(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州221008；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221008)
通過對洪恩礦區地質背景、煤儲層特征、煤層氣賦存特征及控氣地質因素的研究，發現該區500 ~ 1000 m深度煤層的煤結構、孔隙類型及頂底板巖性均有利於煤層氣的吸附保存，但也存在低滲透率、低儲層壓力、煤層非均質性強等不利因素。主要煤層平均瓦斯含量大於8m3/t，瓦斯含量受埋深和構造控制最為明顯，蓋層、煤階、煤厚和水文地質等其他條件也有利於煤層氣富集。綜合考慮，該區煤層氣開發前景良好，但滲透性差、構造條件復雜是最不利因素。應探索套管壓裂完井和超短半徑水平井開發模式，配合高能氣體壓裂和“虛擬產層”等其他增產措施開展煤層氣開發試驗。
關鍵詞:洪恩礦區煤層氣含氣量勘探開發
項目支持:國家“973”煤層氣項目(2009CB219605)、國家科技重大專項(2011ZX05034)、國家自然科學基金重點項目(40730422)、青年科學基金項目(40802032)。
作者簡介:張金波，1987出生，男，河北南宮人，中國礦業大學資源與地球科學學院碩士研究生，研究方向為煤層氣與氣體地質。聯系電話:18795426212，郵箱:xiaopo688@126。com
洪恩礦區煤儲層及含氣性特征及勘探開發建議
(張金波1，2伍彩芳1，2)
( 1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州221008。中國2。煤層氣資源與成藏重點實驗室，江蘇徐州221008)
文摘:通過對洪恩礦區地質背景、煤儲層特征、煤層氣富集規律及地質控制因素的研究，發現在500 - 1000 m深度範圍內，煤的結構、孔隙類型、頂底板巖性等條件有利於煤層氣的吸附和保存。但也存在低滲透率、低儲層壓力、煤的非均質性強等不利因素。主要煤層平均含氣量大於8 m3/ t，深度和構造是煤層氣最明顯的控制因素。其他條件，如蓋層、煤階、煤層厚度和水文地質等，也有利於煤層氣的富集。總的來說，該區煤層氣開發前景良好。但滲透性差和復雜的構造條件可能是最重要的不利因素。應探索以套管壓裂完井和短半徑水平井為主要開發方式，結合其他增產措施，如高能氣體壓裂、"虛擬層"概念等，進行煤層氣開發試驗。
關鍵詞:洪恩礦區，煤層氣，瓦斯控制因素，瓦斯含量，勘探開發。
洪恩礦區位於雲南省東部的曲靖市。全區呈北、東南、西三向帶狀分布，長53公裏，寬9 ~ 20公裏，面積620平方公裏，其中含煤面積485平方公裏。含煤地層為晚古生代上二疊統宣威組(P2x)，2000m淺部煤層氣資源量為61.29億m3，其中82%以上的煤層氣資源埋藏在1.000m深處，具有良好的煤層氣開發前景(鄧等，2004)。
前人對該區的盆地構造特征、煤層氣成藏條件和有利區塊篩選進行了研究(鄧等，2004；王朝東等人，2004年；桂，2004)，認為洪恩礦區是滇東黔西煤層氣勘探開發的有利區塊之壹(桂，2004)。本文在研究洪恩礦區煤層氣賦存特征的基礎上，進壹步探討了適合該地區的勘探開發方法，以期為該地區煤層氣開發提供思路。
1的地質背景
1.1的結構和受力特征
洪恩礦區位於揚子板塊康滇古陸的東緣，其主體是壹個軸向北北東-近南北向的大型向斜構造，其中次級和背斜褶皺構造密集分布，自西向東依次為洪恩向斜、牛頭山復斜和關平大坪向斜。軸向近南北，均為北傾南擡，延伸15 ~ 30km，分布面積數十至數百km2。向斜核心出露的最新地層為中三疊統關嶺組(T2g)或下三疊統永寧鎮組(T1y)，背斜軸部最老的地層為上二疊統峨眉山玄武巖組(P2β)或下二疊統茅口組(P1m)，兩翼傾角壹般為10° ~ 30°。壓扭性、張扭性和走向斷層十分發育。主要斷裂有富源-彌勒斷裂、關平-阿崗斷裂和彌勒-師宗斷裂。圍繞主斷層派生出* * *軛的壹系列小斷層或次級斷層，全區應力場明顯為張扭性(桂，2004)，如圖1。
1.2煤層沈積特征
晚二疊世成煤期，古特提斯洋殼繼續向東俯沖，康滇古陸繼續上升為剝蝕區，雲南東部位於板塊內川黔滇斷陷沈積區西緣。以甘洛小江南北向古斷裂線為西緣沈積邊界，在“西升東降”的蹺蹺板機制控制下，東壁繼續下沈，形成以河流三角洲沈積體系為主的含煤系，總厚度205 ~ 335 m，平均厚度250m含煤18 ~ 73層，總厚度15.99 ~ 67.68m，平均32m可采煤層8 ~ 20個，壹般11 ~ 13，可采厚度10 ~ 31m，平均18m(宋洋等，2010)。
1.3的水文地質特征
該區地處高原山區，以中低山為主，是典型的喀斯特地貌區。地形切割強烈，溝谷發育，排水條件良好。煤系及上覆地層中下三疊統卡依頭組(T1k)、下三疊統飛仙關組(T1f)和上二疊統峨眉山玄武巖組(P2β)富水性弱。下三疊統永寧鎮組(T1y)和中三疊統關嶺組(T2g)主要為灰巖，熔巖裂隙發育，富水性強，但與含煤地層相隔數百米的隔水層或弱含水層，對含煤地層影響不大。受巖性控制，斷裂帶富水性和導水性弱。淺風化帶單位湧水量(Q)為0.0104 ~ 0.0899 L/s·m，壹般低於0.05 L/s·m，有利於煤層氣保存。
總的來說，各水文地質單元的地下水力聯系不強，水文地質條件簡單。煤系地層多為裂隙軟弱含水層，地下水的補給、直徑和排泄僅限於淺部(垂向深度50m)。
圖1礦區構造輪廓圖(鄧2000)
1.4煤巖特征
該區宏觀煤巖類型主要為半亮半暗型煤，其次為暗淡型煤。煤和巖石的顯微組分在75%和89%之間。其中以鏡質組為主，占58% ~ 82%，其次是惰質組，占10% ~ 35%，半鏡質組較少，占4% ~ 11%，幾丁質組含量很少。煤體結構以原生結構為主，壹般為均勻、似均勻、條帶狀，以中、薄條帶狀為主，其次為線理。
各煤層原煤平均灰分為16% ~ 29%，下部(En 21的煤以下)和上部(En 71的煤以上)的灰分在縱向上較高，而中部煤層的灰分較低。在平面上，灰分含量從東南向西北增加。各煤層原煤全硫含量壹般為0.50% ~ 6.80%，平均為0.16% ~ 5.30%，屬超低硫高硫煤。在垂向上，煤系中部較低，上部尤其是下部煤層較高。平面上壹般從東南(海)向西北(陸)遞減，與灰霾呈正相關或負相關，如圖2所示。
圖2洪恩礦區煤的灰分和全硫含量變化曲線
鏡質組反射率平均範圍為65438±0.278% ~ 65438±0.699%，主要成分為焦煤-瘦煤。受深成變質作用和巖漿熱變質作用的控制，老煤階隨煤層水平變化而縱向上升。在平面上，各煤層的變質程度從礦區的西北向東南遞增，但在礦區東部靠近主斷層處，變化幅度有增大的趨勢。
2煤儲層特征
2.1孔斷裂特征
煤層孔隙和裂縫的發育直接影響煤層的滲透性，是決定煤層氣運移和產出的主要因素之壹。煤層裂縫可分為三種類型:微裂縫、內生裂縫(解理)和外生裂縫。其中，割理對煤層滲透性的貢獻最大，割理可分為面割理和端割理兩種。前者比後者延伸得更遠，連續性更強。根據對礦區煤層的觀測，發現表層割理寬度為0.1 ~ 1.0 mm，長度為20 ~ 85 mm，末端割理寬度為0.05~0.45mm，長度為1.5 ~ 5.4 mm，表明該區煤層中存在內生裂隙，割理的開放性較好(聶等，2000
煤層孔隙是吸附氣體的儲存場所，不僅是決定煤層含氣性的關鍵因素，也是煤層氣滲流的通道。根據該區部分煤礦的實測資料，該區孔隙度在0.7%-4.4%之間，平均為2.8%，孔隙度較低。微孔和過渡孔占優勢，占總孔體積的63.8%，占總比表面積的98%以上。說明煤具有很強的吸附能力，有利於煤層氣的儲存，但不利於煤層氣的擴散和滲流(宋洋等，2010)。
2.2儲層壓力
目前沒有該礦區煤層氣參數井的試井壓力數據。根據水頭高度數據換算，礦區煤儲層壓力在0.255 ~ 2.002 MPa ~ 2.002 MPa之間，壓力梯度在4.412 ~ 8.920 kPa/m之間，屬於低壓、超低壓儲層狀態。但從實測資料來看，該區淺部實際含氣量往往大於理論含氣量，甚至在部分富氣區存在超壓儲層，說明該區儲層非均質性較強，儲層壓力的分布及控制因素有待進壹步研究。
2.3滲透性
2004年，雲南省煤田地質局與中聯煤層氣公司合作，在洪恩礦區南部打了兩口煤層氣參數井。根據獲得的試井資料，EH-01井9#和16#煤層滲透率分別為0.016mD和0.0045mD，EH02井9#、16#和21#煤層滲透率分別為0.065438+。煤層滲透率差，16#煤層兩口井滲透率相差壹個數量級，表現出較強的非均質性。隨著埋深的增加，滲透率增加，根據取心資料分析，這可能是由於煤的結構發生了變化。9#、16#煤層受構造破壞嚴重，多有糜棱巖煤構造；下部煤層煤體結構較上部煤層完整，以原生構造和裂隙構造為主，滲透性較好。
3含氣控氣因素
3.1含氣性
該區煤層氣含量較高，且隨著埋深的增加而增加。9#煤層甲烷含量為3.72 ~ 14.54 m3/t(幹基無灰，可燒基；下同)；平均為8.68m3/t，16#煤層甲烷含量為3.92 ~ 21.98m3/t，平均為10.20m3/t..21#煤層甲烷含量為4.50～16.36 m3/t，平均為10.69m3/t..除甲烷外，還含有少量的CO2、N2和重烴氣(表1)。
表1洪恩礦區部分煤層瓦斯含量及瓦斯成分統計表
從平面上看，本區煤層氣的分布明顯受向斜和背斜褶皺構造控制。壹般隨著埋深的增加，向斜兩翼軸部甲烷含量增加，兩者呈對數關系。瓦斯含量等值線分布與煤層底板等值線走向基本壹致(圖3)。
圖3礦區9號煤層瓦斯含量等值線圖(鄧，2000)
從垂向上看，根據組成成分的不同，自上而下可分為三個帶(聶等，2007):
①含氮層:N2≥70%，CO2≤20%，CH4≤10%，煤層埋深壹般在0 ~ 100m左右。
②氮氣和甲烷區:N2
③甲烷層:CH4≥70%，壹般埋深>；140米.
3.2氣體控制因素
3.2.1埋深
埋深可以從兩個方面影響煤層氣富集:壹是隨著煤層埋深的增加，儲層壓力增加，煤對甲烷的吸附量增加，但兩者之間不是簡單的線性關系。在淺部煤層中，甲烷含量的梯度隨埋深而變化，埋深越深，對煤層甲烷含量的影響越小。二是隨著埋深的增加，煤層氣保存條件逐漸變好。淺部煤層常遭受風化剝蝕，使得煤層氣在140m處普遍較淺，甲烷含量隨深度變淺而降低。不同地質背景下，瓦斯風化帶的深度不同。如與洪恩礦區相鄰的老廠礦區，風化帶最大深度可達600m以上，而在洪恩礦區清水溝井田，由於其上有斷層遮擋，風化帶深度只有50 ~ 80 m。
僅考慮埋深，洪恩礦區煤層氣開發深度壹般為250 ~ 1000m，小於250 m時很難完全避開風氧化帶的影響，由於1000m以下深部煤層滲透率極低，煤層氣開采難度很大。
3.2.2構造地質條件
構造地質條件對含氣性的影響是壹個非常復雜的問題。喜馬拉雅運動後，該區形成的含煤盆地遭到破壞，形成了壹些不連續褶皺和壹些斷塊，以向斜或向斜構造為主，背斜較少，有利於煤層氣的保存。
資料研究表明，該區煤層氣含量隨埋深的增加而增加，富氣構造壹般位於次級褶皺和斷裂帶的高點，即從向斜軸部向兩翼煤層氣含量有增加的趨勢；富集帶出現在封閉斷層與背斜核部的交匯處，或地壘的斷塊上，如老石頭井田東部9號煤層和清水溝井田瓦斯含量>:11m3/t的幾個高值區，此外，在壹些小型背斜和張性破碎帶，特別是煤層受擠壓、構造裂隙發育、煤層突然增厚的地區， 瓦斯湧出量加倍，形成“氣囊”，而在大規模張裂帶附近，由於張開裂縫的發育，瓦斯散失，瓦斯含量異常減少。
總之，構造的滲透性和封閉性決定了煤層氣是富集還是散失。無論是向斜、背斜、單斜還是滲透性差的斷層，煤層氣逸出或運移程度差，富氣部位明顯受埋深控制，富氣區容易集中在向斜軸部和單斜向下彎曲部位；當滲透性較好時，有利於煤層氣的運移。在封閉性好的構造高點形成局部富集區，如頂部無開斷層的二級背斜軸部和封閉斷塊的高度。
3.2.3煤的變質程度
隨著煤階的增加，煤層瓦斯含量呈現急劇增加→緩慢增加→急劇增加→急劇減少的階段性演化特征(傅等，2007)。該區煤階以中階焦煤和瘦煤為主，處於煤化作用第二次躍升階段，瓦斯含量隨煤階緩慢增加。煤體孔隙度和孔隙比表面積進壹步增大，產氣和吸附能力強，有利於煤層氣的富集。煤階分布具有明顯的規律性，煤階由西北向東南遞增，垂向煤階越老，變質程度越高(易，2007)。
3.2.4煤層厚度
洪恩礦區具有典型的多煤層特征，以薄煤層-中厚煤層為主，單層厚度壹般小於5m。煤層間夾層的巖性主要是泥巖和砂質泥巖。開采時，可將距離較近的煤層視為壹個煤層群(易，2007)，這樣做有兩個好處:壹是累計厚度變大，增加了煤層氣的可采量。二是煤層之間的夾層，主要由砂、泥巖組成，能對各開采層起到很好的支撐作用，也便於維持煤層壓力和增加密封性。在加固儲層時，可以統壹處理壹個煤層組，或者按照“虛產層”的概念，直接壓裂煤層組中間的夾層，可能會得到更好的效果。
3.2.5煤層頂底板及覆蓋層
煤層頂底板巖性和裂隙發育對煤層瓦斯含量影響很大。與砂巖和灰巖相比，泥巖和砂質泥巖對煤層具有較強的封閉作用，有利於煤層氣的保存。頂底板有斷層或裂隙的煤層瓦斯含量遠低於頂底板有斷層或裂隙的煤層。據該區統計，同壹煤層和巖性相近的頂底板有張斷層切割和無斷層切割兩種情況，後者煤層瓦斯含量是前者的3 ~ 12倍。
該區上二疊統含煤地層主要以泥質巖和泥質粉砂巖為蓋層，下伏地層為峨眉山玄武巖，厚度近幾百米，煤層氣保存較好。
水文地質條件
根據巖性、巖溶裂隙發育程度及富水性，礦區自下而上可劃分為六套含水層，但層間水力聯系不大。淺部露頭區為裂隙潛水，地下水交替強烈。但由於地層巖性的影響，垂向深度壹般小於50m，向斜深部徑流過程中逐漸轉為弱裂隙承壓水。
水文地質資料表明，老臺井田、中段南部清水溝井田、中段南部勘探區地下水條件較好，地下水從兩翼向斜核部運移，對煤層氣形成水力封堵作用，含氣量高。此外，7號和9號井田的承壓水區也有利於煤層氣的保存。
4勘探開發建議
4.1勘探方向
作為滇東黔西煤層氣富集區的重要組成部分，前人對洪恩礦區煤層氣資源評價和勘探方向做了大量工作。桂等人從煤層氣系統的角度對滇東、黔西含煤盆地進行了深入研究，認為礦區是滇東煤層氣勘探開發的重點實驗區。
綜合考慮該區地質條件、資源賦存、儲層物性、交通和市場條件等諸多因素，認為老臺井田、中段南測區、7井田、清水溝井田(東)、9井田、10井田和大坪測區是洪恩礦區煤層氣勘探開發的最佳區塊(聶等，2007)。
4.2發展建議
目前，該地區仍處於勘探和試驗階段，只有少量參數井和生產試驗井，尚未實現大規模商業開發。根據礦區信息和國內其他地區的成功經驗，對今後該區煤層氣開發提出以下建議:
(1)該區煤層瓦斯含量高，資源豐富，但煤層多，單層厚度不大。因此，需要考慮適合多煤層開采的鉆完井方式，並配以適當的儲層強化措施和增產措施。根據國內外生產經驗，套管壓裂完井方式和超短半徑水平井適合開采多煤層環境下的煤層氣，應成為該區煤層氣的主要開發方式。在局部地應力小、煤強度高、滲透性好的地區也可以探索裸眼完井開發模式，但要特別註意風險。多分支水平井技術適用於單厚煤層，鉆井難度大，不建議在該地區煤層氣開發中廣泛應用。
(2)本區地質構造條件復雜，張扭性小斷層極其發育。淺部煤層受構造運動改造強烈，構造煤相對發育，滲透性差，含氣量低，不適合開采煤層氣。較深煤層(500 ~ 1000 m)煤體結構以原生或裂隙為主，滲透性相對較好，含氣量高，地應力小，適合煤層氣開采。
(3)與晉城相比，該地區煤階低，煤強度小，吸水性強，吸水後易軟化。因此，在其他領域廣泛應用的水力加砂壓裂完井技術的適用性有待進壹步研究。根據中聯煤層氣公司前期氣井壓裂成果(王建忠，2010)，采氣效果不佳，應考慮高能氣體壓裂、“虛擬儲層”等其他增產措施，提高煤層氣開發成功率。
5結論
(1)總體來看，洪恩礦區煤層頂底板封閉性好，煤層孔隙吸附能力強，水文地質條件簡單。地下水沿兩翼向向斜核心運移，對煤層甲烷具有水力封閉作用。雖然受復雜構造條件限制，煤層非均質性強，滲透性差，但含氣量、滲透率和煤結構均與埋深呈正相關，因此適合開采500 ~ 1000 m煤層的煤層氣。
(2)埋深和構造條件是控制本區含氣量的兩個主要因素。在總的趨勢是隨埋深增加而增加的背景下，煤層氣的含量明顯受構造條件控制，在封閉條件好的地區富集，在封閉條件差的地區散失。水文地質條件、頂底板巖性和煤的吸附能力也是影響該區瓦斯含量的重要因素。
(3)該區煤儲層非均質性強，滲透性差，煤強度小，煤層厚度小，層數多。考慮到開發風險和投資成本，不宜采用裸眼完井和多分支水平井開采煤層氣。套管壓裂完井和超短半徑水平井對煤儲層適應性強，適合作為該區煤層氣開發的主要開發方式。
參考
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