鸡西煤田梨树煤矿地面煤层气抽采潜力_李林.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY productivity prediction; gas content; permeability 梨树煤矿位于鸡西煤田南部条带的西南部， 为老 穆棱矿东扩区深部。近年来，随着主采 14 号煤层 的采掘深度加深， 煤矿瓦斯已成为制约煤炭安全生产 的主要因素。20082010 年，该矿绝对瓦斯涌出量 为 34.92～64.01 m3/min， 相对瓦斯涌出量 25.98～34.43 m3/t，为高瓦斯矿井。目前开采区域瓦斯压力 1.5～2.0 MPa，远高于 0.74 MPa。随着开采深度的加大，该矿 后续生产的瓦斯治理形势日趋严峻。为解决上述问 题，缓解煤矿开采和瓦斯抽采在时间和空间上的矛 盾，龙煤集团鸡西分公司除加强井下抽采系统建设 外，积极探索地面煤层气抽采。20122013 年，在 梨树煤矿实施 1 口地面煤层气试验直井， 平均产气达 1 000 m3/d 以上，最高产气量达 2 000 m3/d 以上。以 该生产试验直井XX-01 井为研究对象，深入分析含 气量和渗透率， 并对生产数据进行历史拟合， 建立梨 树煤矿地质储层参数模型，预测地面煤层气抽采潜 力，以期为后续地面煤层气开发提供借鉴。 1 煤层气地质条件 梨树煤矿整体为一走向近 NE、倾向近 SE 的单 ChaoXing 68 煤田地质与勘探 第 45 卷 斜， 由北向南依次发育 5 条规模不大的 EW 向褶曲， 以 DF3和 DF15断层为界北部自西向东 4 条 NW 向 SN 向的高角度正断层将井田划分为 4 个块段，南 部发育南北、北东、北西向规模较小的断层，构造 复杂程度中等图 1。 区内主要含煤地层为白垩系下 统的穆棱组和城子河组，其中全区可采煤层为 3 号 和 14 号煤层。结合井下瓦斯涌出量数据，区内地面 煤层气开发的目标煤层为 14 号煤层。 图 1 梨树煤矿 14 号煤层构造纲要图 Fig.1 Tectonic outline of coal seam14 in Lishu mine 14 号煤层厚度为 1.0～3.4 m，平均 2.0 m。煤的 镜质体最大反射率为 0.96～1.28， 煤种为肥煤焦 煤。显微煤岩组分中，镜质组体积分数为 77.7～ 84.9，惰质组次之，为 15.1～22.3，壳质组少见。 灰分为 15～27，属中低灰分煤。区内主要的充 水因素为煤系自身的岩层裂隙或断层充水， 水文地质 条件简单，对后期地面煤层气开发影响较小。 2 煤储特征 2.1 煤层含气量 煤炭生产过程中，对 14 号煤层进行了 43 次含 气量测试图 1 阴影区。考虑测试精度因素，对测 试数据按照“同一测点同一标高处选高值”的原则进 行筛选，筛选可用数据 12 个表 1。14 号煤层底板 标高为-310.8～-247.7 m，含气量为 7.94～10.84 m3/t。 煤层气含量呈现出随着底板标高值减小，含气量增 大的趋势。 根据梨树煤矿 14 号煤层含气量与底板标高的 线性关系，预测深部 14 号煤层含气量为 8～15 m3/t。 XX-01 井气含量测试 14 号煤层含气量为 15.50 m3/t。 实测含气量高于预测值，主要是井下测试方法中因 采样工艺导致损失气过大造成的。因此，梨树煤矿 14 号煤层气含量数据应乘以系数系数为 1.30予以 修正，为 10～19 m3/t。在此基础上，预测梨树煤矿 14 号煤层气资源量为 3.5108 m3，资源丰度为 0.42108 m3/km2。 依据 Langmuir 方程[1-4]，采用注入/压降试井测试 表 2，计算 14 号煤层的理论含气量为 15.65 m3/t，含 气饱和度高达 99，封存条件好。 参考国内经验，设定该井废弃压力为 0.7 MPa，计 算出废弃压力对应含气量为 4.7 m3/t。由此可见，该井 含气量降幅可达 10.8 m3/t图 2，地面抽采潜力较大。 表 1 梨树煤矿井下 14 号煤层气含量测试数据表 Table 1 Test data of coalbed methane content of seam 14 coal in Lishu mine 序号 底板标高/ m 埋深/ m 含气量/ m3t-1 序号 底板标高/ m 埋深/ m 含气量/ m3t-1 序号 底板标高/ m 埋深/ m 含气量/ m3t-1 1 -247.2 528 7.94 5 -272.4 579 9.24 9 -300.0 365 7.64 2 -249.2 530 8.04 6 -273.6 620 7.94 10 -306.7 361.5 10.03 3 -250.5 428 9.89 7 -285.0 433 9.56 11 -306.8 360 8.64 4 -270.0 431 8.27 8 -300.0 435 8.23 12 -310.8 355 10.86 2.2 煤储层渗透率与裂隙发育 XX-01 井 14 号煤层的岩心样显示， 煤体结构以原 生-碎裂结构为主，夹碎粒-糜棱结构薄层。室内煤岩 裂隙观测显示， 煤层宏观裂隙发育密度一般 4 条/5 cm， 长度 1～6.5 cm； 镜煤条带中裂隙极发育， 一般 25～30 条/5 cm； 亮煤条带中裂隙发育， 一般 10～15 条/ 5cm； 且未见或少见矿物充填。注入/压降试井测试 14 号 煤层渗透率为 0.6710-3 μm2。 综上所述， 相对较好的煤体结构与较发育的煤 岩裂隙， 为 XX-01 井的后期压裂提供了良好条件[4]。 ChaoXing 第 1 期 李林 鸡西煤田梨树煤矿地面煤层气抽采潜力 69 表 2 14 号煤层储层参数修正前后数据对照表 Table 2 Comparison of reservoir parameters of seam 14 before and after correction 参数 煤厚/ m 埋深/ m 容重/ tm-3 含气量/ m3t-1 CH4/ 储层压力/ MPa 储层温度/ ℃ 孔隙度/ 渗透率/ 10-3 μm2 VL/ m3t-1 PL/ MPa 吸附时间/ d 实测值 3.05 831.68 1.45 15.50 98 7.3 37.28 1.0 0.67 20.78 2.39 3.46 拟合值 3.05 831.68 1.45 15.50 98 7.3 37.28 1.5 1.50 20.78 2.39 3.46 图 2 梨树煤矿 XX-01 井 14 号煤层含气量降幅示意图 Fig.2 Schematic diagram of the decreasing amplitude of CBM content of seam 14 in well XX-01 in Lishu mine 该井压裂裂缝总缝长可达 260 m，且加砂规模达到 了 12 m3/m。 3 煤层气试验井产能特征 XX-01 井的产气情况见图 3。排采期间，工况 平稳，产气效果良好。按照排采阶段划分，该井交 井时处于产气相对稳定阶段[5]。动液面距离 14 号煤 层的距离约 165 m，故预测其仍有继续上升的可能。 该井排采各阶段特述如下。 图 3 XX-01 井排采曲线 Fig.3 Production curve of well XX-01 a. 稳定降压阶段，排采共计 12 d，动液面由 42.22 m 下降到 98.93 m，日平均下降量为 5.31 m， 日平均产水量 3 m3。储层压力由 7.726 MPa 下降到 7.170 MPa，日平均压力下降量为 0.046 MPa。 b. 产气快速增加阶段含临界产气阶段，考虑到 排采第 13 d 开始产气，之后产气连续且快速上升，故 将临界产气阶段含在产气快速增加阶段。排采共计 158 d， 按产气增加速率大致划分 2 个阶段 第一阶段， 排采第 34 d 至日产气量达到千方，共计 22 d，产气增 加速率近 50 m3/d。 动液面由 98.93 m下降到 272.94 m， 日平均下降量为 7.9 m。 储层压力由 7.170 MPa 下降到 5.654 MPa，日平均压力下降量为 0.068 MPa；第二阶 段，日产含量千方至突破 2 000 m3，共计 136 d，产气 增加速率较前者慢，为 7 m3/d。动液面由 272.94 m 下降到 595.97 m，日平均下降量为 2.37 m。储层压 力由 5.654 MPa 下降到 2.447 MPa， 日平均压力下降 量为 0.024 MPa。 c. 产气相对稳定阶段， 排采第 171 d 直至交井， 产气量一直在 2 000 m3/d 上下波动。共计 73 d。动 液面由 595.97 m 下降到 666.86 m，日平均下降量为 0.97 m。储层压力由 2.447 MPa 下降到 1.752 MPa， 日平均压力下降量为 0.009 5 MPa。 4 煤层气抽采潜力 利用数值模拟CBM-SIM软件[6-9]，对 XX-01 井 的生产数据进行历史拟合。拟合后建立的地质储层参 数见表 2，修正后渗透率为 1.5010-3 μm2，孔隙度为 1.5。 按照 300 m250 m 矩形井网， 进行产能预测图 4和表3。 可以看出， 梨树煤矿垂直压裂单井排采15 a， 累计产气量 4.23106 m3，采收率 48.94。 考虑到梨树煤矿煤层气资源及可供开发区域 等因素，区内煤层气开发可实现年产 3.0107 m3的 规模。 市场气价为 2.9 元/m3， 财政补贴为 0.2 元/m3， 故区内煤层气开发直接经济效益税后财务内部收 益率为 12.23，大于财务内部基本收益率 8； 税后财务净现值为 6 048.03 万元；税后投资回收 期为 6.60 a，小于基本投资回收期 8 a，区内煤层 气开发具有一定的经济可行性。考虑煤矿安全效 益，排采 15 a，采收率达 48.94，相应煤层气含 量由 15.50 m3/t 降低至小于 8 m3/t，瓦斯压力降至 0.74 MPa 左右。参考区内防突、治理瓦斯费用， 区内地面抽采瓦斯后，可节省吨煤安全费用 46.1 元，安全效益显著。 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 4 梨树煤矿煤层气垂直压裂单井产气量预测曲线 Fig.4 Gas production prediction curve of fractured single vertical CBM well in Lishu mine 表 3 梨树煤矿煤层气垂直压裂单井产气量预测数据表 Table 3 Gas production prediction data of fractured single vertical CBM well in Lishu mine 时间/a 累计产气 量/104 m3 年产气量/ 104 m3 年平均日产 气量/m3d-1 采收 率/ 1 76.81 76.81 1 645.55 15.10 3 191.19 47.06 1 307.35 30.39 5 258.48 30.16 837.76 37.59 7 305.32 21.62 597.34 41.72 9 341.40 17.07 470.45 44.40 11 371.54 14.52 401.01 46.32 13 398.20 13.00 359.21 47.78 15 422.64 11.95 335.16 48.94 5 结 论 a. 梨树煤矿 14 号煤层含气量为 10～19 m3/t， 与 国内同煤级煤层比较， 梨树煤矿主采 14 号煤层含气 量值中等。 以 XX-01 井为例， 含气饱和度高达 99， 气含量降幅可达 10.8 m3/t，显示了该区地史演化过 程中气体损失量小，封存条件好。 b. 原生-碎裂结构为主的煤体结构及较发育煤 岩裂隙，决定了梨树煤矿主采煤层较好的渗透性及 后期较好的储层改造效果。以 XX-01 井为例，修正 后的渗透率达到 1.5010-3μm2；压裂改造裂缝总缝 长可达 260 m。 c. 对 XX-01 井的生产数据进行历史拟合， 拟合 后渗透率为 1.5010-3μm2，孔隙度为 1.5。在建立 的地质储层参数模型基础上，按照 300 m250 m 的 矩形井网进行产能预测。 预测显示， 梨树煤矿煤层气 垂直压裂单井排采 15 a，累计产量可达 4.22106 m3， 且经济效益、安全效益可行。因此，梨树煤矿具有 较好地面煤层气抽采潜力。 参考文献 [1] 张培河， 原德胜， 张进军. 鄂尔多斯盆地低变质煤的煤层气抽 采潜力-以彬长大佛寺矿为例[J]. 中国煤层气，2011，85 13-16. 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