劉炎昊，楊 敏，史小衛(wèi)，趙長(zhǎng)江

(1. 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2. 河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450016；3. 河南省煤炭煤層氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450016；4. 河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016)

構(gòu)造煤是在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的各類地質(zhì)構(gòu)造的伴生構(gòu)造[1]。煤層適度的構(gòu)造變形為煤層氣開(kāi)發(fā)提供了有利條件，但同時(shí)在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域又成為影響煤層氣開(kāi)發(fā)的負(fù)面因素，且構(gòu)造煤類別越高，開(kāi)發(fā)難度越大[2]。前人進(jìn)一步研究表明：弱變形脆性系列構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)往往是煤層氣開(kāi)發(fā)的有利區(qū)，而韌性變形的糜棱煤分布區(qū)則是礦井瓦斯突出的危險(xiǎn)地帶[3]。河南省受多期次構(gòu)造作用影響，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造煤序列均有分布，為全國(guó)構(gòu)造煤的主要發(fā)育地區(qū)之一。其煤層氣勘查開(kāi)發(fā)工作起步較早，但一直未有突破性的進(jìn)展，這與構(gòu)造煤發(fā)育關(guān)系密切。因此，加強(qiáng)構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律的研究，有針對(duì)性地總結(jié)分析構(gòu)造煤中煤層氣勘查開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要。本文在整理以往相關(guān)的專題研究、專題報(bào)告等地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，歸納分析河南省構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律，總結(jié)我省在構(gòu)造煤煤層氣勘查開(kāi)發(fā)方面的進(jìn)展和認(rèn)識(shí)，力求為今后構(gòu)造煤中煤層氣資源的勘查開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

河南省地質(zhì)構(gòu)造上跨越華北板塊、北秦嶺造山帶和南秦嶺造山帶3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。其大地構(gòu)造由兩部分組成，即板內(nèi)構(gòu)造域與板緣構(gòu)造域。板內(nèi)構(gòu)造域是指華北板塊南緣，南部緊鄰秦嶺-大別山板緣帶，東部接近郯廬斷裂帶；板緣構(gòu)造是指北秦嶺造山帶東北緣和東秦嶺造山帶北緣部分。因此，區(qū)域構(gòu)造格局受這兩大構(gòu)造背景的制約和影響。

河南省煤田構(gòu)造格局具有南北分帶、東西分區(qū)的基本特征，以京廣線為界可分為東部覆蓋區(qū)、西部暴露和半暴露區(qū)；南北方向可以概括為“四區(qū)”(太行區(qū)、嵩箕-豫東區(qū)、崤熊區(qū)、秦大構(gòu)造區(qū))、“三線”(構(gòu)造分劃線)、“四向”(構(gòu)造走向)，見(jiàn)表1[4]。

2 構(gòu)造煤區(qū)域分布規(guī)律

構(gòu)造煤的區(qū)域分布規(guī)律主要受構(gòu)造控制，與構(gòu)造分區(qū)相對(duì)應(yīng)，可分為4個(gè)區(qū)，即豫東永夏含煤區(qū)、豫西含煤區(qū)、豫南平頂山含煤區(qū)和豫北太行山東麓含煤區(qū)。各含煤區(qū)由于所處構(gòu)造環(huán)境條件、構(gòu)造帶力學(xué)性質(zhì)的差異，對(duì)構(gòu)造煤的控制也具有不同特點(diǎn)，形成不同的煤體結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面。

2.1 擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤主要分布區(qū)

根據(jù)研究，豫南、豫東、豫西處于擠壓構(gòu)造帶，豫西特殊的滑動(dòng)構(gòu)造使本區(qū)二1煤層構(gòu)造煤類型達(dá)到Ⅳ-Ⅴ類(碎粒煤、糜棱煤)[5-6]，成為研究區(qū)構(gòu)造煤類型最高的區(qū)域；豫南主要發(fā)育大型寬緩褶皺和斷層，對(duì)煤體的破壞較弱，主要形成Ⅲ-Ⅳ結(jié)構(gòu)煤(碎粒煤)；豫東以區(qū)域SN-NNE向壓扭性正斷層為主，構(gòu)造煤發(fā)育較弱，煤層仍然保持原生結(jié)構(gòu)煤的特點(diǎn)，屬于Ⅰ-Ⅱ類結(jié)構(gòu)煤(碎裂煤)等。

2.2 伸展構(gòu)造帶邊緣是構(gòu)造煤的次要分布區(qū)

伸展構(gòu)造在研究區(qū)主要分布在豫北太行山東麓含煤區(qū)，區(qū)域構(gòu)造主要表現(xiàn)為大型的隆起和凹陷盆地，在隆起和凹陷的邊緣，構(gòu)造類型以SN-NNE-NE向正斷層為特征，煤體結(jié)構(gòu)類型主要為Ⅱ-Ⅲ類(碎裂煤、碎粒煤)，構(gòu)造煤呈條帶狀，其展布方向與構(gòu)造的展布方向一致。

根據(jù)研究[7]，構(gòu)造煤形成的受力條件是控制構(gòu)造煤形成區(qū)域分布的主要因素，而對(duì)構(gòu)造煤的變形性質(zhì)影響較小，即構(gòu)造煤的形成受構(gòu)造控制，褶皺和順層斷層控制了構(gòu)造煤的區(qū)域分布，切層斷層控制了構(gòu)造煤的局部分布等。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)構(gòu)造煤具有間接控制作用，一般認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是控制區(qū)域構(gòu)造發(fā)育和演化的重要因素之一，不同的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下將產(chǎn)生不同性質(zhì)的構(gòu)造及其組合，并對(duì)煤層起到強(qiáng)烈的改造作用，致使煤層的賦存狀態(tài)和煤體結(jié)構(gòu)均發(fā)生一定的變化，從而形成具有不同變形機(jī)制和變形特點(diǎn)的構(gòu)造煤。

表1 河南省煤田構(gòu)造格局特征

3 構(gòu)造煤煤層氣開(kāi)發(fā)研究現(xiàn)狀

河南省二疊系含煤地層構(gòu)造煤普遍發(fā)育，煤層氣資源存在“三低一高一軟”——低滲透、低飽和度、低解吸壓力和高地應(yīng)力以及軟煤層普遍發(fā)育的不利特征[7-9]，自“六五”以來(lái)開(kāi)展了多批次的煤層氣井試采工作，受構(gòu)造煤發(fā)育特征差異影響，試采取的效果并不理想，各區(qū)塊及各井產(chǎn)氣產(chǎn)水差別明顯，也與河南省煤層氣資源條件所具有的開(kāi)發(fā)潛能大相徑庭，至今沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)，直井平均日產(chǎn)尚未超過(guò)500 m3，依然處于試驗(yàn)探索階段。這些井中，除了焦作恩村、九里山、位村區(qū)塊具有特殊的“兩軟夾一硬”煤層結(jié)構(gòu)，主要采用避開(kāi)軟煤分層射孔壓裂的方式以外，其余區(qū)塊的試采井煤層結(jié)構(gòu)均較為破碎。因此，根據(jù)選擇試采改造層位的不同，大致劃分為兩種類型，即煤層頂板和煤層本身。就改造層位選擇和改造措施機(jī)理的不同，分別對(duì)構(gòu)造煤頂板壓裂、構(gòu)造煤煤層壓裂和糜棱煤掏煤卸壓的部分案例進(jìn)行綜述。

3.1 以構(gòu)造煤煤層頂板圍巖為壓裂對(duì)象的試采案例

焦作中馬村礦二疊系山西組二1煤層頂板中施工一組水平對(duì)接井，采用水力噴射射孔分段壓裂進(jìn)行圍巖、煤儲(chǔ)層改造，獲得最高日產(chǎn)氣量2 275 m3，總產(chǎn)氣量近13萬(wàn)m3。由于受巷道安全防護(hù)限制，壓裂規(guī)模和產(chǎn)氣量沒(méi)有達(dá)到預(yù)期，但一定程度上為本區(qū)采用圍巖-煤儲(chǔ)層改造工藝提供了可行的借鑒經(jīng)驗(yàn)。另一典型案例是，獲嘉縣馬廠勘查區(qū)施工1口煤層氣直井，測(cè)試結(jié)果顯示，該井二1煤層全層構(gòu)造煤發(fā)育，以碎粒煤和糜棱煤為主，煤層滲透率0.07 mD，含氣飽和度51%，采用活性水壓裂液頂板+頂板與煤層合層壓裂的工藝完井，因頂板壓裂后形成高滲透通道，導(dǎo)致煤層未能破裂、頂板來(lái)水較大，進(jìn)行了為期1 a多的試采，日平均產(chǎn)水量50～65 m3，日平均產(chǎn)氣24 m3，該井一定程度上揭示了該區(qū)塊的地質(zhì)條件和可采性。

省外淮北礦區(qū)在以糜棱煤和鱗片煤為主的8號(hào)煤層頂板巖層中進(jìn)行水平井套管射孔完井[10]，其中，水平段長(zhǎng)度為586 m，煤層分7段進(jìn)行了高強(qiáng)度水力壓裂，累計(jì)注入壓裂液6 627 m3、石英砂542 m3，取得了較好的產(chǎn)氣效果，單井連續(xù)3、6、12個(gè)月平均日產(chǎn)氣量達(dá)到10 358 m3、9 039 m3、7 921 m3，截至2017年底累計(jì)產(chǎn)氣500萬(wàn)m3，日產(chǎn)氣量依然穩(wěn)定在3 200 m3以上，創(chuàng)造了我國(guó)碎軟低滲煤層的煤層氣水平井氣產(chǎn)量的新紀(jì)錄，具有重要的指導(dǎo)意義，目前我省在這一構(gòu)造煤開(kāi)發(fā)的新技術(shù)新工藝上正進(jìn)行進(jìn)一步探索。

3.2 以構(gòu)造煤儲(chǔ)層本身為壓裂對(duì)象的試采案例

鶴壁六礦HB01、HB02井組實(shí)現(xiàn)軟煤層(碎粒煤為主)中水平鉆進(jìn)817 m，煤層鉆遇率超過(guò)90%。分五段進(jìn)行水力噴射壓裂。獲得HB01井日產(chǎn)量達(dá)到1 341 m3，連續(xù)產(chǎn)氣超過(guò)27個(gè)月，累計(jì)產(chǎn)氣超過(guò)70萬(wàn)m3，HB02井穩(wěn)定日產(chǎn)氣量超過(guò)3 000 m3，取得了一定突破，為河南省單一構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)提供了借鑒?！笆濉逼陂g，在平頂山地區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育地區(qū)，河南省煤層氣公司和中煤科工集團(tuán)西安研究院累計(jì)施工了30口直井，分別探索了平頂山中煤級(jí)松軟低滲欠壓煤儲(chǔ)層的活性水氮?dú)廨o助壓裂增產(chǎn)技術(shù)。其中，SS-009井獲得了單井日產(chǎn)1 708 m3，540 d累計(jì)產(chǎn)氣50萬(wàn)m3，刷新了構(gòu)造煤儲(chǔ)層煤層氣直井開(kāi)發(fā)的歷史紀(jì)錄，打破了傳統(tǒng)認(rèn)為松軟低滲儲(chǔ)層無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)的認(rèn)識(shí)禁區(qū)。

3.3 以糜棱煤沖孔卸壓為主的案例

構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)松軟易坍塌的特性為水力沖孔卸壓應(yīng)力釋放提供了很好的充分條件，理論上來(lái)講，可以成為構(gòu)造煤區(qū)煤層氣高效產(chǎn)出的突破口。這方面，河南滎鞏煤田和新安煤田孟津井田做了初步的探索。

美國(guó)中美能源公司采用洞穴法、水力沖孔掏煤卸壓方式在滎鞏煤田進(jìn)行地面鉆井抽采試驗(yàn)，成孔2口直井，歷時(shí)1個(gè)月，各孔沖出煤量250 t左右，單孔日平均產(chǎn)氣800～900 m3，分別累計(jì)產(chǎn)氣1萬(wàn)m3。說(shuō)明糜棱煤發(fā)育儲(chǔ)層具有高產(chǎn)的高煤層氣含量這一物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)水力沖孔卸壓可使煤層氣高效產(chǎn)出，但糜棱煤松軟易流變的特性造成松軟煤層容易坍塌堵孔、抽采周期較短、產(chǎn)氣量衰減較快。

近年來(lái)，河南省煤層氣公司在孟津井田開(kāi)展了以糜棱煤為主的煤層中，采取水平井地面水力沖孔掏煤卸壓促進(jìn)解吸的工藝，累計(jì)糜棱煤煤層中水平段進(jìn)尺1 100 m，掏煤275 m3，排采試驗(yàn)取得日產(chǎn)氣量478 m3，實(shí)現(xiàn)了松軟煤層水平井分支鉆孔中篩管護(hù)孔，初步破解了松軟煤層坍塌堵孔的技術(shù)難題。

受制于資金和技術(shù)等問(wèn)題，構(gòu)造煤儲(chǔ)層中水力沖孔掏煤卸壓技術(shù)暫時(shí)沒(méi)有取得完全突破，但這種新型工藝的探索研究得到了有關(guān)科研院校的重視，已經(jīng)著手開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)研究，加快該技術(shù)的工業(yè)性應(yīng)用進(jìn)程。

4 構(gòu)造煤煤層氣開(kāi)發(fā)存在的問(wèn)題及分析

綜上所述，河南省構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)的煤層氣試采工作雖有局部個(gè)別井點(diǎn)的突破，但缺乏區(qū)域性廣泛面上的重大進(jìn)展，分析原因如下：

4.1 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究程度不夠

構(gòu)造煤儲(chǔ)層中煤層氣的賦存狀態(tài)至今沒(méi)有達(dá)成一致認(rèn)識(shí)，在游離態(tài)和吸附態(tài)兩種賦存狀態(tài)之外的超臨界、固溶等形式存在與否，煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征描述研究至今仍在不斷更新認(rèn)識(shí)，學(xué)術(shù)爭(zhēng)議不斷，對(duì)賦存狀態(tài)的認(rèn)識(shí)不清導(dǎo)致構(gòu)造煤煤層氣解吸行為和產(chǎn)出機(jī)制研究深入不夠，對(duì)試采工作的理論指導(dǎo)和工程分析造成一定困難。

4.2 構(gòu)造煤儲(chǔ)層參數(shù)的獲取存在一定技術(shù)障礙

一是通過(guò)試井、測(cè)試等手段獲取的煤層氣含量和煤層滲透率等數(shù)據(jù)，所用數(shù)學(xué)模型和測(cè)試儀器并不完全統(tǒng)一、規(guī)范，尤其是有些數(shù)據(jù)資料來(lái)源于煤田勘探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同于煤層氣現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，卻相互引用作為重要參考，即便依照同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同的測(cè)試人員和儀器得到的結(jié)果也可能大相徑庭；二是通過(guò)測(cè)井曲線判識(shí)構(gòu)造煤，以此為依據(jù)進(jìn)行選井選層、避開(kāi)軟煤層射孔時(shí)，因判識(shí)方法不同和精度不高，實(shí)際選層情況顯得規(guī)律性不強(qiáng)；三是前期投入使用的風(fēng)險(xiǎn)勘探資金以快速獲利為主要導(dǎo)向，缺乏對(duì)儲(chǔ)層的精細(xì)研究和區(qū)塊整體認(rèn)識(shí)，對(duì)資料數(shù)據(jù)共享得少，造成后期不必要的重復(fù)試驗(yàn)。

4.3 構(gòu)造煤松軟流變特性與改造工藝技術(shù)匹配性不夠

常規(guī)增產(chǎn)改造工藝技術(shù)以水力壓裂最為常用，以在堅(jiān)硬儲(chǔ)氣層中人工制造產(chǎn)氣產(chǎn)液通道為主要目的，但構(gòu)造煤儲(chǔ)層層理結(jié)構(gòu)紊亂、煤體結(jié)構(gòu)較軟，采用常規(guī)技術(shù)增滲增產(chǎn)時(shí)，壓裂液濾失量大不易形成并保持高效產(chǎn)氣產(chǎn)液通道，甚至在糜棱煤中不具備壓裂造縫的基本條件。而當(dāng)前的構(gòu)造煤中沖孔卸壓增滲促解工藝技術(shù)因工藝不完善、工具效率低等原因，亦不能長(zhǎng)久保留形成的高效通道。因此，構(gòu)造煤儲(chǔ)層改造中，地質(zhì)約束與工藝適用性存在極大的不匹配性。