黄晓明1 F.Andrew2 莫日和1 王洪洲2 林亮1
(1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011 2.加拿大英发能源公司 安徽宿州 235200)
摘要:本文从地质及储层特征等技术层面上探讨了淮北煤田芦岭矿区煤层气井的生产条件，这些生产试验井的钻探目的是(1)评估煤层气的生产特性，(2)确定储层的排采条件，(3)评价并改进完井技术，进而(4)全面评估煤层气生产所面临的问题。勘探结果显示该井区煤层发育稳定、内生裂隙发育、煤层气含气量中等偏高，含气饱和度较高，表明具有较好的煤层气生产潜力。300m井间距的煤层气生产试验井组已于2010年4月投产，本文着重探讨了CLG09V－01井的煤层气生产条件。
关键词:煤层气生产试验井煤层等温吸附实验煤层气生产条件
Technical Studies of the CBM Pilot in Luling Coal Mine Area，Suzhou，China
HUANG Xiaoming1F. Andrew2MO Rihe1WANG Hongzhou2LIN Liang1
( 1. China United Coalbed Methane Co. Ltd. ，Beijing 100011，China 2. Canelite Energy，Suzhou 235200，China)
Abstract: This paper is a technical approach documenting geology and reservoir property studies of Luling coal － mine CBM pilots. The pilot wells were drilled to ( 1) assess gas productivity，( 2) determine if the reser- voir can be dewatered，( 3) evaluate and improve completion techniques，and ( 4) assess full-field development issues，and it has showed a high CBM potential for the well developed coal seams with a good cleated coals，and the medium gas contents with a comparatively high saturated coals of these wells. The pilot wells at 40-acre well spacing were put on production in April 2010，and this paper focus primarily on the productivity of the CLG09V- 01 well.
Keywords: CBM-pilot; coal seams; adsorption isotherms; CBM productivity
黄晓明，中联煤层气有限责任公司，邮箱:[email protected]，电话:64298881。
安徽宿州芦岭煤矿位于淮北煤田的东南缘，距宿州市20km，矿区面积23km2，煤炭年生产能力180万t(中煤地质总局，1996)，矿区同时位于中联公司拥有探矿权的宿南煤层气勘查区块的东部(图1)。宿南煤层气区块面积约850km2，是我国第一个与外国公司签署的中外合作煤层气勘探开发项目，目前外方作业者为加拿大英发能源公司。本次调查工作主要集中在芦岭矿区范围内施工的一口煤层气参数+生产试验井，CLG09V－01井。该井连同与其相关的300m井间距的生产井组已于2010年4开始进入煤层气排采试验阶段。包括本区在内的整个宿州地区一直是煤层气勘探开发的热点地区，也是包括煤矿、油气公司和煤层气专业公司针对煤层气资源勘探投入较大、研究程度较高、开发利用较为成熟的地区之一。通过持续不断的勘探投入，该地区的煤层气商业开采(结合瓦斯治理)已初具规模。早在20世纪90年代初，依托联合国煤层气资源评价项目在包括芦岭矿区在内的整个宿南煤层气区块范围内施工了两口煤层气参数井(CQ－4，5井)，取得了较好的勘探成果。1998～2002年，美国德士古(Texaco)石油公司作为第一个外方合作者在距芦岭煤矿西南15～20km范围内施工了9口煤层气参数井，包括一个300m井间距的生产试验井组，最高单井产气量为1700m3/d，最低500m3/d。2004～2008年，芦岭煤矿在距CLG09V－01井东南5km的煤矿塌陷区施工了7口煤层气生产井，井间距250m，初期单井最高产气量为3000m3/d，投产两年多以来，目前单井产量稳定在1000m3/d左右，所生产的煤层气供煤矿瓦斯电厂发电，实现了煤层气的商业利用。
图1 安徽宿州宿南煤层气区块煤层气勘探开发形势图
1 地质特征
(1)构造
淮北煤田位于华北板块的东南缘，区内构造主要表现为在东西向隆起带的基础上，受北北东向逆冲断裂控制而形成的一系列近南北向的断块。导致古生界地层呈北北东向展布，地层倾向偏东，倾角一般为23°。
芦岭矿区位于淮北煤田东南缘，北界为东西向的宿北断裂，南部靠近板桥断裂，这两条东西走向、倾向相向的同生正断层构成了一个区域性的地堑，对矿区的煤系地层沉积起到控制作用。芦岭煤矿东界为一北西向的逆断层，对煤系地层起到明显的改造和控制作用，矿区呈北西向展布，地层北倾，使其在淮北煤田具有鲜明的构造特点。煤田东部逆冲推覆构造发育，从东向西呈叠瓦式推覆，矿井下常见层滑小构造，对采煤有较大影响。矿区周边燕山期火山作用较为频繁，主要表现为酸性火成岩侵入体，多以岩床、岩株和岩脉的形式侵入到古生界沉积地层中。其中，下二叠统山西组地层受岩浆接触变质和岩浆热力变质作用明显，煤质变化大，煤类复杂，以贫煤，无烟煤，天然焦为主。然而，岩浆作用主要发生在宿北断裂以北地区。芦岭矿区受岩浆岩侵入体的影响较小，煤变质程度相对不高，以气煤为主。
(2)地层
芦岭矿区所处的两淮地区在沉积地层上属于南华北地层分区，晚古生界地层为一套三角洲体系和多重障壁体系交替沉积，含多层可采煤层(中煤地质总局，2001)。根据沉积旋回和岩性组合特征，将地层自下而上划分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。CLG09V－01井是在芦岭矿区施工的一口煤层气参数+生产试验井，钻井位置见图1。该井所钻揭的地层主要包括石炭系太原组地层、二叠系山西组和上、下石盒子组地层，以及约250m厚的新生界松散地层。本文着重讨论与主要目的煤层相关的下二叠统煤系地层的岩性组合特点(图2)。
从图2中可以看出，山西组10号煤层的电性特征明显，结构稳定，厚度为2.69m。其直接底板为砂质泥岩，厚3.38m，含水性弱，渗透性较差。其下部紧邻地层到石炭系太原组灰岩顶界之间为厚层状的粉、细砂岩和砂质泥岩间互，表现为高伽马和中高电阻率特征，弱含水，渗透性好于煤层底板。10号煤的直接顶板为6.08m厚的细砂岩，纯净且渗透性较好。传统的煤层气地质理论认为，渗透性好的煤层顶、底板不利于煤层气的保存。然而根据我们多年的煤层气地质勘探实践发现;较好的渗透性有利于煤层气的排出，从而促进了煤层气的大量生成，有效地提高了煤储层的煤层气含气饱和度(黄晓明等，2010)，这点在本文后面的讨论中再次得到印证。
下石盒子组地层中包含了两套主要目的煤层。8号煤层厚达9.19m，但井身结构不稳定，煤芯破碎，扩径明显。直接顶、底板为砂质泥岩，含水性弱，渗透性较差。但其上部紧邻地层为10m厚的细砂岩(见图2)，渗透性好，若因断层错断导致煤层与该渗透层直接接触，可有效地提高煤层的排烃效率，从而提高煤储层的煤层气含气饱和度。7号煤层厚2.36m，顶、底板为泥岩，含水性弱，渗透性差，内生裂隙发育，具有较好的煤层气渗流通道，但煤层顶、底板的封闭性在一定程度上影响了其生烃效率。
CLG09V－01井区的上、下石盒子组地层分界在井深510m处，以紫斑状铝质泥岩为地层划分标志层。上石盒子组地层由紫、黄绿和杂色砂岩、粉砂岩和泥岩互层组成。在宿南煤层气区块其他地区较为发育的3号煤层，在本井区不发育。
(3)水文地质
淮北煤田二叠系含煤地层含水性弱，断层破碎带一般为泥质充填，亦为弱含水性。本区主要含水层包括:新生界松散地层含水层2～3层，一般厚5～20m，单位涌水量0.26～1.21L/s·m，最下一层含水层直接覆盖在煤系地层之上。石炭系太原组灰岩含水层位于二叠系煤系地层之下，单位涌水量变化较大，在本井区涌水量极小。新生界及太原组灰岩含水层对芦岭煤矿无直接充水影响。二叠系煤系地层中的砂岩裂隙水是矿区的直接充水水源，但因其含水性弱，对煤矿开采和煤层气生产不造成重大影响。
图2 宿南煤层气区块芦岭矿区CLG09V－01井实钻地层剖面
2 储层特征
(1)煤岩、煤质特征
7号煤煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，内生裂隙发育，煤芯呈块状，玻璃光泽，断口呈阶梯状，网状结构。煤显微组分含量:镜质组为78.9%，惰质组为17.4%，壳质组未见，无机组分占12.6%，镜质体反射率为0.71%。煤视密度为1.37，灰分为21.97%，挥发分为37.84%，固定碳含量为83.55%。
8号煤煤岩成分由亮煤和暗煤组成，宏观类型为半亮型煤，条痕为黑灰色。煤芯十分破碎，以至于裂隙无法描述，少部分小碎块断口为参差状，呈线理状构造。煤显微组分含量:镜质组为76.2%～85.5%，惰质组为12.0%～19.5%，含微量壳质组成分，镜质体反射率为0.76%～0.83%。无机组分含量不高，平均为7.6%，一般为分散状粘土，个别呈层状或侵染状形态。煤视密度为1.32～1.38，灰分为11.72%～16.78%，挥发分为31.08%～33.74%，固定碳含量为84.88%～85.84%。
10号煤煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，宏观类型以半亮型煤为主，内生裂隙十分发育，裂隙面光滑平整，面裂隙40～42条/5cm，端裂隙28～32条/5cm。煤芯呈块状，条痕为灰黑色，呈金属光泽和玻璃光泽，断口参差状，具孤立网状结构，裂隙被黄铁矿部分充填。煤显微组分含量:镜质组为76.3%～88.1%，惰质组为10.0%～18.8%，壳质组为1.95%～5.0%，无机组分占2.2%～16.2%，镜质体反射率为0.83%～0.90%。煤视密度为1.36，灰分含量平均为10.05%，挥发分平均为36.69%，固定碳含量为82.57%～85.57%。
(2)含气量、等温吸附特性
7号煤的两个煤芯解吸测试结果表明，其空气干燥基含气量为6.10～6.68m3/t;干燥无灰基含气量为7.30～8.00m3/t，吸附时间变化在4.60～4.67天，平均4.64天。气体成分以甲烷为主，占96.67%～96.82%，氮气含量2.92%～2.96%，重烃含量极微。等温吸附实验表明，7号煤的原煤饱和吸附量为12.87cm3/g，干燥无灰基饱和吸附量为16.71cm3/g，兰氏压力为2.21MPa。从等温吸附曲线上可以看出(图3)，原煤等温吸附曲线平缓，干燥无灰基曲率变化明显。
图3 宿南煤层气区块芦岭矿区CLG09V－01井煤芯样品等温吸附曲线
8号煤的18个煤芯解吸测试结果表明，其空气干燥基含气量为8.05～9.85m3/t;干燥无灰基含气量为9.49～11.26m3/t，吸附时间变化在1.34～2.35天，平均2.08天。气体成分以甲烷为主，占94.10～98.25%，氮气含量0.65%～4.87%，重烃含量0%～0.39%。等温吸附实验表明，8号煤的原煤饱和吸附量范围14.89～17.01cm3/g，干燥无灰基饱和吸附量范围18.18～20.12cm3/g，兰氏压力平均为2.35MPa。从图3中可以看出，8号煤等温吸附性与7号煤相比，其原煤曲线和干燥无灰基曲线相近，曲率变化明显增大。
10号煤的4个煤芯解吸测试结果表明，其空气干燥基含气量为7.28～8.69m3/t;干燥无灰基含气量为8.82～10.42m3/t，吸附时间变化在1.37～2.50天，平均1.95天。气体成分以甲烷为主，占94.10%～95.79%，比前述两组煤层的甲烷含量略低，氮气含量变化在3.92%～5.41%，重烃含量0.06%～0.11%。等温吸附实验表明，10号煤的原煤饱和吸附量范围为11.44～15.09cm3/g，干燥无灰基饱和吸附量范围为15.91～16.29cm3/g，兰氏压力为2.04MPa。从等温吸附曲线上可以看出(图3)，相较前述两组煤层其原煤曲线和干燥无灰基曲线形态最为接近，曲率相对较大。
3 生产条件
煤层气生产条件分析可分为宏观评价和微观评价两种(黄晓明等，2010)，这是受煤层气地质属性和其生产工艺双重决定的，也跟从业人员的工作经历密切相关。一般来讲，石油天然气从业人员习惯于从宏观地质条件去分析煤层气的赋存及保存条件，而煤炭地质人员则倾向于从煤岩及煤显微组成等微观特征来分析煤层气的生产条件。
芦岭矿区下二叠统地层主要包含3层可采煤层，分别为下石盒子组的7号煤和8号煤，以及山西组的10号煤。煤层单层厚度较大。煤变质程度相对不高，但随埋深略微增高，煤类以气煤为主。受构造作用影响明显，煤层内部裂隙十分发育。煤显微组成以较高的镜质组含量和较低的惰质组含量为显著特征。煤层气含气量中等偏高，甲烷含量高，重烃含量低。主要目的煤层的原煤饱和吸附量普遍偏低，但含气饱和度不低。下部煤层的煤层气解吸速率要高于上部煤层。
从前述CLG09V－01井的地层发育特征描述中我们可以看出;7号煤层的顶底板为泥岩，渗透性极差，按传统的煤层气地质观念来讲，其对煤层气具有较好的保存条件。然而，从煤层气生成的角度来看，较强的封闭性不利于煤层气的排出，反而会抑制煤层气的大量生成。所幸的是，7号煤层不厚且其内部裂隙十分发育，煤层气的生成才得以持续发生，因此煤层气含气饱和度并不低。7号煤相对较低的含气量与其吸附特性和煤的热变质程度相对较低有关。8号煤层的顶底板为砂质泥岩，渗透性相对较好。然而厚度近10m的煤层却成为其内部煤层气有效排出的障碍，降低了部分煤芯样品的含气饱和度。10号煤层的顶底板为细砂岩，渗透性好，且煤层厚度适中，煤层受热变质程度最高，因此，煤层作为烃源岩其煤层气得以充分生成并持续排出，同时煤层作为储层其煤层气含气饱和度达到并超过100%。
通过以上分析结合煤层的等温吸附特性，我们可以看出:CLG09V－01井山西组的10号煤层具有煤层结构稳定，内生裂隙十分发育，煤层气含气饱和度高，等温吸附曲线曲率大，兰氏压力低的特点，在三个主要目的煤层中，其生产条件最好，初期产量应该最高。8号煤和7号煤也具有裂隙发育，含气饱和度高的特点，生产条件也是比较好的，特别是8号煤层巨厚，是煤层气能够持续高产稳产的保证。7号煤的等温吸附曲线最为平缓，表明解吸条件相对较差，测试数据也表明其解吸天数是最多的，此外，其兰氏压力也较大，而兰氏体积相对不高。
另外，有煤田地质工作者在进行煤层气资源可采性评价工作中，将较高的惰质组显微组分含量作为煤层气可采性最为有利的指标(吴昱，2010)。CLG09V－01井的煤芯样品分析结果表明，本井煤样中惰质组含量相对沁水盆地等要低，但其对生产条件的影响到底有多大，还需更多的实际资料加以验证，至少在本井区看不出有多大影响。本井区三套主要目的煤层煤样品分析结果表明，三层煤的惰质组组分含量几无差别，均普遍偏低，但煤层气解吸时间却相差较大，7号煤解吸时间要比8号煤和10号煤高一倍多，10号煤解吸时间最短。可见，惰质组组分含量不是影响芦岭矿区煤层气可采性的主要因素。
结语
安徽宿州地区位于我国著名的淮北煤田南部，是我国煤层气地质条件和地面条件最好的地区之一，也是我国第一个对外合作勘探开采煤层气的地区。先后有雪佛龙公司、淮北煤矿、米歇尔米勒公司(WilliamW.Vailetal.，2006)和中联公司等多家煤炭企业、石油公司和煤层气专业公司做过煤层气地质评价，结果均表明该地区煤层气潜力巨大，勘探开发风险较小。
芦岭矿区所在的宿州煤层气区块已有十余年的勘探历程，商业开采也有两年以上，目前的煤层气生产井以直井为主，采取的是套管完井技术，水力压裂或部分注入氮气等增产措施。生产井持续高产稳产，实现了商业化利用，提高了煤矿安全生产保障。
下二叠统山西组的10号煤和下石盒子组的8号和7号煤是本区煤层气的主要气源岩和储集层。原煤镜质组含量高，中等变质程度，煤吸附能力和煤层厚度适中，顶底板条件好，有利于煤层气的生成和富集。煤储层温度高、渗透率相对较大，内生裂隙十分发育，煤层气含气饱和度高，临/储压力比大，有利于煤层气的产出。
10号煤层的储层压力大，含气饱和度高，煤解吸速率高，对煤层气初期产量贡献大。8号煤层厚度巨大，煤层气资源丰富，是煤层气高产稳产的基础，但煤层受构造影响而破碎，在一定程度上影响了其初期产量。7号煤含气量低，但饱和度较高，顶底板封闭性强，使其保持了较高的原始地层能量。三层煤合采可实现优势互补，合理的控制生产节奏，就可借助7号煤和10号煤先期释放的游离气对8号煤层的渗流条件进行有效的改造，从而加快厚煤层中煤层气的持续析出，我们称之为煤储层自改造机理(黄晓明等，2010)。
参考文献
黄晓明等，2010.煤层气地质勘探实例分析［M］.苏州:石油工业出版社
吴昱，2010.西山矿区煤层气资源可采性评价［J］.中国煤层气，(4)
中国主要煤矿资源图集第三卷.北京:中国煤田地质总局，1996
中国煤田地质总局，2001.中国聚煤作用系统分析［M］.徐州:中国矿业大学出版社
William W. Vail and J. Matthew Conrad . 2006Resource Assessment of the Huaibei CBM Concession， Anhui， Chi- na. Marshall Miller ＆ Associates