韩城区块煤层气勘探开发现状与启示
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发布时间：2022-04-30 21:40
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时间：2022-06-18 22:58
郭丙政
（中联煤层气有限责任公司 北京 100011）
作者简介：郭丙政，1976年生，男，双学士，工程师，从事煤层气勘探开发工程管理，bzguo@263.net。
摘要 继沁水盆地之后，韩城地区已经成为我国煤层气勘探开发的又一热点。与沁水盆地相比，韩城地区的煤层地质条件另具特色，而煤层的渗透率、含气量等关键性煤层气生产参数也有着不同的特点。本文根据中联煤层气有限责任公司在韩城地区实施煤层气勘探工作以来取得的成果，结合已有的煤田勘探资料，分析了韩城地区煤层气地质条件的特点，并初步探讨了韩城地区开发煤层气应着力解决的问题。
关键词 煤层气 韩城地区 勘探开发
Status and Inspiration of CBM Exploration and Proction in Hancheng Block
Guo Bingzheng
（China United Coalbed Methane Corp.，Ltd.，Beijing 100011）
Abstract：Exploration data shows that Hancheng in Shaanxi province，like Qinshui basin in Shanxi，is another promising region for coalbed methane proction.Unlike Qinshui，coal in Hancheng has its own characteristics，and the key proction parameters such as permeability，gas content，etc.also vary from other regions.On the base of data got from exploration practice done by CUCBM，together with coalfield study materials，this article analyzes the specialty of coal geology in Hancheng block，and puts forward some key problems which need to be settled first before pumping coalbed methane economically from this area.
Keywords：CBM；Hancheng；Exploration and proction
我国是一个煤层气资源大国。据中联煤层气有限责任公司2001年最新预测报告，全国煤层气资源总量为31.46×1012m3，居世界第三位。其中鄂尔多斯盆地（陕、内蒙古、宁、甘）是我国西部最主要的煤层气聚集区，预测煤层气资源量为87273.42×108m3，占全国煤层气资源总量的四分之一强。陕西省韩城市所处的韩城矿区位于鄂尔多斯盆地的东南缘，煤层气资源非常丰富，一直是国内煤层气勘探开发企业和相关院校非常看好的煤层气开发有利地区之一。
为了尽快开发韩城地区煤层气资源，中联煤层气有限责任公司于2001年3月7日在陕西省韩城市辖区内登记了两个总面积461km2的煤层气探矿权区块，并于2003年开始正式启动了陕西省韩城市王峰-龙亭地区煤层气资源普查项目。经过三年多的勘探及生产试验工作，对韩城区块内的煤层以及煤层气条件有了比较全面的认识。
1 主要勘探工作
自2003年勘探工作启动以来，根据公司总体勘探部署，按照由简单到复杂，由浅入深的工作原则，我们首先在韩城南区块北部象山煤矿以西的栢林村附近实施了1口煤层气参数井，对该井3个目标煤层做了取心、样品分析化验和试井，初步获得了该地区煤层深度、厚度、煤岩煤质特征、含气量、渗透率等煤层气勘探开发的必备参数。
由于参数井获得的渗透率、含气量等数据显示该区煤层气开发条件良好，为进一步获得煤层气生产数据，我们于2004年下半年在参数井周围又施工了5口煤层气生产试验井，同参数井一起形成了一个6口井组成的先导性试验井组。
2005年4月至7月，对所有6口试验井进行了压裂改造，共压开目标煤层14层，在压裂过程中首次将清洁压裂液引入煤层气压裂施工当中来，并获得了比较好的效果。试验井组于2005年8月全面投入排采试生产。经过将近一年的排采试验，其中的两口井表现出良好的产气前景，另外4口井气产量不甚理想，6口井平均单井日产气量在1000m3左右。
为了扩大压降范围，测试井组在整体压降情况下的产气能力，公司决定在原6口试验井周围再布置5口井。第二批井于2006年4月底开工，6月初完工，全部使用空气作为钻井循环介质，不仅缩短了钻井周期，降低了钻井成本，同时减少了钻井液对煤储层的伤害。
取得储量同样也是本项目的重点工作之一，为了获得煤层的展布情况，我们从2006年3月至6月在韩城南区块北部约120km2的范围内施工二维地震勘探测线130km。本次二维地震勘探在即将开展煤层气开发的重点地区约15km2的地区布置测线密集，目的是为了查明勘探区内的构造形态，评价勘探区构造复杂程度，查明勘探区内落差大于10m的断层，控制直径≥50m的陷落柱，查明3＃、5＃、11＃煤层底板的深度。同时在其他110km2的地区布置测线相对稀疏，目的是为了初步查明探区内的基本构造形态及复杂程度，初步查明落差大于100m的断层及性质、特征延伸情况，全区解释主要目的煤层厚度变化趋势等。
2 获得的认识
2.1 煤层情况
韩城地区含煤地层为石炭-二叠系。石炭系太原组为海陆交互相沉积，地层厚度一般50m左右，含煤3～9层，可采和局部可采煤层2～3层，可采煤层累厚1.62～17.19m，一般为7.5～8.0m。二叠系山西组为陆相沉积，含煤1～4层，可采、局部可采煤层1～2层，可采煤层累厚一般4～6.5m。3＃、5＃、11＃煤层为煤层气勘探主要目标层，其厚度在1.5～8m之间。
区内煤变质程度较高，煤类以瘦煤、贫煤为主，次为焦煤，深部为无烟煤。同一层煤，南区的镜质组最大反射率较北区高。不同煤层，下部煤层的镜质组反射率较上部煤层高。
勘探目标层3＃、5＃、11＃三个煤层，埋深多在400～1000m。
从煤层的埋深、厚度以及变质程度来看，韩城地区均是非常理想的煤层气开发区域。
2.2 构造特征
二维地震资料表明韩城地区地层总体为一单斜构造，倾向西北，浅部倾角较大，中深部较缓，一般5°～10°。由于受韩城和渭河两条边界正断层的影响，浅部断裂和褶皱发育。中深部构造简单，断层、褶曲稀少。南区块偏北部有两条几乎贯穿东西的大断层将南区块分为南北两块。
2.3 煤层渗透性和储层压力
根据参数井资料，3＃、5＃、11＃煤储层压力为2.41～2.80MPa，压力系数为0.6～0.8，为欠压储层。其中两个煤层渗透率在1.5～2.5mD之间，在国内其他煤田中，如此高的渗透率非常罕见，这对煤层气的勘探开发也非常有利。
2.4 煤层含气量
参数井样品分析化验的结果表明目标煤层含气量为9.78～11.23m3/t，daf，含气饱和度为65%～76%之间，相对较高。
2.5 水文地质条件
本区地形总的特征为西高东低，黄河支流均从西北向东南注入黄河。大气降水是地下水主要补给来源。含水层主要是各层组底部的砂岩，但是各层、组、段的砂岩之间，一般都有砂质泥岩或泥岩、煤层及炭质泥岩等相对隔水层隔开，在自然条件下各含水层之间基本上无水力联系，加之补给条件差，对3＃、5＃、11＃煤无影响。
3 存在的问题
3.1 11#煤层渗透率低
参数井测试结果显示，11＃煤层的渗透率很低，不足0.1mD。但在3个目标煤层中，该煤层的厚度最大，平均达到6.5m左右，占到了所有目标煤层累计厚度的50%。能否成功开发11＃煤层的煤层气对韩城地区煤层气项目的成败至关重要。
3.2 煤储层压力问题
前文提到，该地区3个目标煤层的压力系数为0.6～0.8，这对开发煤层气不利。但这个结果与1997年陕西省煤田地质局在南区块西北部施工的一口井测得的参数截然相反，当时测试结果显示该地区地层是超压的，压力系数甚至超过了1.3。笔者认为，这可能是因为贯穿东西的大断层分隔开的两盘虽然初始地层压力相同，但由于参数井所处地区靠近煤矿，地层压力已经逐渐释放，而陕西省煤田地质局施工的井所处的另一盘没有泄压条件才形成这样的差别。如果真是这样的话，推测由柏林村向西、向南，煤储层压力应逐渐升高。
3.3 煤层中含水量低
近1年的排采试验显示韩城地区煤层产水量很低，3个煤层合采条件下单井日产水量平均不足1.5m3，有些井甚至产出的总水量尚不抵压裂时注入的总液量，煤矿工人也反映煤层基本是干的。在这种情况下，使用传统的水力压裂方式是不适合的，因为压裂液进入煤层后被煤吸附会引起煤的膨胀，从而降低煤储层的渗透率。因此，需要考虑其他完井方式。
同时，煤层含水量低也为形成整体压降带来困难。至今尚无任何证据显示单井排采形成的压降已经达到了井间干扰的程度，这可能是我们以后确定生产井间距应该考虑的重点问题之一。
3.4 11#煤层距离底部含水层近
韩城地区主要含水地层为奥陶系上下马家沟组，其单位涌水量相当大，一旦压裂裂缝下窜到这些层组，排水的强度将非常大，而且液面难以下降，产气更是无从谈起。由于峰峰组在韩城地区局部缺失，造成含水层距离位于山西组底部的11＃煤层通常只有不足20m，这给钻井尤其是压裂工作带来很多困难，如果钻井时揭穿含水层，由于灰岩中存在非常发育的裂隙，在固井时会发生水泥浆漏失，影响固井效果，而常规活性水压裂方法很容易压穿含水层造成全井无法生产。
4 下步工作重点
4.1 布置参数井，了解韩城地区煤层参数的全貌
仅靠柏林村一个生产试验井组的数据和二维地震资料难以反映出整个韩城地区的煤层气生产潜力。要获得对韩城地区煤层气资源的准确评价，需要在不同地区按照煤层气储量规范的要求施工一批参数井，一方面修正二维地震的效果，一方面进一步了解煤层厚度、地层压力、渗透率以及含气量等参数的变化规律，并最终获得韩城地区煤层气储量数据。
4.2 试验多分支水平井技术
对于含有该地区煤层气资源量近一半的11＃煤层，因其具有渗透率低、距离奥陶系灰岩含水层近的特点，常规直井压裂的方法已经不适用。根据美国的成功经验，多分支水平井对于开发低渗地区的煤层气具有良好的效果。应此，应该考虑在11＃煤层钻多分支水平井的可能性，这种方法同时也解决了该煤层距离下部含水层近的问题。但需要注意的是，11＃煤较脆，易坍塌且底部有部分粉煤，成孔性差，应探索在这类煤层中钻水平井的方法。
4.3 试验氮气泡沫等压裂、完井新技术
清洁压裂液的使用成功避免了11＃煤层压裂与下部含水层连通的问题，但这种压裂技术的缺点是仍将大量液体带入煤层，对于韩城地区的干煤层来说并不可取。氮气泡沫压裂在沁水盆地直井压裂中的试验显示其增产效果显著，因其使用的液量相对较少，能否应用到韩城地区的直井中应尝试一下。
最好的完井方法应该是不向煤层中注入任何液体，这样可以避免伤害煤层。加拿大对付干煤层的办法值得我们借鉴，他们只使用氮气压裂井筒附近煤层，相当于去除钻井过程中在近井筒造成的伤害，然后直接生产，产气量非常可观。韩城地区应该尝试这种压裂方式。
韩城地区煤层的渗透率和含气量等数据毫无争议地将该地区推上煤层气开发重点区的位置，但真正能够经济可行地开发韩城地区煤层气还需要克服一些技术上的难题。相信通过大胆引进和尝试各种新技术、新方法，以及生产方式的进步，韩城煤层气项目将最终获得成功。
参考文献
张新民、庄军、张遂安，2002，中国煤层气地质与资源评价，北京：科学出版杜
