淮南礦區(qū)構(gòu)造煤儲(chǔ)層特征及影響因素分析

淮南礦區(qū)構(gòu)造煤儲(chǔ)層特征及影響因素分析

礦山開采技術(shù)和磚瓦開采技術(shù)對構(gòu)造煤礦區(qū)域的安全生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，但原生采礦技術(shù)對構(gòu)造煤礦的安全生產(chǎn)和發(fā)育影響不佳。雖然鉆井采礦和采礦的實(shí)施在一定程度上解決了安全問題，但由于施工技術(shù)的巨大需要、成本高、開采速度慢等因素，無法推廣和應(yīng)用。近年來,淮南、淮北、鐵法、陽泉、平頂山等構(gòu)造煤發(fā)育礦區(qū)卸壓煤層氣地面開采技術(shù)取得積極進(jìn)展。不少學(xué)者也對構(gòu)造煤礦區(qū)卸壓煤層氣開采技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,就卸壓煤層氣開采的儲(chǔ)層改造機(jī)理、卸壓區(qū)瓦斯運(yùn)移和分布以及影響卸壓煤層氣開采的主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析。20世紀(jì)90年代初,淮南礦區(qū)實(shí)施原位煤層氣地面直井開發(fā)試驗(yàn)后,瓦斯事故一直是制約淮南礦區(qū)發(fā)展的瓶頸。1998年,淮南礦業(yè)集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)合作,在區(qū)內(nèi)開展卸壓煤層氣試驗(yàn)研究,據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2008年底,淮南礦區(qū)已施工超過40口卸壓地面井抽采煤層氣,卸壓煤層氣地面井取得積極進(jìn)展。與此同時(shí),卸壓煤層氣地面井開發(fā)目前主要存在工程技術(shù)方面的難題。值得注意的是:由于滲透率低及疏導(dǎo)困難,構(gòu)造煤曾被認(rèn)為是一種不利的儲(chǔ)層?；茨系V區(qū)是中國典型構(gòu)造煤發(fā)育礦區(qū)和瓦斯事故的重災(zāi)區(qū),近年來通過地面鉆井抽采卸壓區(qū)的煤層氣,不僅杜絕了瓦斯事故,更實(shí)現(xiàn)了煤與煤層氣的高效共采[12,13,14,15,16,17]。卸壓煤層氣地面井在潘一礦、潘三礦、謝一礦3個(gè)礦單井累計(jì)產(chǎn)氣量均在(120~335)×104m3,連續(xù)產(chǎn)氣150~820d,單井產(chǎn)氣量平均5000~17140m3/d,遠(yuǎn)大于沁水盆地原位煤層氣開發(fā)地面直井的單井產(chǎn)氣量1000~2000m3/d。筆者共采集淮南礦區(qū)潘一礦、潘三礦、丁集礦、顧橋礦4個(gè)生產(chǎn)礦井原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤、鱗片狀煤、糜棱煤24件,煤體結(jié)構(gòu)類型根據(jù)姜波與袁崇孚構(gòu)造煤類型劃分,通過掃描電鏡和汞注入法孔滲研究,結(jié)合卸壓煤層開采儲(chǔ)層滲透率測試數(shù)據(jù),試圖從卸壓的角度分析不同類型構(gòu)造煤儲(chǔ)層孔滲結(jié)構(gòu)物性與卸壓改造的關(guān)系,認(rèn)識(shí)不同類型構(gòu)造煤儲(chǔ)層物性。1礦區(qū)地質(zhì)特征淮南礦區(qū)位于華北板塊東南緣,北鄰蚌埠隆起,南靠合肥坳陷,東至郯廬大斷裂,西止于麻城—阜陽斷層。區(qū)內(nèi)山西組、下石盒子組、上石盒子組為本區(qū)的主要含煤地層,層數(shù)多,厚度大,大多較為穩(wěn)定,含煤地層總厚度約1200m。其中山西組的1煤層,下石盒子組的4、7、8、9煤層,上石盒子組的B11、C13煤層是本區(qū)主要可采煤層。礦區(qū)為一軸向近東西、軸面略向南傾的復(fù)向斜構(gòu)造,復(fù)向斜南北兩翼發(fā)育疊瓦式推覆、滑脫構(gòu)造,南有舜耕山、阜鳳斷層,組成由南向北的推覆體,北在明龍山—上窯山一線有由北向南的滑覆體(圖1)。淮南煤田逆沖斷裂構(gòu)造及褶皺構(gòu)造呈EW向展布,反映了近NS向擠壓應(yīng)力作用的特點(diǎn),是華北板塊與揚(yáng)子板塊南北向碰撞對接的結(jié)果,與秦嶺—大別山造山帶的形成和演化密切相關(guān)。2孔隙結(jié)構(gòu)的研究煤儲(chǔ)層是一種雙孔隙巖層,其空間由裂隙和孔隙組成。裂隙主要由煤化作用和構(gòu)造作用形成,前者稱為內(nèi)生裂隙(割理),后者稱為外生裂隙(構(gòu)造裂隙)?？紫妒腔|(zhì)塊體單元中未被固態(tài)物質(zhì)充填的空間,孔隙研究分成因和固氣作用關(guān)系兩個(gè)方面,國內(nèi)外學(xué)者對不同孔徑與氣體的作用關(guān)系進(jìn)行了探討,霍多特的劃分方案在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛,也是本文研究的依據(jù)。該方案認(rèn)為大孔(大于1000nm)發(fā)生氣體強(qiáng)烈層流和紊流滲透,中孔(100~1000nm)發(fā)生氣體緩慢層流滲透,過渡孔(10~100nm)可發(fā)生氣體毛細(xì)管凝聚、物理吸附及擴(kuò)散,微孔(小于10nm)是發(fā)生氣體吸附的主要場所。裂隙和孔隙的大小、形態(tài)、孔隙度和連通性等決定了煤層氣的儲(chǔ)集、運(yùn)移和產(chǎn)出。不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層受構(gòu)造作用程度和機(jī)制不一樣,構(gòu)造裂隙發(fā)育程度、構(gòu)造裂隙溝通割理、孔隙的連通性也不一樣,從而對孔滲性能產(chǎn)生影響。2.1原生煤系統(tǒng)的基本特征c煤巖組分是控制煤裂隙類型的物質(zhì)基礎(chǔ),構(gòu)造應(yīng)力則是影響煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)的外在因素。煤中裂隙發(fā)育可從2個(gè)方面來表征:一個(gè)是裂隙數(shù)量規(guī)模;另一個(gè)則是裂隙形態(tài)導(dǎo)致的連通性。構(gòu)造變形不僅能在煤中形成各種類型和規(guī)模的連通性裂隙,也在一定程度將原本封閉的“死孔”通過裂隙與外界溝通[圖2(a)與(b)],從而改造煤儲(chǔ)層的孔裂隙系統(tǒng)。原生結(jié)構(gòu)煤的結(jié)構(gòu)保存較好,煤儲(chǔ)層中以內(nèi)生裂隙為主,見少量外生裂隙切割內(nèi)生裂隙,外生裂隙一般單獨(dú)出現(xiàn)[圖2(c)與(d)];碎裂煤受一定程度構(gòu)造應(yīng)力作用,發(fā)生脆性變形并開始破裂,煤中可見張剪裂隙,但裂隙規(guī)模不大[圖2(e)與圖2(f)];鱗片狀煤主要受單向剪切作用,裂隙單向發(fā)育且呈組出現(xiàn)[圖2(g)];碎粒煤受構(gòu)造作用較強(qiáng)烈,裂隙明顯增多,煤中張、剪裂隙可見各種組合形態(tài),張裂隙呈樹枝狀、網(wǎng)狀相互連通且切割內(nèi)生裂隙[圖2(h)],煤中碎斑分布不均,多呈次磨圓狀,破裂間距較大[圖2(i)];糜棱煤在應(yīng)力作用下發(fā)生強(qiáng)烈變形,煤的顯微組分中可見絲質(zhì)體整體破碎成小粒狀[圖2(j)],張、剪裂隙相互切割,而且裂隙間發(fā)生明顯的位移,破碎的礫體充填于裂隙之中[圖2(k)],高倍顯微鏡下還可見階地狀斷面上多組相互平行的裂隙面[圖2(l)]。2.2構(gòu)造變形結(jié)構(gòu)煤的孔容特點(diǎn)表1列出不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣的孔容、中值孔徑、孔隙度等參數(shù)測試數(shù)據(jù)。原生結(jié)構(gòu)煤階段孔容主要分布于過渡孔和微孔,兩者占總孔容平均含量的80.12%;碎裂煤階段孔容仍主要分布于過渡孔和微孔,兩者占總孔容平均含量的81.38%;到鱗片狀煤和碎粒煤階段,過渡孔和微孔占孔容比降有所下降,兩者之和占總孔容的75.6%和71.8%,但仍占主要地位;糜棱煤過渡孔和微孔所占比例進(jìn)一步下降,平均占總孔容的43.30%,此時(shí)孔容以大、中孔為主。隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng),煤的體積中值孔徑和孔隙度參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)變化,從原生結(jié)構(gòu)煤→碎裂煤→鱗片狀煤→碎粒煤→糜棱煤,體積中值孔徑依次增大,孔隙度也依次增大。糜棱煤體積中值孔徑較其他類型煤體結(jié)構(gòu)體積中值孔徑高得多,說明糜棱煤在強(qiáng)變形下,孔徑向大孔方向演化發(fā)生突變。同時(shí)煤儲(chǔ)層孔容分布發(fā)生相應(yīng)變化,從各階段孔容含量分布變化來看:大孔孔容含量碎粒煤最高,總體隨構(gòu)造變形的增強(qiáng)而增加;中孔孔容含量碎粒煤最高,糜棱煤次之,原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、鱗片狀煤差別不大;過渡孔和微孔在不同煤體結(jié)構(gòu)中變化不明顯。從不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層孔容分布柱狀對比圖(圖3)來看,碎粒煤和糜棱煤大孔和中孔含量顯著增加,而過渡孔和微孔在5種不同煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層中變化不明顯。2.3采動(dòng)覆巖滲透率煤儲(chǔ)層滲透性是衡量煤層氣可采性的關(guān)鍵要素之一,受地應(yīng)力(埋深)、孔裂隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層壓力、水文地質(zhì)條件等多因素制約。煤儲(chǔ)層滲透率可由多種方法獲取,如現(xiàn)場試井測試、實(shí)驗(yàn)室測定及地球物理測井曲線、煤層透氣性系數(shù)測定和儲(chǔ)層數(shù)值模擬等。不同測試方法由于邊界條件的設(shè)定很難與實(shí)際地質(zhì)背景一致,其結(jié)果往往只能反映某個(gè)或幾個(gè)因素對滲透率的影響,目前煤層氣開發(fā)中滲透率參數(shù)主要通過試井獲取,通過與產(chǎn)能匹配后認(rèn)為最接近于實(shí)際情況。表2為淮南礦區(qū)在20世紀(jì)90年代施工參數(shù)井獲取的該地區(qū)儲(chǔ)層滲透率參數(shù)及相關(guān)資料,從表中可以看出,顧橋礦兩個(gè)煤層試井滲透率與其他相比低一個(gè)數(shù)量級,其儲(chǔ)層壓力最大,且糜棱巖化體含量也最高。儲(chǔ)層壓力增大導(dǎo)致煤儲(chǔ)層裂隙開啟困難,而糜棱巖化是煤經(jīng)過破碎后又重新巖化,無孔隙存在,形成破碎而又致密的煤體,極不利于氣體的滲流。新集礦區(qū)5個(gè)試井滲透率參數(shù)主要受不同煤體結(jié)構(gòu)中構(gòu)造煤含量及其空間分布等因素的影響。葉建平等認(rèn)為:原生結(jié)構(gòu)煤滲透率的大小主要取決于割理裂隙的發(fā)育程度,割理裂隙越發(fā)育,煤儲(chǔ)層滲透率越好;隨著變形程度的增加,碎裂煤滲透率較原生結(jié)構(gòu)煤好,這是由于外生裂隙的發(fā)育切割內(nèi)生裂隙,溝通了內(nèi)生和外生裂隙,這與碎裂煤發(fā)育的沁水盆地、河?xùn)|煤田、韓城南部滲透率較高有一致性;而碎粒煤由于鏡面發(fā)育,煤體破碎,外生裂隙雖非常發(fā)育,但裂隙面間存在煤粉薄膜,降低了裂隙之間的連通性,當(dāng)煤層中存在碎粒煤分層時(shí),滲透率一般較低;而強(qiáng)變形的糜棱煤疏松、破碎,煤粉含量高,且與水結(jié)合時(shí)呈糊狀,疏導(dǎo)能力差,因此滲透率極低。3關(guān)于問題的討論3.1開采現(xiàn)場地層壓裂煤質(zhì)壓裂改造效果分析20世紀(jì)90年代初,淮南礦區(qū)進(jìn)行了原位煤層氣勘探,結(jié)果表明區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、滲透率低、井孔穩(wěn)定性差等特點(diǎn),原位煤層氣開發(fā)以失敗告終。此后楊陸武對區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤儲(chǔ)層進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),認(rèn)為構(gòu)造煤的破壞作用對煤儲(chǔ)層有以下3個(gè)方面的影響:(1)煤儲(chǔ)層滲透率極低,幾乎沒有導(dǎo)流能力;(2)構(gòu)成了嚴(yán)重的導(dǎo)流和傳壓(壓力傳導(dǎo))屏障,使相鄰地區(qū)的氣體流動(dòng)受到局限;(3)無法維持開發(fā)工程的穩(wěn)定性,也無法進(jìn)行儲(chǔ)層改造。煤儲(chǔ)層是一種低滲儲(chǔ)層,需通過壓裂改造達(dá)到開發(fā)效果。而構(gòu)造煤儲(chǔ)層疏導(dǎo)能力弱、壓力傳遞困難以及無法進(jìn)行儲(chǔ)層改造等3個(gè)特性使原位煤層采氣模式在排水降壓過程中受阻。雖碎粒煤和糜棱煤滲流孔含量較碎裂煤、鱗片狀煤、原生結(jié)構(gòu)煤大幅提高,理應(yīng)滲流能力較強(qiáng),但由于排水降壓受阻,應(yīng)力無法釋放,在儲(chǔ)層壓力和地下水等影響下,滲流性極差。且儲(chǔ)層壓力不能降至臨界解吸壓力之下,煤層氣產(chǎn)出的解吸—擴(kuò)散—滲流—運(yùn)移動(dòng)態(tài)平衡過程無法實(shí)現(xiàn)。而開采保護(hù)層的卸壓煤層氣工程實(shí)踐表明,保護(hù)層開采后的應(yīng)力釋放有效地解決了構(gòu)造煤儲(chǔ)層原始滲透率低、壓力傳遞困難以及壓裂改造效果差等技術(shù)難題,現(xiàn)場煤層氣地面井產(chǎn)氣量最高可達(dá)17140m3/d,單井總產(chǎn)能可超過335×104m3。從煤層氣開發(fā)要遠(yuǎn)離構(gòu)造煤發(fā)育礦區(qū)的初期認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在煤礦瓦斯綜合治理的“淮南模式”推廣,構(gòu)造煤儲(chǔ)層特性需從一個(gè)新的角度來審視。3.2實(shí)驗(yàn)工作面地質(zhì)情況地下礦體的采出必定會(huì)引起采場圍巖的應(yīng)力重新分布,引起圍巖的變形、破壞及運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致圍巖裂隙狀態(tài)的變化?；茨系V區(qū)卸壓煤層氣開采正是利用這一理論作為支撐,使原本滲透率極低無法抽采的C13突出煤層在保護(hù)層B11煤層首采應(yīng)力釋放后,將地面井布置在裂隙分布區(qū),達(dá)到煤層氣有效開發(fā)。煤層開采后,覆巖移動(dòng)呈現(xiàn)“橫三區(qū)”、“豎三帶”分布,沿工作面推進(jìn)方向,上覆巖層將分別經(jīng)歷煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū),由下而上巖層移動(dòng)分為冒落帶、裂隙帶、整體彎曲下沉帶。淮南礦區(qū)保護(hù)層B11煤層開采后,被保護(hù)層C13煤層與B11煤層平均相距70m,位于豎三帶的整體彎曲下沉帶。B11煤層掘進(jìn)過程中,采空區(qū)上方被保護(hù)層任一點(diǎn)都經(jīng)歷了壓縮—膨脹—膨脹變形變大—膨脹變形減小—穩(wěn)定階段,至穩(wěn)定階段,采空區(qū)正上方C13煤層中裂隙呈“O”型圈分布。現(xiàn)場實(shí)測潘一礦B11煤層2351(2)工作面開采后,其上覆C13煤層2322工作面最大垂向變形值為157.8mm,最大膨脹變形為2.63%;B11煤層2352(1)工作面開采后,其上覆C13煤層2312工作面最大壓縮變形值為14mm,最大垂向膨脹變形值為145.0mm,計(jì)算得出最大相對壓縮變形為0.269%,最大膨脹變形為2.79%。煤體的膨脹變形使C13煤層中發(fā)育大量離層裂隙,離層裂隙與下沉過程中產(chǎn)生的豎向破斷裂隙相溝通,成為煤層氣運(yùn)移的通道,達(dá)到對儲(chǔ)層改造的效果。已有研究表明,淮南B11煤層下保護(hù)層開采后,與B11煤層層間距為70m的C13煤層已充分卸壓。在充分卸壓條件下,儲(chǔ)層改造是否與煤體孔滲特征有關(guān)?為此,筆者收集淮南、淮北、平頂山等構(gòu)造煤發(fā)育礦區(qū)近年來的一系列研究成果(表3),分析發(fā)現(xiàn):卸壓開采對構(gòu)造煤儲(chǔ)層的改造效果非常顯著,透氣系數(shù)從0.01135~0.21070m2/(MPa2·d)增至13.3140~49.9665m2/(MPa2·d),增加102~2880倍,原本低滲儲(chǔ)層變成高滲儲(chǔ)層。11個(gè)測點(diǎn)滲透率改造效果與卸壓方式、層間距關(guān)系不大,而與煤體結(jié)構(gòu)(與孔滲特征對應(yīng))關(guān)系較大。糜棱煤改造效果最好,碎粒煤較好,鱗片狀煤和碎裂煤則次之,從糜棱煤→碎粒煤→鱗片狀煤和碎裂煤,滲流孔含量依次減少。這說明在充分卸壓條件下,不同類型煤體結(jié)構(gòu)煤儲(chǔ)層中,滲流孔含量越高,儲(chǔ)層改造效果越佳。3.3煤體結(jié)構(gòu)對儲(chǔ)層滲流孔含量的影響基于卸壓開采條件下不同煤體結(jié)構(gòu)孔滲特征與改造效果的關(guān)系,認(rèn)為糜棱煤是卸壓煤層氣開發(fā)的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,碎粒煤是較優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,碎裂煤和鱗片狀煤是一般儲(chǔ)層,原生結(jié)構(gòu)煤是不利儲(chǔ)層。卸壓煤層氣開采通過采場擾動(dòng)效應(yīng)使原地應(yīng)力重新分配,達(dá)到“卸壓增透增流”效應(yīng)。理論上應(yīng)力釋放越大,煤儲(chǔ)層膨脹變形越大,煤儲(chǔ)層中孔裂隙的開啟程度越高、規(guī)模也就越大,滲流能力越強(qiáng);儲(chǔ)層本身滲流孔裂隙數(shù)量越多,可供開啟的數(shù)量也越多,滲流能力也越強(qiáng)。24個(gè)不同煤體結(jié)構(gòu)煤中,原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、鱗片狀煤、碎粒煤、糜棱煤滲流孔(大孔和中孔)平均含量分別為(47.3、53.3、61.75、99、276.3)×10-4cm3/g,滲流孔含量隨著構(gòu)造變形的增強(qiáng)逐漸增加,且強(qiáng)變形糜棱煤滲流孔含量發(fā)生急劇突增,其滲流孔含量分別是碎粒煤、鱗片狀煤、碎裂煤、原生結(jié)構(gòu)煤