鄭莊與樊莊區(qū)塊高煤階煤層氣開發(fā)差異及其主控因素分析

趙錦程，申 建,，朱慶忠，楊延輝，楊艷磊

(1.中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221116；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司， 河北 任丘 062552)

鄭莊與樊莊區(qū)塊高煤階煤層氣開發(fā)差異及其主控因素分析

趙錦程1，申 建1,2，朱慶忠2，楊延輝2，楊艷磊2

(1.中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221116；2.中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司， 河北 任丘 062552)

查明高煤階煤層氣開發(fā)差異的主控因素對于實現(xiàn)效益開發(fā)意義顯著?；谇咚璧啬喜苦嵡f和樊莊區(qū)塊高煤階煤層氣井生產(chǎn)特點對比，首次提出了儲層流體可疏降系數(shù)以反映流體在煤層中疏降能力，探討了地質(zhì)、儲層和流體等因素對高煤階煤層氣井氣、水產(chǎn)出的差異控制并揭示了主控因素。結果顯示：相對樊莊區(qū)塊而言，鄭莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量低、產(chǎn)水總量大、解吸前排采時間長、氣水產(chǎn)出比小，且地質(zhì)和儲層特點表現(xiàn)為地應力梯度高、地溫梯度較高、煤厚較薄、煤層結構較復雜、裂隙較發(fā)育、滲透率較低、儲層流體可疏降系數(shù)較小等。影響區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)出差異的直接因素為滲透率和儲層流體可疏降性，而控制滲透率的關鍵地質(zhì)因素為地應力、控制儲層流體可疏導性因素為煤儲層本身特性。建議該區(qū)塊有利區(qū)優(yōu)選以尋找低地應力條件為主，針對高地應力區(qū)宜采取有利于地應力釋放的儲層改造措施。

樊莊區(qū)塊；鄭莊區(qū)塊；煤層氣；開發(fā)差異；主控因素；地應力

煤層氣以其在清潔能源結構、礦井安全及環(huán)境保護中重要角色，在美國、澳大利亞、加拿大、中國等實現(xiàn)了商業(yè)性開發(fā)[1-4]；其中，中國首先實現(xiàn)了高煤階煤層氣效益開發(fā)突破[5-6]。實踐發(fā)現(xiàn)高階煤煤層氣，開發(fā)平面非均質(zhì)性極強。以沁水盆地南部樊莊和鄭莊區(qū)塊為例，前者煤層氣開發(fā)取得了較大成功，而以斷層相隔的西部緊鄰鄭莊區(qū)塊開發(fā)未達到預期。鑒于此，專家學者以沁水盆地南部或者其中典型區(qū)塊為例，探討了影響高煤階煤層氣井的地質(zhì)因素，指出構造、埋深、地下水動力條件、煤層厚度及其穩(wěn)定性、煤變質(zhì)程度、含氣量和含氣飽和度、煤層氣資源豐度、滲透率、儲層壓力、臨界解吸壓力等主要控制因素[7-15]?；谇咚璧胤f和鄭莊區(qū)塊豐富的勘探和開發(fā)資料，筆者擬通過對比分析兩個區(qū)塊煤層氣開發(fā)和地質(zhì)因素的差異性并找出影響鄭莊高煤階煤層氣開發(fā)效益的因素，為推進鄭莊區(qū)塊高煤階煤層氣有利建產(chǎn)區(qū)優(yōu)評價及差異化的開發(fā)方案優(yōu)選研究的提供支撐。

1 鄭莊、樊莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)出情況介紹

1.1 研究區(qū)的位置

鄭莊與樊莊區(qū)塊為典型高煤階煤層氣開發(fā)區(qū)塊，位于山西省東南部晉城市。鄭莊和樊莊區(qū)塊處于沁水盆地南部斜坡帶，東為太行山復式背斜隆起，南為中條山隆起，西為霍山凸起，北部與沁水盆地腹部相接。鄭莊和樊莊區(qū)塊以寺頭斷層帶相隔，西側為鄭莊區(qū)塊，東側為樊莊區(qū)塊。

1.2 煤層氣井產(chǎn)氣差異

在本文分析中，統(tǒng)一篩選排采時間大于1 000 d的煤層氣直井作為分析對象，為了避免同一參數(shù)顯著差異導致平均統(tǒng)計值與實際情況不符，研究采用箱型圖法。箱型圖通過五個統(tǒng)計量：最小值、第一四分位數(shù)(樣本中所有數(shù)值由小到大排列后第25%的數(shù)字)、中位數(shù)(樣本中所有數(shù)值由小到大排列后第50%的數(shù)字)、第三四分位數(shù)(樣本中所有數(shù)值由小到大排列后第75%的數(shù)字)與最大值，直觀的表示數(shù)據(jù)的分布和分散程度。

1.2.1 解吸前排采時間特點

鄭莊區(qū)塊解吸前排采時間介于1～1 208 d，平均解吸前排采時間為180 d。其中，75%的煤層氣井解吸前排采時間在190 d以內(nèi)，50%的煤層氣井在100 d以內(nèi)，還有10%的煤層氣井解吸前排采時間較短，低于20 d(圖1)。樊莊區(qū)塊解吸前排采時間介于1～1 150 d，平均解吸前排采時間為94 d。其中，90%煤層氣井解吸前排采時間小于185 d，75%的煤層氣井少于119 d，50%在65 d以內(nèi)，10%小于10 d(圖1)。相對鄭莊區(qū)塊而言，樊莊區(qū)塊煤層氣井解吸前排采時間短、見產(chǎn)快。

1.2.2 解吸后產(chǎn)氣特點

鄭莊峰值產(chǎn)氣量介于39～8 000 m3/d，70%直井單井峰值產(chǎn)氣量低于1 000 m3/d，17%在1 000～2 000 m3/d，13%大于2 000 m3/d(圖2)。樊莊產(chǎn)氣量介于94～21 561 m3/d，51%單井峰值產(chǎn)氣量大于2 000 m3/d ，21%在1 000～2 000 m3/d之間，僅有約24%低于1 000 m3/d(圖2)。兩者相比，樊莊與鄭莊超過1 000 m3/d峰值產(chǎn)氣量比例比值為2.53，樊莊產(chǎn)氣效果明顯較好。

圖1 鄭莊與樊莊解吸前排采時間

圖2 鄭莊與樊莊峰值產(chǎn)氣量特點

鄭莊區(qū)塊煤層氣井平均產(chǎn)氣量介于0～10 737.8 m3/d，平均為537 m3/d。平均產(chǎn)氣量低于500 m3/d的煤層氣井占65.3%，在500～1 000 m3/d占16.6%，在1 000～2 000 m3/d占10.6%，超過2 000 m3/d占7.5%(圖3)。樊莊區(qū)塊煤層氣井平均產(chǎn)氣量介于0～12 606.3 m3/d之間，平均為1 020 m3/d。平均產(chǎn)氣量超過2 000 m3/d的煤層氣井占總煤層氣井的16.1%，在1 000～2 000 m3/d占15.4%，在500～1 000 m3/d占18.5%，大于1 000 m3/d占31.5%，超過50%在500 m3/d以上(圖3)。綜上，樊莊區(qū)塊產(chǎn)氣量明顯高于鄭莊區(qū)塊。

1.3 產(chǎn)水差異

1.3.1 解吸前產(chǎn)水特點

鄭莊區(qū)塊解吸前累計產(chǎn)水量介于1.7～27 255.6 m3，平均為860.7 m3。10%的煤層氣井解吸前累計產(chǎn)水量在大于1 702.9 m3，15%介于669.7～1 702.9 m3，25%在308.1～669.7 m3之間，40%在62～308.1 m3之間，10%小于62 m3(圖4)。樊莊區(qū)塊解吸前累計產(chǎn)水量介于0.1～24 273.7 m3，平均為547.5 m3。其中，10%煤層氣井解吸前累計產(chǎn)水量大于912.9 m3，15%介于407.6～912.9 m3，25%在160.3～407.6 m3以內(nèi)，40%在30.0～160.3 m3之間，10%小于30 m3(圖4)。對比可知，樊莊區(qū)塊煤層氣井有解吸前累計產(chǎn)水量較小。

圖3 鄭莊與樊莊平均產(chǎn)氣特點

圖4 鄭莊與樊莊解吸前累計產(chǎn)水量

鄭莊區(qū)塊解吸前平均產(chǎn)水量介于0～33.69 m3/d，平均為4.39 m3/d。90%的煤層氣井解吸前平均產(chǎn)水量在8.20 m3/d以內(nèi)，75%少于4.91 m3/d，50%在3.21 m3/d以內(nèi)，10%在1.60 m3/d以內(nèi)(圖5)。樊莊區(qū)塊解吸前平均產(chǎn)水量介于0～967.45 m3/d，平均產(chǎn)為4.73 m3/d。90%煤層氣井解吸前平均產(chǎn)水量小于7.01 m3/d，75%少于4.40 m3/d，50%在2.87 m3/d以內(nèi)，10%小于1.03 m3/d(圖5)。據(jù)此，鄭莊和樊莊區(qū)塊煤層氣井解吸前平均產(chǎn)水量有差異小。

1.3.2 整個排采階段產(chǎn)水特點

鄭莊區(qū)塊峰值產(chǎn)水量介于1.4～145.7 m3/d，平均為12.04 m3/d；樊莊區(qū)塊峰值產(chǎn)水量介于0.1～212.5 m3/d，平均為12.35 m3/d；鄭莊和樊莊區(qū)塊峰值產(chǎn)水量均主要集中在10 m3/d以下，占比均超過總排采井的65%(圖6)。

圖5 鄭莊與樊莊解吸前平均產(chǎn)水量

圖6 鄭莊與樊莊峰值產(chǎn)水量特點

整個煤層氣井排采階段，鄭莊區(qū)塊煤層氣井的平均日產(chǎn)水量介于0.02～50.34 m3/d之間，平均為3.40 m3/d。其中，11.4%平均日產(chǎn)水量小于0.5 m3/d，67.3%以0.5～4 m3/d為主，21.2%大于4 m3/d，11.3%在4～16 m3/d，4%大于16 m3/d(圖7)。樊莊區(qū)塊煤層氣井平均日產(chǎn)水量介于0～59.15 m3/d之間，平均為2.43 m3/d。其中，5.3%平均日產(chǎn)水量小于0.2 m3/d，66.8%在0.2～2 m3/d，27.9%大于2 m3/d，21.3%在2～8 m3/d，4.2%介于8～16 m3/d，2.3%大于16 m3/d(圖7)。綜上，樊莊區(qū)塊平均日產(chǎn)水量低于鄭莊區(qū)塊。

1.4 氣水產(chǎn)出比特點

基于累計產(chǎn)氣量/累計產(chǎn)水量比值統(tǒng)計顯示：鄭莊區(qū)塊氣水產(chǎn)出比介于0～51 947，平均為980。其中，25%的煤層氣井氣水產(chǎn)出比大于561，50%大于120。樊莊區(qū)塊氣水產(chǎn)出比介于0.01～173 679，平均為3 803。25%煤層氣井氣水產(chǎn)出比大于3 000，50%大于686之間(圖8)。由此可知，樊莊區(qū)塊煤層氣井氣水產(chǎn)出比明顯高于鄭莊。

圖7 鄭莊與樊莊區(qū)塊煤層氣井平均日產(chǎn)水特點

圖8 鄭莊與樊莊氣水產(chǎn)出比

2 區(qū)塊間地質(zhì)與儲層特征差異

2.1 地質(zhì)背景差異

2.1.1 地應力場

鄭莊中位試井最小地應力梯度為2.1 MPa/100 m，而樊莊為1.7 MPa/100m，鄭莊區(qū)塊地應力梯度明顯偏高(圖9)。

2.1.2 地溫場

鄭莊區(qū)塊地溫梯度介于1.99～3.20 ℃/100 m，中位值為2.52 ℃/100 m；樊莊區(qū)塊地溫梯度介于1.95～3.33 ℃/100 m，中位值為2.45 ℃/100 m(圖10)。地溫梯度可反映地下水流體的活躍程度。地下水流體越活越，流體流動性越強地溫梯度也越低；反之，則地溫梯度相對較高[16-17]。樊莊地溫梯度總體小于鄭莊，導熱能力較強，暗示樊莊區(qū)塊可能煤儲層地下水更為活躍、滲透性可能偏好。

2.2 儲層特性差異

2.2.1 煤層厚度及煤層結構

鄭莊煤層厚度集中在4～7 m，而樊莊介于5～8 m，兩者中位厚度差<1 m，差別較小(圖11)；鄭莊煤層夾矸厚度60%大于0.5 m，而樊莊約為25%(圖12)。相對樊莊區(qū)塊，鄭莊區(qū)塊煤層結構相對復雜。煤層結構越簡單，含夾矸越少，越有利于煤層氣的高產(chǎn)[18]。

圖9 鄭莊與樊莊區(qū)塊地應力梯度對比

圖10 地溫隨埋深的變化

圖11 鄭莊和樊莊煤層厚度對比

2.2.2 裂隙及滲流特征

高煤階儲層滲流導流能力很大程度上取決于微裂隙的寬度和密度[19-20]，其滲流導流能力可以用滲透率的大小表征，鄭莊區(qū)塊50%滲透率為0.04×10-3μm2，而樊莊為0.2×10-3μm2(圖13)。兩者差異顯著，且樊莊區(qū)塊絕大部分試井滲透率遠大于鄭莊區(qū)塊試井滲透率。裂隙密度和開度是影響滲透率關鍵因素，如前所述樊莊區(qū)塊裂隙發(fā)育密度略低于鄭莊，而前者地應力梯度明顯低于后者，因此地應力通過影響裂隙的開合進而控制了滲透率差異發(fā)育。

圖12 鄭莊和樊莊煤層夾矸對比

圖13 鄭莊和樊莊煤層試井滲透率對比

2.3 儲層流體差異

2.3.1 煤儲層含氣量

較高的含氣量是煤層氣井高產(chǎn)的必要保證[21-24]。鄭莊/樊莊含氣量80%井均大于15 m3/t，集中分布在21 m3/t(圖14)。兩區(qū)塊含氣量差異很小，表明其非控制兩區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)量的關鍵因素。但鄭莊區(qū)塊含氣量變化范圍較樊莊區(qū)塊大，反映其儲層非均質(zhì)性強。

2.3.2 煤儲層水可疏降性

鄭莊解吸前單位降深產(chǎn)水量介于0.024～150.52 m3/(d·m)，50%以上高于0.8 m3/(d·m)；樊莊解吸前單位降深產(chǎn)水量介于0.11～99.86 m3/(d·m)，80%單井高于1 m3/(d·m)(圖15)。顯然解吸前單位時間降低同樣液面深度，樊莊區(qū)塊產(chǎn)水量大于鄭莊，揭示出樊莊區(qū)塊地層水疏導能力強于鄭莊，有利于壓力的疏降，形成更大范圍泄壓。

圖14 鄭莊和樊莊煤層含氣量對比

圖15 鄭莊與樊莊解吸前單位降深產(chǎn)水量

圖16 鄭莊和樊莊區(qū)塊儲層流體可疏降系數(shù)特點

為了進一步查明壓力降與產(chǎn)水量關系，定義了儲層流體可疏降系數(shù)，即解吸前單位降深產(chǎn)水量/解吸前排采時間/(地層壓力-臨界解吸壓力)，單位m3/(d·100m·MPa)。該值表征了單位時間、單位壓降、百米降深下產(chǎn)水量，其值越高疏降水能力越強。由圖16可知，鄭莊區(qū)塊儲層流體可疏降系數(shù)介于0～172.72，平均為2.80。其中，10%的煤層氣井大于4.21，15%介于1.50～4.21，25%在0.64～1.50之間，50%小于0.64。樊莊區(qū)塊儲層流體可疏降系數(shù)介于0～385.08，平均為6.03。其中10%煤層氣井大于8.84，15%介于3.40～8.84之間，25%在1.40～3.40之間，50%小于1.40。

綜上，樊莊區(qū)塊的平均疏降系數(shù)和中位疏降系數(shù)均較鄭莊高，流體疏降能力強。

2.3.3 煤儲層臨儲比

臨儲比(臨界解吸壓力/儲層壓力)是影響煤層氣產(chǎn)量關鍵因素，臨儲比越接近1，煤層氣越容易解吸[25-26]，越易早產(chǎn)和高產(chǎn)[27]。鄭莊區(qū)塊中位臨儲比為0.58，而樊莊區(qū)塊中位臨儲比為0.60(圖17)。兩者差異較小，表明臨儲比非控制兩區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量差異的主要因素。

3 煤層氣井產(chǎn)出差異的控制因素

圖17 鄭莊和樊莊區(qū)塊臨儲比特點

圖18 影響高煤階煤層氣開發(fā)差異的關鍵因素

為了研究兩區(qū)塊煤層氣產(chǎn)量差異的控制因素，采用兩個區(qū)塊相同參數(shù)中位值之比對地質(zhì)和儲層因素差異影響進行了排序。地應力梯度和地溫與煤層氣井產(chǎn)量為負相關性，因此兩個參數(shù)采用鄭莊區(qū)塊/樊莊區(qū)塊中位值(圖18右側)，其余參數(shù)均采用樊莊區(qū)塊/鄭莊區(qū)塊中位值(圖18左側)。該值大于1且越高，則樊莊條件越好，反之越差。結果表明：滲透率>可疏降系數(shù)>地應力梯度>煤層厚度>臨儲比>地溫梯度>1.0>含氣量。資源特性(含氣量和煤層厚度)、滲透率、流體的疏降能力(臨儲比、可疏降系數(shù))是造成煤層氣井產(chǎn)氣差異直接因素，而樊莊與鄭莊區(qū)塊含氣量和煤層厚度差異較小，因此影響煤層氣井氣水產(chǎn)量的關鍵直接因素為滲透率和流體可疏降特性。由于兩區(qū)塊裂縫發(fā)育密度基本相當，控制滲透性關鍵因素為地應力；控制流體的疏降能力主要為煤儲層組成和孔隙結構。

4 結 論

1)相比鄭莊區(qū)塊，樊莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量低、解吸前排采時間短、氣水產(chǎn)出比大。鄭莊區(qū)塊煤層氣井解吸前平均累計產(chǎn)水量860.7 m3，平均日產(chǎn)水量4.39 m3/d；整個排采階段平均峰值產(chǎn)水量12.04 m3/d，平均日產(chǎn)水量3.40 m3/d；中位峰值產(chǎn)氣量810 m3/d，平均產(chǎn)氣量537 m3/d。樊莊區(qū)塊煤層氣井解吸前平均累計產(chǎn)水量547.5 m3，平均日產(chǎn)水量4.73 m3/d；整個排采階段平均峰值產(chǎn)水量12.35 m3/d，平均日產(chǎn)水量2.43 m3/d；中位峰值產(chǎn)氣量2 000 m3/d，平均產(chǎn)氣量1 020 m3/d。

2)鄭莊區(qū)塊與樊莊區(qū)塊地質(zhì)與儲層參數(shù)差異顯著。相比樊莊區(qū)塊，鄭莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣量低、產(chǎn)水總量大、解吸前排采時間長、氣水產(chǎn)出比??；地質(zhì)和儲層特點表現(xiàn)為地應力梯度高、地溫梯度較高、煤厚較薄、煤層結構較復雜、裂隙較發(fā)育、滲透率較低、儲層流體可疏降系數(shù)較小等。

3)直接影響煤層氣井氣水產(chǎn)量關鍵因素為儲層滲透率與流體可疏降能力。影響本區(qū)滲透率差異關鍵地質(zhì)因素為地應力，而控制流體可疏降能力因素為煤儲層本身特性。

4)選擇相對低地應力區(qū)是區(qū)內(nèi)有利區(qū)優(yōu)選的關鍵因素；針對高地應力特點，宜選用有利于地應力釋放儲層改造技術。

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Difference of coalbed methane development and it’s major controlling factors for high-rank coal between Zhengzhuang and Fanzhuang blocks

ZHAO Jincheng1，SHEN Jian1,2，ZHU Qingzhong2，YANG Yanhui2，YANG Yanlei2
(1. China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2. PetroChina Huabei Oilfield Company，Renqiu 062552，China)

Recognizing the major controlling factors of the difference for coalbed methane (CBM) development in high-rank coal can promote the benefits in the process of CBM development. Based on production characteristics contrast of CBM wells between Zhengzhuang and Fanzhuang blocks, we put forward a new dredging and pressure-drop index to reflect the difficulty level for fluid flow in coal coalbed during drainage, analyzed the differences of geology, reservoir and fluid factors between Zhengzhuang and Fanzhuang blocks, and discussed it’s controlling factors on production differences. The results have shown that comparing with those of Fanzhuang block, the Zhengzhuang block has the lower gas production,higher water production, the longer water drainage time before CBM desorption and the lower radio of gas and water production, the higher geo-stress and geothermal gradients, the thinner thickness of coalbed and the more complex coal structure, the more well-developed fractures, the lower permeability, the smaller dredging and pressure dropping index. The direct factors that influence the production of CBM wells are permeability and the dredging and pressure-drop index of fluid in CBM reservoir, The major geological factors that controls permeability and the dredging and pressure-drop index of reservoir fluid are geo-stress and properties of coal reservoirs respectively. The low geo-stress should be taking into key account in optimization of sweat spot, and reservoir stimulation for CBM development in high geo-stress regions should take the geo-stress release into key measure.

Fanzhuang block; Zhengzhuang block; coalbed methane ; difference of CBM development; major controlling factors；geo-stress

2013-08-12

國家自然科學基金項目資助(編號：41302131)；國家重大專項項目資助(編號：2016ZX05041-01)；華北油田分公司博士后項目資助(編號：2013E-2208-2015-M08)

趙錦程(1991-)，男，河南林州人，碩士研究生，E-mail:cumt_jinchengzhao@163.com。

TE122.2

A

1004-4051(2017)04-0114-007