王明壽1 王楚峰1 魏永佩2 張心勇1 徐文軍1
（1.中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011；2.美國遠東能源公司 北京 100016）
作者簡介：王明壽，男，1966年出生，高級地質師，在職博士生，礦產普查與勘探專業，現在中聯煤層氣有限責任公司工作，多年從事煤炭、煤層氣勘探、生產及科研工作。
摘要 煤層氣的富集與儲層特征密切相關，並受地質條件的制約。本文在詳細研究煤儲層特征及煤層氣富集機制的基礎上，分析和總結了沁水盆地北端壽陽區塊煤層氣的勘探開發現狀，並對開發前景進行了初步評價。基於煤巖、煤質、煤體結構及孔滲性、吸附性的觀察和測試，該區煤層表現為厚度大、熱演化程度高，局部發育構造煤、裂隙較發育，吸附性能力強、含氣量高，含氣飽和度偏低。總體來說，適合煤層氣的開發。該區煤層氣的富集主要受控於熱演化史和埋藏史。在區域變質的背景上，疊加了巖漿熱變質作用，生氣強度大；另外，煤層的埋深、頂底板封閉性及水文地質條件都會影響含氣量的大小，煤層氣富集是多因素有效配置的結果。
關鍵詞 煤儲層 含氣量 熱演化 羽狀水平井 壽陽區塊
Analysis on Status，Geology Features and Prospects of CBM Exploration and Development in Shouyang Block
Wang Mingshou1，Wang Chufeng1，Wei YongPei2，Zhang Xinyong1，Xu Wenjun1
（1.China United Coalbed Methane Corporation，Ltd.，Beijing 10001 1；2.Far East Energy Company，Beijing 100016）
Abstract：Coalbed methane（CBM）enrichment depends on reservoir characteristics，and it is also conditioned by geologic setting.On the basis of detailed study on the reservoir physical characteristics and CBM enrichment mechanism，exploration and development actuality was summarized and foreground was prospectedresearch findings in Shouyang Block，northern Qinshui Basin.According to observation and test for coal type，coal quality，coal structure and porosity-permeability，adsorbability，some characteristics of coal bed are displayed as follows：thick reservoir，high thermal evolution，local structural coal，developed fracture，noticeable adsorbability，high gas content，low gas saturation.In one word，research area fits for CBMexploitation.The CBM enrichment is controlled by thermal evolution history and burial history.Owing to magma thermal metamorphism superimposing on the regional metamorphosis，the intensity of gas generation is higher；Moreover，burial depth，closure property of adjacent rock，and hydrologic geology also affect gas content，CBM enrichment is the result of sound multifactorial matching.
Key words：CBM reservoir；Gas content；Thermal evolution；Multilateral horizontal well；Shouyang Block
引言
壽陽區塊位於山西省北中部、沁水盆地北端（圖1），相鄰的陽泉礦區是我國著名的無煙煤生產基地之壹，也是典型的高瓦斯礦區，從1957年就開始煤礦瓦斯抽放與利用工作[1]。在多年的煤礦生產實踐中，積累了豐富的煤礦瓦斯抽放經驗，是我國煤礦瓦斯抽放和利用最成功的礦區。現建有8座瓦斯抽放站，抽放歷史長，目前年瓦斯抽放量達2×108m3，占全國第壹位[2]。20世紀80年代初，隨著我國煤層氣勘探開發的興起，壽陽區塊以其良好的資源條件及開發條件成為我國煤層氣開發的熱點。從1996年中國煤田地質總局在韓莊區施工HG1井開始，近十年來先後有多家單位在區內開展煤層氣基礎研究和煤層氣勘探開發試驗工作，施工了10口煤層氣參數井或生產試驗井（包括遠東能源公司施工的3口煤層氣羽狀水平井），煤層氣的勘探開發工作取得了階段性進展。本文對近年來該區塊的煤層氣勘探開發活動進行了總結，針對該地區煤層氣勘探實踐過程中遇到的壹些地質技術問題，對該區煤層氣的富集機制和控氣因素進行了探討，以期指導勘探工程部署，從而實現該地區煤層氣開發的突破。
圖1 研究區交通位置圖
1 勘探開發歷史及現狀
研究區煤層氣勘探開發的歷史可追溯到20世紀70年代，1975年，原煤炭部在陽泉礦區施工了壹些煤層氣地面抽放井，有的井還進行過井下壓裂以提高產量，但限於當時的技術條件和認識水平，未取得預期的目的[3]。
1995年由聯合國開發計劃署（U N DP）利用全球環境基金資助、煤科總院西安分院承擔的《中國煤層氣資源開發》項目，《陽泉礦區煤層氣資源評價》專題科研報告，對陽泉礦區（包括生產區、平昔區和壽陽區）煤層氣資源開發進行了評價和研究，其中重點對壽陽區的煤層氣資源開發進行了評價和研究。
中國煤田地質總局於1996～1997年在韓莊井田施工了HG1、HG6、HG3、HG2等煤層氣勘探參數井，獲得了該區有關的煤儲層參數。其中對HG6井的主要煤層進行了壓裂改造和排采試驗，取得了該井合層排采的壹整套生產數據。
1996年陽泉礦務局與煤炭科學研究總院西安分院合作，針對陽泉礦區壽陽區煤層氣資源進行了評價研究，並且***同完成了《陽泉礦區壽陽區煤層氣勘探開發可行性研究報告》。
中聯公司1997～1998年在壽陽區塊施工了4口煤層氣井，其中1口探井，3口生產試驗井，獲得該區寶貴的煤儲層參數和生產數據。1998年完成了四條二維地震勘探線，***計167km，獲得了較豐富的地質成果；
2002年4月16日，美國康菲公司與中聯公司正式簽訂PSC合同；2003年6月，康菲公司與遠東公司簽訂壽陽項目轉讓協議，由遠東公司接任作業者，根據對壽陽區塊以往勘探資料的分析，項目聯管會認為常規的垂直井壓裂完井技術在該區效果不太理想，決定在該區塊實施羽狀水平井，以期取得開發的突破。2005年，遠東公司在該區施工了3口羽狀水平井，其中2口在煤層段進尺超過3000m，目前，3口井均在進行生產。
2 地質背景
沁水盆地北端位於北北東向新華夏系第三隆起帶太行山隆起以西，汾河地塹東側，陽曲—孟縣緯向構造帶南翼。總體形態呈現走向東西、向南傾斜的單斜構造。區內構造簡單，地層平緩，傾角壹般在10°左右。
寒武紀至中奧陶世，本區地殼穩定沈降，在古老結晶基底上形成了淺海相碳酸鹽為主的沈積。中奧陶世以後，由於加裏東地殼運動，華北斷塊上升，全區遭受長期剝蝕。到中石炭世，本區地殼再次沈降，沈積了石炭二疊紀海陸交互相含煤地層，奠定了形成煤層氣的物質基礎。隨著上覆三疊系地層的沈積，石炭二疊紀煤層的埋深增加，地溫、壓力的增高，煤層發生深成變質作用。印支運動使本區整體擡升，廣泛遭受剝蝕。早中侏羅世，發生了強烈的燕山運動，形成了北有孟縣隆起，南有中條山隆起，東有太行山隆起，西有呂梁山隆起的沁水盆地。由於喜馬拉雅運動的再次改造，沁水盆地被晉中斷陷和霍山隆起分割為三個部分，即沁水煤田、西山煤田和霍西煤田。沁水向斜構成了壹個獨立的小構造盆地，本區即處於沁水向斜的北部轉折端。
燕山運動和喜馬拉雅運動期間，由於較大規模的巖漿侵入活動，大地熱流背景值升高，本區石炭二疊紀煤層在原來深成變質作用的基礎上，又疊加了區域巖漿熱變質作用，致使煤化作用大大加深，形成了本區高變質的瘦煤、貧煤以及少量無煙煤。
3 煤儲層特征
3.1 主要煤層及其特征
主要含煤地層為上石炭統太原組及下二疊統山西組，含煤10余層，其中3＃、15＃煤為主力煤層。
上主煤層（3＃煤層）：俗稱七尺煤，位於山西組中上部，距下石盒子組與山西組分界砂巖（K8）20～30m左右，全區煤層厚0～3.78m，煤層較穩定，壽陽礦區西部和陽泉三礦礦區煤層較厚，其他地區煤層變薄，甚至尖滅。結構簡單，有時含壹層夾矸，頂底板為泥巖，砂質泥巖、粉砂巖，局部為炭質泥巖和細砂巖。
下主煤層（15＃煤層）：位於太原組下部，石灰巖標誌層（K2）底部為其直接頂板，煤厚0.27～6.48m，全區穩定，是研究區煤層氣開發的主力煤層。在壽陽縣城附近存在壹潮道砂體，出現走向近南北，長10km，寬4km的無煤帶。15號煤層含夾矸1～3層，結構中等，底板為泥巖、砂質泥巖，局部為細砂巖和炭質泥巖。
3.2 煤儲層裂隙特征
從研究區內生產礦井井下觀測，以及定向塊樣顯微鏡下觀察裂隙密度和間距定量統計，煤中規模小的裂隙比規模大的裂隙發育，從中型、小型到微型，裂隙的密度增加，間距減小。裂隙的發育程度還與煤巖組分有關，從暗淡型煤、半暗型煤、半亮型煤到光亮型煤，裂隙的密度增大，間距減小。
鏡煤中裂隙壹般平直，垂直層理面，少數斜交層理面，顯微鏡下觀察裂隙寬度為2～15μm；亮煤和暗煤中裂隙形態比較復雜，有鋸齒狀、分叉狀、階梯狀、雁行狀等，顯微鏡下測量裂隙寬度壹般為8～45μm。
煤中裂隙常見礦物質充填，充填物多為方解石、黃鐵礦及粘土礦物等。方解石多呈脈狀充填，黃鐵礦呈莓狀或結核狀，有時黃鐵礦分布於方解石脈中，形成混合狀填充。
3.3 煤層含氣量及賦存規律
3＃煤層甲烷含量在壽陽勘探區介於5.05～27.15m3/t，平均為11.99m3/t，主要集中在8～12m3/t範圍內；15＃煤層甲烷含量介於4.6～27.48m3/t，平均12.00m3/t。煤層解吸氣成分以CH4為主，壹般為70.63%～99.87%；其次為N2和CO2，N2濃度為0～27.47%，平均4.90%，CO2為0～3.00%，平均1.62%；個別樣品有C2出現。
煤層含氣量的平面分布特征與煤層埋藏深度變化相關，總體表現為自北向南隨著埋藏深度的增加，含氣量增大。該區埋深為300m 以淺的煤層，含氣量壹般小於10.00m3/t；在300～600m 埋深線之間，含氣量為9～12m3/t；600～1000m 埋深線之間，含氣量變化為12～16m3/t；1000～1400m 埋深線間，含氣量為16～22m3/t；1400～1800m 埋深線附近，含氣量為22～26m3/t；至最南部的煤層1800～2000m 埋深線附近，含氣量最大可達26m3/t[4]。
3.4 煤儲層等溫吸附性能及含氣飽和度
煤的吸附性能決定著煤層氣的儲集能力和產出過程，通常用吸附常數和等溫吸附曲線來描述，含氣飽和度是指在壹定的儲層壓力、溫度條件下煤層氣的吸附飽和程度[5]。研究區內施工的10口煤層氣井均進行了等溫吸附試驗，試驗結果表明：壽陽地區煤的吸附能力較高，3號煤原煤的飽和吸附量（VL）為 24.04～37.65m3/t，平均 28.29m3/t；Langmuir壓力（PL）為1.69～2.98MPa，平均2.41MPa。15號煤原煤的飽和吸附量（VL）為31.55～34.93m3/t，平均 33.31m3/t；Langmuir 壓力（PL）為 1.79～2.74MPa，平均2.31MPa。
從SY-XX井的等溫吸附曲線（圖2）可見，在0～8MPa區間內，隨壓力增高，吸附增量變化比較明顯，其中以0～3MPa間變化最顯著，平均吸附增量為6.42m3/t.MPa；3～8MPa間的平均吸附增量為1.66m3/t.MPa；8～11MPa間的平均吸附增量為0.69m3/t.MPa；11～15MPa間僅為0.42m3/t.MPa。這說明煤層氣井在排水降壓過程中的產氣高峰期應該是3MPa至煤層排采廢棄壓力之間，含氣飽和度總體偏低。
圖2 SY—XX井3號煤層原煤等溫吸附曲線
3.5 煤的滲透性
研究區有8口煤層氣參數井和生產試驗井16層煤進行了註入/壓降測試，取得了較多的煤層滲透率數據，總體來講，煤儲層的滲透性相對較好，介於0.0352～82.84mD，取得的煤層滲透率相差在幾至幾十倍以上，這也從壹個側面說明了煤層的非均質性[6]。
4 煤層氣的富集機制
4.1 煤的熱演化史和埋藏史是煤層氣富集的主要控制因素
大量資料表明，該區煤層氣的富集主要受控於該區煤的熱演化史和埋藏史[7]，沁水煤田石炭紀、二疊紀時期，該區處於臺型穩定均衡沈降階段，沈降速率22.82m/Ma。至三疊紀，地殼沈降速度加快，最大沈降速率達65m/Ma，侏羅紀僅有短暫的微弱沈降，總體以褶皺擡升為主。根據現有資料估算，三疊紀末，該區下煤組埋藏深度約3400m左右，地溫達154℃左右，煤化程度為肥、焦、瘦煤階段，處於生氣高峰期，平均生氣速率為0.8978×108m3/km2·Ma，白堊紀變慢為0.018×108m3/km2·Ma，白堊紀之後，生氣作用基本終止。由於研究區處於緯度34°帶，在區域變質的背景上，疊加了巖漿熱變質作用。因此，該區生氣強度大，陽泉、壽陽、昔陽壹帶，生氣強度壹般90×108m3/km2以上。綜上所述，研究區於成煤期後，曾有兩次大的熱演化階段，壹次為印支期，主要是快速沈降堆積增溫階段。這壹階段使石炭紀、二疊紀煤層煤化作用加強，煤級增高，區內大部分區段的煤層都跨越了生氣“門檻”值，進入主要生氣階段（R°max＞1.0%），大部分地區的煤層達到生氣高峰期（R°max=＞1.35%），因此，印支期是煤層氣主要生成期。另壹次為燕山期，主要為巖漿區域熱增溫階段。
4.2 煤層埋深對煤層氣富集的影響
壹般來講，隨著煤層埋深的增加，含氣量增加。表現在平面上由北往南含氣量增加，而在鉆孔中，下組煤含氣量高於上組煤。該區的煤層氣風化帶深度在300m，即在300m以淺，煤層氣成分中甲烷含量壹般小於80%。
4.3 煤層頂、底板封閉程度對含氣量的影響
研究表明：煤儲層的頂底板巖性和封蓋性能對含氣量的影響很大，頂底板巖性致密、封蓋性能好的區域，含氣量高，否則相反，在平面上含氣量低的區域和煤層頂板砂巖帶基本上是重合的。
4.4 水文地質條件對含氣量的影響
煤系地層水在煤層氣的生成、儲集（吸附）和產出的全過程中都起著重要的作用。在控制煤層氣賦存、產出的主要地質因素（含氣量、臨界解吸壓力、儲層壓力、滲透率、內外生裂隙等）中，煤層水作為客觀載體通過與諸多因素的相互作用實現對煤層氣賦存、產出能力的影響[7]。煤巖儲層壓力表現為煤層水壓力，而常規砂巖儲層壓力則表現為氣體壓力。因此，煤層水壓力的高低反映了煤巖儲層能量的大小。煤巖對甲烷分子的吸附能力主要與溫度和壓力在煤層水壓力作用下，埋深變淺的煤層仍保持了較高的原始含氣量，煤巖儲層中“圈閉”了壹定數量的氣體，形成煤層氣藏[8]。
在研究區，主煤層高含氣量區域與地下水等水位線的局部低窪地帶較吻合。如韓莊井田主煤層含氣量在研究區內是最高的地帶，對比之下，該地帶中奧陶統、太原組、山西組含水層的等水位線均呈現出低窪狀態，地下水明顯滯流是導致韓莊井田主煤層含氣量高的重要原因。
上述規律得到了地下水礦化度、水質類型等分布規律的進壹步佐證。韓莊井田壹帶存在著中奧陶統灰巖含水層高礦化度中心，礦化度在2000mg/L 以上：太原組含水層中，這壹地帶礦化度最高，在1500mg/L 以上；在山西組含水層中，這壹地帶礦化度最高，在1000mg/L 以上。這壹高礦化度區帶與主煤層高含氣量地帶在空間分布上高度壹致的規律，進壹步揭示出地下水緩流或滯流對煤層氣保存富集的重要作用[2]。
需要指出的是，沁水盆地北端煤層氣的富集，是以上諸因素綜合作用的結果，只有多種因素的有效配置，才能形成富集的煤層氣藏，在進行選區評價和勘探部署時，壹定要全面考慮可能影響含氣量的各種因素。
5 勘探中存在的問題及對策
從1997年中國煤田地質總局施工HG1號煤層氣探井揭開該區的煤層氣勘探序幕至今已有10年的裏程，目前可以說取得了階段性進展，但客觀地講，該區勘探開發的進程緩慢，究其原因，除和近年來煤層氣產業發展的大氣候有關外，還和對該區的地質規律認識水平以及采取的煤層氣完井方式及工藝有壹定的關系。
1996～1997年由中國煤田地質總局施工的4口井均布置在韓莊精查區內，由於韓莊精查勘探就是由煤炭隊伍完成的，對地質資料的占有和研究程度都很高，因此在井位選擇上非常成功，煤層厚度、含氣量等主要參數都非常樂觀，特別是生產試驗井HG6井壓裂後，單井排采最大日產氣量達到1300m3，現在回過頭看，該井應該是比較成功的，但限於當時對煤層氣理論的認識水平和工程技術的局限，如鉆井過程中對儲層汙染的重視不夠，排采中沒建立合理的排采制度造成煤層吐砂、埋泵等事故。中聯公司施工的1號探井由於選在煤田勘探空白區內，加上由於地層湧、漏水等原因，並未達到預期目的，而3口井的小井組由於受當時勘探思路的影響選擇在構造高點，加上對該區的水文地質條件研究不夠，正好打在了富水區內，在排采過程中由於裂隙水補給充分，液面長期穩定，加上當時其他因素，最後不得不終止作業。
水平井技術是最近幾年在美國、加拿大、澳大利亞等國家興起的壹項有效的煤層氣增產技術，遠東公司在分析總結了該區以往地質和勘探資料的基礎上，決定實施羽狀水平井以期取得突破，從完成的3口井的情況看是比較成功的，但由於羽狀水平井作業成本高，因此在實施之前對綜合地質的研究，包括煤層的機械物理性能、可鉆性、水文地質特征等非常重要，同時對井眼軌跡區構造的控制（如實施三維地震勘探等）也非常重要。此外，由於涉及多個工種，煤層氣羽狀水平井的施工也是壹個系統工程，有效科學的組織管理將會事半功倍。
6 結論
沁水盆地北端煤儲層厚度大，埋深適中；煤的熱演化程度較高，已進入生氣高峰，煤層頂底板封閉性能好，含氣量高；煤儲層裂隙較發育，孔隙以小孔和微孔為主，滲透性較好；煤的吸附性能強，但含氣飽和度偏低。總體來講，該地區煤層氣開發條件良好。
煤層氣的富集受諸多地質條件的控制，是各種因素有效配置的結果，在這些地質因素中，煤的熱演化史和埋藏史起著主導作用。其他因素如頂、底板的封蓋性能、水文地質條件、埋深等也都影響著氣的富集，在選區和勘探部署時要綜合考慮各種因素。在增產措施的選擇上，建議采用傳統垂直井壓裂和羽狀水平井並用的方針，同時嘗試近年來效果好的清潔壓裂液、氮氣泡沫壓裂等先進的工藝和技術。
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