淮南矿区构造煤储层特征及影响因素分析

淮南矿区构造煤储层特征及影响因素分析

矿山开采技术和砖瓦开采技术对构造煤矿区域的安全生产产生了严重影响，但原生采矿技术对构造煤矿的安全生产和发育影响不佳。虽然钻井采矿和采矿的实施在一定程度上解决了安全问题，但由于施工技术的巨大需要、成本高、开采速度慢等因素，无法推广和应用。近年来,淮南、淮北、铁法、阳泉、平顶山等构造煤发育矿区卸压煤层气地面开采技术取得积极进展。不少学者也对构造煤矿区卸压煤层气开采技术进行了深入的研究,就卸压煤层气开采的储层改造机理、卸压区瓦斯运移和分布以及影响卸压煤层气开采的主要因素进行了系统的总结和分析。20世纪90年代初,淮南矿区实施原位煤层气地面直井开发试验后,瓦斯事故一直是制约淮南矿区发展的瓶颈。1998年,淮南矿业集团与中国矿业大学合作,在区内开展卸压煤层气试验研究,据统计,截至2008年底,淮南矿区已施工超过40口卸压地面井抽采煤层气,卸压煤层气地面井取得积极进展。与此同时,卸压煤层气地面井开发目前主要存在工程技术方面的难题。值得注意的是:由于渗透率低及疏导困难,构造煤曾被认为是一种不利的储层。淮南矿区是中国典型构造煤发育矿区和瓦斯事故的重灾区,近年来通过地面钻井抽采卸压区的煤层气,不仅杜绝了瓦斯事故,更实现了煤与煤层气的高效共采[12,13,14,15,16,17]。卸压煤层气地面井在潘一矿、潘三矿、谢一矿3个矿单井累计产气量均在(120~335)×104m3,连续产气150~820d,单井产气量平均5000~17140m3/d,远大于沁水盆地原位煤层气开发地面直井的单井产气量1000~2000m3/d。笔者共采集淮南矿区潘一矿、潘三矿、丁集矿、顾桥矿4个生产矿井原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、鳞片状煤、糜棱煤24件,煤体结构类型根据姜波与袁崇孚构造煤类型划分,通过扫描电镜和汞注入法孔渗研究,结合卸压煤层开采储层渗透率测试数据,试图从卸压的角度分析不同类型构造煤储层孔渗结构物性与卸压改造的关系,认识不同类型构造煤储层物性。1矿区地质特征淮南矿区位于华北板块东南缘,北邻蚌埠隆起,南靠合肥坳陷,东至郯庐大断裂,西止于麻城—阜阳断层。区内山西组、下石盒子组、上石盒子组为本区的主要含煤地层,层数多,厚度大,大多较为稳定,含煤地层总厚度约1200m。其中山西组的1煤层,下石盒子组的4、7、8、9煤层,上石盒子组的B11、C13煤层是本区主要可采煤层。矿区为一轴向近东西、轴面略向南倾的复向斜构造,复向斜南北两翼发育叠瓦式推覆、滑脱构造,南有舜耕山、阜凤断层,组成由南向北的推覆体,北在明龙山—上窑山一线有由北向南的滑覆体(图1)。淮南煤田逆冲断裂构造及褶皱构造呈EW向展布,反映了近NS向挤压应力作用的特点,是华北板块与扬子板块南北向碰撞对接的结果,与秦岭—大别山造山带的形成和演化密切相关。2孔隙结构的研究煤储层是一种双孔隙岩层,其空间由裂隙和孔隙组成。裂隙主要由煤化作用和构造作用形成,前者称为内生裂隙(割理),后者称为外生裂隙(构造裂隙)。孔隙是基质块体单元中未被固态物质充填的空间,孔隙研究分成因和固气作用关系两个方面,国内外学者对不同孔径与气体的作用关系进行了探讨,霍多特的划分方案在国内应用最为广泛,也是本文研究的依据。该方案认为大孔(大于1000nm)发生气体强烈层流和紊流渗透,中孔(100~1000nm)发生气体缓慢层流渗透,过渡孔(10~100nm)可发生气体毛细管凝聚、物理吸附及扩散,微孔(小于10nm)是发生气体吸附的主要场所。裂隙和孔隙的大小、形态、孔隙度和连通性等决定了煤层气的储集、运移和产出。不同煤体结构煤储层受构造作用程度和机制不一样,构造裂隙发育程度、构造裂隙沟通割理、孔隙的连通性也不一样,从而对孔渗性能产生影响。2.1原生煤系统的基本特征c煤岩组分是控制煤裂隙类型的物质基础,构造应力则是影响煤储层裂隙系统的外在因素。煤中裂隙发育可从2个方面来表征:一个是裂隙数量规模;另一个则是裂隙形态导致的连通性。构造变形不仅能在煤中形成各种类型和规模的连通性裂隙,也在一定程度将原本封闭的“死孔”通过裂隙与外界沟通[图2(a)与(b)],从而改造煤储层的孔裂隙系统。原生结构煤的结构保存较好,煤储层中以内生裂隙为主,见少量外生裂隙切割内生裂隙,外生裂隙一般单独出现[图2(c)与(d)];碎裂煤受一定程度构造应力作用,发生脆性变形并开始破裂,煤中可见张剪裂隙,但裂隙规模不大[图2(e)与图2(f)];鳞片状煤主要受单向剪切作用,裂隙单向发育且呈组出现[图2(g)];碎粒煤受构造作用较强烈,裂隙明显增多,煤中张、剪裂隙可见各种组合形态,张裂隙呈树枝状、网状相互连通且切割内生裂隙[图2(h)],煤中碎斑分布不均,多呈次磨圆状,破裂间距较大[图2(i)];糜棱煤在应力作用下发生强烈变形,煤的显微组分中可见丝质体整体破碎成小粒状[图2(j)],张、剪裂隙相互切割,而且裂隙间发生明显的位移,破碎的砾体充填于裂隙之中[图2(k)],高倍显微镜下还可见阶地状断面上多组相互平行的裂隙面[图2(l)]。2.2构造变形结构煤的孔容特点表1列出不同煤体结构煤样的孔容、中值孔径、孔隙度等参数测试数据。原生结构煤阶段孔容主要分布于过渡孔和微孔,两者占总孔容平均含量的80.12%;碎裂煤阶段孔容仍主要分布于过渡孔和微孔,两者占总孔容平均含量的81.38%;到鳞片状煤和碎粒煤阶段,过渡孔和微孔占孔容比降有所下降,两者之和占总孔容的75.6%和71.8%,但仍占主要地位;糜棱煤过渡孔和微孔所占比例进一步下降,平均占总孔容的43.30%,此时孔容以大、中孔为主。随着构造变形的增强,煤的体积中值孔径和孔隙度参数也发生相应变化,从原生结构煤→碎裂煤→鳞片状煤→碎粒煤→糜棱煤,体积中值孔径依次增大,孔隙度也依次增大。糜棱煤体积中值孔径较其他类型煤体结构体积中值孔径高得多,说明糜棱煤在强变形下,孔径向大孔方向演化发生突变。同时煤储层孔容分布发生相应变化,从各阶段孔容含量分布变化来看:大孔孔容含量碎粒煤最高,总体随构造变形的增强而增加;中孔孔容含量碎粒煤最高,糜棱煤次之,原生结构煤、碎裂煤、鳞片状煤差别不大;过渡孔和微孔在不同煤体结构中变化不明显。从不同煤体结构煤储层孔容分布柱状对比图(图3)来看,碎粒煤和糜棱煤大孔和中孔含量显著增加,而过渡孔和微孔在5种不同煤体结构煤储层中变化不明显。2.3采动覆岩渗透率煤储层渗透性是衡量煤层气可采性的关键要素之一,受地应力(埋深)、孔裂隙结构、储层压力、水文地质条件等多因素制约。煤储层渗透率可由多种方法获取,如现场试井测试、实验室测定及地球物理测井曲线、煤层透气性系数测定和储层数值模拟等。不同测试方法由于边界条件的设定很难与实际地质背景一致,其结果往往只能反映某个或几个因素对渗透率的影响,目前煤层气开发中渗透率参数主要通过试井获取,通过与产能匹配后认为最接近于实际情况。表2为淮南矿区在20世纪90年代施工参数井获取的该地区储层渗透率参数及相关资料,从表中可以看出,顾桥矿两个煤层试井渗透率与其他相比低一个数量级,其储层压力最大,且糜棱岩化体含量也最高。储层压力增大导致煤储层裂隙开启困难,而糜棱岩化是煤经过破碎后又重新岩化,无孔隙存在,形成破碎而又致密的煤体,极不利于气体的渗流。新集矿区5个试井渗透率参数主要受不同煤体结构中构造煤含量及其空间分布等因素的影响。叶建平等认为:原生结构煤渗透率的大小主要取决于割理裂隙的发育程度,割理裂隙越发育,煤储层渗透率越好;随着变形程度的增加,碎裂煤渗透率较原生结构煤好,这是由于外生裂隙的发育切割内生裂隙,沟通了内生和外生裂隙,这与碎裂煤发育的沁水盆地、河东煤田、韩城南部渗透率较高有一致性;而碎粒煤由于镜面发育,煤体破碎,外生裂隙虽非常发育,但裂隙面间存在煤粉薄膜,降低了裂隙之间的连通性,当煤层中存在碎粒煤分层时,渗透率一般较低;而强变形的糜棱煤疏松、破碎,煤粉含量高,且与水结合时呈糊状,疏导能力差,因此渗透率极低。3关于问题的讨论3.1开采现场地层压裂煤质压裂改造效果分析20世纪90年代初,淮南矿区进行了原位煤层气勘探,结果表明区内构造煤储层具有非均质性强、渗透率低、井孔稳定性差等特点,原位煤层气开发以失败告终。此后杨陆武对区内构造煤储层进行了系统总结,认为构造煤的破坏作用对煤储层有以下3个方面的影响:(1)煤储层渗透率极低,几乎没有导流能力;(2)构成了严重的导流和传压(压力传导)屏障,使相邻地区的气体流动受到局限;(3)无法维持开发工程的稳定性,也无法进行储层改造。煤储层是一种低渗储层,需通过压裂改造达到开发效果。而构造煤储层疏导能力弱、压力传递困难以及无法进行储层改造等3个特性使原位煤层采气模式在排水降压过程中受阻。虽碎粒煤和糜棱煤渗流孔含量较碎裂煤、鳞片状煤、原生结构煤大幅提高,理应渗流能力较强,但由于排水降压受阻,应力无法释放,在储层压力和地下水等影响下,渗流性极差。且储层压力不能降至临界解吸压力之下,煤层气产出的解吸—扩散—渗流—运移动态平衡过程无法实现。而开采保护层的卸压煤层气工程实践表明,保护层开采后的应力释放有效地解决了构造煤储层原始渗透率低、压力传递困难以及压裂改造效果差等技术难题,现场煤层气地面井产气量最高可达17140m3/d,单井总产能可超过335×104m3。从煤层气开发要远离构造煤发育矿区的初期认识到现在煤矿瓦斯综合治理的“淮南模式”推广,构造煤储层特性需从一个新的角度来审视。3.2实验工作面地质情况地下矿体的采出必定会引起采场围岩的应力重新分布,引起围岩的变形、破坏及运动,从而导致围岩裂隙状态的变化。淮南矿区卸压煤层气开采正是利用这一理论作为支撑,使原本渗透率极低无法抽采的C13突出煤层在保护层B11煤层首采应力释放后,将地面井布置在裂隙分布区,达到煤层气有效开发。煤层开采后,覆岩移动呈现“横三区”、“竖三带”分布,沿工作面推进方向,上覆岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区,由下而上岩层移动分为冒落带、裂隙带、整体弯曲下沉带。淮南矿区保护层B11煤层开采后,被保护层C13煤层与B11煤层平均相距70m,位于竖三带的整体弯曲下沉带。B11煤层掘进过程中,采空区上方被保护层任一点都经历了压缩—膨胀—膨胀变形变大—膨胀变形减小—稳定阶段,至稳定阶段,采空区正上方C13煤层中裂隙呈“O”型圈分布。现场实测潘一矿B11煤层2351(2)工作面开采后,其上覆C13煤层2322工作面最大垂向变形值为157.8mm,最大膨胀变形为2.63%;B11煤层2352(1)工作面开采后,其上覆C13煤层2312工作面最大压缩变形值为14mm,最大垂向膨胀变形值为145.0mm,计算得出最大相对压缩变形为0.269%,最大膨胀变形为2.79%。煤体的膨胀变形使C13煤层中发育大量离层裂隙,离层裂隙与下沉过程中产生的竖向破断裂隙相沟通,成为煤层气运移的通道,达到对储层改造的效果。已有研究表明,淮南B11煤层下保护层开采后,与B11煤层层间距为70m的C13煤层已充分卸压。在充分卸压条件下,储层改造是否与煤体孔渗特征有关?为此,笔者收集淮南、淮北、平顶山等构造煤发育矿区近年来的一系列研究成果(表3),分析发现:卸压开采对构造煤储层的改造效果非常显著,透气系数从0.01135~0.21070m2/(MPa2·d)增至13.3140~49.9665m2/(MPa2·d),增加102~2880倍,原本低渗储层变成高渗储层。11个测点渗透率改造效果与卸压方式、层间距关系不大,而与煤体结构(与孔渗特征对应)关系较大。糜棱煤改造效果最好,碎粒煤较好,鳞片状煤和碎裂煤则次之,从糜棱煤→碎粒煤→鳞片状煤和碎裂煤,渗流孔含量依次减少。这说明在充分卸压条件下,不同类型煤体结构煤储层中,渗流孔含量越高,储层改造效果越佳。3.3煤体结构对储层渗流孔含量的影响基于卸压开采条件下不同煤体结构孔渗特征与改造效果的关系,认为糜棱煤是卸压煤层气开发的优质储层,碎粒煤是较优质储层,碎裂煤和鳞片状煤是一般储层,原生结构煤是不利储层。卸压煤层气开采通过采场扰动效应使原地应力重新分配,达到“卸压增透增流”效应。理论上应力释放越大,煤储层膨胀变形越大,煤储层中孔裂隙的开启程度越高、规模也就越大,渗流能力越强;储层本身渗流孔裂隙数量越多,可供开启的数量也越多,渗流能力也越强。24个不同煤体结构煤中,原生结构煤、碎裂煤、鳞片状煤、碎粒煤、糜棱煤渗流孔(大孔和中孔)平均含量分别为(47.3、53.3、61.75、99、276.3)×10-4cm3/g,渗流孔含量随着构造变形的增强逐渐增加,且强变形糜棱煤渗流孔含量发生急剧突增,其渗流孔含量分别是碎粒煤、鳞片状煤、碎裂煤、原生结构煤