寺河西區(qū)煤層氣垂直井分層壓裂合層排采的研究

武璽（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048204）

寺河西區(qū)煤層氣垂直井分層壓裂合層排采的研究

武璽
（山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西晉城048204）

結(jié)合沁水盆地晉城寺河礦區(qū)潘莊區(qū)塊的煤層氣勘探開發(fā)經(jīng)驗，得出在煤層頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)、煤儲層供液能力差異、壓力梯度、煤層間隔距離、原始滲透率及壓裂后滲透率等因素在符合特定條件的情況下，3號煤層與15號煤層本身的供液能力是衡量某一個具體區(qū)塊進行合層排采的可行性的主要因素。合層排采的最適宜時期為15號煤層的補給或者徑流區(qū)在與3號煤層內(nèi)部的滯流區(qū)發(fā)生重疊的時期；合層排采的不適宜時期為15號煤層內(nèi)部的滯流區(qū)與3號煤層內(nèi)部的徑流區(qū)和滯流區(qū)發(fā)生重疊的時期。

分層壓裂；合層排采；垂直井

沁水盆地是我國目前實現(xiàn)局部大規(guī)模煤層氣開發(fā)的主要地區(qū)。在山西省沁水盆地南部的煤層多層分布區(qū)域進行煤層氣抽采，煤層氣垂直井分層壓裂合層排采的勘探開發(fā)方案是提高單口井產(chǎn)量、延長氣井壽命，降低煤層氣基礎(chǔ)建設(shè)成本和經(jīng)濟效益最大化的有效應(yīng)對方案。區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育的主要煤層有3號煤層、9號煤層和15號煤層，其中3號和15號煤層最穩(wěn)定。寺河西區(qū)已完成的煤層氣井組中，多數(shù)都鉆開3號和15號兩個主力煤層，主要有4種排采組合方式：3號煤層和15號煤層合層排采；單獨排采3號煤層；單獨排采15號煤層；先單獨排采3號煤層，后單獨排采15號煤層。

根據(jù)潘莊區(qū)塊多年以來壓裂施工和排采試驗所取得的寶貴經(jīng)驗，煤層氣生產(chǎn)垂直井的壓裂改造宜采用套管完井-射孔-壓裂的技術(shù)方案，以及先壓裂15號煤層再壓裂3號煤層的施工方案。在煤層間距小于60 m時，兩個壓裂目的煤層可以合層壓裂；在煤層間距大于60 m以上時，需要對煤層進行分層壓裂，即對下部煤層壓裂后填砂再重復(fù)施工程序進行二次壓裂。井網(wǎng)呈片狀批量投入運行進行片化、區(qū)塊化整體抽排。

合層排采的對象為寺河西區(qū)的3號煤層與15號煤層，傳遞壓力的速率屬于實施排采時對氣體產(chǎn)生速率最大的影響因素，其對合層排采的可行性具有很大的影響。影響合層排采的主要因素有：煤儲層的儲層滲透率及其壓力梯度；3號煤層與15號煤層的上下圍巖的巖性特點；水力壓裂后的滲透率；地下水的流動特征。

1　寺河西區(qū)3號煤層和15號煤層儲層壓力梯度的主要特征

在分析開發(fā)資料的基礎(chǔ)上得到此區(qū)塊一些煤層氣井中的儲層具體壓力梯度，潘莊地區(qū)部分煤層氣垂直井儲層主要參數(shù)，如表1所示。

表1　潘莊地區(qū)部分煤層氣垂直井儲層主要參數(shù)

從表1可知，3號與15號煤層具有相近的儲層壓力梯度，不改變其他條件，就不會過多影響合層排采。因此，從儲層壓力梯度角度考慮，該區(qū)較適合合層排采。

2　寺河西區(qū)3號煤層和15號煤層頂?shù)装鍘r性

與煤層的實際抗張強度相比較，巖性的實際抗張強度多于其5倍數(shù)值；15號煤層的具體頂板抗張強度多于煤層的實際抗張強度的5倍數(shù)值，其具體底板的抗張強度基本上與煤層的實際抗張強度的3倍數(shù)值相等。通過多次的現(xiàn)場試驗可知，在底板巖性的實際抗張強度多于5倍煤層的實際抗張強度的時候，水力壓裂對于上圍巖與下圍巖的約束難以克服與打破[1-3]。但由于有些頂?shù)装迥鄮r或炭質(zhì)泥巖較薄，在進行壓裂時，可能突破上下泥巖的限制。

為了解煤層頂?shù)装鍘r性對煤層氣抽采的具體影響，選取兩口煤層氣井鉆井資料進行分析。

根據(jù)表2、表3可知，SY-1井的3號煤層頂板為泥巖，厚度2.37 m，含水性弱，滲透性差，隔水性良好；3號煤層底板為泥巖，厚度0.99 m，含水性弱，滲透性差，隔水性良好；15號煤層的偽頂板為泥巖，厚度1 m，含水性弱，滲透性差，直接頂板為石灰?guī)r，厚度9.63 m，含水性中，滲透性中，隔水性較差；15號煤層底板為鋁土泥巖，含水性弱，滲透性差，隔水性良好。SY-2井的3號煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度0.68 m，含水性弱，滲透性差，隔水性良好；3號煤層底板為砂質(zhì)泥巖，厚度1.59 m，含水性弱，滲透性差，隔水性良好；15號煤層頂板為泥巖，厚度1.04 m，含水性弱，滲透性中，隔水性較差；15號煤層底板為泥巖，厚度3.57 m，含水性弱，滲透性差，隔水性良好。

表2　SY-1井主要煤層及頂板、底板解釋分析表

表3　SY-2井主要煤層及頂板、底板解釋分析表

排采初期，SY-1井和SY-2井皆采用了分層壓裂合層排采方式進行排采生產(chǎn)，SY-1井在合層排采期間，排水量達到了70 m3/d，產(chǎn)氣量0 m3/d，液面無法下降；SY-2井合層排采期間，排水量僅為5 m3/d，產(chǎn)氣量5 000 m3/d。由于SY-1的15號煤層頂板隔水性差，導致頂板水大量涌入排采井筒，所以該井不適合合層排采。由于SY-1井的15號煤層直接頂為石灰?guī)r、含水量較大且隔水性較差，對SY-1井的排采產(chǎn)生了極大的層間干擾。針對這種情況，對SY-1井的15號煤層進行了封堵，封堵結(jié)束后，SY-1井液面得到了較快下降，產(chǎn)水量降為1 m3/d，產(chǎn)氣量2 500 m3/d～4 000 m3/d。SY-2由于3號煤和15號煤的頂?shù)装鍑鷰r隔水性良好適合合層排采。

綜合上述實驗可以印證，由于有些煤層氣井煤層頂?shù)装迥鄮r或炭質(zhì)泥巖較薄，在進行壓裂時，就有可能突破上下泥巖的限制，從而與石灰?guī)r溝通，并對排采液面產(chǎn)生嚴重的層間干擾，造成液面無法下降，導致煤層氣井無法產(chǎn)氣。

3　3號煤層和15號煤層原始儲層滲透率和水力壓裂后滲透率

表4、表5分別是研究區(qū)部分煤層井3號煤層和15號煤層原始儲層滲透率測試一覽表和水力壓裂后滲透率一覽表。

表4　研究區(qū)部分煤層氣井3號煤層和15號煤層原始儲層滲透率測試一覽表

表5　研究區(qū)部分煤層氣井水力壓裂后滲透率測試一覽表

由表4和表5可知，基本能夠在相同的數(shù)量級別基礎(chǔ)上對煤的水力壓裂以后及最初儲層的滲透率進行分析，在具體實施合層排采的時候，傳播壓力的速率不會受到滲透率的太多影響。只是在具體分析水力壓裂以后的實際滲透率大小的基礎(chǔ)上可以判斷，此區(qū)塊滿足合層排采條件，合層排采的操作具有可行性。

4　寺河西區(qū)3號煤層和15號煤層地下水的流動特征

在進行排采時，水流體系肯定會受到一些擾動，從而改變排水解吸降壓的最終結(jié)果。傳遞壓力的速率也取決于排采井受到的地下水的補給強度，所以此因素具有關(guān)鍵的作用。在研究地下水自身動力原理的基礎(chǔ)上得出：總水頭=壓力頭+高程頭。高程頭即為海平面與驅(qū)動流體發(fā)生運動的實際壓力頭之間的垂直距離，能夠通過對煤層底板進行標高的方式獲得。根據(jù)試井資料分析獲得的儲層壓力計算出壓力頭的具體數(shù)值，經(jīng)過分析后得出兩個煤層地下水流勢基本相同。

在對寺河西區(qū)的3號煤層以及15號煤層能否有效實施合層排采的可行性進行探索時，應(yīng)該認真研究煤層氣井實施排采的全部階段，即飽和水單相流、非飽和水以及兩相流3個階段。以下就在研究此3個階段的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實驗數(shù)據(jù)，對潘莊區(qū)塊3號煤層以及15號煤層能否有效實施合層排采進行探索。

在3號煤層和15號煤層均處于徑流區(qū)時，在合層排采實施的過程中，首先步入兩相流時期的即為3號煤層，其地表層的液體供應(yīng)水平不斷下降，也就是水相的具體相對滲透率下降較多。如果這時排采還按照以前的強度，那么液面就可能會下降，并下降至低于15號煤層的實際臨界解吸壓力，然而，這樣就一定會造成3號煤層在極短時間內(nèi)產(chǎn)生過多氣體，導致吐粉或吐砂現(xiàn)象，從而使其裂隙通道受阻，降低采收率；假如此時減少排采的強度，那么吐粉或吐砂現(xiàn)象不會發(fā)生，然而卻較難降低液面，從而導致合層排采的操作無意義。所以，對于合層排采而言，這些地區(qū)并不合適此操作的實施。

在中部的較大部分的研究地區(qū)內(nèi)，滯流區(qū)即為3號煤層，其具有很強的液體供應(yīng)能力。徑流區(qū)為15號煤層，其具有很弱的液體供應(yīng)能力。在此區(qū)域內(nèi)實施合層排采，步入兩相流時期以后，3號煤層就會在極短時間內(nèi)較多的降低其液體供應(yīng)能力，而這時15號煤層還在飽和水時期，具有很弱的液體供應(yīng)能力。所以，如采用合適的排采強度，不但能夠保證液面比較平穩(wěn)的降低，同時也不會較多地破壞3號煤層的儲層與生產(chǎn)氣體的總量。所以，對于合層排采而言，此地區(qū)比較合適實施合層排采操作。

在實施研究的全部區(qū)域的東下部地區(qū)中的3號煤層徑流區(qū)與15號煤層滯流區(qū)重合時，一般情況下，15號煤層地層供液能力比3號煤層強，但其臨界解吸壓力與儲層壓力之間差值比3號煤層差值大，這就會造成3號煤層先解吸，解吸后15號煤層液面將降低困難。該區(qū)域不適合合層排采。

寺河西區(qū)3號煤層和15號煤層地層供液能力、臨界解吸壓力與儲層壓力差值等的差距較小，結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行綜合分析，寺河西區(qū)大部分區(qū)域適合合層排采，合層排采的煤層氣井產(chǎn)氣量比單排3號煤層的氣井產(chǎn)氣量多1 500 m3/d～2 000 m3/d，比單排15號煤層的氣井產(chǎn)氣量多2 500 m3/d～3 000 m3/d。但在少部分地區(qū)，由于圍巖的封閉性差或者3號煤層滯流區(qū)與15號煤層滯流區(qū)重疊，導致排采時降液困難，3號煤層很難解吸，產(chǎn)水量巨大而無法產(chǎn)氣，在封閉15號煤層后反而會有極大改善。因此，合層排采的選擇需要根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場鉆井數(shù)據(jù)詳加判斷，需要對每一小塊區(qū)域進行分析判斷方能抉擇，具有一定的風險。

5　結(jié)束語

結(jié)合沁水盆地晉城寺河礦西區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)經(jīng)驗，得出在煤層頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)、煤儲層供液能力差異、壓力梯度、煤層間隔距離、原始滲透率及壓裂后滲透率等因素在符合特定條件的情況下，3號煤層與15號煤層本身的供液能力是衡量某一個具體區(qū)塊進行合層排采的可行性的主要因素，得出結(jié)論為：a.合層排采的最適宜時期即為15號煤層的補給或者徑流區(qū)在與3號煤層內(nèi)部的滯流區(qū)發(fā)生重疊的時期。b.合層排采的不適宜時期即為15號煤層內(nèi)部的滯流區(qū)與3號煤層內(nèi)部的徑流區(qū)和滯流區(qū)發(fā)生重疊的時期。

[1]倪小明，蘇現(xiàn)波，李廣生.樊莊地區(qū)3號和15號煤層合層排采的可行性研究[J].天然氣地球科學，2010，21（1）：144-169.

[2]蘇現(xiàn)波，陳江峰，孫俊民，等.煤層氣地質(zhì)學與勘探開發(fā)[M].北京：科學出版社，2001.

[3]姚宇平，周世寧.含瓦斯煤的力學性質(zhì)[J].中國礦業(yè)大學學報，1988（1）：1-7.

（編輯：武曉平）

Design of Separate Layer Fracturing and Combined Layer Discharge and Mining in CBM Vertical Well in Sihe Mine

WU Xi
（Shanxi Lanyan Coalbed Methane Co.，Ltd.，Jincheng 048204，China）

Based on the exploration and development of coalbed methane（CBM）in Panzhuang Section of Sihe Mine of Qinshui Basin，the study concludes the surrounding rock features of coal seam roof-floor，difference of fluid supply capacity，pressure gradient，distance between seams，original permeability，permeability after fracturing，and other factors of coal reservoir.In accord with certain conditions，the fluid supply capacity of No.3 and No.15 seam is one of major factors to evaluate the feasibility of discharge and mining of combined layers in a specific section.It is most suitable for the combined layer discharge and mining when the supply or runoff area of No.15 seam overlaps with the stagnant area of No.3 seam.But it is not suitable when the stagnant area of No.15 seam overlaps with the supply or runoff area of No.3 seam.

fracturing of separate layers；discharge and mining of combined layers；vertical well

TD84

A

1672-5050（2016）02-0075-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.024

2015-12-23

武璽（1983-），男，山西晉城人，工程碩士，助理工程師，從事煤層氣地面開發(fā)工作。