焦坪矿区侏罗纪煤层地面井组瓦斯预抽采技术研究与应用研究报告

焦坪矿区侏罗纪煤层地面井组瓦斯预抽采技术研究与应用综合研究报告委托单位：陕西陕煤铜川矿业有限公司承担单位：中煤科工集团西安研究院提交时间：2012年7月项目名称：焦坪矿区侏罗纪煤层地面井组瓦斯预抽采技术研究与应用委托单位：陕西陕煤铜川矿业有限公司承担单位：中煤科工集团西安研究院项目负责：宋志刚 陕西陕煤铜川矿业有限公司 张 群 中煤科工集团西安研究院黄 河 陕西陕煤铜川矿业有限公司姜在炳 中煤科工集团西安研究院参加人员：陕西陕煤铜川矿业有限公司 师同民 许 敏 张绪州 李文辉 岳 东 范智海 袁增云 任菊凤 中煤科工集团西安研究院杜新锋 郑玉柱 范 耀 王 成 杜志强周加佳 许耀波 吴 静 降文萍 殷 莉 祁满意 王战锋 张东亮 王正喜 刘娜娜报告编写：吴 静 范 耀 周加佳 许耀波 殷 莉 刘娜娜报告审核： 姜在炳 韩保山 王 成 降文萍完成时间：2012年7月目 录1 前言11.1 项目背景11.2 主要研究内容21.3 技术路线31.4 完成的工作量31.5 报告编写依据41.6 报告编写分工51.7 致谢62研究区地质条件72.1区域地质概况72.2地层82.3构造特征102.3.1矿区构造特征102.3.2下石节井田构造特征112.4 水文地质条件112.4.1含水层112.4.2地下水的补给、迳流和排泄条件122.5 煤系及煤层发育特征132.5.1煤系发育特征132.5.2煤层发育特征132.5.3煤层顶底板特征152.5.4煤岩、煤质特征162.5.5 试验井组揭露煤层数据172.6 本章小结173煤储层特性分析193.1 煤的吸附性193.1.1 储层温度193.1.2 储层压力193.1.3 煤的等温吸附特征203.2 煤的解吸特征223.2.1 解吸率223.2.2 临界解吸压力233.2.3 吸附时间233.3 煤的含气性特征243.3.1含气量243.3.2 含气饱和度253.3.3 气成分263.4 煤储层渗透性特征及其影响因素273.4.1 煤层渗透性273.4.2 渗透性影响因素283.5 本章小结304 地面井组部署314.1 试验选层314.1.1 选层原则314.1.2 选层结果324.2 井组部署原则324.3 井网设计与优化334.4 本章小结395 钻完井工艺技术405.1 井身结构405.2 钻井液方案415.3 钻具组合及钻进参数425.4 井身质量控制技术445.5 取心钻井技术445.6 测井及录井465.6.1 测井465.6.2 录井475.7 固井工艺505.8 完井工艺525.9 本章小结546 储层改造技术及工艺研究566.1 煤层气井储层改造的特点566.2 煤层气井储层改造措施的选择566.3 煤层气水力压裂工艺586.3.1 压裂液的选择586.3.2 支撑剂的选择586.3.3 压裂规模596.3.4 压裂方式606.3.5 压裂施工排量626.3.6煤层压裂防滤失工艺626.3.7压裂施工泵注程序626.3.8压裂施工装备636.4现场压裂施工分析636.4.1 JPC-02井压裂分析636.4.2 JPC-03井压裂分析656.4.3 JPC-04井压裂分析666.5裂缝监测686.5.1微地震监测686.5.2大地电位监测716.5.3裂缝高度监测756.6地应力分析796.7压裂效果分析816.8本章小结827 排采工艺技术研究837.1 排采工艺技术837.1.1 煤层气产出机理与产出特点837.1.2 排采原则与排采工艺837.2 排采设备优化877.2.1 抽排方式选择877.2.2 排采设备选择887.3 排采工作制度927.3.1 泵挂深度927.3.2 冲程947.3.3 冲次947.3.4 井底流压947.4 试验区排采情况分析957.5 主要排采数据分析977.6 多井干扰效果分析1017.7 理论临界解吸压力与生产中实际解吸压力对比1027.8 气、水成分分析1037.8.1气成分分析1037.8.2水质分析1037.9 排采认识1037.10本章小结1058 成果及建议1068.1 取得的主要成果1068.2 特色及创新点1078.3 建议1081 前言1.1 项目背景焦坪矿区陈家山煤矿、下石节煤矿及玉华煤矿是集煤、气、油共生的高瓦斯矿井，随着生产规模、开采深度和开采范围的不断增大，瓦斯灾害问题已经成为制约焦坪矿区煤矿安全生产的绊脚石。仅陈家山煤矿就发生过2次瓦斯爆炸、3次瓦斯燃烧和100多次瓦斯喷出事故，特别是2001年4月6日和2004年11月28日两次特大瓦斯爆炸事故，造成了重大生命和财产损失。因此，如何高效安全采煤是各级领导与科技工作者一直探索实践以求破解的难题。根据国外煤层气开发经验，有工业开采价值的煤层气主要在中煤级（气煤、肥煤、焦煤和瘦煤）煤中。近年来，在沁水盆地，勘探、开发高煤级无烟煤中的煤层气已取得宝贵经验，进入商业性产业开发。美国尤因塔(Uinta)盆地及粉河(PowderRiver)盆地褐煤地面煤层气单井开发试验的成功，表明气含量低、厚度大的低煤级煤也具有煤层气开发的商业价值。但在我国中西部地区开展的低煤级煤层气开发试验效果均不明显。因此，能否通过地面预抽采方式从焦坪矿区侏罗纪低煤级、低含气量煤层中有效抽采出瓦斯（煤层气），以减小煤矿瓦斯隐患、达到安全生产的目的一直是业界关注的焦点。同时，通过地面抽采煤层气（瓦斯）治理矿井瓦斯灾害的方式，已受到国家的高度重视。2009年3月10日，国家能源局发布了关于组织开展全国重点煤矿区煤层气抽采利用规模化建设工作的通知，将优选一批具备煤层气规模化抽采利用条件的重点煤矿区，采取激励扶持政策，推进煤层气抽采利用，从根本上减少煤矿瓦斯灾害威胁。铜川矿务局焦坪矿区是备选重点矿区之一。张德江副总理在求是2009年第24期发表了“大力推进煤矿瓦斯抽采利用”的重要文章，从安全、能源、环境与经济的角度系统阐述了大力推进煤矿瓦斯抽采利用的重要意义，将瓦斯抽采利用确定为煤矿安全生产的治本之策。2008年，陕西陕煤铜川矿业有限公司和中煤科工集团西安研究院在铜川矿业有限公司下石节煤矿进行了JPC-01井瓦斯抽采试验，实现了日产超千方目标。通过三年多的抽采实践显示：该井日产气量最高达1512.3m3/d，产气相对稳定阶段产量持续稳定在1000m3/d左右，稳产时间接近3年，抽采试验效果良好。为进一步提高下石节煤矿地面瓦斯区域预抽的效果，2011年3月，该公司计划继续立项，以JPC-01井为基础，在其周围再部署3口井，形成一个“1+3”模式的小型试验井网，实现地面井组瓦斯预抽采。以期推动焦坪矿区地面瓦斯抽采技术研究，加快焦坪矿区煤层气规模化开发利用步伐，为我国探索低煤级、低气含量煤层气开发提供理论依据和实践指导，同时，该项目也被列为陕西省科技统筹创新工程计划项目。该项目的实施，将为铜川煤业集团下石节煤矿解决以下生产技术问题：（1）较长时间的瓦斯预抽，提高煤层瓦斯抽采率；（2）一次施工，同时实现3号煤层和4-2煤层两层煤的瓦斯区域预抽问题；（3）通过地面井组预抽瓦斯，避免困扰下石节煤矿井下瓦斯预抽带来的煤层顶板变形、抽采系统复杂、抽采强度大、施工困难等生产问题。（4）提高地面瓦斯抽采量，为下石节煤矿瓦斯利用提供更多选择。1.2 主要研究内容项目的主要研究内容包括： （1）整理焦坪矿区下石节井田的勘探成果资料和煤层气资料，结合JPC-01井的生产试验情况，进一步分析焦坪矿区地质条件和煤储层特征。（2）结合JPC-01井的位置，研究新增3口井的部署方法和位置，形成“1+3”地面瓦斯预抽采井组。（3）结合JPC-01井的钻采工艺技术，研究新部署3口井的钻井、录井、测井、固井、射孔、压裂、排采等关键环节的工艺优化。（4）对1口井进行气含量测试、等温吸附试验及注入/压降试井。进一步获取焦坪矿区煤储层参数，研究煤层厚度、气含量、渗透率、储层压力、压力梯度等对地面井组瓦斯抽采工艺的影响。（5）综合分析焦坪矿区煤层气地面抽采的地质条件；研究适合焦坪矿区地面井组瓦斯预抽、有效降低矿井瓦斯含量的井网部署方案；探索适合焦坪矿区煤层气地面井组开发的钻井工艺、增产改造措施、排采制度。1.3 技术路线系统收集整理焦坪矿区地质资料，借助JPC-01井成果，编绘基础图件，在兼顾下石节煤矿3号煤层和4-2号煤层生产接续规划的基础上，设计下石节煤矿地面井组瓦斯预抽方案，进行地面井组瓦斯预抽；在JPC-01井附近布置3口新井，形成“1+3”地面抽采井组，设计优化井网，实施钻探、录井、测井、试井、固井、射孔、压裂等工程，进一步获取焦坪矿区煤储层参数（煤厚、气含量、渗透率、压力梯度等）；形成适合焦坪矿区低煤级、低含气量煤层气开发理论和工艺技术。技术路线如图1-1所示。图1-1 焦坪矿区下石节井田地面井组瓦斯预抽采技术路线图1.4 完成的工作量项目在2011年新部署了3口井，与JPC-01井形成“1+3”地面抽采井组。3口井分别进行了钻井、测井、试井、固井、射孔、压裂、排采作业。为保质保量地完成各项研究任务，项目组编制了项目研究大纲及实施方案，制定了每个单项工程的实施计划，确定了每项研究内容的研究思路与技术保障措施。在项目实施期间，项目组成员尽心尽力，圆满地完成了项目规定的各项内容。2011年7月6日JPC-04井开钻，至8月15日3口井全部完井结束，期间分别进行了录井、测井、固井作业。7月21日JPC-04井进行了绳索取心工作。7月26日到7月29日对JPC-04井的3号煤层进行了试井，8月3日到8月5日对JPC-04井的4-2号煤层进行了试井。2011年11月22日到2012年1月完成了3口井的压裂作业。2012年1月开始，JPC-02井、 JPC-03井、 JPC-04井相继进入排采阶段。钻井工程方面，3口煤层气垂直井累计完成进尺1847m，绳索取心49.25m，下入表层套管102m，生产套管1829.4m，同时完成了3口井的录井、测井、固井等任务。测试方面，JPC-04井进行了气含量测试和注入/压降试井。分别对3号煤层和4-2号煤层进行了试井作业，累计共2层。压裂方面，3口井共射孔730弹。加砂量累计343m3，注入压裂液共计5518.8m3，其中前置液1969m3，携砂液3502m3，顶替液47.8m3。压裂结束后对JPC-04井进行了微地震、大地电位裂缝监测，对JPC-02井、JPC-03井、JPC-04井分别进行了井温测井监测缝高。排采方面，主要包括JPC-01井的排采管理，新部署3口井的冲砂下泵、抽油机安装、井场建设以及排采作业。JPC-02井、 JPC-03井、 JPC-04井从2012年1月开始排采至今，产气效果理想。1.5 报告编写依据（1）中煤科工集团西安研究院（原煤炭科学研究总院西安研究院）焦坪矿区侏罗系煤层气开发试验研究综合研究报告；（2）中煤地质工程总公司北京大地特堪分公司JPC-02井、JPC-03井、JPC-04井的地质总结报告、固井总结报告、录井成果报告、钻井工程总结报告、钻井液总结报告、测井解释报告；（3）中煤地质工程总公司北京大地特堪分公司JPC-04井取心措施技术总结报告；（4）中煤地质工程总公司北京大地特堪分公司JPC-04井煤层气含量测试成果报告、煤层气试井成果报告；（5）中原石油勘探局井下特种作业处JPC-02井、JPC-03井、JPC-04井的压裂施工总结报告、压裂井温测井资料评价报告；（6）中原石油勘探局井下特种作业处JPC-04井的嵌入式人工裂缝实时监测解释报告；（7）中煤科工集团西安研究院物探技术研发中心JPC-04井煤层气排采水力压裂裂缝动态充电法监测工作总结；（8）中煤科工集团西安研究院JPC-01井、JPC-02井、JPC-03井、JPC-04井4口井的排采总结报告；（9）煤层气地面开发的技术规范、标准：煤层气钻井工程作业规程（Q/CUCBM 0301-2002）、煤层气地质录井作业规程（Q/CUBM0201 -2002）、煤层气钻井工程质量验收评级标准（Q/CUCBM0401-2002）、钻前工程及井场布置技术要求（SY/T5466-2004）、下套管作业规程（SY/T5412-2005）、钻井井控技术规程（SY/T 6426- 2005）、常规钻进安全技术规程（SY/T 5272-91）、钻井作业安全规程（SY/T 5974-94）、钻井取芯作业规程（SY/T 5347- 2005）、煤、泥炭地质勘查规范（DZ/T0215-2002）、煤的工业分析方法（GB/T 2122001）、煤的显微组分和矿物的测定方法（GB/T 88991998）、煤的镜质体反射率显微镜测定方法(GB/T 69481998)、煤层气含量测定方法( GB/T19559-2004) 、煤的高压等温吸附试验方法 容量法(GB/T195602004)、煤层气井注入/压降试井技术规范、煤层气井压裂技术规范(试行-2000)、煤层气井排采工程技术规范(Q/CUBM0201-1999)。1.6 报告编写分工报告共分为8部分，全面翔实地分析了焦坪矿区的地质条件、煤储层特征、煤层气地面抽采井组布置、钻完井工艺、储层改造工艺、排采工艺技术等，总结了适合于本区煤层气地面井组抽采的开发工艺技术，分析了本区煤层气地面开发的潜力。其中吴静撰写了第一章、第四章、第五章、第八章；殷莉撰写了第二章；刘娜娜撰写了第三章；许耀波撰写了第六章；范耀、周加佳撰写了第七章。整个报告由姜在炳、杜新锋负责统稿。1.7 致谢陕西陕煤铜川矿业有限公司局长宋志刚、副局长黄河、总工程师师同民自立项到实施，给予项目极大的关注和支持，多次到现场慰问并给予指导；科技中心主任许敏、副主任张绪州、范智海、袁增云、任菊凤等为项目各环节提供了很多建议和帮助；下石节煤矿副矿长（兼总工程师）岳东在工农关系、道路维护、供电等方面给予了项目很大的帮助；原科技中心主任刘长来在项目实施过程中也做了大量的工作，在此表示感谢。中煤科工集团西安研究院首席专家张新民、总工程师靳秀良在项目执行过程中提出了很多宝贵的建议和帮助，在此深表感谢。1092研究区地质条件2.1区域地质概况焦坪矿区位于鄂尔多斯地台向斜的东南缘，属于黄陇侏罗纪煤田的一部分，在构造体系上，该煤田位于祁、吕、贺“山”字形构造东翼前弧的内侧，渭北隆起彬长坳褶带，北与庆阳单斜毗邻，南与铜川韩城断褶带接壤，总体构架为倾向北西的波状单斜构造（图2-1）。矿区向北隔建庄隆起与店头矿区相邻，向西与彬长矿区相邻；向南为渭北石炭二叠纪煤田，向北位于鄂尔多斯台向斜内。图2-1 研究区构造位置图本区处于渭北隆起西北倾斜坡的陡带上，三叠系延长统沉积层因印支运动而遭受侵蚀，形成起伏不平的古地形。燕山运动早期，同沉积褶皱的性质十分明显，对延安组地层及煤层的形成与赋存，均起到了重要的控制作用。研究区构造线的方向主要有NE和NW向两组，二者互相交织。NE向构造是控制煤层平面分布的主要构造，属区域性晚期燕山运动的产物，同时也是早期NE向构造强化的结果。晚燕山运动使北东向褶皱强化而居主导地位，由于受逆时针方向的扭动作用，从区域范围看，NE向构造呈明显斜列型式，而NW向构造因受到燕山运动逆时针扭动的影响其方向趋于NWW向。NW向构造是在海西一印支运动NW向形变基础上发展起来的，很可能是侏罗纪前的主要构造，是一种区域性构造应力的产物，煤系沉积阶段的NW向同沉积褶皱是其继承性的发展，只因后期NE向构造的加强，在发生改造的同时，其程度相对减弱。区域构造经历了成煤期前海西一印支运动影响，在三叠纪造成构造形变；成煤期受早期燕山运动影响在侏罗纪形成构造形变；成煤期后受晚期燕山运动影响在白垩纪发生构造形变。先期形成的构造对于后期构造有着制约作用或某种程度的影响，后期形成的构造对先期构造有明显的改造或某种程度的继承关系。2.2地层矿区为中生代侏罗纪陆相半隐伏式煤田，据地表出露及勘探开采资料，研究区地层自下而上有中生界上三叠统永坪组（T3y），下侏罗统富县组（J1f），中下侏罗统延安组（J2y），中侏罗统直罗组（J2z），下白垩统宜君组（K1y），洛河组（K1l），环河华池组（K1h）及第四系（Q）(图2-2)。三叠系上统永坪组(T3y) 为含煤地层基底，全区分布。据钻孔揭露主要为灰绿色粉砂岩、灰色泥岩、砂质泥岩和灰白色块状细粒砂岩。图2-2焦坪矿区瓦斯地质综合柱状图侏罗系下统富县组(J1f)与下伏地层不整合接触，为三叠纪后形成的谷地或小凹地的补偿性沉积。岩性为紫杂色花斑泥岩，局部相变为灰绿色粉砂岩及砂质泥岩，团块状、具滑面，常见鲡状结构，分布普遍，但厚度变化大，厚039.0m，平均l0m。侏罗系中统延安组(J2y) 连续沉积于富县组之上，为矿区重要含煤地层，下部主要由灰色砂质泥岩(根土岩即K1标志层)、炭质泥岩、灰色粉砂岩、细粒砂岩及灰黑色泥岩组成；上部为灰色中、粗粒石英砂岩(俗称小街砂岩，即K2标志层)、深灰色粉砂岩为主，夹灰黑色泥岩和砂质泥岩。含植物化石、黄铁矿结核和1号、2号、3号、4号四个煤层(组)，含煤总厚度一般1020m，最厚可达40m，其中4-2号煤层为主要可采煤层，3-2号和4-1号煤层为局部可采煤层，1号、2号煤层不可采。本组厚度0172m，一般厚60110m。侏罗系中统直罗组(J2z)平行不整合于延安组之上，由紫杂色粉砂岩和中粗粒砂岩所组成，粒度自下而上由粗变细，底部为含砾粗砂岩，胶结松散，局部含油，厚4.96113.35m，一般6080m，具有背斜薄、向斜沉积厚的特点。白垩系下统宜君组(K1y)与下伏地层呈不整合接触，为紫杂色砾岩夹含砾粗砂岩，砾石成分多为石灰岩，次为石英岩及其它岩屑，泥钙质胶结，砾径一般3050mm。本组厚度1.5460.0lm，一般1020m。白垩系下统洛河组(K1l)由紫杂色砾岩和砖红色砂岩所组成，上部以巨厚层状的砾岩为主，夹厚层状砾砂岩。砾岩成份多为石灰岩，次为石英岩及其它岩块，砾径50100mm;下部以砖红色砂岩为主，夹厚层状砾岩或砂砾岩，砂岩具大型斜层理，泥质胶结，一般厚200m左右。白垩系下统环河华池组(K1h)仅在山梁地段局部残存。岩性主要为灰紫色、杂色的粉砂岩及细砂岩，夹薄层泥岩，水平及波状层理发育，最大残存厚度211.65m。第四系(Q)不整合覆盖于下覆地层之上，山梁顶部一般为黄土，厚度较大，山坡多为腐植土，河谷地带常发育卵石层。厚049m，一般在10m以下。2.3构造特征2.3.1矿区构造特征该区位于鄂尔多斯地台向斜南部的渭北隆起北西向倾斜坡的陡带上，为一倾向北西的单斜构造（图2-3），断层较少，延安组底面的标高从矿区东南缘的1400m左右，向西北方向降低至700m以下，浅部地层倾角可达20以上，深部则减缓至10以下。在单斜构造的基础上发育了一系列北东和北西北西西向的褶皱构造，褶曲宽度一般25km，轴长1245km，幅度40200m，倾角210，随地层由老到新褶皱的幅度、倾角变小。图2-3 研究区构造纲要示意图2.3.2下石节井田构造特征井田总体构造为：浅部为一向北西倾斜的波状单斜构造，深部水平以新民村向斜为主体，断裂构造不太发育。褶皱构造主要有：（1）七木桥背斜：位于本井田和杏树萍井田交界处，轴向NW60，向NW倾没，轴部出露T3和J1地层，两翼为侏罗系地层，延展约2.5km。（2）桦树渠背斜：分布在井田一水平同陈家山井田交界处，为向NW倾没的鼻状背斜构造，井田内延展约1300m，轴部缺失延安组和直罗组下部地层，两翼倾角1520，局部可达25以上。（3）新民村向斜：分布在井田二水平深部1004-8940-8946孔一线，为深部水平主要的褶皱构造，轴向NE36左右，两端呈弧型向东弯曲。延展约3000m以上，西延进入陈家山井田，两翼倾角平缓，一般在5以下，幅度约40m。向斜轴部延安组，富县组沉积厚度较大，如8935孔，延安组厚度162.43m，其中4-2号煤层以下沉积厚度为25.44m，并沉积了4-2下煤层。8940孔延安组厚度172.06m，其中4-2号煤层以下沉积度厚度21.98m，富县组厚度28.02m。向斜两翼沉积厚度相对较薄，如8941孔，延安组厚度114.8m，富县组厚3.9m。8942孔延安组厚度126.67m，富县组厚7m。（4）王台背斜：分布在井田二水平的8945、8949、8955孔一线，轴向NE30，向SW倾没，延展约1000m，两翼倾角在10左右，幅度4050m。轴部沉积厚度小，向两翼厚度增大。（5）草滩向斜：分布在二水平8944、8950、8954孔一线，轴向NE65，向东渐转NE20，延展约1600m，幅度约20m。2.4 水文地质条件2.4.1含水层焦坪矿区含水层可分为二类，即第四系松散层孔隙含水层和砂岩裂隙含水层。第四系松散层孔隙含水层：岩性为砂质粘土和砾石层，一般厚310m，主要分布在河谷地带。钻孔单位涌水量为0. 313.72L/sm，属重碳酸-钙镁型淡水。白垩系下统洛河组砂岩裂隙含水层：分布广泛，厚度大（80120 m）、含水性好。钻孔单位涌水量为0. 020. 542 L/ sm，属重碳酸-钙镁或钠镁型淡水。侏罗系直罗组下段砂岩裂隙含水层：岩性以中、粗砂岩为主，一般厚1565 m。钻孔单位涌水量为0.00030. 008 L/ sm，属重碳酸钠镁型淡水到钠盐水，矿化度一般不大于1 g / L。侏罗系中统延安组裂隙含水层：为含煤地层，含水层主要为主采煤层及其顶板砂岩，厚546 m，含水性弱，钻孔单位涌水量为0. 0000520. 0065 L/ sm，水质属重硫酸-钙镁型淡水到氯化物钾钠盐水，矿化度变化大。三叠系上统延长群砂岩裂隙含水层：该层具体厚度不详，浅部钻孔单位涌水量为0. 00150. 21 L/ sm；深部含水弱，钻孔抽水表明深部岩层几乎不含水。2.4.2地下水的补给、迳流和排泄条件（1）补给条件研究区位于陕甘宁中生代自流水盆地之东南缘，基岩裂隙水分布较为广泛，地表所见水泉多为流量较小的裂隙下降泉。区内无较大地表水体，地下水的补给来源主要为大气降水和含水层水。大气降水是地下水的主要补给来源。矿区浅部覆盖层较薄，导水裂隙带可以发展到地表。因此，大气降水可沿塌陷裂隙直接进入井下，涌水量大小与降雨强度有一定的对应关系。焦坪矿区大多采用垮落法管理顶板，由于煤层较厚，导水裂隙带较高，当其发展到煤层上部含水层时，含水层中的水可以直接涌入井下，涌水量大小与充水岩层的富水性有关。（2）迳流条件由于地表切割强烈，地表水迳流畅通，排泄条件较好。侵蚀基准面以上地下水以垂直运动为主，部分沿底部隔水层流向西北，侵蚀基准面以下地下水以水平运动为主，沿地层倾向向西北迳流，流向盆地的中心。（3）排泄条件近年来，随着矿区的不断开发，地下水的迳流、排泄条件发生了较大的变化，矿区涌水成为本区内地下水的主要排泄形式，由此造成了含水层区域水位下降，地表井干枯的现象。由于矿区地处盆地外缘补给区，其水文地质条件总体较为简单。2.5 煤系及煤层发育特征2.5.1煤系发育特征研究区含煤地层为中侏罗统的延安组，在含煤地层形成之前，由于受印支运动的影响，整个鄂尔多斯盆地隆起，遭受剥蚀，由于隆起和剥蚀的程度不同，中侏罗统的含煤岩系沉积在三叠系地层的不同层位之上。在井田内表现为含煤地层与三叠系地层呈假整合接触。含煤地层下部为富县组，上部为直罗组，煤层均分布于延安组中。其总厚0172m，一般60110m，由各类碎屑岩、粘土岩和煤层组成。按粒度旋回及含煤性可分为三段：下段（J2y1）：为本区主要含煤段，主要由沼泽相、湖泊相组成，岩性主要由炭质泥岩、煤层、砂质泥岩及粉砂岩组成，厚0115m，一般1525m。本段含4号可采煤组。中段（J2y2）：为本区次要含煤段，由河床相、河漫相、沼泽相及湖泊相组成，岩性主要由灰白色、灰色中粗粒砂岩(或砂砾岩)，细砂岩及粉砂岩组成。中粗粒砂岩(或砂砾岩)成分以石英、长石为主，含黄铁矿结核，煤屑或煤线，分选性、磨圆度均差，钙泥质胶结，局部含油，位于各旋回底部；粉砂岩、细砂岩位于旋回上部。在两旋回上部分别含局部可采的2号与3号煤组。本段厚071.0m，一般3540m。上段（J2y3）：为本区次要含煤段，以河床相、河漫相与湖泊相为主，具两个旋回结构。岩性由各种粒度的砂岩与泥岩、1号煤组成。本段厚036m，一般1520m。2.5.2煤层发育特征本区延安组共含1号、2号、3号、4号四个煤层（组），煤层总厚1020m，最厚可达40余m，一般14m左右，含煤系数0.19，其中4-2号煤层全区可采，为主采煤层。4-1号和3-2号煤层局部可采，其余均为不可采煤层（表2-1）。1号煤层：位于延安组顶部紫色层下面，一般为煤线或相变为炭质泥岩，厚度00.30m，但层位稳定，结构单一，未见有可采点，主要分布在向斜部位，背斜部位缺失，下距2号煤层1012m。2号煤层：位于延安组中上部，分布较普遍，厚度01.22m，一般0.20m，煤质较好，结构单一。下距3号煤组20m。表2-1研究区煤层特征表煤层号煤层厚度/m夹矸层数层间距/m标志层稳定性可采程度1无1012203022顶为紫色泥岩不可采2无不可采3-215底板黑条砂岩极不稳定局部可采4-112顶为中粒或粗粒砂岩（小街砂岩）极不稳定局部可采4-2 25较稳定主要可采4-2下13底为花斑泥岩不可采3号煤层(组)：位于延安组中部，一般13层，最多可达4、5层。其中3-2号煤层为局部可采，煤层最厚6.29m，一般厚1.50m。下距4-1号煤层30m。4号煤组：位于延安组最下面，由4-1、4-2上、4-2、4-2下煤层组成，常在向斜区分叉，背斜区合并。其中4-1号煤层主要分布在新民村向斜及其它小向斜内，局部可采，煤层最厚5.86m，一般0.65m，为极不稳定可采煤层。下距4-2号煤层011m。4-2号煤层为主要可采煤层，厚034m，平均812m，一般含夹矸24，局部达10层以上，最多可达20多层，夹矸大多为粘土类岩石，属复杂结构，较稳定煤层。4-2号煤层埋深0750m，一般300500m，总体为东部浅西部深，在陈家山一带东部常见露头。煤厚在玉华井田东部薄西部厚，浅部薄深部厚，受龙王玉华向斜轴部沉煤同期发育的河床相砂岩控制，河道部位煤层分岔尖灭或冲蚀变薄，两旁赋存较厚煤层，轴部出现无煤区；而在陈家山煤厚则为西部薄东部厚，背斜区薄，向斜区厚；同时受NE向新民村向斜构造控制，下石节井田煤厚中部厚，两边薄。总体而言，NE向构造是控制煤层平面分布的主要构造，整个矿区显示出背斜区薄，向斜区厚的特征。2.5.3煤层顶底板特征3号煤层顶板多为粉砂岩及细砂岩互层（表2-2），厚度027.47m，平均9.3m；底板多为粉砂岩、砂质泥岩及细砂岩，厚度022.99m，平均8.4m。 表2-2 各煤层顶底板岩石物理学性质试验综合成果表煤层名称顶板或底板岩石名称抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度/MPa3煤顶板粉砂岩51.72.31细砂岩43.45.2砂质泥岩44.6底板粉砂岩43.51.88砂质泥岩38.41.77细砂岩46.42.154-2煤顶板粉砂岩48.51.75砂质泥岩24.51.548.2细中粒砂岩68.24.34.3底板炭质泥岩34.101.54泥岩5.5-49.00.61粉砂岩51.51.664-2号煤层直接顶板以粉砂岩，砂质泥岩夹薄煤组合为主，局部相变为细砂岩，或中粗粒砂岩，厚度一般24m，裂隙发育，老顶为中粒或粗粒砂岩(俗称小街砂岩)，局部相变为粉砂岩，厚0.940.66m，平均8m。煤层直接底板为炭质泥岩、含铝质泥岩，次为粉砂岩、细砂岩等，厚0.1019.01m，一般48m，疏松、质软、易碎、遇水易膨。各煤层顶底板尽管不同岩性抗压强度、抗拉强度、抗剪强度不同，但其值相对而言均比较大，便于煤储层压裂改造。2.5.4煤岩、煤质特征2.5.4.1煤岩特征（1）宏观煤岩特征研究区内各煤层均由腐植煤构成，其中3号煤宏观煤岩成分以亮煤为主，夹镜煤及暗煤，含丝炭薄层，属光亮型半亮型煤。4-2号煤以暗煤为主，亮煤次之，属半暗型及暗淡型煤。3号煤层见有黄铁矿结核及散晶，沥青光泽，具块状构造，参差状断口；4-2号煤沥青光泽，参差状断口，块状构造，裂隙发育被方解石脉充填，常见钙质薄膜。（2）显微煤岩特征区内3号煤层显微组分中惰质组占46.7%，镜质组占49.6%，壳质组含量较少，无机组分以粘土为主，氧化硅次之含少量碳酸盐类、硫化铁类矿物；4-2号煤层以镜质组为主，占54.8%76.6%，其次为惰质组，占21.2%40.7%，壳质组含量较少，占2.2%4.5%，无机组分以粘土为主，含少量碳酸盐类、硫化铁类矿物。2.5.4.2煤质特征研究区3号煤原煤灰分平均为21.87%，挥发份为33.48%，水分为4.99%，硫含量为2.18%，为中灰、中硫煤。4-2号煤原煤灰分平均为19.79%，挥发份为表2-3 研究区煤质特征一览表煤层Mad %Ad%Vdaf%St.d %34-235.39%，水分为4.70%，硫含量为0.39%，为中灰、低硫煤(表2-3)。本区各煤层煤均属长焰煤。2.5.5 试验井组揭露煤层数据3口新井及JPC-01井的揭露数据如表2-4所示。3号煤层埋深在503.75510.00m，3号煤层厚度为4.455.49m，煤层结构复杂，含12层夹矸。4-2号煤层埋深在540.50547.00m，4-2号煤层厚度为10.8513.16 m，煤层结构复杂，含26层夹矸。表2-4 主要钻遇煤层数据表3煤4-2煤井号埋深/m厚度/m煤体结构埋深/m厚度/m煤体结构JPC-01506.915.490.93(0.26)4.30541.2013.160.30(0.26)0.88(0.25)1.02(0.30)5.34(0.33)3.16(0.27)0.29(0.24)0.52JPC-02506.055.450.85(0.30)0.85(0.20)3.25541.4511.30.40(0.30)2.15(0.20)8.25JPC-03510.005.300.85(0.25)0.70(0.2)3.30547.0011.451.45(0.25)1.00(0.25)8.50JPC-04503.754.450.60(0.50)3.35540.5010.850.40(0.30)0.75(0.35)1.15(0.35)0.75（0.40）6.402.6 本章小结焦坪矿区位于鄂尔多斯台向斜的东南缘，属于黄陇侏罗纪煤田的一部分，总体构架为倾向北西的波状单斜构造，在单斜构造的基础上发育了一系列北东和北西北西西向的褶皱构造，断层较少。下石节矿井浅部为一向北西倾斜的波状单斜构造，深部水平以新民村向斜为主体，断裂构造不发育。矿区地层自下而上有中生界上三叠统永坪组（T3y），下侏罗统富县组（J1f），中下侏罗统延安组（J2y），中侏罗统直罗组（J2z），下白垩统宜君组（K1y），洛河组（K1l），环河华池组（K1h）及第四系（Q）。本区含煤地层为中侏罗纪的延安组，煤层均分布于延安组中。延安组总厚0172m，一般60110m，由各类碎屑岩、粘土岩和煤层组成。延安组共含1号、2号、3号、4号四个煤层（组），煤层总厚1020m，最厚可达40余m，一般14m左右，含煤系数0.19，其中4-2号煤层全区可采，为主采煤层。4-1号和3-2号煤层局部可采，其余均为不可采煤层。3号煤宏观煤岩成分以亮煤为主，属光亮型半亮型煤，4-2号煤以暗煤为主，属半暗型及暗淡型煤，3号煤原煤为中灰、中硫煤，4-2号煤原煤中灰、低硫煤，本区各煤层煤均属长焰煤。3号煤层顶板多为粉砂岩及细砂岩互层，厚度平均9.3m；底板多为粉砂岩、砂质泥岩及细砂岩，厚度平均8.4m。4-2号煤层直接顶板以粉砂岩，砂质泥岩夹薄煤组合为主，厚度一般24m，裂隙发育，老顶为中粒或粗粒砂岩(俗称小街砂岩)，局部相变为粉砂岩，厚度平均8m。煤层直接底板为炭质泥岩、含铝质泥岩，次为粉砂岩、细砂岩等，厚0.1019.01m，一般48m，疏松、质软、易碎、遇水易膨。本区含水层为第四系松散层孔隙含水层、白垩系下统洛河组砂岩裂隙含水层、侏罗系直罗组下段砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组裂隙含水层和三叠系上统延长群砂岩裂隙含水层，地下水的补给来源主要为大气降水和含水层水。侵蚀基准面以上地下水以垂直运动为主，部分沿底部隔水层流向西北，侵蚀基准面以下地下水以水平运动为主，沿地层倾向向西北迳流，流向盆地的中心。矿区涌水成为本区内地下水的主要排泄形式，由此造成了含水层区域水位下降，地表井干枯的现象。3煤储层特性分析3.1 煤的吸附性 煤的吸附性是煤储层的重要特征之一，煤的吸附性及煤储层压力、温度是影响煤层含气性的重要因素。在煤的物质组成、煤级相差不大时，煤的吸附性是储层温度和压力的函数。3.1.1 储层温度储层温度是煤层气富集能力的敏感条件，储层温度直接影响着煤储层本身对煤层气的吸附能力和解吸速度。从储气的角度看，温度与吸附能力呈负相关，也即是温度越低，煤层气的吸附量越大；反之，从开采的角度来说，温度越高越有利于煤层气解吸出来。通过对研究区内井巷、采掘工作面实测，储层温度变化在1623之间，未见高温区，区内地温情况正常，具体情况见下表3-1，该区地温梯度变化正常，为地温正常区。表3-1 煤储层温度测试结果表井号煤层埋藏深度/m储层温度/JPC-013煤506.91-512.4019.96 4-2煤541.20-554.3622.21 JPC-043煤487.80-492.0020.42 4-2煤542.00-555.0021.80 3.1.2 储层压力煤储层压力直接决定着煤层对甲烷气体的吸附和煤层气开采时的解吸，是影响煤层气开发的重要参数之一。研究区目前共施工煤层气井5口，其中3口为“参数井+生产井”。这3口井都进行了注入/压降试井测试，结果显示3号煤层储层压力分别为2.54MPa、4.15MPa和3.03MPa，平均3.24MPa，4-2号煤层储层压力分别为4.06MPa、3.78MPa和3.53MPa，平均3.79MPa。主煤层储层压力梯度介于0.6170.830MPa/100m之间，低于静水压力梯度，属于欠压储层。原始储层压力受多种因素的影响，如区域水文地质条件、埋深等都对煤储层压力造成影响。JPC-01井钻探结果显示，4-2号煤层以下大约6.40米处存在破碎带，这可能是造成该井4-2号煤层煤储层压力低于3号煤层的原因。表3-2 参数井储层压力测试成果表井号煤层渗透率/mD储层压力/MPa埋深/m压力梯度/MPa(100m)-1陈家山参数井3煤0.32 2.54 509.55-511.650.4734-2煤0.00844.06575.90-578.100.708JPC-01井3煤0.314.15506.91-512.400.834-2煤0.083.78541.20-554.360.721JPC-04井3煤33.03487.80-492.000.6174-2煤1.873.53542.00-555.000.6663.1.3 煤的等温吸附特征3口“参数井+生产井”的等温吸附实验结果见表3-3和图3-1、图3-2、图3-3、图3-4。测试结果表明，3号煤层空气干燥基Langmuir体积（VL）为14.6116.17 m3/t ，平均为15.71 m3/t。Langmuir压力（PL）为4.825.28 MPa，平均为5.08 MPa。4-2号煤层空气干燥基Langmuir体积（VL）为11.6417.88 m3/t，平均为14.56 m3/t。Langmuir压力（PL）为4.49.28 MPa，平均为5.38MPa。 一般地，煤的吸附性主要受煤变质程度的控制。该区块内3煤和4-2煤的吸附能力与国内同变质程度煤的吸附能力（表3-4）相比，基本接近。表3-3 煤层等温吸附实验数据表井号煤层样品编号空气干燥基VL/(m3t-1)干燥无灰基VL/(m3t-1)PL/MPa数据个数陈家山参数井3煤3#-111.4813.74.723#-28.29.932.614-2煤4#-2-（1-2）6.79.172.8834#-2-（3-4）5.8110.273.994#-2-5、79.3224.945.14JPC-013煤JPC-01-3-316.0318.855.1114-2煤JPC-01-42-115.8417.834.683JPC-01-42-517.8820.065.53JPC-01-42-915.8519.84.76JPC-043煤JPC04-3-上14.6116.524.822JPC04-3-上16.1718.365.284-2煤JPC04-4-合113.2218.619.284JPC04-4-合212.5915.894.7JPC04-4-合311.6414.44.4JPC04-4-合412.9716.074.71图3-1 JPC-01-3-3样品等温吸附曲线 图3-2 JPC-01-42-1样品等温吸附曲线 图3-3 JPC-01-42-5样品等温吸附曲线 图3-4 JPC-01-42-9样品等温吸附曲线表3-4不同煤阶煤的吸附常数平均值（T=30，含平衡水分）煤阶Langmuir体积/ (cm3g-1)Langmuir压力/ MPa褐煤12.178.31长焰煤17.226.39气煤17.663.63肥煤18.433.47焦煤21.452.12瘦煤25.271.62贫煤28.331.98无烟煤3号40.922.55无烟煤2号43.492.513.2 煤的解吸特征3.2.1 解吸率煤层气的气含量由三部分组成，即解吸气量、逸散气量和残余气量。其中解吸气量按解吸至一周内平均每天小于10cm3时为止来计算。逸散气量和解吸气量称为解吸量，其与总含气量之比称为解吸率。我国前期煤田地质勘探资料，瓦斯（煤层气）解吸资料多由四部分构成，即损失气量（V1）、现场两小时解吸量（V2）、真空加热脱气量（V3）和粉碎脱气量（V4）。通常，将损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比称为解吸率。表3-5 勘探钻孔4-2号煤层煤层气四阶段解吸气量与解吸百分率阶段解吸量V1V2V3V4V1+ V2m3/t%m3/t%m3/t%m3/t%m3/t%陈家山0.4820.360.4519.330.6527.730.7632.580.9339.69下石节3.0452.940.8614.960.6811.871.1720.323.9067.90勘探期间，陈家山、下石节井田45个钻孔的4-2号煤样瓦斯样中损失气量（V1）平均为0.48m3/t和3.04m3/t，占总量的20.36%和52.94%；现场两小时解吸量（V2）平均0.45m3/t和0.86m3/t，占总量的19.33和14.96%；真空加热脱气量（V3）平均为0.65m3/t和0.68m3/t，占总量的27.73%和11.78%；粉碎脱气量（V4）平均0.76m3/t和1.17m3/t占总量的32.58%和20.32，计算的平均解