沁水盆地北緣煤層氣井產(chǎn)氣主控因素研究

馬少妍　徐猛

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西　太原　030000）

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沁水盆地北緣煤層氣井產(chǎn)氣主控因素研究

馬少妍徐猛

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西太原030000）

摘要煤層氣井產(chǎn)氣特征的主控因素研究是進(jìn)行煤層氣井后期開(kāi)發(fā)工藝及參數(shù)優(yōu)化的前提和基礎(chǔ)。以沁水盆地北緣H區(qū)塊為例，從煤層氣井鉆井、壓裂、測(cè)井、試井、樣品測(cè)試、排采等多種資料出發(fā)，對(duì)該區(qū)已投產(chǎn)兩年以上的煤層氣井的生產(chǎn)特征及其控制因素進(jìn)行分析研究。經(jīng)研究認(rèn)為：H區(qū)塊煤層氣井總體表現(xiàn)為初始見(jiàn)氣時(shí)間長(zhǎng)、初始累計(jì)產(chǎn)水量大、典型日產(chǎn)水量較高、典型日產(chǎn)氣量較小的特點(diǎn)，表明該區(qū)氣水產(chǎn)出規(guī)律復(fù)雜。進(jìn)一步分析總結(jié)得出，煤層氣的產(chǎn)出受含氣量、煤層厚度、地解比、滲透率、含氣飽和度、有效地應(yīng)力、工程因素、排采制度等多種因素的共同影響。

關(guān)鍵詞煤層氣井產(chǎn)氣量產(chǎn)氣特征產(chǎn)水量主控因素

修訂回稿日期：2016－01－04

0　引言

沁水盆地北緣同區(qū)塊內(nèi)煤層氣井普遍存在單井產(chǎn)氣量較低、相鄰井產(chǎn)氣量差異大的特點(diǎn)。煤層氣井產(chǎn)能受地質(zhì)因素、工程因素和管理因素等多種因素的影響，其中工程因素、管理因素為可控因素，而地質(zhì)因素是影響煤層氣井產(chǎn)能的內(nèi)在因素，屬于不可控因素，但地質(zhì)因素中的部分因素如儲(chǔ)層滲透率等可通過(guò)工程壓裂進(jìn)行改造。為指導(dǎo)沁水盆地北緣煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)，有必要對(duì)該區(qū)域內(nèi)影響煤層氣井的主控因素進(jìn)行分析研究。

1　區(qū)塊概況

H區(qū)塊位于沁水盆地北緣，屬華北石炭二疊紀(jì)煤田，構(gòu)造上位于北北東向新華夏系第三隆起帶太行山隆起西側(cè)，汾河地塹東側(cè)，陽(yáng)曲—盂縣緯向構(gòu)造帶南翼［1-2］。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，地層平緩，傾角不大于10°；總體走向表現(xiàn)為近東西向，以向南傾斜的單斜構(gòu)造為主體，同時(shí)存在波狀起伏；褶曲多發(fā)育在中、北部，為寬緩的背斜和向斜；區(qū)西北部有一個(gè)背斜規(guī)模較大，南部斷裂構(gòu)造較發(fā)育，二維地震解釋斷層近20條，多為高角度的正斷層。

該區(qū)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組與石炭系上統(tǒng)太原組，共含17層煤，主要煤系為3#、9#與 15#三層煤。本區(qū)煤層埋深主要受地形與構(gòu)造的雙重控制，埋深為318.6～1 183.8 m，平均在700 m左右，是煤層氣開(kāi)發(fā)的較佳深度；煤層厚度分布在0.2～5.4 m，厚度變化大，3#、15#煤層賦存情況穩(wěn)定，9#發(fā)育較穩(wěn)定；研究區(qū)局部區(qū)域因埋深較淺或受斷層影響，導(dǎo)致煤層含氣量較低之外，總體煤層含氣量中等；含氣飽和度除斷層、陷落柱區(qū)域較低外，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單的區(qū)域其值可達(dá)70%以上；煤儲(chǔ)層壓力隨著煤層埋藏深度的增加相應(yīng)增大；壓力梯度低于正常靜水壓力，屬欠壓狀態(tài)；煤層滲透率主要介于0.02～1.43 mD，滲透率中等；臨界解吸壓力偏低，主要介于0.22～2.14 MPa，排采井表現(xiàn)為見(jiàn)氣周期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。

2　煤層氣井產(chǎn)氣特征及主控因素分析

煤層氣的排采過(guò)程大致經(jīng)歷單相水流、氣水兩相流、單相氣體流動(dòng)3個(gè)階段，其中第1階段主要以產(chǎn)水為主，不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣量較小（一般小于100 m3／d），隨著排采時(shí)間的增長(zhǎng)、產(chǎn)水量的增加，井筒水柱壓力降低，如果低于臨界解吸壓力，煤層氣開(kāi)始解吸，氣體的相對(duì)滲透率增加，產(chǎn)氣量增高，逐漸進(jìn)入氣水兩相流和單相氣體流動(dòng)階段。根據(jù)H區(qū)塊排采兩年以上的煤層氣井的排采動(dòng)態(tài)指標(biāo)得出該區(qū)煤層氣井整體的生產(chǎn)特征。

2.1煤層氣井產(chǎn)氣特征

排采動(dòng)態(tài)典型指標(biāo)主要包括初始見(jiàn)氣時(shí)間、初始累計(jì)產(chǎn)水量、典型日產(chǎn)水量與典型日產(chǎn)氣量（表1），其平面分布特點(diǎn)如圖1。

表1　排采動(dòng)態(tài)典型指標(biāo)一覽表

通過(guò)分析該區(qū)塊排采動(dòng)態(tài)典型指標(biāo)（圖1、表2）得出，該區(qū)塊煤層氣排采井產(chǎn)出特征復(fù)雜，總體呈現(xiàn)為初始見(jiàn)氣時(shí)間長(zhǎng)（近200 d）、初始累計(jì)產(chǎn)水量大（近4 800 m3）、平均典型日產(chǎn)氣量較小（209 m3）、平均典型日產(chǎn)水量較高（36.4 m3）的特點(diǎn)。

2.2煤層氣井產(chǎn)氣主控因素分析

為更好地制定區(qū)塊提產(chǎn)措施，開(kāi)展產(chǎn)氣量影響因素研究顯得尤為重要。影響煤層氣產(chǎn)氣量的主控因素主要有地質(zhì)因素、工程因素、排采因素。其中地質(zhì)因素又包括含氣量、煤層厚度、地解比、滲透率、含氣飽和度、有效地應(yīng)力等幾個(gè)方面。這里為減少分析一種因素而不受另外一種因素制約，需要在進(jìn)行地質(zhì)因素的分析時(shí)，選取工程因素相近的排采井；在進(jìn)行工程因素分析時(shí)選取地質(zhì)條件相近的井［3-12］。

圖1　H區(qū)塊煤層氣井排采動(dòng)態(tài)典型指標(biāo)分析圖

表2　H區(qū)塊煤層氣井排采動(dòng)態(tài)典型指標(biāo)分析表

1）地質(zhì)因素分析

含氣量是進(jìn)行煤層氣資源評(píng)價(jià)的最基本指標(biāo)，同時(shí)也是直接影響煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)［13-15］，本區(qū)煤層氣含氣量平面分布如圖2所示。由圖3-a可以看出，煤層氣井平均產(chǎn)氣量與含氣量成正相關(guān)關(guān)系，且影響比較明顯。含氣量小于等于10 m3／t時(shí)，平均產(chǎn)氣量為180 m3，峰值產(chǎn)氣量平均為401 m3；含氣量大于10 m3／t時(shí)，平均產(chǎn)氣量為685 m3，峰值產(chǎn)氣量平均為1 290 m3。

圖2　H區(qū)塊煤層氣含氣量平面等值線圖

排采煤層厚度是煤層氣高產(chǎn)富集的前提，煤層越發(fā)育，其勘探前景就越廣闊。由圖3-b可以看出，排采煤層厚度小于等于7 m時(shí)，平均產(chǎn)氣量與排采煤層厚度相關(guān)較差，但排采煤層厚度為大于7 m時(shí)產(chǎn)氣效果明顯較好（由于缺少該區(qū)高產(chǎn)氣井資料，此處高產(chǎn)氣的4個(gè)點(diǎn)為相鄰區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)）。

地解比是吸附等溫線實(shí)測(cè)含氣量對(duì)應(yīng)的臨界解吸壓力與原始地層壓力的比值。臨界解吸壓力反映了產(chǎn)氣高峰期快慢和高產(chǎn)富集條件。由圖3-c可以看出，臨界解吸壓力越接近原始地層壓力，初始見(jiàn)氣時(shí)間越短，平均日產(chǎn)氣量越高，體現(xiàn)出高產(chǎn)富集條件越優(yōu)越。

含氣煤層滲透率是衡量煤層氣開(kāi)發(fā)難易程度的重要指標(biāo)，對(duì)于含氣煤層的采收率和產(chǎn)量起決定性作用。由圖3-d可以看出，煤層滲透率越大，氣井的泄氣范圍就越寬闊，氣產(chǎn)量也就越高；而煤層滲透率越低，煤層氣解吸率也就越低，產(chǎn)氣效果也就越差。

另外該區(qū)塊煤層氣井普遍表現(xiàn)出單井產(chǎn)氣量低的特點(diǎn)，這與含氣飽和度比較低有很大關(guān)系，它也是制約我國(guó)煤層氣商業(yè)性開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵因素；有效地應(yīng)力與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)和煤層埋深有關(guān)，通過(guò)對(duì)該區(qū)塊分析研究得出，煤層氣多富集于低地應(yīng)力區(qū)，同時(shí)煤層有效地應(yīng)力低的地區(qū)，其煤層滲透率較高。

圖3　煤層氣平均產(chǎn)氣量與含氣量、排采煤層厚度、地解比、滲透率關(guān)系圖

2）工程因素分析

針對(duì)鉆井因素進(jìn)行研究，當(dāng)井眼擴(kuò)大率小于等于20%時(shí)，平均產(chǎn)氣量隨井眼擴(kuò)大率增大而減小，但當(dāng)井眼擴(kuò)大率大于20%時(shí)，產(chǎn)氣量下降趨勢(shì)不明顯；平均產(chǎn)氣量隨鉆井液浸泡時(shí)間增大而減小，但當(dāng)浸泡時(shí)間大于9 d時(shí)，產(chǎn)氣量下降趨勢(shì)不明顯。

針對(duì)壓裂因素進(jìn)行研究，通過(guò)分析平均產(chǎn)氣量與壓裂—投產(chǎn)時(shí)間間隔的關(guān)系發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)對(duì)數(shù)相關(guān)（圖4），且平均產(chǎn)氣量隨間隔增大而急速減小。

圖4　煤層氣平均產(chǎn)氣量與壓裂—投產(chǎn)時(shí)間間隔關(guān)系圖

3）排采因素分析

針對(duì)該區(qū)塊目前排采的89口井進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)見(jiàn)氣前排采時(shí)效在60%以上的井占一半左右，這些井現(xiàn)已全部見(jiàn)氣；見(jiàn)氣后的煤層氣井，在排采時(shí)效低于90%的井中幾乎均不產(chǎn)氣；在整個(gè)排采過(guò)程中，排采時(shí)效在90%以上的幾口井目前仍在產(chǎn)氣。

3　認(rèn)識(shí)和結(jié)論

綜上所述，影響煤層氣井產(chǎn)出的主控因素為含氣量（大于10 m3）、排采煤層厚度（大于7 m）、地解比（高）、滲透率（大）、含氣飽和度（高）、有效地應(yīng)力（低）的地質(zhì)條件和井眼擴(kuò)大率、鉆井液浸泡時(shí)間、壓裂—投產(chǎn)時(shí)間間隔的工程因素以及排采制度（緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定）。

通過(guò)對(duì)排采井產(chǎn)氣主控因素的整體分析，產(chǎn)氣高的有利區(qū)位于區(qū)塊北部及西南角區(qū)域，另外研究區(qū)排采井整體表現(xiàn)為產(chǎn)水量較高的特點(diǎn)，下步建議加強(qiáng)排采水來(lái)源分析與研究。

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（編輯：盧櫟羽）

作者簡(jiǎn)介：馬少妍（1987－），女，助理工程師，從事非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究工作。E-mail：xumengcucbm@163.com。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.014

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-1132（2016）01-0046-04