論文題目：韓城地區(qū)煤層氣水平井鉆井工藝技術(shù)研究 專業(yè)：地質(zhì)工程 碩士生：黃國耀( 簽名) 指導(dǎo)教師：唐勝利( 簽名) 張曉宏( 簽名) 摘要 煤層氣又稱作煤層瓦斯，是近2 0 年來在世界上崛起的新型能源，是一種以吸附狀 態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣，在我國埋深2 0 0 0 m 以淺的煤層氣資源量為 3 1 4 6 1 0 1 2 m 3 ，與常規(guī)天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)。近期的勘探數(shù)據(jù)顯示，在韓城目標(biāo)區(qū)儲(chǔ)藏了大 量煤層氣，但是由于研究區(qū)存在煤儲(chǔ)層低壓、低滲、低飽和及高吸附性的特點(diǎn)，使廣泛 使用的直井難以取得良好的商業(yè)化勘探開發(fā)價(jià)值。因此需要在研究韓城地區(qū)煤儲(chǔ)層特征 的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有水平井施工經(jīng)驗(yàn)，探索出適合研究區(qū)煤儲(chǔ)層的煤層氣水平井鉆井工 藝。 首先，本文從韓城地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層分析出發(fā)，通過對(duì)該區(qū)煤層氣性質(zhì)和壓力特征、 儲(chǔ)層的物性和孔隙結(jié)構(gòu)的研究，為鉆井過程中的儲(chǔ)層損害機(jī)理分析提供了論據(jù)，為鉆井 的設(shè)計(jì)和施工提供了理論支撐。其次，在總結(jié)分析區(qū)水平井失敗和其他地區(qū)水平井經(jīng)驗(yàn) 的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)煤層氣水平井失敗的關(guān)鍵因素，即煤儲(chǔ)層段煤巖失穩(wěn)進(jìn)行了分析， 并提出了解決辦法。第三，在研究分析國內(nèi)外水平井鉆井工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，特別是晉 城煤層氣水平井鉆井工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)水平井鉆井從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研 究：井身類型選型；軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算；鉆具選配及鉆進(jìn)參數(shù)的確定；軌跡控制的方法； 儲(chǔ)層保護(hù)方案的確定。 本文為研究區(qū)的水平井的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為水平井鉆井工藝在韓城地區(qū)的 有效利用提供了技術(shù)支持，對(duì)提高煤層氣產(chǎn)量起到了積極的推動(dòng)作用。 關(guān)鍵詞：韓城地區(qū)；煤層氣；井眼穩(wěn)定；水平井；鉆井技術(shù) 研究類型：應(yīng)用研究 s u b j e c t t h es t u d yo nd r i l l i n gt e c h n i q u e so fc o a l b e dm e t h a n e h o r i z o n t a lw e l li nh a n c h e n ga r e a s p e c i a l t y ：g e o l o g i ce n g i n e e r i n g n a m e ：h u a n gg u o y a o i n s t r u c t o r ：t a n gs h e n g l i z h a n gx i a o h o n g a b s t r a c t c o m b e dm e t h a n e ( c b m ) ，n a m e l yc o m b e dg a s ，i san e w b o r ne n e r g ys o u r c ei nr e c e n t2 0 y e a r si nt h ew o r l d i ti su n c o n v e n t i o n a ln a t u r a lh a sw h i c he x i s t si nc o a l b e db ya d s o r p t i v es t a t e i no u rc o u n t r y , t h er e s o u r c eo fc b mw h i c hd e p t hl o wt h a n2 0 0 0 mi sa b o u t31 4 6 x10 “m ， w h i c hi st h es a m eq u a n t i t ya sn u a t u r a lg a s sr e s e r v e s t h er e c e n te x p l o r a t i o ns t a t i s t i c st e l l s ，i n h a n c h e n gt a r g e ta r e a ，t h e r ei sag r e a tn u m b e ro fc b m s t o r e di nc o m b e d b u tb e c a u s eo f c o m b e d sl o wp r e s s u r e ，l o wp e n e t r a t i o n ，l o ws a t u r a t i o na n dh i g ha b s o r p t i o n ，v e r t i c a lw e l l w i d e l yu s e dh a r d l yr e a c h e si t se x p e c t e db u s i n e s sv a l u eo ne x p l o r a t i o n t h e r e f o r e ，i na d d i t i o n t oi n v e s t i g a t i o no fh a n c h e n gc o m b e dc h a r a c t e r i s t i c s ，h a v e t oc o m b i n e dw i t hc u r r e n t h o r i z o n t a lw e l lp r o j e c te x p e r i e n c e s ，w es h o u l dd e v e l o pt h em o s tp r o p e re o a l b e dg a s h o r i z o n t a lw e l ld r i l l i n gt e c h n o l o g y f i r s t ，t h i sa r t i c l es t a r t sw i t ht h ea n a l y s i so fh a n c h e n ga r e ac o a l b e d ，s t u d i e do nc o a l b e d g a s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s s u r e ，a n a l y z e dr e s e r v o i rp r o p e r t ya n dp o r es t r u c t u r e ，g i v e n p r o o f st os u p p o r tf o r m a t i o nd a m a g ea n a l y s i sa n df o rd r i l l i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h e n ，o n t h eb a s i so fw o r l d w i d eh o r i z o n t a lw e l lt e c h n i q u e ss t u d y ，e s p e c i a l l yj i n c h e n g st e c h n i q u e s ， t h i sa r t i c l em a i n l yi n v e s t i g a t e sr e s e a r c ht e c h n i q u e sf o rh a n c h e n ga r e a ，w h i c hc o n t a i n s ： c o n f i r m i n gr e s e a r c ha r e ah o r i z o n t a lw e l l sw e l lb o d ys t r u c t u r e ；d e s i g na n dc a l c u l a t i o no f p a t h ，d r i l l i n gt o o lc h o i c e sa n dm a t c h i n gd r i l l i n gp a r a m e t e r s ，a c c o r dt od i f f e r e n tp a r to f w e l l g i v e nw a y st oc o n t r o lp a t h ，s t a b i l i z i n gb o r e h o l e ， a n dr e s e r v o i rp r o t e c t i o n ，e t c t h i sp a p e rs u p p o r t st h eh o r i z o n t a lw e l ld e s i g ni nr e s e a r c ha r e a ，a n ds u p p o r t st h e e f f i c i e n tu s eo fh o r i z o n t a lw e l ld r i l l i n gt e c h n o l o g yi nh a n c h e n g ，a c t i v e l ys t i m u l a t e st h eo u t p u t o fc o a l b e dg a s k e y w o r d s ：h a n c h e n g c o a l b e dm e t h a n e ( c b m ) h o l e _ s t a b i l i z a t i o n h o r i z o n t a lw e l l d r i l l i n g - t e c h n i q u e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西要甜，技丈擎 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 其取得研究成果。盡我所知，除了文中加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科技大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：童j 習(xí)塥日期：7 。0 7 6 q 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學(xué)校有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期問 論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或 機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版。本人允許論文被查閱和借i 蒯。學(xué)?？梢詫⒈緦W(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課 題冉撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學(xué)。 保密論文待解密后適用本聲明。 學(xué)位論文作者齜嗡悶帶指導(dǎo)教師簽 1 緒論 1 1 研究背景及意義 1 緒論 1 1 1 研究背景 煤層氣作為一種新興的能源已經(jīng)在美國成功開發(fā)利用，它也將會(huì)成為中國新的接替 能源。煤層氣的勘探開發(fā)對(duì)于我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，它將改善我國 的能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)我國以煤炭為主的能源系統(tǒng)逐漸向環(huán)境無害的可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變， 形成潔凈能源新產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，煤層氣的開發(fā)還可以從根本上防止煤礦瓦斯事故，改善 煤礦安全生產(chǎn)條件，減少煤層甲烷排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)，對(duì)全球大氣環(huán)境的保護(hù)具有十 分積極的作用1 2 j 。 煤層氣是以吸附狀態(tài)賦存在煤層中。煤層既是生氣源巖又是儲(chǔ)集巖，為特低孔特低 滲的雙孔隙儲(chǔ)層，具有抗張強(qiáng)度小、楊氏模量低、體積壓縮系數(shù)大的特點(diǎn)【3 】。它的特殊 儲(chǔ)層性和巖石物理性質(zhì)使其與常規(guī)油氣儲(chǔ)層具有顯著的差異。 通過在山西沁水盆地一系列的煤層氣鉆井施工實(shí)踐，水平井技術(shù)在煤層氣增產(chǎn)、穩(wěn) 產(chǎn)方面取得了非常好的應(yīng)用效果。作為煤層氣儲(chǔ)量較大和開發(fā)i j i 景較好的韓城地區(qū)，僅 在儲(chǔ)量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)、煤層氣形成條件評(píng)價(jià)和煤層氣產(chǎn)出的主控因素等方面進(jìn)行了研究， 對(duì)于研究區(qū)的煤層的地質(zhì)條件的研究、水平井鉆井工藝技術(shù)配套的研究還不深入。特別 是2 0 0 7 年某公司在韓城地區(qū)試打一口水平井，結(jié)果以失敗告終，造成巨大損失，使得 水平井鉆井工藝在研究區(qū)的應(yīng)用始終是一片空白，嚴(yán)重制約了該區(qū)煤層氣的商業(yè)化開 發(fā)，造成該區(qū)煤層氣“有氣”難采的尷尬局面。 由于該區(qū)煤層的特殊性和水平井鉆井工藝的復(fù)雜性，以及研究區(qū)水平井施工失敗的 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，急需通過現(xiàn)有煤層氣地質(zhì)理論和勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究的成果，找出研究區(qū) 水平井施工失敗的問題所在，切實(shí)解決研究區(qū)煤層氣“有氣”難采的問題，提出一套適 合韓城地區(qū)煤儲(chǔ)層的煤層氣水平井鉆井工藝技術(shù)。 1 1 2 研究意義 由于上述情況可知，極有必要在研究區(qū)對(duì)水平井工藝的理論進(jìn)行配套研究及應(yīng)用。 對(duì)韓城地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層的研究分析，從地質(zhì)的角度解決該區(qū)煤層氣“有氣難采的情況； 對(duì)井眼失穩(wěn)機(jī)理的研究分析，提出防治措施，為水平井的應(yīng)用提供理論支持；對(duì)水平井 鉆井理論和配套工藝的研究應(yīng)用，提出一套適合韓城地區(qū)煤儲(chǔ)層的煤層氣水平井鉆井工 藝技術(shù)，將填補(bǔ)該區(qū)煤層氣水平井工藝在理論上和技術(shù)上的空白，為該區(qū)煤層氣的高產(chǎn)、 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 高效開發(fā)提供理論指導(dǎo)。同時(shí)，論文研究過程中所涉及的一些方法也能夠在我國其他區(qū) 域煤層氣開發(fā)過程中起到借鑒作。 1 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及存在的問題 1 2 1 國外煤層氣鉆井技術(shù)概況 煤層氣是天然氣的替代能源。國外，尤其美國是世界上率先開發(fā)煤層氣資源的國家， 煤層氣鉆并活動(dòng)也最為活躍，近幾年美國的煤層氣工業(yè)發(fā)展很快。他們對(duì)煤層氣資源的 勘探與開發(fā)已引起了石油界的極大興趣【4 】。1 9 2 0 年和1 9 3 1 年，美國在粉河盆地中部的 懷俄德克煤層和阿巴拉契亞盆地北部比格朗氣田的匹茲堡煤層先后打出3 口煤層氣自流 井【5 1 。5 0 年代以來，菲利浦石油公司參與圣胡安盆地的煤層氣開發(fā)，在水果地組煤層打 出一大批氣井，其中大多數(shù)井均獲成功。在此期間采用的是常規(guī)油氣井的鉆井工藝【6 j 。 進(jìn)入7 0 年代，在全球能源危機(jī)的影響下，美國能源部( 簡稱d o e ) 做出了開展包括 煤層氣在內(nèi)的非常規(guī)天然氣回收研究的決定。從1 9 7 8 年開始對(duì)全美1 6 個(gè)含煤盆地進(jìn)行 了長達(dá)8 年的煤層氣研究【7 】。對(duì)煤層的儲(chǔ)集和運(yùn)移機(jī)理、生產(chǎn)方式和開采工藝有了進(jìn)一 步的認(rèn)識(shí)，先后對(duì)1 4 個(gè)盆地做出了資源量估算，其中有5 個(gè)煤盆地資源量最大，分別 是：皮申斯、阿巴拉契亞北部、阿巴拉契亞中部、粉河和大綠河。目前，公認(rèn)的煤層氣 開采活動(dòng)最活躍的地區(qū)是圣胡安盆地和黑勇士盆地1 8 ，它們分別代表了美國西部和東部 兩種類型含煤盆地的煤層氣開發(fā)活動(dòng)。 美國能源部8 年的研究，在鉆井方面先后研究和解決了煤儲(chǔ)層保護(hù)、煤層鉆井、煤 層取心等問題【9 】。1 9 7 8 1 9 8 2 年間，進(jìn)行的單井單煤層氣開采的研究，經(jīng)過5 年的開采， 使煤層氣的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，但單井產(chǎn)量很低，如：黑勇士盆地淺煤層單井日產(chǎn)量一 般低于2 0 0 0 m 3 ，圣胡安盆地深煤層單井日產(chǎn)量在8 0 0 0 m 3 左右。為了尋找一種更為經(jīng)濟(jì) 的煤層氣開采途徑，美國天然氣研究所同美國鋼鐵公司合作，于1 9 8 3 年開展了為期4 年的多煤層完井項(xiàng)目的研究，取得了煤層氣生產(chǎn)的重大進(jìn)展。1 9 8 6 年以后，在取得東部 淺層含煤盆地煤層氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)西部深層含煤盆地展開了研究，并取得 了明顯的丌發(fā)放果i l u j 。 現(xiàn)今美國煤層氣鉆井活動(dòng)最活躍的地區(qū)是黑勇士盆地和圣胡安盆地。至1 9 9 9 年底， 美國己鉆各類煤層氣井11 0 0 0 多口，年產(chǎn)量達(dá)到3 5 x 1 0 1 0 m 3 ，并根據(jù)煤層氣儲(chǔ)層特征、 產(chǎn)出機(jī)理等方面與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的差異，研究開發(fā)出了一整套適合煤層氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的 鉆井完井工藝技術(shù)。 美國西部圣胡安盆地，煤層氣井的完井方法主要有兩種：裸眼洞穴完井和下套管水 力壓裂完井。裸眼洞穴完井一般適用于滲透率高、易破碎的超壓煤層，主要在煤層氣富 集區(qū)應(yīng)用，在富集區(qū)以外，主要采用下套管水力加砂壓裂增產(chǎn)完井方法。美國西部的大 2 1 緒論 多數(shù)煤層氣井是采用下套管方式完井的，這種方法有多種優(yōu)點(diǎn)：可以選擇性的對(duì)各煤層 組進(jìn)行完井：鉆井過程中，井壁穩(wěn)定性可以保證；用泥漿鉆進(jìn)可以更好的控制大量的水 流動(dòng)或高壓氣體。其典型鉆進(jìn)工藝為：以77 8 井眼為例，采用標(biāo)準(zhǔn)的鉆進(jìn)工藝以平衡 或稍微加壓方式鉆穿煤層，接著在煤層下方鉆一段3 0 6 1 m 的井底口袋，為煤粉的積累 和安裝抽水泵提供空間，然后下入41 2 的套管穿過煤層并固井。為了減輕地層污染， 曾采用低密度水泥、泡沫水泥和低失水水泥進(jìn)行固井，效果都不好，最后采用了管外封 隔器等多種封隔工具，保證在固井時(shí)封固煤層上下井段，煤儲(chǔ)層不與水泥漿接觸。最后 進(jìn)行射孔和壓裂增產(chǎn)措施j 。 在美國東部盆地，煤層一般較薄較淺，且處于欠壓至常壓狀態(tài)，且有多煤層組存在， 通常采用輕型自動(dòng)推進(jìn)鉆機(jī)，配備液壓驅(qū)動(dòng)和頂驅(qū)裝置，采用空氣加泡沫或氣霧來鉆進(jìn)。 東部煤層氣井一般有三種完井方法：單煤層組裸眼完井；多煤層組下套管完井并以射流 割縫連通；多煤層組下套管完井并以射孔方式連通。對(duì)于單組煤層，將表層套管下入設(shè) 計(jì)深度并固井；接著利用氣霧鉆井液鉆穿煤層至總井深處；然后在下生產(chǎn)套管前，向井 內(nèi)泵入砂子，其頂部深度正好在煤層上方；之后固井，最后循環(huán)出砂子完井。對(duì)于多組 煤層，將表層套管下入設(shè)計(jì)深度并固井：接著利用氣霧鉆井液鉆穿煤層至總井深處；然 后下入套管并采用低密度水泥固井，最后以射孔和割縫方式來連通儲(chǔ)層和井眼。射流割 縫連通一般用于儲(chǔ)層特征以及進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試的初始井的完井，射孔完井適用于大多數(shù)開 發(fā)井的完井。下部煤層處理完畢以后，下入橋塞封隔上部層位，逐步對(duì)各煤層組進(jìn)行處 理。與割縫方式相比，這種方式通用性好，井眼周圍地層穩(wěn)定，可選擇性進(jìn)行增產(chǎn)處理， 煤粉量少且成本低，缺點(diǎn)是射孔易堵，地層傷害可能性大【l 2 1 。 目前，國外水平井技術(shù)的發(fā)展主要有以下兩大特點(diǎn)：一、水平井技術(shù)由單口水平井向 整體井組、多底井、多分支水平井轉(zhuǎn)變；二、應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)，減少鉆井液對(duì)油層 的浸泡和損害，加快機(jī)械鉆速，簡化井下矛盾，使水平井、多底井、多分支井在較簡化 的完井技術(shù)下就可以達(dá)到高產(chǎn)【l3 1 。經(jīng)過多年的生產(chǎn)，水平井越來越多地應(yīng)用在煤層氣開 采領(lǐng)域。 1 2 2 國內(nèi)煤層氣井的鉆井技術(shù)概況 煤層氣是煤層中自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣資源。我國煤層氣有預(yù)測(cè)儲(chǔ)量3 5 x 1 0 1 2 m 3 ， 與常規(guī)天然氣的資源量相當(dāng)。但煤層氣領(lǐng)域的勘探開發(fā)研究工作起步較晚，僅有1 0 多 年的歷史。目前，已初步掌握了中國煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、繩索取煤心、壓 裂和排采等工藝技術(shù)。但是鉆井完井技術(shù)基本沿用常規(guī)油氣井技術(shù)，在產(chǎn)量方面仍沒有 形成大規(guī)模開發(fā)的煤層氣田。究其原因，一是中國煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜；二是現(xiàn)有煤層 氣鉆井完井工藝技術(shù)一直與我國煤層特性不相適應(yīng)【m 1 5 】。 我國利用地面鉆井進(jìn)行煤層氣開發(fā)始于2 0 世紀(jì)8 0 年代，當(dāng)時(shí)煤炭科學(xué)研究院基于 3 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 煤礦生產(chǎn)安全考慮，先后在湖南里王廟、河南焦作、山西陽泉、遼寧擾順等煤礦采用探 礦鉆機(jī)、z s t - 6 6 0 0 水源鉆機(jī)、z j l 0 和z j l 5 型鉆機(jī)鉆了幾十口煤層氣井，井深1 7 0 5 0 0 m ， 采用直徑為1 0 8 m m 或1 2 7 m m 套管完井( 其中篩管完井1 6 口) 。8 0 年代后期至9 0 年代初， 聯(lián)合國丌發(fā)計(jì)劃署( 簡稱u n d p ) 資助中國原煤炭工業(yè)部和地質(zhì)礦產(chǎn)部在山西柳林、晉城、 陽泉及安徽淮南、河南安陽、河北唐山、東北鐵法等地區(qū)進(jìn)行有針對(duì)性的煤層氣鉆探試 驗(yàn)。其中，原地礦部華北石油地質(zhì)局采用z j 3 2 鉆機(jī)共鉆9 口井，煤層埋深4 0 0 1 0 0 0 m ， 采用直徑為1 2 7 m m 套管射孔完井，形成了以山西柳林煤層氣試驗(yàn)區(qū)為代表的煤層氣勘 探鉆井、“m s 2 1 5 ”繩索取煤心、“l(fā) b m ”低固相鉆井液和完井等工藝技術(shù)。但是煤層氣單 井產(chǎn)量較l k 氏( 1 0 0 - 2 6 0 0 m 3 d ) ，且產(chǎn)量遞減快。與此同時(shí)，美國的i c f 、a r i 、e n r o n 、a r c o 、 等公司紛紛介入中國煤層氣的勘探開發(fā)，其鉆井完井技術(shù)基本上利用我國現(xiàn)有的技術(shù)。 到目前為止，已在東北、江南和山西等地區(qū)鉆了8 0 多口試驗(yàn)井，均為套管射孔壓裂完 井。初步達(dá)到工業(yè)氣流的煤層氣井有9 口，分布在柳林、潘莊、胡底、鐵法和屯留地區(qū)。 最高產(chǎn)氣量7 0 0 0 m 3 d ，最低2 6 0 0 m 3 d ，其余煤層氣中國石油天然氣集團(tuán)公司( c n p c ) 于 1 9 9 2 1 9 9 4 年投資進(jìn)行了5 口井( 歐1 5 井、沁參l 井、大參l 井、曲試1 井和冷試1 井) 的煤層氣勘探試驗(yàn)，除江西曲試l 井為裸眼洞穴完井外，其余為套管射孔完井。1 9 9 6 年中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司和c n p c 煤層氣勘探項(xiàng)目經(jīng)理部相繼成立，標(biāo)志著中國煤層 氣勘探開發(fā)第一個(gè)高潮到來?！熬盼濉逼陂gc n p c 進(jìn)行了較大規(guī)模的煤層氣綜合研究和工 藝性勘探開發(fā)試驗(yàn)，先后在華北大城、山西晉城和陜西吳堡地區(qū)共鉆了2 0 口煤層氣試 驗(yàn)井( 包括2 個(gè)井組) ，除取煤心技術(shù)有發(fā)展之外，其余鉆井完井技術(shù)基本與常規(guī)油氣井 類似。從產(chǎn)氣量來看，晉試1 井區(qū)6 口井組聯(lián)合排采后取得了2 5 0 0 4 0 5 0 m 3 d 的產(chǎn)量， 其余井的產(chǎn)氣量都較低。雖然取得一定的初期產(chǎn)氣量，但產(chǎn)量遞減迅速，以至停止試采。 雖然我國煤層氣開發(fā)試驗(yàn)己遍布全國，但取得一定工業(yè)氣流的煤層氣井僅占鉆探井的 7 左右。從鉆井完井技術(shù)和設(shè)備方面來看，基本沿用常規(guī)油氣井鉆井完井技術(shù)，而許 多在常規(guī)低滲天然氣井中應(yīng)用相當(dāng)有效的新技術(shù)( 如水平井、欠平衡鉆井、小井眼鉆井 等技術(shù)) 未應(yīng)用于煤層氣開采，整體技術(shù)與美國煤層氣開發(fā)技術(shù)相比存在著較大的差距。 有些方面可能是制約我國煤層氣突破的潛在因素，而且這些尚未引起中國煤層氣開發(fā)試 驗(yàn)決策者和技術(shù)人員的高度重視【l 7 。 通過借鑒國外研究成果和“九五攻關(guān)，我國己基本掌握了水平分支井鉆井技術(shù)， 并先后在遼河油田和勝利油田完成了4 口分支井，取得了較好的效益。 但是我國煤層氣水平井的研究卻才剛剛起步。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平和工具設(shè)備情 況，在煤層中鉆定向羽狀水平井的難度較大，主要體現(xiàn)在缺乏配套的井下工具、相應(yīng)的 工藝技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)【m 1 9 1 。楊陸武【2 0 1 從煤層氣儲(chǔ)層條件的角度，提出多分支水水平井的 增產(chǎn)作用體現(xiàn)在其快速傳遞壓降和提高儲(chǔ)層無限導(dǎo)流能力上。鮮保安【2 l 】根據(jù)流體串聯(lián)和 并聯(lián)管路設(shè)計(jì)原理，推導(dǎo)出多分支井身結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)方程，并設(shè)計(jì)出2 類型紊流型和5 類層 4 1 緒論 流型的多分支井身結(jié)構(gòu)。可以說我國鉆定向羽狀水平井的技術(shù)本身應(yīng)該說己基本具備。 我國第一口煤層氣羽狀分支水平井，由中國石油天然氣股份有限公司煤層氣勘探項(xiàng) 目經(jīng)理部引進(jìn)c d x 國際公司的鉆井專利技術(shù)在樊莊高煤階區(qū)鉆井試驗(yàn)成功【2 2 1 ，如圖 1 1 。該地區(qū)煤層滲透性相對(duì)較好，含氣量高，單井和區(qū)域地應(yīng)力大小和分布狀況研究比 較詳細(xì)，為水平井開發(fā)有效的井眼軌跡設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)【2 3 】。 圖1 1 煤層氣羽狀分支水平井不意圖( 據(jù)江山，2 0 0 4 ) 通過選擇煤礦井下煤儲(chǔ)層進(jìn)行近距離觀察研究和大強(qiáng)度試驗(yàn)積累，奧瑞安公司成功 地開發(fā)出了一套特別適用于低滲和低壓環(huán)境的煤層氣高效開發(fā)多分支水平井技術(shù)體系。 這套技術(shù)具有如下鮮明的特點(diǎn) 2 4 1 ： 1 ) 高產(chǎn)高效，相對(duì)于常規(guī)水力壓裂垂直井，產(chǎn)能提高約5 到1 0 倍，5 年內(nèi)氣體采 收率可達(dá)7 0 ； 2 ) 定向開采，其定向和水平延伸能力使得復(fù)雜地表地質(zhì)條件下單井筒大面積開采 煤層氣成為可能，單井眼水平定向延伸能力可達(dá)1 0 0 0 1 5 0 0 米； 3 ) 欠平衡儲(chǔ)層保護(hù)，對(duì)低壓儲(chǔ)層而言，欠平衡作業(yè)是保障產(chǎn)能的唯一有效途徑； 4 ) 全程抽放，可以配合煤礦開采，進(jìn)行立體的全方位瓦斯抽放，同一井筒可以用 于預(yù)抽、采中抽及采后抽，既能提高抽放率，又能在不干擾煤礦生產(chǎn)的前提下節(jié)約抽放 時(shí)間； 5 ) 精確勘探，定向工程揭露的地質(zhì)信息可以為煤礦工作面部署提供最權(quán)威的勘探 依據(jù)，完全解除煤炭生產(chǎn)對(duì)常規(guī)補(bǔ)充鉆探和三維地震勘探的嚴(yán)重依賴； 奧瑞安針對(duì)中國煤地質(zhì)條件開發(fā)的多分支水平井技術(shù)已經(jīng)在中國山西獲得了成功 驗(yàn)證。2 0 0 4 年1 1 月2 8 日，奧瑞安設(shè)計(jì)和組織施工的d n p - - - 0 2 多分支水平井正式投入 生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期工藝和產(chǎn)能的雙重突破。該井率先在中國實(shí)現(xiàn)了煤層水平多分支鉆 進(jìn)，煤層中水平井眼總進(jìn)尺近8 0 0 0 米。在經(jīng)過7 0 多天的排水后，d n p 0 2 井井底壓力 僅降低了0 5 m p a ，但甲烷流量已經(jīng)逐步上升到了1 5 0 0 0 m 3 d 。從開始生產(chǎn)至今已經(jīng)將近 一年半，氣井日產(chǎn)量平均2 0 0 0 0 m 3 。從2 0 0 5 年開始，他們共在山西沁水南部地區(qū)實(shí)施 5 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論丈 了1 2 口多分支水平井，鉆井全部獲得成功。2 0 0 6 年1 0 月，相繼對(duì)6 口多分支井實(shí)施排 采作業(yè)，開始獲得不斷攀升的高產(chǎn)氣流。至2 0 0 7 年8 月1 日止，6 口井總?cè)债a(chǎn)量突破 3 0 萬立方米。2 0 0 7 年9 月1 0 日，其中的p z p 0 3 1 井產(chǎn)量突破1 0 萬立方米。預(yù)計(jì)這6 口井5 年內(nèi)，可采出煤層氣約3 億立方米，采收率超過7 0 。 1 2 3 研究區(qū)煤層氣資源量情況概述 最近1 0 多年來的研究表明，中國的煤儲(chǔ)層最大的特點(diǎn)為“三低一高 ，既為：低壓、 低滲、低飽和及高吸附性。這些特征使得中國的煤層氣藏在使用當(dāng)前的理論技術(shù)開發(fā)時(shí) 表現(xiàn)了相當(dāng)程度的先天不足，為大規(guī)模開發(fā)煤層氣藏帶來了很大的困難，即表現(xiàn)為“有 氣 難采，如陜西韓城目標(biāo)區(qū)。 在陜西韓城目標(biāo)區(qū)，馬東民副教授根據(jù)塊段劃分的原則【2 4 1 ，將韓城地區(qū)煤層氣資源 劃分為1 4 個(gè)計(jì)算單元( 5 個(gè)生產(chǎn)區(qū)、3 個(gè)普查區(qū)、6 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)) ，在面積為1 1 2 0 k m 2 范圍 內(nèi)獲得煤層氣總資源量為1 7 1 0 1 2 r n 3 ，其中深度小于1 0 0 0 m 的煤層氣資源量為 1 5 x 1 0 1 2 m 3 ，煤層氣的資源密度為1 5 1 0 8 r n 3 k m 2 。喬子玄一童家莊煤田普查勘探區(qū)面積 為2 8 0 k m z ，煤炭資源量約為4 0 x 1 0 8 m 3 ，取評(píng)價(jià)區(qū)的資源密度，其資源量為6 0 9 億m 3 ， 反推得平均含氣量為2 1 7 5 m 3 t ?？梢钥闯觯喉n城地區(qū)煤層氣資源量較大；其資源密度遠(yuǎn) 高于國內(nèi)其他地區(qū)( 目前普遍認(rèn)為國內(nèi)最好地區(qū)一沁南的煤層氣資源密度為 1 2 1 1 0 8 m 3 k m 2 ) 。 1 9 9 5 年，陜西省煤田地質(zhì)局【2 5 2 6 】在全省主要煤礦區(qū)煤層氣評(píng)價(jià)及資源量預(yù)測(cè)的基 礎(chǔ)上，選擇了渭北石炭二疊系煤田韓城礦區(qū)作為有望突破的潛力區(qū)，重點(diǎn)進(jìn)行煤層氣的 勘探開發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，施工煤層氣探井3 口，其中韓試l 井取得重大突破。韓試1 井排采試驗(yàn)自1 9 9 6 年5 月開始至2 0 0 0 年底，累計(jì)產(chǎn)氣量近5 0 萬方。從實(shí)踐的角度說 明在韓城地區(qū)煤層氣具有很大的儲(chǔ)量。 就目前而言，韓城地區(qū)煤層氣開發(fā)尚處于初級(jí)階段，沒有形成類似于沁水盆地那樣 商業(yè)化性煤層氣地面開發(fā)。2 0 0 7 年某公司在韓城地區(qū)試打一口水平井，在進(jìn)入煤儲(chǔ)層 4 0 多米后，由于煤儲(chǔ)層垮塌而失敗。究其原因，一是研究區(qū)煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜；二是 現(xiàn)有煤層氣鉆井完井工藝技術(shù)一直與我國煤層特性不相適應(yīng)。因此就需要在研究韓城地 區(qū)煤儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有水平井施工經(jīng)驗(yàn)，探索出適合研究區(qū)煤儲(chǔ)層的煤層氣 水平井鉆井工藝。 1 2 4 煤層氣水平井鉆井存在的問題和不足 盡管煤層氣水平井鉆井可能帶來眾多的好處，但并不是說這已經(jīng)是一項(xiàng)非常成熟的 技術(shù)了。相反，通過大量的鉆井實(shí)踐活動(dòng)，人們發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)還存在著許多不足之處， 有利有弊。使用的結(jié)果還不穩(wěn)定，有時(shí)效果好，有時(shí)效果不理想，應(yīng)用不當(dāng)，會(huì)適得其 6 1 緒論 反。與設(shè)計(jì)合理的常規(guī)直井鉆井相比，設(shè)計(jì)與施工不當(dāng)?shù)乃骄炊鴷?huì)增加作業(yè)費(fèi) 用，加重地層傷害，降低產(chǎn)量。國外在水平井技術(shù)的發(fā)展上盡管轟轟烈烈，但很多是在 實(shí)踐中摸索，對(duì)煤層氣水平井缺乏系統(tǒng)的理論與實(shí)踐研究，導(dǎo)致有時(shí)認(rèn)識(shí)不當(dāng)，設(shè)計(jì)不 合理，未達(dá)到預(yù)期的效果。根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與筆者的研究，目前水平井存在如下幾 個(gè)方面的不足： ( 1 ) 煤層氣勘探開發(fā)和科技投入過低，重視程度遠(yuǎn)不如石油和常規(guī)天然氣的勘探開 發(fā)。 ( 2 ) 對(duì)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致研究區(qū)煤層氣“有氣難采，特別是通過已經(jīng)施 工的水平井情況來看，還未能有效解決井眼坍塌的問題，直接影響了水平井的產(chǎn)能和壽 命。 ( 3 ) 水平井鉆井是一種結(jié)合了多項(xiàng)新技術(shù)的鉆井工藝，由于小井眼井下鉆井工具與配 套嚴(yán)重不足，如動(dòng)力動(dòng)力鉆具，減阻器等的國產(chǎn)化研發(fā)等。要使其廣泛應(yīng)用，必須有較 大的前期投入、先進(jìn)的鉆機(jī)設(shè)備及鉆井和定向工具鉆具的設(shè)備配套。 ( 4 ) 井眼設(shè)計(jì)和軌跡控制工藝的進(jìn)一步優(yōu)化也是水平井廣泛應(yīng)用的瓶頸。 ( 5 ) 裸眼完井在排采階段不利于井眼的穩(wěn)定，需要盡快研究出新型完井方法。 1 3 研究內(nèi)容及方法 本文研究內(nèi)容和方法具體如下： ( 1 ) 根據(jù)以往的研究和實(shí)驗(yàn)及實(shí)地調(diào)研，完成對(duì)研究區(qū)煤層氣儲(chǔ)層分析。 ( 2 ) 根據(jù)研究區(qū)煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，分析煤層失穩(wěn)的原因，結(jié)合實(shí)際施工提出預(yù)防措施。 ( 3 ) 結(jié)合已有的水平井鉆井施工的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)煤層氣水平井技術(shù)的研究分析，針對(duì) 研究區(qū)的鉆井施工情況，完成對(duì)研究區(qū)水平井工藝技術(shù)研究，包括：井身類型選型；軌 跡設(shè)計(jì)與計(jì)算；鉆具選配及鉆進(jìn)參數(shù)的確定；軌跡控制的方法；儲(chǔ)層保護(hù)方案的確定。 通過本文的研究，為韓城地區(qū)煤層氣開采開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 7 皇耋! 釜查：絲圭! 竺童三 2 1 地質(zhì)概況 2 韓城地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層分析 韓城地區(qū)位于陜西省東部關(guān)中平原北部，地屬陜西省渭南市。韓城礦務(wù)局f 轄象山 礦、桑樹坪礦和下峪口礦。西( 安) 侯( 馬) 鐵路橫貫全區(qū)，西( 安) 禹( 門幾) 高速公路沿區(qū)通 過，交通便利，經(jīng)濟(jì)條件一般( 圖2 1 ) 。 礦區(qū)最高氣溫4 l ，雖低氣溫1 48 ，年平均氣溫l l8 7 ；年相對(duì)濕度6 42 年平均降雨量5 7 6 m m ；最大積雪深度1 5 c m ；最大凍土深度5 2 c m ；年最大風(fēng)力為9 級(jí) ( 1 87 m s ) ，。般為2 3 級(jí)，以東北風(fēng)為主。屬大陸性半干旱氣候區(qū)，降阿量少，蒸發(fā)量 大足其特征 龍 - 費(fèi) - t j 桑 廠 巴j 一 警， j y 一 。j 一。岈 加 4 h 自0 m t k襄。n 。， j 一- 驂 ? ， ! - ， ? t ， 圈2 1 韓城交通位置酗 2 韓城地煤層氣儲(chǔ)層分析 2 1 1 構(gòu)造特征 韓城礦區(qū)位于渭北煤田東北端，再祁呂賀山字型構(gòu)造i j i 弧東翼邊緣的內(nèi)彎部和新華 夏第三沉降帶的東部以及秦嶺陰山兩個(gè)構(gòu)造帶之間，是陜西省重要的煤炭工業(yè)基地。礦 區(qū)以文間嶺隆起為界，分北區(qū)與南區(qū)兩部分。區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為走向n e ，傾向n w 的單斜構(gòu)造。各種構(gòu)造形跡多集中分布于井田邊淺部，各井田中深部由于所受構(gòu)造應(yīng)力 逐漸減弱，地層傾角變得較為平緩。除有少量寬緩褶皺外，很少發(fā)現(xiàn)大中型斷裂，地層 傾角一般在l o o 以下，多數(shù)地層傾角為2 0 。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為二疊紀(jì)的山西組及石炭 紀(jì)的太原組，含煤多達(dá)1 3 層，但具有煤層氣研究和開采價(jià)值的煤層僅為2 彈，3 群，5 靜及 1 1 4 煤層，井罔內(nèi)無巖漿侵入體。2 “煤層位于山西組頂部，為一較穩(wěn)定的局部可采煤層， 兩極厚度0 3 0 m ，平均1 0 m ，可采指數(shù)5 0 ，可采區(qū)主要位于燎原及下峪口井f f j 內(nèi)； 3 4 煤層位于山西組中部，為一較穩(wěn)定的中厚厚煤層，兩極厚度0 3 6 1 8 0 3 m ，平均5 5r n ， 可采性指數(shù)9 6 8 。5 4 煤層屬較穩(wěn)定的中厚煤層，厚度0 1 2 2 8 米，煤層在區(qū)內(nèi)由南而 北呈有規(guī)律的逐漸增厚，局部達(dá)特厚煤層；1 1 4 煤層位于太原組底部，兩極厚度0 1 7 4 2 m ，平均3 2m 在燎原和桑樹坪井田較厚，在下峪口井田較薄，平均可采性指數(shù)9 2 。 煤質(zhì)牌號(hào)，2 撐煤層以焦煤及瘦煤為主，3 帶煤層以瘦煤及貧煤為主，5 撐煤層以貧煤為主， 1 1 4 煤層以貧煤為主。圖2 2 為象山構(gòu)造綱要圖。 圖2 2 象山礦區(qū)構(gòu)造綱要圖 9 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 井田內(nèi)地層與區(qū)域地層基本一致，可能鉆遇地層由上至下簡述如下： 第四系( q ) ：底界海拔約4 5 8 3 m ，巖性為沖積、洪積、坡積的亞砂土、粉砂、中砂、 砂礫及風(fēng)化層等松散層組成。與下伏地層呈角度不整合接觸，厚1 4 6 m 。 古生界二疊系上統(tǒng)上石盒子組( p 2 s h ) - 底界海拔約2 7 2 1 m ，由一套陸相雜色碎屑巖 組成，其中以灰綠、黃綠、紫雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層為主，問央中細(xì)粒砂巖 及含礫砂巖。本組底部為一層1 0 多米厚的灰白色厚層狀中粗粒砂，含礫石及泥巖包體， 其上有一層l o 多米厚的紫雜色泥巖或砂質(zhì)泥巖，含大量的鐵質(zhì)鮞粒，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，俗稱“桃 花泥巖”，在全區(qū)為一明顯標(biāo)志層( k s ) 。與下伏地層整合接觸，厚1 8 1 4 m 。 古生界二疊系下統(tǒng)下石盒子組( p l x ) ：底界海拔約2 4 3 6 m ，為灰、灰綠色硬砂質(zhì)砂 巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖互層，中下部黑色泥巖，上部有灰綠色、紫雜色砂質(zhì)泥巖 或泥巖，含鐵質(zhì)鮞粒。與下伏地層整合接觸，厚2 8 5 m 。 古生界二疊系下統(tǒng)山西組( p l s ) ：地層總厚度9 0 7 5 m ，底界海拔約1 5 2 8 m ，為井田 另一主要含煤巖系，屬陸相沉積，巖性主要為硬砂質(zhì)砂巖及石英硬砂巖，其次為粘土泥 巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，上中部夾3 “煤；底部為河床相中厚厚層中細(xì)粒石英砂巖， 含大量白云母和黃鐵礦結(jié)核，與下伏地層整合接觸。3 4 煤層厚1 5 3 m ，煤層下部有0 1 m 央矸，煤層頂部海拔1 7 2 7 m ，煤層項(xiàng)板為1 6 m 厚灰黑色粉砂巖，煤層底板3 3 m 深灰 色泥巖。 古生界石炭系上統(tǒng)太原組( c 3 t ) ：鉆穿山西組4 9 m 后將進(jìn)入石炭系太原組上部的5 撐 煤層，并在該煤層中水平鉆進(jìn)。5 4 煤層為本井田主要含煤巖系及本井目的層。煤層頂界 海拔1 5 2 8 2 m ，厚3 4 3 m ，原生塊狀構(gòu)造，割理發(fā)育，局部受應(yīng)力破壞呈鱗片狀、粉狀。 5 “煤層結(jié)構(gòu)1 6 3 ( 0 1 ) 1 5 3 ( 0 1 ) 0 0 7 ，夾矸分布不穩(wěn)定。煤層上部巖性以灰黑色粉砂巖、砂 質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖為主，夾薄層或透鏡狀石英砂巖、泥巖，煤層下部含黃鐵礦結(jié)核。煤 層老頂為3 0 8 m 灰色塊狀鈣質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒含長石石英粉砂巖，與煤層不整合接觸。煤層底 板為黑色含砂泥巖，層面可見碳質(zhì)薄層及植物化石。 2 1 2 研究區(qū)煤層情況 研究區(qū)井田為石炭二疊系含煤建造，含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和石炭統(tǒng)太原組， 含煤1 2 層，山西組含1 、2 、3 號(hào)煤，太原組含4 、5 - l 、5 2 、6 、7 、8 、9 、1 0 、1 1 號(hào)煤， 共1 2 層。其中2 號(hào)煤局部可采，3 、5 小1 1 號(hào)煤為較穩(wěn)定的可采煤層。5 1 號(hào)煤層屬較 穩(wěn)定的中厚煤層，厚0 1 2 2 8 米，平均厚度3 0 米左右，一般含0 1 層矸，部分含2 4 層矸，塊狀結(jié)構(gòu)，煤層無粘結(jié)性，煤質(zhì)綜合評(píng)價(jià)屬中灰、特低硫、低磷、高灰熔點(diǎn)、高 發(fā)熱量煤，煤質(zhì)工業(yè)牌號(hào)主要為貧煤。煤層甲烷含量9 5 m 3 t ，頂板為砂巖、粉沙質(zhì)泥巖， 煤層傾向西偏北，傾角2 度。 1 0 2 韓城地煤層氣儲(chǔ)層分析 2 1 3 地層發(fā)育及水文地質(zhì)情況 研究區(qū)地層基本一致，可能鉆遇地層由上至下簡述如下。表2 1 為象山礦區(qū)地層剖 面分層預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表。 表2 1 象山礦區(qū)地層剖面分層預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)表 第四系( q ) ：底界海拔約4 5 8 3 m ，巖性為沖積、洪積、坡積的亞砂土、粉砂、中 砂、砂礫及風(fēng)化層等松散層組成。與下伏地層呈角度不整合接觸，厚1 4 6 m 。 古生界二疊系上統(tǒng)上石盒子組( p 2 s h ) ：底界海拔約2 7 2 1 m ，由一套陸相雜色碎屑巖 組成，其中以灰綠、黃綠、紫雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層為主，間夾中細(xì)粒砂巖 及含礫砂巖。本組底部為一層1 0 多米厚的灰白色厚層狀中粗粒砂，含礫石及泥巖包體， 其上有一層1 0 多米厚的紫雜色泥巖或砂質(zhì)泥巖，含大量的鐵質(zhì)鮞粒，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，俗稱“桃 花泥巖”，在全區(qū)為一明顯標(biāo)志層( k 5 ) 。與下伏地層整合接觸，厚1 8 1 4 m 。 古生界二疊系下統(tǒng)下石盒子組( p i x ) ：底界海拔約2 4 3 6 m ，為灰、灰綠色硬砂質(zhì)砂 巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖互層，中下部黑色泥巖，上部有灰綠色、紫雜色砂質(zhì)泥巖 或泥巖，含鐵質(zhì)鮞粒。與下伏地層整合接觸，厚2 8 5 m 。 古生界二疊系下統(tǒng)山西組( p i s ) ：地層總厚度9 0 7 5 m ，底界海拔約1 5 2 8 m ，為井田 另一主要含煤巖系，屬陸相沉積，巖性主要為硬砂質(zhì)砂巖及石英硬砂巖，其次為粘土泥 巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，上中部夾3 “煤；底部為河床相中厚厚層中細(xì)粒石英砂巖， 含大量白云母和黃鐵礦結(jié)核，與下伏地層整合接觸。3 “煤層厚1 5 3 m ，煤層下部有0 1 m 夾矸，煤層頂部海拔1 7 2 7 m ，煤層頂板為1 6 m 厚灰黑色粉砂巖，煤層底板3 3 m 深灰 色泥巖。 古生界石炭系上統(tǒng)太原組( c 3 0 鉆穿山西組4 9 m 后將進(jìn)入石炭系太原組上部的5 撐 煤層，并在該煤層中水平鉆進(jìn)。5 4 煤層為本井田主要含煤巖系及本井目的層。煤層頂界 海拔1 5 2 8 2 m ，厚3 4 3 m ，原生塊狀構(gòu)造，割理發(fā)育，局部受應(yīng)力破壞呈鱗片狀、粉狀。 5 ”煤層結(jié)構(gòu)1 6 3 ( 0 1 ) 1 5 3 ( 0 1 ) 0 0 7 ，夾矸分布不穩(wěn)定。煤層上部巖性以灰黑色粉砂巖、砂 質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖為主，夾薄層或透鏡狀石英砂巖、泥巖，煤層下部含黃鐵礦結(jié)核。煤 西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 層老頂為3 0 8 m 灰色塊狀鈣質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒含長石石英粉砂巖，與煤層不整合接觸。煤層底 板為黑色含砂泥巖，層面可見碳質(zhì)薄層及植物化石。 礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的地表水系有湄水河，是常年性河流，源于黃龍縣境內(nèi)，由西北流向東 南，匯入黃河，全長4 5 k m ，流量0 1 3 1 8 4 8 m 3 s ，平均流量2 0 m 3 s 。流量季節(jié)性變化大， 具有半干旱氣候河流的特征。外圍地區(qū)發(fā)育的河流自北而南有黃河、鑿開河、白礬河及 盤龍河。 地層主要含水層有第四系沖洪積潛水、上石盒子組底部k 5 砂巖、下石盒子組底部 砂巖、山西組底部k 砂巖、太原組k 3 砂巖及k 2 灰?guī)r、本溪組底部礫巖、奧陶系灰?guī)r 巖溶裂隙含水層。 2 2 研究區(qū)煤層氣性質(zhì)和壓力特征 2 2 1 煤層氣性質(zhì) 無論地表鉆孔解吸煤層氣樣，還是井下打鉆采取氣樣，測(cè)試結(jié)果均表明，本區(qū)3 4 煤層的煤層氣成分是由甲烷、氮?dú)?、二氧化碳和重?zé)N組成的混合氣體( 表2 2 ) t 2 9 1 。 表2 2 韓城北區(qū)煤層氣成分統(tǒng)計(jì)表1 2 9 i 其中甲烷成分居首位，平均達(dá)7 7 5 9 ，最高達(dá)9 8 7 6 ，氮?dú)獬煞执沃骄? 5 9 ， 二氧化碳相對(duì)較低，小于1 0 ，重?zé)N成分一般不足1 ，按照天然氣分類方案【27 。，屬典 型的干氣。在平面分布上，煤層氣組分與煤層埋深之間有明顯的關(guān)系。表現(xiàn)在淺部煤層 埋藏區(qū)，由于煤層氣保存條件差，長期沿層逸散，甲烷成分較低，氮?dú)獬煞州^高，而隨 著煤層埋深增大，逸散作用減弱，甲烷成分百分比逐漸增高，氮?dú)獬煞职俜直葎t在逐漸 降低，二者對(duì)呈現(xiàn)出較明顯的互為消長關(guān)系。按照煤層氣分帶方案【2 引，本區(qū)煤層平均埋 深3 0 0m 以深地區(qū)，由于c h 4 成分超過了8 0 ，因此應(yīng)屬甲烷帶，3 0 0m 以淺地區(qū)，應(yīng) 1 2 2 韓城地煤層氣儲(chǔ)層分析 屬煤層甲烷逸散帶。從甲烷在煤層中的賦存形式看，主要以吸附狀態(tài)為主。根據(jù)所做等 溫吸附實(shí)驗(yàn)和有關(guān)參數(shù)計(jì)算，在埋深1 5 0 0m 以淺區(qū)，煤層吸附甲烷量占甲烷含量總量 的8 7 3 9 3 ，游離甲烷量只占甲烷含量總量的7 1 3 。 2 2 2 煤層氣儲(chǔ)層壓力特征及預(yù)測(cè) 3 “煤層作為礦區(qū)主采煤層，屬高瓦斯突出煤層，為滿足防突預(yù)測(cè)及瓦斯抽放試驗(yàn)的 需要，韓城礦務(wù)局曾在井下進(jìn)行過多次煤層氣壓力測(cè)試。在埋深1 7 5 - - 4 8 8m 的范圍內(nèi)， 最大煤層氣儲(chǔ)層壓力1 1 m p a ，最小0 2 3 m p a ，氣體壓力有一定變化。經(jīng)對(duì)部分異常值取 舍后，做煤層氣儲(chǔ)層壓力與煤層埋深之間一元線性回歸分析，得到兩因素之間的關(guān)系式 為： p = 0 0 0 2 4 2 h + 0 0 9 7 4 式2 - l 式中：p 為煤層氣儲(chǔ)層壓力，m p a ：h 為煤層埋藏深度，m 。 經(jīng)對(duì)上述方程檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)為0 8 7 ，表明3 群煤煤層氣壓力與煤層埋藏深度顯著正 相關(guān)。按照此公式，可對(duì)區(qū)內(nèi)3 撐煤層不同埋深點(diǎn)的煤層氣壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)【2 9 1 。 在象山礦區(qū)鉆遇地層壓力剖面分層預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見表2 2 。根據(jù)已經(jīng)施工的參數(shù)井港聯(lián)1 井的情況，其壓力梯度3 4 k p a m ，破裂壓力4 2 7 m p a ，表現(xiàn)為欠壓儲(chǔ)層，預(yù)測(cè)區(qū)域5 撐 煤層儲(chǔ)層壓力1 0 2 m p a ，破裂壓力4 3 m p a ：根據(jù)象山礦區(qū)瓦斯壓力預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算煤 層壓力o 8 2m p a 。最終確定5 “煤層壓力0 9m p a ，破裂壓力4 3 m p a 。 2 3 研究區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及煤體結(jié)構(gòu)分析 ( 1 ) 煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu) 煤層是一種雙重孔隙介質(zhì)，屬裂隙- 孑l 隙型儲(chǔ)層。 圖2 3 是煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的理想模型，割理將煤分割成若干基質(zhì)塊，基質(zhì)塊中包含 有大量的微小孔隙，是氣體儲(chǔ)存的主要空間，其滲透性很低；割理是煤中的次要孔隙系 統(tǒng)，但它是煤層中流體( 氣體和水) 滲流的主要通道。 a 原生孔 原生孔是煤沉積時(shí)已有的孔隙，原生孔有結(jié)構(gòu)孔和屑間孑l 兩種。結(jié)構(gòu)孔( 或稱植物 組織孔) 是成煤植物本身所具有的各種組織結(jié)構(gòu)孔，結(jié)構(gòu)孔的孔徑為幾至幾十微米，形 狀呈橢圓狀、三角狀和不規(guī)則狀等，空間連通性差