沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣直井產(chǎn)能的地質(zhì)控制機(jī)理研究

康志軍

(山西省礦山調(diào)查測(cè)量隊(duì)，山西 030027)

沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣直井產(chǎn)能的地質(zhì)控制機(jī)理研究

康志軍

(山西省礦山調(diào)查測(cè)量隊(duì)，山西 030027)

煤層氣產(chǎn)能受地質(zhì)條件及開采方式的影響，與煤儲(chǔ)層滲透率、地下水流體勢(shì)等因素有很大的相關(guān)性，煤的非均質(zhì)性、含氣性等因素導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)能區(qū)域差異十分明顯。相鄰煤層氣井井控范圍的重疊和聯(lián)通對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響也較為突出。本文通過分析研究區(qū)的地質(zhì)條件及生產(chǎn)特征，研究了監(jiān)測(cè)區(qū)滲透率與地下水流體勢(shì)、煤層氣井產(chǎn)能與關(guān)鍵地質(zhì)因素的關(guān)系，總結(jié)了關(guān)鍵地質(zhì)因素對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能的控制機(jī)理。

煤層氣 直井 地質(zhì)控制機(jī)理

1 研究區(qū)地質(zhì)條件與生產(chǎn)特征

1.1 地質(zhì)條件

樊莊區(qū)塊山西組含1～4號(hào)煤層，煤層氣開發(fā)的主要煤層是3號(hào)煤層，3號(hào)煤層大部埋深介于500～700m之間，煤厚介于6～7m之間，原煤水分平均為1.11%。該區(qū)塊位于寺頭斷層?xùn)|側(cè)，3號(hào)煤層褶曲軸向和斷層走向呈現(xiàn)NNE向分布，受多期構(gòu)造作用影像，次一級(jí)褶曲發(fā)育且方向多變，斷層不發(fā)育，褶曲主要在NE和NW兩個(gè)方向發(fā)育，集中于15°～45°和320°～338°，為兩翼傾角較緩和的寬緩褶曲。野外觀測(cè)可見數(shù)條正斷層，但規(guī)模像對(duì)較小，露頭區(qū)的節(jié)理構(gòu)造現(xiàn)象較為明顯，特別在距離構(gòu)造轉(zhuǎn)折端的部位節(jié)理密度明顯加大且延伸較長(zhǎng)。樊莊區(qū)塊西部的寺頭斷層是明顯的水文地質(zhì)邊界，該斷層是導(dǎo)水、導(dǎo)氣能力極差的封閉斷裂。樊莊區(qū)塊西北部地區(qū)是該區(qū)域地下水補(bǔ)給的主要來源地，水等勢(shì)面總體呈現(xiàn)北高南低，東南最低的特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)有多個(gè)“低洼”的匯水中心，良好的水力封閉為煤層氣的富集創(chuàng)造了有利的條件。

1.2 生產(chǎn)特征

樊莊區(qū)塊煤層氣采用水力壓裂直井原位開采，研究區(qū)可供分析的煤層氣直井114口，井距300m左右，最大井距438m，最小井距234m，所有直井全部進(jìn)行了水力壓裂，12口井壓裂過程出現(xiàn)故障，未完成壓裂施工。

研究區(qū)煤層氣井主要分為三個(gè)生產(chǎn)階段，即水降壓階段、穩(wěn)定生產(chǎn)階段、產(chǎn)量下降階段。

依據(jù)114口井的采排資料，主要依據(jù)平均產(chǎn)氣量將該區(qū)域煤層氣井劃分為高、中、低產(chǎn)氣井及產(chǎn)水井四種類型，其中高、中產(chǎn)氣井稱為Ⅰ類井，低產(chǎn)氣井、產(chǎn)水井稱為Ⅱ類井。各類井占比比例如圖1所示。

圖1 煤層氣生產(chǎn)井產(chǎn)能分類表

2 煤層氣直井產(chǎn)能的地質(zhì)控制理論

煤層氣井的產(chǎn)能受到煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件、煤的非均質(zhì)性、煤含氣性能因素的影響，導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)能的區(qū)域差異較大。在同一區(qū)塊，相鄰煤層氣井往往具有重疊的生產(chǎn)控制范圍，相同的水動(dòng)力系統(tǒng)，類似的煤儲(chǔ)層滲透率、含氣量、煤層結(jié)構(gòu)、埋深等地質(zhì)因素。通過研究地質(zhì)因素對(duì)煤層氣產(chǎn)能的控制原理，不但可以優(yōu)化煤層氣生產(chǎn)流程，提高資源利用效率，而且可以為煤層氣生產(chǎn)理論提供技術(shù)依據(jù)。本文主要根據(jù)樊莊區(qū)塊北部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域16口井的地質(zhì)、排采資料研究煤層氣產(chǎn)能的地質(zhì)控制理論。

2.1 關(guān)鍵地質(zhì)影響因素

地下水流體勢(shì)與煤儲(chǔ)層滲透率是影響直井產(chǎn)能的兩個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)因素。研究區(qū)地下水流動(dòng)性較弱，屬于滯留型，區(qū)外地下水對(duì)產(chǎn)能的影響較弱，但相鄰井筒間地下水流動(dòng)性較為明顯，地下水流體勢(shì)對(duì)產(chǎn)能的影響較為突出；滲透率與煤層氣井產(chǎn)能通常表現(xiàn)為正相關(guān)性，但受水動(dòng)力條件的影響有時(shí)也表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

2.1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)滲透率與地下水流體勢(shì)基本特征

監(jiān)測(cè)區(qū)煤儲(chǔ)層滲透率表現(xiàn)為南低北高，北部頂板高程較低，受緊閉向斜發(fā)育影響，過渡結(jié)構(gòu)煤層較為發(fā)育，煤儲(chǔ)層滲透率較高。滲透率較高的區(qū)域地下水流體勢(shì)較低，反之地下水流體勢(shì)較高，表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性。圖2中ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK7、ZK8、ZK10屬于I類井，ZK6、ZK9、ZK11、ZK12、ZK13、ZK14、ZK15、ZK16屬于類Ⅱ井。

圖2 滲透率與地下水流體勢(shì)對(duì)比圖

2.1.2 煤層氣井產(chǎn)能特征及關(guān)鍵地質(zhì)影響因素

I類井排水時(shí)間在150～200d左右，隨著排水時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)氣量上升較快并穩(wěn)定在500m3/d以上，在采排機(jī)制不變的條件下產(chǎn)水量迅速下降并始終維持在2m3/d以下，該區(qū)域地下水位高度普遍在680m以下，滲透率普遍大于5×10-3μm2。II類排水時(shí)間一般排水時(shí)間大于200d，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定且普遍小于500m3/d，平均日排水量普遍維持在2m3/d以上，該區(qū)域地下水位高度普遍在680m以上，滲透率普遍小于5×10-3μm2。通過檢驗(yàn)水中NaHCO3、NaCl的含量可以發(fā)現(xiàn)，排水主要以煤層水為主，巖層水含量較低，未發(fā)現(xiàn)明顯的越流補(bǔ)給。

產(chǎn)水階段地下水流體勢(shì)低的區(qū)域地下水補(bǔ)給充分，排水時(shí)間較長(zhǎng)，滲透率較高的區(qū)域有利于煤層水向井筒流動(dòng)，提高了產(chǎn)水量，延長(zhǎng)了排水時(shí)間；產(chǎn)氣階段排采效率直接受產(chǎn)水階段排水降壓效果的影響；排水降壓效果則由地下水流體勢(shì)與煤儲(chǔ)層滲透率共同控制。不論是產(chǎn)水階段還是產(chǎn)氣階段，排水時(shí)間和排水量與地下水流體勢(shì)成負(fù)反比，與滲透率成正比，兩者同時(shí)影響到排水降壓效果，排水降壓效果好的區(qū)域氣體的解析與運(yùn)移效率較高，產(chǎn)氣量較大。

2.2 關(guān)鍵地質(zhì)控制機(jī)理

綜合以上研究可知，滲透率和地下水流體勢(shì)綜合影響產(chǎn)水階段的排水降壓效果，排水降壓效果通過影響產(chǎn)氣階段的日產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量。

2.2.1 產(chǎn)水階段的關(guān)鍵地質(zhì)控制機(jī)理

在產(chǎn)水階段相鄰井筒間未聯(lián)通，地下水單向流動(dòng)，排水總體受原始地下水流體勢(shì)的影響。地下水流體勢(shì)低的區(qū)域，處于“低洼”處的井筒煤層含水量高且水源補(bǔ)給充足，導(dǎo)致排水時(shí)間較長(zhǎng)，排水降壓困難；地下水流體勢(shì)高的區(qū)域，處于“凸起”處的井筒煤層含水量較低且水源補(bǔ)給較少，有利于排水降壓，排水時(shí)間較短。同時(shí)地下水流體勢(shì)與煤儲(chǔ)層滲透率(圖2)表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，進(jìn)一步增大了排水時(shí)間與產(chǎn)水量之間的差異。

2.2.2 排水降壓效果在產(chǎn)氣階段的控制機(jī)理

產(chǎn)氣階段煤儲(chǔ)層以兩相(氣、水)流動(dòng)為主，流體的流動(dòng)性與流體的相對(duì)滲透率有關(guān)，流體飽和度越高，相對(duì)滲透率越高。處于“凸起”處的井筒，隨著排水量的增加，周邊含水量逐步降低，壓力下降速率較快，隨著解吸量的增加，煤儲(chǔ)層含氣飽和度快速上升，氣相相對(duì)滲透率增大，對(duì)水相相對(duì)滲透率起到明顯的抑制總用，有利于煤層氣的采出。處于“低洼”處的井筒，周邊煤層水的補(bǔ)給較為充分，導(dǎo)致煤層裂隙中水相流動(dòng)十分明顯，有利于煤層水的流動(dòng)，煤儲(chǔ)層壓力釋放較為困難，不利于煤層氣的采出。

2.2.3 水、氣分異對(duì)產(chǎn)能的影響

當(dāng)煤層氣井之間逐漸聯(lián)通，相鄰井間煤層氣井泄流半徑內(nèi)含氣飽和度不同，就會(huì)出現(xiàn)水、氣分異現(xiàn)象，同時(shí)加劇井筒間的產(chǎn)能差異。兩相流體的密度差異造成流體的分層，毛管力和賈敏效應(yīng)促進(jìn)流體的的相對(duì)流動(dòng)。在該情況下，煤層水流向水相飽和度較高的區(qū)域，煤層氣流向氣相飽和度較高的區(qū)域，同時(shí)受重力影響水向下運(yùn)動(dòng)，氣向上運(yùn)動(dòng)。在煤層氣開采前裂隙中的水一般處于飽和狀態(tài)，由于各井排水降壓效果不同，引起各井泄流半徑存在明顯差異，當(dāng)井間聯(lián)通后含水飽和度差異導(dǎo)致水、氣分異現(xiàn)象加劇，進(jìn)一步增大了煤層氣井產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量的差異。

2.2.4 其他地質(zhì)控制

地下水流體勢(shì)和煤儲(chǔ)層滲透率是影響煤層氣直井產(chǎn)能的兩個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)因素，其他地質(zhì)控制因素有臨儲(chǔ)壓力比、煤儲(chǔ)層含氣量、埋深、煤體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征等地質(zhì)因素也影響到煤層氣直井的產(chǎn)量。

臨儲(chǔ)壓力比越大，表示煤儲(chǔ)層壓力只要有少量下降即有煤層氣釋放，煤儲(chǔ)層壓力比小則壓力的降幅較大；含氣量大有利于氣井獲得穩(wěn)定上升的產(chǎn)量，含氣量對(duì)產(chǎn)水量時(shí)間和產(chǎn)水量沒有影響；埋深對(duì)產(chǎn)氣量表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，埋深越大產(chǎn)氣量越小，但是在埋深小于500m的區(qū)塊煤層氣產(chǎn)量一般較?。幻后w結(jié)構(gòu)通過影響煤儲(chǔ)層滲透率進(jìn)而影響煤層氣產(chǎn)量，當(dāng)煤層處于彈性、彈塑性階段時(shí)，煤體裂隙得到擴(kuò)展，滲透率越大，處于破裂面破壞階段時(shí)，煤體變形嚴(yán)重，割理消失，滲透率下降；區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響主要表現(xiàn)為褶曲構(gòu)造對(duì)滲透率和煤儲(chǔ)層含氣性的影響、水文地質(zhì)條件對(duì)排水的影響等。

3 小結(jié)

煤層氣表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)性和含氣性差異，同時(shí)煤儲(chǔ)層的地質(zhì)條件差異較大，工程條件不同，致使煤層氣井產(chǎn)能差異十分明顯，相鄰煤層氣井的水文動(dòng)力系統(tǒng)、井控區(qū)的重疊范圍等因素在開采中都會(huì)相互影響。本文通過分析研究區(qū)的地質(zhì)條件及生成特征，研究了監(jiān)測(cè)區(qū)滲透率與地下水流體勢(shì)、煤層氣井產(chǎn)能與關(guān)鍵地質(zhì)因素的關(guān)系，總結(jié)了關(guān)鍵地質(zhì)因素對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能的控制機(jī)理。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Study on Geological Control Mechanism of CBM Vertical Well Productivity in FanZhuang Block of Qinshui Basin

KANG Zhijun

(Shanxi Provincial Mine Survey and Measurement Team, Shanxi 030027)

The CBM productivity is affected by the geological conditions and mining method, and has a large relevance to the permeability of coal reservoirs and the fluid potential of groundwater. The regional differences of CBM productivity are very significant because of some factors such as coal heterogeneity and gas-bearing property. In addition, the control ranges overlap and connection of adjacent CBM wells also have outstanding effects on CBM productivity. This paper analyzes the geological conditions and production characteristics in the study area, and studies the relation of the key geological factors with the permeability, fluid potential of groundwater and CBM well productivity in the monitoring region. Finally, the control mechanisms of CBM vertical well productivity by key geological factors are summarized.Keywords:CBM; vertical well; geological control mechanism

康志軍，男，工程師，碩士研究生，現(xiàn)在從事地質(zhì)勘查工作。