寿阳区块煤层气勘探开发现状、地质特征及前景分析

(1.中国联合煤层气有限责任公司北京100011；2.美国远东能源公司北京100016)

作者简介:王，男，1966出生，高级地质师，在职博士生，矿产调查与勘查专业，现就职于中联煤层气有限责任公司，多年从事煤炭及煤层气勘探、生产和科研工作。

煤层气的富集与储层特征密切相关，并受地质条件的制约。在详细研究煤储层特征和煤层气富集机理的基础上，分析总结了沁水盆地北端寿阳区块煤层气勘探开发现状，并对开发前景进行了初步评价。根据对煤岩、煤质、煤体结构、孔隙度、渗透率和吸附性的观察和测试，该区煤层具有厚度大、热演化程度高、局部构造煤和裂隙发育、吸附性能强、含气量高、含气饱和度低的特点。总的来说，适合煤层气开发。本区煤层气的富集主要受热演化史和埋藏史控制。在区域变质背景上，叠加岩浆热变质，气体强度高；此外，煤层埋深、顶底板封闭性、水文地质条件都会影响瓦斯含量，煤层气的富集是多种因素有效配置的结果。

煤储层含气量热演化；羽状水平井寿阳区块

寿阳区块煤层气勘探开发现状、地质特征及前景分析

王明寿1，王楚峰1，魏永培2，张新勇1，徐文军1

(1.中国联合煤层气有限责任公司，北京10001 1；2.北京远东能源公司100016)

摘要:煤层气的富集取决于储层特征，同时也受地质背景的制约。在详细研究储层物性特征和煤层气富集机理的基础上，总结了沁水盆地北部寿阳区块的勘探开发现状，并对其前景进行了展望。根据对煤种、煤质、煤结构、孔渗性、吸附性的观察和测试，煤层具有储层厚、热演化高、局部构造煤、裂隙发育、吸附性明显、含气量高、含气饱和度低的特点。总之，研究区适合cbme开发。煤层气富集受热演化史和埋藏史控制。由于岩浆热变质作用叠加在区域变质作用上，生气强度较高；此外，埋深、围岩封闭性和水文地质也影响含气量，煤层气富集是多因素合理匹配的结果。

关键词:煤层气储层；气体含量；热演化；多分支水平井；寿阳街区

介绍

寿阳地块位于山西省中北部，沁水盆地北端(图1)。毗邻的阳泉矿区是我国著名的无烟煤生产基地之一，也是典型的高瓦斯矿区。从1957开始，煤矿瓦斯抽采利用开始[1]。在多年的煤矿生产实践中，积累了丰富的煤矿瓦斯抽采经验，是我国最成功的矿区。目前有8个具有悠久抽放历史的瓦斯抽放站。目前年瓦斯抽采能力达到2×108m3，居全国首位[2]。20世纪80年代初，随着中国煤层气勘探开发的兴起，寿阳区块因其良好的资源条件和开发条件成为中国煤层气开发的热点。从1996开始，中国煤炭地质总局开始在韩庄地区修建HG1井。近十年来，许多单位在该区开展了煤层气基础研究和勘探开发试验，施工了10口参数井或生产试验井(包括远东能源公司施工的3口羽状水平井)。煤层气勘探开发取得阶段性进展。本文总结了该区块近年来的煤层气勘探开发活动。针对该区煤层气勘探实践中遇到的一些地质和技术问题，探讨了该区煤层气富集机理和控气因素，以期指导勘探项目部署，实现该区煤层气开发的突破。

图1研究区交通位置图

1勘探开发的历史和现状

研究区煤层气勘探开发历史可追溯到20世纪70年代，1975。原煤炭部在阳泉矿区建设了部分煤层气地面排水井，部分井也进行了井下压裂增产，但由于当时的技术条件和认识水平，没有达到预期目的[3]。

65438-0995年，联合国开发计划署(U N DP)利用全球环境基金资助、煤炭科学总院xi分院承担的“中国煤层气资源开发”项目和“阳泉矿区煤层气资源评价”专项科研报告，对阳泉矿区(包括产区、平西地区和寿阳地区)煤层气资源开发进行了评价研究，重点是寿阳地区煤层气资源开发。

中国煤田地质总局在韩庄井田1996至1997段施工了HG1、HG6、HG3、HG2等煤层气勘探参数井，取得了该区相关煤储层参数。其中，对HG6井主煤层进行了压裂改造和排水试验，获得了该井的一组生产数据。

1996期间，阳泉矿务局与煤炭科学研究院Xi安分院合作，对阳泉矿区寿阳区煤层气资源进行了评价研究，共同完成了《阳泉矿区寿阳区煤层气勘探开发可行性研究报告》。

中联公司在1997 ~ 1998期间，在寿阳区块施工了4口煤层气井，其中探井1口，生产试验井3口，取得了该区有价值的煤储层参数和生产数据。在1998年，完成了4条2D地震勘探线，共计167km，取得了丰富的地质成果。

2002年4月6日，康菲石油公司和中国联合航空公司正式签署了PSC合同。2003年6月，康菲石油公司与远东公司签订了《寿阳项目转让协议》，远东公司接手运营。根据对寿阳区块前期勘探资料的分析，项目联合管理委员会认为该区块常规直井压裂完井技术不尽如人意，决定在该区块实施羽状水平井，以取得开发突破。2005年，远东公司在该地区建造了三口羽状水平井，其中两口在煤层段的进尺超过3000米。目前，这三口井都在生产。

2地质背景

沁水盆地北端位于太行山隆起带西部，汾河地堑东部，阳曲-孟县带状构造带南翼。总体形状呈东西走向、向南倾斜的单斜构造。区内构造简单，地层平缓，倾角一般在10左右。

从寒武纪到中奥陶世，该区地壳稳定沉降，在古老的结晶基底上形成浅海碳酸盐沉积。中奥陶世以后，由于加里东期地壳运动，华北断块抬升，全区遭受长期剥蚀。至中石炭世，该区地壳再次沉降，沉积了石炭-二叠纪含煤地层，为煤层气的形成奠定了物质基础。随着上覆三叠系地层的沉积，石炭-二叠系煤层埋深增加，温度和压力升高，煤层发生深成变质作用。印支运动使整个地区上升，遭受大面积侵蚀。早、中侏罗世发生强烈的燕山运动，形成北有孟县隆起、南有中条山隆起、东有太行隆起、西有吕梁山隆起的沁水盆地。由于喜马拉雅运动的改造，沁水盆地被晋中断陷和霍山隆起分为三部分，即沁水煤田、西山煤田和霍西煤田。沁水向斜构成一个独立的小构造盆地，该区位于沁水向斜的北转折端。

燕山运动和喜马拉雅运动期间，由于大规模岩浆侵入，大地热流背景值增大。该区石炭、二叠系煤层在原有深成变质作用的基础上，叠加区域岩浆热变质作用，使煤化作用大大加深，形成了该区高变质瘦煤、贫煤和少量无烟煤。

3煤储层特征

3.1主要煤层及其特征

主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，含煤10余层，其中3 #和15 #煤为主要煤层。

上部主煤层(3 #煤层):俗称七尺煤，位于山西组中上部，距下石盒子组与山西组分界砂岩(K8)约20 ~ 30m。全区煤层厚0 ~ 3.78m，煤层较稳定。寿阳矿区西部和阳泉三矿区煤层较厚，其他地区煤层较薄甚至尖灭。结构简单，有时含一层夹矸，顶底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩、细砂岩。

下部主煤层(15 #煤层):位于太原组下部，灰岩标志层(K2)底部为其直接顶板，煤厚0.27 ~ 6.48 m，全区稳定，是研究区煤层气开发的主要煤层。寿阳县附近有潮汐水道砂体，有近南北走向的无煤带，长10km，宽4km。15煤层含1 ~ 3层夹矸，中等结构，以泥岩、砂质泥岩为底板，局部夹细砂岩、炭质泥岩。

3.2煤储层裂缝特征

通过对研究区生产矿井的井下观察和定向块样显微镜下裂隙密度和间距的定量统计，发现煤中的小尺度裂隙比大尺度裂隙更发育，从中尺度到小尺度，裂隙密度增大，间距减小。裂隙的发育程度还与煤岩成分有关。从暗淡型煤、半暗型煤、半亮型煤到亮型煤，裂纹密度增大，间距减小。

镜质体中的裂隙一般是直的，有垂直层理面，也有少数斜层理面。显微镜下观察到的裂纹宽度为2～65438±05 μm；亮煤和暗煤中的裂隙形状复杂，如锯齿状、分叉状、阶梯状、雁形等。显微镜测得的裂缝宽度一般为8 ~ 45微米..

煤中裂隙常见矿物充填，充填物多为方解石、黄铁矿和粘土矿物。方解石多呈脉状充填，黄铁矿呈覆盆子状或瘤状，有时黄铁矿分布于方解石脉中，形成混合充填。

3.3煤层瓦斯含量及赋存规律

寿阳勘探区3 #煤层甲烷含量在5.05 ~ 27.15m3/t之间，平均为11.99m3/t，主要在8 ~ 12m3/t范围内；15 #煤层甲烷含量范围为4.6-27.48 m3/t，平均为12.00m3/t..CH4是煤层的主要解吸组分，一般为70.63% ~ 99.87%。其次是N2和CO2，N2浓度为0 ~ 27.47%，平均为4.90%，CO2为0 ~ 3.00%，平均为65438±0.62%；C2出现在一些样本中。

煤层瓦斯含量的平面分布特征与煤层埋深的变化有关，总体表现为由北向南瓦斯含量随埋深的增加而增加。该区埋深300m，含气量一般小于10.00 m3/t；300 ~ 600 m埋线之间，瓦斯含量为9 ~ 12 m3/t；在600 ~ 1000 m埋线之间，瓦斯含量从12变化到16 m3/t；1000 ~ 1400 m埋线之间，瓦斯含量为16 ~ 22 m3/t；在1400 ~ 1800 m埋深线附近，瓦斯含量为22 ~ 26 m3/t；至最南端煤层埋深线1800 ~ 2000 m附近，最大瓦斯含量可达26m3/t[4]。

3.4煤储层等温吸附性能及含气饱和度

煤的吸附性能决定了煤层气的储存量和生产过程，通常用吸附常数和等温吸附曲线来描述。含气饱和度是指在一定的储层压力和温度条件下，煤层气的吸附饱和度[5]。对研究区已建的10口煤层气井进行了等温吸附试验。测试结果表明，寿阳地区煤的吸附能力较高，3号煤原煤的饱和吸附量(VL)为24.04~37.65m3/t/t，平均值为28.29 m3/t；朗缪尔压力(PL)为1.69 ~ 2.98 MPa，平均值为2.41MPa。15号煤原煤饱和吸附量(VL)为31.55 ~ 34.93m3/t，平均值为33.31 m3/t；朗缪尔压力(PL)为1.79 ~ 2.74 MPa，平均值为2.31MPa。

从SY-XX井等温吸附曲线(图2)可以看出，在0 ~ 8 MPa范围内，随着压力的增加，吸附增量变化明显，尤其是在0 ~ 3 MPa范围内，平均吸附增量为6.42 m3/t . MPa；在3~8MPa和8MPa之间的平均吸附增量为1.66 m3/t MPa；8 ~ 11 MPa之间的平均吸附增量为0.69 m3/t MPa；11到15 MPa的范围只有0.42 m3/t MPa。这说明煤层气井排采降压过程中的产气量峰值应在3MPa至煤层排采废弃压力之间，含气饱和度普遍较低。

图2 SY-XX井3号煤层原煤等温吸附曲线

3.5煤的渗透性

研究区有8口煤层气参数井和生产试验井，共16层煤进行注入/压降测试，获得了较多的煤层渗透率数据。一般来说，煤储层的渗透率相对较好，在0.0352~82.84mD之间，得到的煤层渗透率相差数倍甚至更多，这也从一个侧面说明了煤层的非均质性[6]。

4煤层气富集机理

4.1煤的热演化史和埋藏史是煤层气富集的主要控制因素。

大量资料表明，该区煤层气的富集主要受该区煤的热演化史和埋藏史控制[7]。沁水煤田石炭纪和二叠纪，该区处于稳定平衡沉降阶段，沉降速率为22.82米/年。三叠纪至三叠纪，地壳沉降速率加快，最大沉降速率达到65m/Ma。侏罗纪只发生过短期的微弱沉降，主要是褶皱隆升。根据现有资料，三叠纪末，本区下煤组埋深约3400m，地温约154℃，煤化程度处于肥、焦、瘦煤阶段，处于生气高峰期，平均生气速率为0.8978×108 m3/km2·Ma，白垩纪减缓至0.018。由于研究区位于北纬34°，岩浆热变质作用叠加在区域变质背景上。因此，本区瓦斯强度较高，阳泉、寿阳、昔阳地区瓦斯强度普遍在90×108m3/km2以上。综上所述，成煤期后，研究区有两个主要的热演化阶段，一个是印支期，主要是快速沉降和堆积增温阶段。在这一阶段，石炭系和二叠系煤层的煤化作用加强，煤阶提高。区内大部分地段煤层越过生气阈值，进入主生气阶段(r max > 1.0%)，大部分地区煤层达到生气高峰(r max = > 1.35%)。因此，它被打印出来。另一个是燕山期，主要是岩浆区的热升温阶段。

4.2煤层埋深对煤层气富集的影响

一般来说，随着煤层埋深的增加，瓦斯含量增加。在平面上瓦斯含量由北向南增加，但在钻孔中，下组煤的瓦斯含量高于上组煤。该区煤层气风化带深度为300m，即300m处较浅，煤层气成分中甲烷含量一般小于80%。

4.3煤层顶底板封闭程度对瓦斯含量的影响

研究表明，顶底板岩性和煤储层的封闭性对瓦斯含量有很大影响。顶底板岩性致密、封闭性好的区域瓦斯含量高，反之，瓦斯含量低的区域在平面上与煤层顶板砂岩带基本重合。

4.4水文地质条件对瓦斯含量的影响

煤系地层水在煤层气生成、储存(吸附)和产出的全过程中起着重要作用。主要地质因素(含气量、临界解吸压力、储层压力、渗透率、内外裂缝等)中。)控制煤层气的赋存和产出，煤层水作为一种客观载体，通过与多种因素的相互作用影响煤层气的赋存和产出[7]。煤岩储层压力用煤层水压力表示，常规砂岩储层压力用气体压力表示。因此，煤层水压的高低反映了煤岩储层的能量。煤岩对甲烷分子的吸附能力主要与温度和压力有关。在煤层水压的作用下，浅部煤层仍保持较高的原始瓦斯含量，一定量的瓦斯被圈闭在煤岩储层中，形成煤层气藏[8]。

在研究区内，主煤层高瓦斯区与当地地下水等压线低洼区吻合较好。例如，韩庄井田主煤层的瓦斯含量是研究区最高的。相比之下，该区奥陶系、太原组、山西组含水层等雨量线均处于低洼状态，地下水明显滞流是韩庄井田主煤层瓦斯含量高的重要原因。

地下水矿化度和水质类型的分布规律进一步证明了上述规律。韩庄井田中奥陶统灰岩含水层存在高矿化度中心，矿化度在2000 mg/L以上，太原组含水层中，该区矿化度最高，在1500mg/L以上；在山西组含水层中，该带的矿化度最高，在1000mg/L/L以上，这一高矿化度带与主煤层的高含气带高度一致，进一步揭示了缓慢或停滞的地下水对煤层气的保存和富集的重要作用[2]。

需要指出的是，沁水盆地北端煤层气的富集是上述因素综合作用的结果。只有各种因素的有效配置，才能形成富集的煤层气藏。在选择评价和勘探部署时，必须充分考虑所有可能影响含气量的因素。

5 .勘探中存在的问题及对策

自1997年中国煤田地质总局建造HG1煤层气探井至今已有10年。目前可以说取得了阶段性进展，但客观来说，这方面的勘探开发进展缓慢。究其原因，既与近年来煤层气产业发展的大气候有关，也与对该地区地质规律的认识水平以及所采用的煤层气完井方法和技术有关。

在1996 ~ 1997期间，中国煤田地质总局修建的四口井均位于韩庄精查区。由于韩庄的精查勘探由煤炭队完成，对地质资料的占有和研究程度非常高，因此井位的选择非常成功，煤层厚度、含气量等主要参数非常乐观，特别是生产试验井HG6压裂后。单井最大日产气量为1300m3。现在回想起来，这口井应该是比较成功的，但受限于当时对煤层气理论和工程技术的认识水平，比如钻井时对储层污染重视不够，排水时没有建立合理的排水系统，造成了煤层吐砂、埋泵等事故。中联公司施工的1探井，由于选在煤炭勘探空白区，又因地层涌浪、漏水，未能达到预期目的。但由于当时勘探思路的影响，在构造高点选择了三口井的小井组，对该区水文地质条件研究不够，正好打到了富水区。在排采过程中，裂隙水得到充分补充，液面长期稳定，加上当时的其他因素，最终不得不终止作业。

水平井技术是近年来美国、加拿大、澳大利亚等国煤层气增产的有效技术。远东公司在分析总结该地区以往地质和勘探资料的基础上，决定实施羽状水平井，以求突破。从三口完井的情况来看，是比较成功的。然而，由于羽状水平井的作业成本较高，因此在实施之前，对综合地质进行研究非常重要，包括煤层的力学和物理性质、可钻性和水文地质特征。此外，由于涉及工种多，煤层气羽状水平井的施工也是一项系统工程，有效、科学的组织管理将事半功倍。

6结论

沁水盆地北端煤储层厚度大，埋深适中。煤的热演化程度高，已进入生气高峰期。煤层顶底板密封性能好，瓦斯含量高。煤储层裂缝发育，孔隙以小孔和微孔为主，渗透性好。煤具有很强的吸附性能，但其气体饱和度较低。总的来说，该区煤层气开发条件较好。

煤层气的富集受多种地质条件控制，是多种因素有效配置的结果。在这些地质因素中，煤的热演化史和埋藏史起主导作用。其他因素，如顶底板的密封性能、水文地质条件、埋深等。，也影响天然气富集，因此在选择和勘探部署时应综合考虑各种因素。在增产措施的选择上，建议采用传统直井压裂与羽状水平井相结合的政策，同时尝试近年来取得良好效果的清洁压裂液、氮气泡沫压裂等先进技术和工艺。

参考

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