影响一号向斜煤层气可采性的主要地质因素

MAIN GEOLOGICAL FACTORS AFFECTING COALBED METHANE
RECOVERABILITY OF NO.1 SYNCLINE
　　Chi Weiguo　(Research Institute of Design and Program,North China Bureau of Petroleum,CNSPC)

　　Abstract　Based on the review of exploration history of coalbed methane(CBM)in this region,the main geological factors affecting the CBM recovery are discussed,such as the permeability of coal seam,the ancient and present stress fields,the development of natural fracture in coal seam and the present effective stress,as well as reservoir pressure,isotherm adsorption／desorption,gas saturability and velocity of gas diffusion and so on .There are different geological factors affecting CBM recovery in different parts of the syncline,to understand and master these factors are advantageous for further CBM exploration and development.
　　Keywords　coalbed methane;permeability;geological factor

1　引言

　　位于华北地区东部的一号向斜属于石炭—二叠纪回返型含煤盆地，轴向北东，延伸超过60 km，东西宽15～25 km，面积约1 000 km²。石炭—二叠纪煤层厚度6～9 m，埋藏深度200～2 200 m。主要煤层有二叠纪山西组的8、9煤和石炭纪太原组的12_－1煤层等。煤级主要以气肥煤为主，局部可见焦、瘦煤。煤层含气量5～12 m³／t，煤层气资源量数千亿立方米。该向斜盆地是我国勘探开发煤层气最早的试验地区之一。80年代中期，地矿部门在向斜西北翼的深部布了两口煤层气探井，经常规测试煤层气产量为62～111 m³／d。90年代初期，在联合国开发计划署(UNDP)资助下，煤炭部门在该地区设立了煤层气资源开发项目，并在一号向斜西北翼的中部建立煤层气开发示范区，钻井4口，进行了排水降压和井口负压抽气试验，日抽气量达到1 500～2 000 m³。经过对一号向斜煤层气评价选区及勘探开发试验研究认为，煤层气的可采性是制约该向斜煤层气产量的主导因素，而地质因素又是决定煤层气可采性的根本因素。影响煤层气可采性的主要地质因素有煤层渗透性、地层压力及等温吸附特征等。

2　煤层渗透性

　　一号向斜煤层渗透性的好坏取决于古、今地应力场特征、煤层天然裂隙发育程度、煤体结构以及现今有效地应力大小等。分析一号向斜构造演化历史，区域性断裂和褶皱主要形成于燕山期。向斜西翼北东向压性逆冲断层带的形成，古地应力作用方向应当是以北西—南东向压应力为主，并形成了次级褶皱，如岭子背斜等(图1)；该断裂带的北端和南端断层性质转化为正断层，反映了古地应力在这些部位分布状态和作用方向改变的复杂性。向斜东南翼断裂构造以近东西向张性断裂为主，这些张性断裂形成时的古地应力以水平张应力占主导作用，作用力近南北向。一号向斜现代地应力场既继承了古构造应力场特征，又有其自身的特点，它改变着第四纪以来的构造格局。据该地区现今地应力观测，一号向斜张应变自向斜西北方向向东南方向增强，应变值增大，这与盆地西北翼以压性构造为主，东南翼张性构造发育的总体构造特点相吻合；压应变则表现为对向斜总体构造形迹的追踪性(图2)_［1］。向斜西翼煤层气井原地应力测量结果显示(图3)，最小原地水平主应力梯度为0.010 7～0.011 0 MPa／m，具有低应力场特征和有利于煤层渗透性改善的应力背景。

图1　一号向斜水文地质简图

图2　一号向斜中北部应变等值线图

图3　一号向斜西翼某井8／9煤层注入压降测试曲线图

　　一号向斜煤层天然裂隙发育分布特征与断裂构造、褶曲和古、今地应力密切相关。外生裂隙的发育分布规律为：正向次级褶曲及断层附近构造裂隙发育，而推覆体下盘构造裂隙不发育。如向斜西翼岭子背斜轴部及向北倾没端，煤系地层裂隙段厚度增大，钻井普遍发生漏水现象，煤芯及岩芯中所见大部分为开放性裂隙，其宽度1～4 mm，充填物少。矿井下8、9煤构造裂隙方向基本与古地应力作用方向垂直，线密度13～28条／m，长度0.3～0.9 m，缝宽1～5 mm。煤层内生裂隙(割理)发育程度受古地应力作用强度、煤岩类型和煤体结构保存的影响，向斜西翼的8、9煤原生结构保存较好，割理较为发育，其中亮煤和半亮煤割理最为发育，密度达到5～29条／5 cm，面割理走向175°，与古地应力的主压应力方向一致。向斜东翼的12_－1煤原生结构保存较差，以碎粒状煤为主，上部煤层结构破坏严重，偶见割理，密度3～4条／5 cm；下部相对破坏较轻，割理可辨，密度8～10条／5 cm，煤层滑动面较为发育，推测与古拉张应力强度过大有关。向斜轴部地区断裂和褶曲不发育，地应力较弱，天然裂隙发育程度弱于两翼。
　　一号向斜现今有效地应力较小，西翼最小原地有效水平应力值仅为3.4～5.5 MPa^［2］，煤层试井渗透率可达0.22×10^－3m²～0.8×10^－3 m²，与华北其它地区相同层位的煤层比较，有效地应力渗透率介于山西柳林和河南安阳之间(图4)。

图4　华北几个煤层气试验区煤层有效地应力和
渗透率关系对比图

　　总之，一号向斜西翼煤层具有较高的渗透性，尤其逆冲推覆体上盘煤层渗透性最好；向斜东翼煤体结构及天然裂隙均遭一定程度破坏，煤层渗透性变差；轴部地区煤层具有一定渗透性。

3　地层压力

　　一号向斜煤系地层压力与向斜盆地性质及水文地质条件有关。由于该向斜属于北东方向翘起(燕山南缘)，向南西伸入渤海湾的半开启性盆地，含煤地层地下水区域性流动方向由北部补给区向东南径流、排泄区流动(图1)。现有地震、钻井资料及水文地质研究没有发现地下水径流中存在较大规模并引起地下水滞流的地质条件(如构造转折带及岩相突变引起煤系地层成为低渗带或断层遮挡等)，整体来讲，含煤原始地层应当具有正常的地层压力。只是局部地段由于煤矿采掘或人类大量用水，已引起地下水原始流动方向发生改变(图1)，地下水位下降较大，造成地层压力下降(如向斜西翼由于一百多年的采矿历史，地层压力大幅下降，在1 000 m以浅，煤层及含煤地层压力梯度为0.002 0～0.005 9 MPa／m，相当于正常地层压力的五分之一至二分之一)。这些地区煤层气经过部分解吸，扩散到上覆砂岩中，不利于煤层气的开采。向斜东翼在50、60年代水文钻井测试中，含煤地层水头基本能够到达地表，地层压力梯度0.009 6～0.009 9 MPa／m，属于正常压力分布状态。80年代随着新矿井的建立，引起该区域地层压力的下降，目前已下降到原地层压力的60%左右。在向斜主体部位，煤系地层压力受矿区开采影响较小，推测仍可达正常压力状态。

4　等温吸附／解吸特征、含气饱和程度及扩散速率

　　选择一号向斜西翼8、9煤(肥煤、R_o,max1.06%～1.09%)及东翼12_-1煤(气肥煤，R_o,max
0.91%)，在模拟地层实际温度和湿度条件下作等温吸附试验，其结果为：8、9煤在恒温25℃时，兰氏体积(VL)达到31.01～35.72 mL／g，兰氏压力(PL)5.17～5.66 MPa，当温度保持在40℃时，VL和PL分别为24.62 mL／g和3.42 MPa，表明随温度升高，煤层吸附能力降低；12_-1煤在恒温40℃时，VL和PL分别是18.82 mL／g和2.78 MPa，明显低于8、9煤，其对煤层气的吸附性弱于8、9煤。由于8煤等温吸附曲线弯曲程度最小(图5)，因此也最有利于煤层气的开采。

图5　一号向斜煤层等温吸附曲线图

　　对一号向斜西翼五口煤层气井的计算，8、9煤含气饱和程度一般为45%～60%，仅有一口井较高达到95%，推断与该井位于推覆体下盘、煤层渗透率较低、气体保存较好以及由于地层压力过低(压力梯度0.002 0 MPa)引起理论吸附量过小有关。西翼大部分地区煤层含气都是欠饱和的，主要是地层压力下降太大造成煤层气解吸、扩散和运移，导致煤层实际含气量偏低所致，对煤层气的开采产生不利影响。
　　煤层中气体扩散速率也是反映煤层气可采性的参数之一。一号向斜8、9煤以及12_-1煤的扩散速率测试结果显示，8煤扩散速率最大，可达5.063×10^-4 L／s，其次为9煤和12_-1煤(表1)，与山西柳林试验区煤柳4井山西组5煤的扩散速率0.743×10^-6 L／s相比，高出后者2～3个数量级，表明一号向斜煤层气的扩散能力较强，对煤层气的产出有利。

表1　一号向斜煤层气体扩散速率