大佛寺井田构造对煤层气井产能的控制机理

汪万红

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

近年来，随着矿区建设进度的加快和开采深度的增加，煤层和围岩瓦斯涌出量也急剧增加，瓦斯治理形势日趋严峻。大佛寺井田位于彬长矿区南部，煤层为低阶煤，含气量低。但矿井在开拓过程中瓦斯涌出量较大，被鉴定为高瓦斯矿井[1-2]。为减少大佛寺煤矿瓦斯灾害，保护大气环境，并充分利用煤层气这一洁净能源，陕西彬长新生能源有限公司开始在大佛寺煤矿进行地面煤层气开发试验工作。产气效果显示，部分井产气效果好，垂直井最高日产气量为3 043m3，部分井产气效果不好甚至不产气。

为什么大佛寺井田煤层气井产能会有如此大的差异？众所周知，煤层气井产能主要来自两个方面的制约，一个是开采技术工艺，另一个则是地质条件[3]。因大佛寺井田地面垂直井开采技术工艺基本相同，所以地质条件就是产能的主要控制因素[4-5]。在众多地质影响因素中，构造条件对煤层气井产能的影响最为关键，构造条件不仅本身对产能具有直接控制作用，而且通过对煤质、储层压力、渗透率、煤厚、埋深等其他因素的控制，间接控制煤层气井的产能。故本文以大佛寺井田构造和演化特征为基础，结合地面煤层气井开发实际情况，分析构造与煤层气井产能的关系，探讨构造演化和构造形态对煤层气井产能的控制机理，以期为大佛寺井田后期煤层气开发部署提供参考和借鉴。

1 大佛寺井田构造及演化特征

大佛寺井田位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区南部。构造条件简单，总体构造为一走向近东西、倾向近北的波状起伏的单斜构造，其上发育了一系列北东东(A1、A2、A3)和北北西向(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)的褶皱构造，二者相互交织，见图1。其中以北东东向褶皱为主，即安化向斜(A1)、祁家背斜(A2)和师家店向斜(A3)。地层倾角平缓，一般 3°～5°，最大 17°～21°[6-7]。

图1 大佛寺井田构造示意图Figure 1 Structural sketch map of Dafosi minefield

大佛寺井田煤系的现代展布及赋存状态主要受聚煤期及聚煤期后地质构造的控制。煤系沉积之前，受海西—印支运动影响，煤系基底呈现出明显的北东东向隆起与凹陷格局，这对延安组煤系沉积起到了明显的控制作用。聚煤期后，延安组煤系沉积后，地壳仍然处于稳定状态，该区在煤系沉积基础上，接受连续沉积，在延安组之上连续沉积了中侏罗世直罗组和安定组，在中侏罗世末期，受燕山运动第一幕的影响，彬长矿区出现短暂的地壳抬升，先期沉积地层遭受剥蚀，但程度较低。之后，地壳稳定继续接受沉积，在侏罗纪末期，受燕山运动第二幕的影响，延安组煤系经历了第一次明显的抬升作用，煤系上覆地层遭受严重剥蚀。在早白垩世，地壳又开始了以沉降为主的作用，沉积了宜君组、洛河组和华环池河组；到早白垩世末期，晚燕山运动鄂尔多斯盆地边部经历了挤压逆冲、抬升剥蚀作用，而且作用时间长，活动强烈，受到来自NNW-SSE向挤压应力场，使矿区北东东向褶皱(A1、A2、A3)进一步强化，并居主导地位，持续到古近纪早期，地壳全面隆升，晚白垩世和古近纪几乎没有接受沉积。之后的新近纪，区内构造活动仍然比较剧烈，喜马拉雅运动的多期作用，对侏罗纪煤系的改造和煤层气聚散影响巨大。喜山早期来自NE-SW向的挤压应力场，在井田产生了NNW-SSE方向的次级褶皱构造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，并与北东东向褶皱产生复合现象。

2 煤层气井产能与构造的关系

2014年，陕西彬长新生能源有限公司在大佛寺井田实施了20余口煤层气垂直井进行地面瓦斯预抽。为统一对比煤层气井的产能，本次选取了21口开发工艺相同的垂直井，都采用二开井身结构、套管射孔完井、水力加砂压裂、有杆泵排水采气工艺。其钻井一开采用Ф311.15mm钻头钻至松散层以下20m后，下入Ф244.5mm表层套管固井，二开采用Φ215.9mm钻头，钻至4煤层底板以下60m完钻，下入Ф139.7mm生产套管固井。完井采用102型射孔枪，127型射孔弹，按照孔密度16孔/m，对目标层段进行射孔。压裂采用低伤害、低成本的活性水压裂液，压裂支撑剂为石英砂(20-40目中砂和16-20目粗砂)，压裂施工排量8～10m3/min、砂比11%～12%。排采作业采用有杆泵进行排水采气。截止2016年12月31日，产气结果显示，产气好的井有4口，平均日产气量>1 000 m3；产气较好的井有2口，500 m3<平均日产气量<1 000 m3；产气一般的井有11口，100 m3<平均日产气量<500 m3；产气差的井有4口，平均日产气量<100 m3。总体来看，井田产气潜力较好，垂直井最高日产气量达到3 043m3，但各井产能差异明显(表1)。

表1 大佛寺井田煤层气井产气情况统计表

将各井产能在井田构造图上投点，得到煤层气井产能与构造关系图(图2)。从图2可以看出，煤层气井产能和构造部位密切相关，具有一定的规律性。产气好和较好的直井基本都分布在特定的构造部位，即分布于主体构造A2(祁家背斜)的轴部附近和次级构造B5、B7向斜的轴部附近；产气一般的直井主要分布于主体构造A1(安化向斜)、A2(祁家背斜)、A3(师家店向斜)的翼部和次级构造背斜、向斜的翼部；产气差的直井主要分布于主体构造A3(师家店向斜)的轴部附近和次级构造B6、B8背斜的轴部附近。

3 构造对煤层气井产能的控制机理

渗透性是煤层气开发的关键地质要素，而含气性则是煤层气开采的根本。构造对煤层气井产能的控制，主要体现于构造演化和构造形态控制煤储层的含气性和渗透性，进而控制煤层气井产能。

大佛寺井田从煤系沉积之前，受海西—印支运动影响，煤系基底呈现出明显的北东东向隆起与凹陷格局，到聚煤期后古近纪早期，井田主要受到来自NNW-SSE向挤压应力场，井田构造主要为北东东向褶皱，即安化向斜(A1)、祁家背斜(A2)和师家店向斜(A3)。在祁家背斜(A2)轴部附近，主要受到拉张应力作用，发育张性裂隙，增加了煤储层渗透性。在安化向斜(A1)和师家店向斜(A3)轴部附近，主要受到挤压应力作用，煤储层裂隙收缩，渗透性变差。同时，井田在延安组煤系沉积后，受构造运动控制，经历多次抬升或沉降，如在中侏罗世末期，受燕山运动第一幕的影响，彬长矿区出现短暂的地壳抬升；在侏罗纪末期，受燕山运动第二幕的影响，延安组煤系经历了第一次明显的抬升作用；早白垩世末期，晚燕山运动鄂尔多斯盆地边部经历了挤压逆冲、抬升剥蚀作用，而且作用时间长，活动强烈，持续到古近纪早期，地壳全面隆升。这段时间因构造抬升甚至暴露剥蚀时间长，导致煤层气赋存量少，造成井田煤储层含气量普遍偏低，含气性较差。

图2 煤层气井产能与构造关系图Figure 2 Relationship between CBM well production capacity and structure

喜山早期来自NE-SW向的挤压应力场，在井田产生了NNW-SSE方向的次级褶皱构造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，并与北东东向褶皱产生复合现象。井田受NE-SW向的挤压应力，在B6、B8背斜轴部，受到拉张应力作用，增加煤储层渗透性，但不利于煤层气的保存，导致煤储层含气性较差；在B5、B7向斜轴部受到挤压应力的作用，煤储层裂隙收缩，渗透性变差，但有利于煤层气的保存，煤储层含气性相对较高。

为论证上述理论分析的可靠性。本次采用CBM-SIM软件对煤层气井产气情况和产水情况进行历史拟合。 CBM-SIM软件是一个模拟煤层、含气页岩和常规油藏中的气体和液体生产的三维、两相、单、双、三孔隙模拟器，软件充分考虑了煤储层的特点。在气藏数值模拟时，由于测试方法或人们对气藏地质情况的认识的局限性，模拟计算所需的储层参数不一定能准确反映储层的实际情况，在这个基础上进行的预测必定是不准确的，为使预测结果尽可能接近实际，通常需要通过历史拟合修正储层参数。实质上是运用已知的煤层气井的历史动态反求未知的煤储层参数的“逆过程”。通过历史拟合能发现和修改错误的储层描述参数，比较客观地认识煤储层。通过历史拟合得到更加符合实际情况的储层参数含气量和渗透性。拟合后得到煤储层含气量和渗透率参数见表2、图3。结果表明，在北东东向主体褶皱祁家背斜(A2)轴部附近煤储层渗透率较高，而在北北西向次级向斜轴部附近煤储层含气量较高。这进一步验证了上述理论分析的可靠性。

图3 构造与煤储层含气量和渗透率关系图Figure 3 Relationship between structure and coal reservoir gas content, permeability

表2 历史拟合后煤储层含气量和渗透率统计表

4 结论

①大佛寺井田煤层气井产能与构造部位密切相关。产气好的井基本位于主体构造背斜的轴部附近和次级构造向斜的轴部附近；产气差的井基本位于主体构造向斜的轴部附近和次级构造背斜的轴部附近。

②大佛寺井田从煤系沉积之前到到聚煤期后古近纪早期，受到NNW-SSE向挤压应力场的北东东向主体构造，其背斜轴部受拉张应力作用渗透性比向斜轴部好，同时煤储层受多期构造抬升甚至暴露剥蚀时间长，煤层气赋存量均较少，含气性较差。喜山早期开始，井田受NE-SW向挤压应力场的次级褶皱构造(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8)，其次级向斜轴部煤储层裂隙收缩，有利于煤层气的保存和富集， 煤储层含气性较好。井田主体构造祁家背斜(A2)轴部附近煤储层较好的渗透性和次级构造向斜轴部(B5、B7)附近煤储层较好的含气性共同控制了井田煤层气井的高产区。

由上可知，大佛寺井田主体构造背斜轴部渗透性相对较好，次级构造向斜轴部含气性相对较好，前期煤层气开发实践证明二者重叠区域产气效果最好，故建议后期井位部署首选次级构造向斜轴部和主体构造背斜轴部相互重叠的区域。