王明寿1 王楚峰1 魏永佩2 张心勇1 徐文军1
（1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011；2.美国远东能源公司 北京 100016）
作者简介：王明寿，男，1966年出生，高级地质师，在职博士生，矿产普查与勘探专业，现在中联煤层气有限责任公司工作，多年从事煤炭、煤层气勘探、生产及科研工作。
摘要 煤层气的富集与储层特征密切相关，并受地质条件的制约。本文在详细研究煤储层特征及煤层气富集机制的基础上，分析和总结了沁水盆地北端寿阳区块煤层气的勘探开发现状，并对开发前景进行了初步评价。基于煤岩、煤质、煤体结构及孔渗性、吸附性的观察和测试，该区煤层表现为厚度大、热演化程度高，局部发育构造煤、裂隙较发育，吸附性能力强、含气量高，含气饱和度偏低。总体来说，适合煤层气的开发。该区煤层气的富集主要受控于热演化史和埋藏史。在区域变质的背景上，叠加了岩浆热变质作用，生气强度大；另外，煤层的埋深、顶底板封闭性及水文地质条件都会影响含气量的大小，煤层气富集是多因素有效配置的结果。
关键词 煤储层 含气量 热演化 羽状水平井 寿阳区块
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
寿阳区块位于山西省北中部、沁水盆地北端（图1），相邻的阳泉矿区是我国著名的无烟煤生产基地之一，也是典型的高瓦斯矿区，从1957年就开始煤矿瓦斯抽放与利用工作[1]。在多年的煤矿生产实践中，积累了丰富的煤矿瓦斯抽放经验，是我国煤矿瓦斯抽放和利用最成功的矿区。现建有8座瓦斯抽放站，抽放历史长，目前年瓦斯抽放量达2×108m3，占全国第一位[2]。20世纪80年代初，随着我国煤层气勘探开发的兴起，寿阳区块以其良好的资源条件及开发条件成为我国煤层气开发的热点。从1996年中国煤田地质总局在韩庄区施工HG1井开始，近十年来先后有多家单位在区内开展煤层气基础研究和煤层气勘探开发试验工作，施工了10口煤层气参数井或生产试验井（包括远东能源公司施工的3口煤层气羽状水平井），煤层气的勘探开发工作取得了阶段性进展。本文对近年来该区块的煤层气勘探开发活动进行了总结，针对该地区煤层气勘探实践过程中遇到的一些地质技术问题，对该区煤层气的富集机制和控气因素进行了探讨，以期指导勘探工程部署，从而实现该地区煤层气开发的突破。
图1 研究区交通位置图
1 勘探开发历史及现状
研究区煤层气勘探开发的历史可追溯到20世纪70年代，1975年，原煤炭部在阳泉矿区施工了一些煤层气地面抽放井，有的井还进行过井下压裂以提高产量，但限于当时的技术条件和认识水平，未取得预期的目的[3]。
1995年由联合国开发计划署（U N DP）利用全球环境基金资助、煤科总院西安分院承担的《中国煤层气资源开发》项目，《阳泉矿区煤层气资源评价》专题科研报告，对阳泉矿区（包括生产区、平昔区和寿阳区）煤层气资源开发进行了评价和研究，其中重点对寿阳区的煤层气资源开发进行了评价和研究。
中国煤田地质总局于1996～1997年在韩庄井田施工了HG1、HG6、HG3、HG2等煤层气勘探参数井，获得了该区有关的煤储层参数。其中对HG6井的主要煤层进行了压裂改造和排采试验，取得了该井合层排采的一整套生产数据。
1996年阳泉矿务局与煤炭科学研究总院西安分院合作，针对阳泉矿区寿阳区煤层气资源进行了评价研究，并且共同完成了《阳泉矿区寿阳区煤层气勘探开发可行性研究报告》。
中联公司1997～1998年在寿阳区块施工了4口煤层气井，其中1口探井，3口生产试验井，获得该区宝贵的煤储层参数和生产数据。1998年完成了四条二维地震勘探线，共计167km，获得了较丰富的地质成果；
2002年4月16日，美国康菲公司与中联公司正式签订PSC合同；2003年6月，康菲公司与远东公司签订寿阳项目转让协议，由远东公司接任作业者，根据对寿阳区块以往勘探资料的分析，项目联管会认为常规的垂直井压裂完井技术在该区效果不太理想，决定在该区块实施羽状水平井，以期取得开发的突破。2005年，远东公司在该区施工了3口羽状水平井，其中2口在煤层段进尺超过3000m，目前，3口井均在进行生产。
2 地质背景
沁水盆地北端位于北北东向新华夏系第三隆起带太行山隆起以西，汾河地堑东侧，阳曲—孟县纬向构造带南翼。总体形态呈现走向东西、向南倾斜的单斜构造。区内构造简单，地层平缓，倾角一般在10°左右。
寒武纪至中奥陶世，本区地壳稳定沉降，在古老结晶基底上形成了浅海相碳酸盐为主的沉积。中奥陶世以后，由于加里东地壳运动，华北断块上升，全区遭受长期剥蚀。到中石炭世，本区地壳再次沉降，沉积了石炭二叠纪海陆交互相含煤地层，奠定了形成煤层气的物质基础。随着上覆三叠系地层的沉积，石炭二叠纪煤层的埋深增加，地温、压力的增高，煤层发生深成变质作用。印支运动使本区整体抬升，广泛遭受剥蚀。早中侏罗世，发生了强烈的燕山运动，形成了北有孟县隆起，南有中条山隆起，东有太行山隆起，西有吕梁山隆起的沁水盆地。由于喜马拉雅运动的再次改造，沁水盆地被晋中断陷和霍山隆起分割为三个部分，即沁水煤田、西山煤田和霍西煤田。沁水向斜构成了一个独立的小构造盆地，本区即处于沁水向斜的北部转折端。
燕山运动和喜马拉雅运动期间，由于较大规模的岩浆侵入活动，大地热流背景值升高，本区石炭二叠纪煤层在原来深成变质作用的基础上，又叠加了区域岩浆热变质作用，致使煤化作用大大加深，形成了本区高变质的瘦煤、贫煤以及少量无烟煤。
3 煤储层特征
3.1 主要煤层及其特征
主要含煤地层为上石炭统太原组及下二叠统山西组，含煤10余层，其中3＃、15＃煤为主力煤层。
上主煤层（3＃煤层）：俗称七尺煤，位于山西组中上部，距下石盒子组与山西组分界砂岩（K8）20～30m左右，全区煤层厚0～3.78m，煤层较稳定，寿阳矿区西部和阳泉三矿矿区煤层较厚，其他地区煤层变薄，甚至尖灭。结构简单，有时含一层夹矸，顶底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。
下主煤层（15＃煤层）：位于太原组下部，石灰岩标志层（K2）底部为其直接顶板，煤厚0.27～6.48m，全区稳定，是研究区煤层气开发的主力煤层。在寿阳县城附近存在一潮道砂体，出现走向近南北，长10km，宽4km的无煤带。15号煤层含夹矸1～3层，结构中等，底板为泥岩、砂质泥岩，局部为细砂岩和炭质泥岩。
3.2 煤储层裂隙特征
从研究区内生产矿井井下观测，以及定向块样显微镜下观察裂隙密度和间距定量统计，煤中规模小的裂隙比规模大的裂隙发育，从中型、小型到微型，裂隙的密度增加，间距减小。裂隙的发育程度还与煤岩组分有关，从暗淡型煤、半暗型煤、半亮型煤到光亮型煤，裂隙的密度增大，间距减小。
镜煤中裂隙一般平直，垂直层理面，少数斜交层理面，显微镜下观察裂隙宽度为2～15μm；亮煤和暗煤中裂隙形态比较复杂，有锯齿状、分叉状、阶梯状、雁行状等，显微镜下测量裂隙宽度一般为8～45μm。
煤中裂隙常见矿物质充填，充填物多为方解石、黄铁矿及粘土矿物等。方解石多呈脉状充填，黄铁矿呈莓状或结核状，有时黄铁矿分布于方解石脉中，形成混合状填充。
3.3 煤层含气量及赋存规律
3＃煤层甲烷含量在寿阳勘探区介于5.05～27.15m3/t，平均为11.99m3/t，主要集中在8～12m3/t范围内；15＃煤层甲烷含量介于4.6～27.48m3/t，平均12.00m3/t。煤层解吸气成分以CH4为主，一般为70.63%～99.87%；其次为N2和CO2，N2浓度为0～27.47%，平均4.90%，CO2为0～3.00%，平均1.62%；个别样品有C2出现。
煤层含气量的平面分布特征与煤层埋藏深度变化相关，总体表现为自北向南随着埋藏深度的增加，含气量增大。该区埋深为300m 以浅的煤层，含气量一般小于10.00m3/t；在300～600m 埋深线之间，含气量为9～12m3/t；600～1000m 埋深线之间，含气量变化为12～16m3/t；1000～1400m 埋深线间，含气量为16～22m3/t；1400～1800m 埋深线附近，含气量为22～26m3/t；至最南部的煤层1800～2000m 埋深线附近，含气量最大可达26m3/t[4]。
3.4 煤储层等温吸附性能及含气饱和度
煤的吸附性能决定着煤层气的储集能力和产出过程，通常用吸附常数和等温吸附曲线来描述，含气饱和度是指在一定的储层压力、温度条件下煤层气的吸附饱和程度[5]。研究区内施工的10口煤层气井均进行了等温吸附试验，试验结果表明：寿阳地区煤的吸附能力较高，3号煤原煤的饱和吸附量（VL）为 24.04～37.65m3/t，平均 28.29m3/t；Langmuir压力（PL）为1.69～2.98MPa，平均2.41MPa。15号煤原煤的饱和吸附量（VL）为31.55～34.93m3/t，平均 33.31m3/t；Langmuir 压力（PL）为 1.79～2.74MPa，平均2.31MPa。
从SY-XX井的等温吸附曲线（图2）可见，在0～8MPa区间内，随压力增高，吸附增量变化比较明显，其中以0～3MPa间变化最显著，平均吸附增量为6.42m3/t.MPa；3～8MPa间的平均吸附增量为1.66m3/t.MPa；8～11MPa间的平均吸附增量为0.69m3/t.MPa；11～15MPa间仅为0.42m3/t.MPa。这说明煤层气井在排水降压过程中的产气高峰期应该是3MPa至煤层排采废弃压力之间，含气饱和度总体偏低。
图2 SY—XX井3号煤层原煤等温吸附曲线
3.5 煤的渗透性
研究区有8口煤层气参数井和生产试验井16层煤进行了注入/压降测试，取得了较多的煤层渗透率数据，总体来讲，煤储层的渗透性相对较好，介于0.0352～82.84mD，取得的煤层渗透率相差在几至几十倍以上，这也从一个侧面说明了煤层的非均质性[6]。
4 煤层气的富集机制
4.1 煤的热演化史和埋藏史是煤层气富集的主要控制因素
大量资料表明，该区煤层气的富集主要受控于该区煤的热演化史和埋藏史[7]，沁水煤田石炭纪、二叠纪时期，该区处于台型稳定均衡沉降阶段，沉降速率22.82m/Ma。至三叠纪，地壳沉降速度加快，最大沉降速率达65m/Ma，侏罗纪仅有短暂的微弱沉降，总体以褶皱抬升为主。根据现有资料估算，三叠纪末，该区下煤组埋藏深度约3400m左右，地温达154℃左右，煤化程度为肥、焦、瘦煤阶段，处于生气高峰期，平均生气速率为0.8978×108m3/km2·Ma，白垩纪变慢为0.018×108m3/km2·Ma，白垩纪之后，生气作用基本终止。由于研究区处于纬度34°带，在区域变质的背景上，叠加了岩浆热变质作用。因此，该区生气强度大，阳泉、寿阳、昔阳一带，生气强度一般90×108m3/km2以上。综上所述，研究区于成煤期后，曾有两次大的热演化阶段，一次为印支期，主要是快速沉降堆积增温阶段。这一阶段使石炭纪、二叠纪煤层煤化作用加强，煤级增高，区内大部分区段的煤层都跨越了生气“门槛”值，进入主要生气阶段（R°max＞1.0%），大部分地区的煤层达到生气高峰期（R°max=＞1.35%），因此，印支期是煤层气主要生成期。另一次为燕山期，主要为岩浆区域热增温阶段。
4.2 煤层埋深对煤层气富集的影响
一般来讲，随着煤层埋深的增加，含气量增加。表现在平面上由北往南含气量增加，而在钻孔中，下组煤含气量高于上组煤。该区的煤层气风化带深度在300m，即在300m以浅，煤层气成分中甲烷含量一般小于80%。
4.3 煤层顶、底板封闭程度对含气量的影响
研究表明：煤储层的顶底板岩性和封盖性能对含气量的影响很大，顶底板岩性致密、封盖性能好的区域，含气量高，否则相反，在平面上含气量低的区域和煤层顶板砂岩带基本上是重合的。
4.4 水文地质条件对含气量的影响
煤系地层水在煤层气的生成、储集（吸附）和产出的全过程中都起着重要的作用。在控制煤层气赋存、产出的主要地质因素（含气量、临界解吸压力、储层压力、渗透率、内外生裂隙等）中，煤层水作为客观载体通过与诸多因素的相互作用实现对煤层气赋存、产出能力的影响[7]。煤岩储层压力表现为煤层水压力，而常规砂岩储层压力则表现为气体压力。因此，煤层水压力的高低反映了煤岩储层能量的大小。煤岩对甲烷分子的吸附能力主要与温度和压力在煤层水压力作用下，埋深变浅的煤层仍保持了较高的原始含气量，煤岩储层中“圈闭”了一定数量的气体，形成煤层气藏[8]。
在研究区，主煤层高含气量区域与地下水等水位线的局部低洼地带较吻合。如韩庄井田主煤层含气量在研究区内是最高的地带，对比之下，该地带中奥陶统、太原组、山西组含水层的等水位线均呈现出低洼状态，地下水明显滞流是导致韩庄井田主煤层含气量高的重要原因。
上述规律得到了地下水矿化度、水质类型等分布规律的进一步佐证。韩庄井田一带存在着中奥陶统灰岩含水层高矿化度中心，矿化度在2000mg/L 以上：太原组含水层中，这一地带矿化度最高，在1500mg/L 以上；在山西组含水层中，这一地带矿化度最高，在1000mg/L 以上。这一高矿化度区带与主煤层高含气量地带在空间分布上高度一致的规律，进一步揭示出地下水缓流或滞流对煤层气保存富集的重要作用[2]。
需要指出的是，沁水盆地北端煤层气的富集，是以上诸因素综合作用的结果，只有多种因素的有效配置，才能形成富集的煤层气藏，在进行选区评价和勘探部署时，一定要全面考虑可能影响含气量的各种因素。
5 勘探中存在的问题及对策
从1997年中国煤田地质总局施工HG1号煤层气探井揭开该区的煤层气勘探序幕至今已有10年的里程，目前可以说取得了阶段性进展，但客观地讲，该区勘探开发的进程缓慢，究其原因，除和近年来煤层气产业发展的大气候有关外，还和对该区的地质规律认识水平以及采取的煤层气完井方式及工艺有一定的关系。
1996～1997年由中国煤田地质总局施工的4口井均布置在韩庄精查区内，由于韩庄精查勘探就是由煤炭队伍完成的，对地质资料的占有和研究程度都很高，因此在井位选择上非常成功，煤层厚度、含气量等主要参数都非常乐观，特别是生产试验井HG6井压裂后，单井排采最大日产气量达到1300m3，现在回过头看，该井应该是比较成功的，但限于当时对煤层气理论的认识水平和工程技术的局限，如钻井过程中对储层污染的重视不够，排采中没建立合理的排采制度造成煤层吐砂、埋泵等事故。中联公司施工的1号探井由于选在煤田勘探空白区内，加上由于地层涌、漏水等原因，并未达到预期目的，而3口井的小井组由于受当时勘探思路的影响选择在构造高点，加上对该区的水文地质条件研究不够，正好打在了富水区内，在排采过程中由于裂隙水补给充分，液面长期稳定，加上当时其他因素，最后不得不终止作业。
水平井技术是最近几年在美国、加拿大、澳大利亚等国家兴起的一项有效的煤层气增产技术，远东公司在分析总结了该区以往地质和勘探资料的基础上，决定实施羽状水平井以期取得突破，从完成的3口井的情况看是比较成功的，但由于羽状水平井作业成本高，因此在实施之前对综合地质的研究，包括煤层的机械物理性能、可钻性、水文地质特征等非常重要，同时对井眼轨迹区构造的控制（如实施三维地震勘探等）也非常重要。此外，由于涉及多个工种，煤层气羽状水平井的施工也是一个系统工程，有效科学的组织管理将会事半功倍。
6 结论
沁水盆地北端煤储层厚度大，埋深适中；煤的热演化程度较高，已进入生气高峰，煤层顶底板封闭性能好，含气量高；煤储层裂隙较发育，孔隙以小孔和微孔为主，渗透性较好；煤的吸附性能强，但含气饱和度偏低。总体来讲，该地区煤层气开发条件良好。
煤层气的富集受诸多地质条件的控制，是各种因素有效配置的结果，在这些地质因素中，煤的热演化史和埋藏史起着主导作用。其他因素如顶、底板的封盖性能、水文地质条件、埋深等也都影响着气的富集，在选区和勘探部署时要综合考虑各种因素。在增产措施的选择上，建议采用传统垂直井压裂和羽状水平井并用的方针，同时尝试近年来效果好的清洁压裂液、氮气泡沫压裂等先进的工艺和技术。
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