煤对CO2吸附膨胀，导致煤体渗透性降低，此时CO2在煤层中的主要运移形式为扩散，浓度梯度的作用下由F19断裂带向井田西部扩散（由厚向薄），说明F19断裂是CO2含量的主要影响因素（图3）。

图3 煤层厚度与含气量关系Figure 3 Relationship between thickness of coal and gas content

海石湾矿区煤储层埋藏深度与CH4含量呈正相关关系，通过回归可知其相关关系式为y=0.011 8x-7.558 6（R2=0.616，9），煤储层CH4含量随煤层埋深增加而增大，平均每加深100m，CH4吨煤含量增加约1m3；埋深与CO2含量相关关系不明显，说明埋深不是影响CO2含量的主控因素（图4）。

图4 煤层埋深与甲烷含量关系Figure 4 Relationship between depth of coal and CH4 content

3.2 断层配置有利于煤层气保存

海石湾矿区揭露断层共有55 条，但落差大于5m 断层仅有6 条，平均0.93 条/km2，落差小于5m 断层有49 条，平均7.59 条/km2。矿区内小断层发育，由于小断层切割地层不多，规模相对较小，有利于煤层气的储集；矿区煤二层顶板为泥岩-细砂岩，底板为泥岩、炭质泥岩或细粒砂岩，形成了较好的煤层瓦斯储集空间和有利的保存条件，从瓦斯分布剖面来看，小断层附近的CO2含量为6～7m3/t，CH4含量为1.5～2m3/t，总体上略高于区内的煤层平均含气量（图5）。

图5 断层分布与煤层瓦斯赋存关系示意图Figure 5 Schematic diagram of the relationship between fault distribution and coal seam gas occurrence

3.3 顶底板封闭性好,利于气体保存

煤二层伪顶一般为泥岩或细粒砂岩，厚度0～0.4m；直接顶板为泥质粉砂岩、细砂岩，平均厚20m；老顶为煤一层及其顶板泥灰岩、油页岩等。老顶油页岩全区发育，厚度平均为20m，有利于该区域煤层气藏和煤层顶板致密砂岩气藏的保存。煤二层底板一般为灰色、深灰色泥岩、炭质泥岩或细粒砂岩稳定性均好，平均厚度为8.5m。

海石湾井田储盖组合与实测含气量之间存在明显的对应关系。主要表现为顶、底板变化对煤层气组分的影响较大，当煤层直接顶板岩性组合为泥岩，直接底板岩性组合为泥岩、（炭质）泥岩—泥岩时，煤层中CH4含量大于4m3/t，CO2含量小于或等于5m3/t；当煤层直接顶板岩性组合为泥岩、泥岩—细粒砂岩、细粒砂岩时，直接底板岩性组合为泥岩—细粒砂岩、细粒砂岩时，煤层中CH4含量小于或等于4m3/t，CO2含量大于5m3/t。原因之一为CO2在煤层中的扩散运移中表现出对煤层中CH4的驱替效应；另一个原因是煤层对CO2、CH4的吸附解吸以及差异运移等因素导致。海石湾井田CO2的成因为深部无机成因，CO2的扩散能力、分子直径、吸附能均大于CH4，当煤层顶、底板为砂岩，利于CO2向煤层中运移，导致煤层中CO2的浓度和含量增大。CO2含气量变化与CO2运移有关，这种变化会在较长的地质历史中保持下来，CO2向煤层中运移扩散，进一步增加了煤层中瓦斯含量（图6）。

图6 海石湾区块煤二层煤层气储盖组合岩性与含气量关系Figure 6 Relationship between the gas content of the second coal seam and caprocks

4 煤层气高产井生产特征及煤层气高产主控因素

4.1 煤层气高产井生产特征

海石湾矿自2020年开始进行瓦斯地面抽采，截至2022 年4 月30 日，已累计投产30 口井。考虑工程施工因素变化差异不大，为便于分析，排除6口井投产时间短未产气的井。通过对24 口煤层气井近两年半生产数据的统计分析，将煤层气井分为高产井（平均日产气量＞1 500m3）、中产井（1 000～1 500m3）和低产井（＜1 000m3）三种类型，其中高、中、低产气井分别占29%、33%及38%。

高产气井的生产特征：见气相对较晚，平均见气时间35d；峰值产量不明显，衰减缓慢，气量平均可达1 500m3/d以上。以2-2V井为例，该井2021年1月投产，33d后见气，304d后产量峰值达2 607m3/d，未见明显衰减期，截至2022 年4 月底，日产气量1 974m3/d，累产气77.8×104m3。中产气井与高产气井生产特征的差异性：平均见气时间30d，达产时间较快，达到产量峰值的时间平均为860d；峰值产气量较明显；稳产时间很短，衰减快，产气量为500～1 000m3/d；以2-4D井为例，该井于2021年1月投产，28d后见气，162d达到产量高峰2 035m3/d，之后进入稳产阶段，但稳产时间较短，产量稳定在1 700～1 900m3/d，稳产30d 之后开始明显递减，截至2022 年4 月底，日产气量583m3/d，累产气28.8×104m3。低产气井的显著特征：见气时间为25d左右，早期产气量上升到峰值后下降到某一产量，峰值产量低，多为500～800m3/d；之后长期处于低水平稳产，稳产气量平均为100～400m3/d。以D1-2井为例，该井2020年1月投产，21d后见气，120d达到峰值产量430m3/d，之后产量下降并稳定在100m3/d，中间经历几次提产，产量基本在500m3/d以下，且维持时间短，产量大部分时间维持在120m3/d 左右，截至2022 年4 月底，日产气量11m3/d，累产气28.8×104m3（图7）。

图7 海石湾矿典型井生产曲线Figure 7 Production curve of a typical well in the Haishiwan coal ming area

4.2 煤层气高产主控因素

4.2.1 储层压力高，利于煤层气开发

储层压力是地层能量的一种体现，储层压力越高，煤层气开发越有利。试井结果显示，煤二层储层压力梯度为0.90～1.10MPa/100m，为正常压力储层，根据抽采井区试井及排采数据（前期压后自喷）分析可知，靠近东南区域煤二层储层压力大于1.0MPa/100m 更容易形成高产。对比山西沁水盆地相关区块数据，可得知，该参数井的压力梯度高于沁水盆地相关区块。从国内现有开发区块的排采效果来看，储层压力梯度越高，更利于地面抽采，从而说明该井区具备较好的产气潜力［18，19］。

4.2.2 煤层温度较高，利于煤层气解吸产出

矿区内地温随着埋深的增加而增大，地温梯度高。含煤地层从窑街群第四岩组顶部油页岩层向下增温加快、地温梯度增高，该段地温梯度为7.125℃/100m，高于国内其他煤系地层。在区块东南部区域煤二层温度最高可达48.9℃。高温利于煤层气解吸，对排采较为有利［20］。

4.2.3 孔渗性好，裂隙系统发育，且连通性好，利于煤层气的产出

根据矿区西南部高产井区HSW06-3V 井（日产气量达1 500m3/d）煤二层煤样的扫描电镜观测结果（图8）表明，煤样中微孔较发育（图8a、8c），局部见微裂隙（图8b），微孔隙常见方解石、高岭石等充填（图8b、8c）。在丝质体中成群出现的气孔相互连接（图8a、8d），利于气体的扩散运移。压汞测试结果显示煤二的孔隙度相对较高，达到9.63%，且过渡孔、微孔占比相近，两者之和占总孔容达60%。进退汞曲线显示在注汞压力30MPa 时，煤样注汞饱和度约50%，进退汞体积差较大，滞后环较大，反映出开放孔含量较高，孔隙连通性好。

图8 煤二层孔隙形态（SEM）Figure 8 Pore morphology of second layer coal（SEM）

海石湾矿区西南部煤二层中裂隙较为发育，主裂隙平均宽度为13～20μm，次裂隙平均宽度为14～19μm，且不同煤样间的裂缝密度相差较小（3.7～4.2条/cm）（表1），但缝宽和缝长不均匀，且形状各异，在部分观测点出现若干条裂隙相交。根据测试数据显示，本区煤二层原始渗透率为（0.692～3.248）×10-3μm2，属于低渗透率储层，但与沁水盆地煤层渗透率相比，要高于沁水盆地煤层渗透率（0.01×10-3～0.51×10-3μm2）［21-24］。