煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響及其對(duì)策

趙家攀 張永琪 張 帥 王海霖 皮紅彬 熊建平

(1.華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 454000)

煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響及其對(duì)策

趙家攀1張永琪1張 帥2王海霖1皮紅彬1熊建平1

(1.華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 454000)

基于沁水盆地南部樊莊區(qū)塊煤層氣井地質(zhì)與排采資料，探討煤體結(jié)構(gòu)差異對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響。煤的孔裂隙系統(tǒng)、力學(xué)性質(zhì)的差異對(duì)煤層氣井開發(fā)的各環(huán)節(jié)有重大影響，這導(dǎo)致相應(yīng)煤層氣井的產(chǎn)能有較大差異。隨煤體破壞程度的增加，井徑擴(kuò)徑現(xiàn)象凸現(xiàn)，這增加了后期一系列工藝的難度。以原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤為主的煤儲(chǔ)層，復(fù)合改造和多尺度支撐劑的應(yīng)用可提升煤儲(chǔ)層長(zhǎng)期導(dǎo)流能力；以碎裂-糜棱結(jié)構(gòu)煤為主的煤儲(chǔ)層，其開發(fā)的核心是對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行卸壓改造和保護(hù)層開采，以改善煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力。

煤體結(jié)構(gòu) 煤層氣井產(chǎn)能 導(dǎo)流能力

1 地質(zhì)概況

沁水盆地南部樊莊區(qū)塊位于山西省沁南縣中東部。構(gòu)造上以燕山期北北東向、近南北向和喜馬拉雅期形成的北西向褶曲為主，屬于沁水盆地東南部晉城斜坡帶區(qū)、整體呈東南高，西北低的特征。目前煤層氣井主采3號(hào)煤層、厚度3～7m，埋深400～800m；煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，局部發(fā)育有構(gòu)造煤。

2 煤層氣井產(chǎn)氣量

依據(jù)文獻(xiàn)[4]的分類，煤體結(jié)構(gòu)按破壞程度可劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤。根據(jù)區(qū)塊內(nèi)煤層氣井3號(hào)煤層鉆井取樣照片可知，不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣的幾何形態(tài)差異較大。原生結(jié)構(gòu)煤通常為柱狀；碎裂結(jié)構(gòu)煤為較大的塊狀；在機(jī)械擾動(dòng)的情況下、碎粒結(jié)構(gòu)煤和糜棱結(jié)構(gòu)煤的區(qū)分難度非常大，通常為小塊狀和粉末狀的集合，本文統(tǒng)稱為碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤。為了便于研究，故將該區(qū)3號(hào)煤的煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤(Ⅰ)、碎裂結(jié)構(gòu)煤(Ⅱ)和碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤(Ⅲ)。表1為區(qū)塊不同煤體結(jié)構(gòu)下煤層氣井的產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)。

3 煤層氣井產(chǎn)氣量差異的原因

煤層氣井產(chǎn)能受諸多因素影響，包括煤儲(chǔ)層含氣量、煤體結(jié)構(gòu)差異、煤質(zhì)、滲透性能等地質(zhì)因素，以及鉆井質(zhì)量、射孔效果、壓裂改造效果、排采制度等工程因素。資源量是開采基礎(chǔ)，煤儲(chǔ)層滲透性對(duì)產(chǎn)能的影響至關(guān)重要。鉆井、固井、壓裂等一系列工藝為了直接或間接提高煤儲(chǔ)層的滲透性。

表1 煤層氣井基本參數(shù)

3.1 孔裂隙特征

煤是具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征的多孔介質(zhì)?？?裂隙的大小、形態(tài)、分布狀況、連通程度等都直接影響著煤層氣的產(chǎn)出。同時(shí)，構(gòu)造變形作用使得煤的孔裂隙特征發(fā)生顯著的變化。原生結(jié)構(gòu)煤內(nèi)生裂隙發(fā)育，具有顯著的定向性，受到的構(gòu)造作用影響小，外生裂隙和構(gòu)造裂隙不發(fā)育，只有孔隙和割理結(jié)合處滲透能力有一定程度地提升；煤體具有層理結(jié)構(gòu)，無明顯破裂面；大中孔含量少。構(gòu)造破壞作用使煤體形成不規(guī)則的微米級(jí)顆粒和一定數(shù)量的構(gòu)造裂隙，顆粒的相互交疊支撐形成不規(guī)則的微裂隙和一定數(shù)量的孔隙，這些微裂隙、孔隙、顯微構(gòu)造裂隙彼此相通，滲透性明顯增大；有顯著的破裂面形成。隨變形程度繼續(xù)增大，微米級(jí)顆粒的棱角被切割形成大小不等的碎粒狀，甚至是粉狀，裂隙系統(tǒng)遭到破壞，連通性急劇下降；但微孔含量急劇增加，其富集性明顯增強(qiáng)；同時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度隨著煤體破壞程度的增加而增加。

3.2 工程因素

3.2.1 鉆井液和壓裂液污染

選取以原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤、碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤為主的三口煤層氣井，依據(jù)0.5m煤層厚度為間隔的測(cè)井響應(yīng)曲線可知：井徑與煤體破壞程度正相關(guān)。原生結(jié)構(gòu)煤的井徑在250～350mm之間(圖1-a)，碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤的井徑在450～500mm之間(圖1-c)，碎裂結(jié)構(gòu)煤的井徑在兩者之間。在圖1-b，煤層整體為碎裂結(jié)構(gòu)煤，井徑先減小后增大，可能是受鉆進(jìn)速度影響所致。通常，鉆進(jìn)速度越快，井徑越小。在圖1-c中，夾矸段(891.5～892.5m)的井徑小于煤巖段，是由于夾矸的硬度明顯高于煤巖段所致。

在煤層氣井鉆進(jìn)過程中，擴(kuò)徑現(xiàn)象多因煤儲(chǔ)層坍塌變粗，這導(dǎo)致了鉆井液浸入煤儲(chǔ)層，造成近井地帶儲(chǔ)層污染嚴(yán)重。此外，擴(kuò)徑會(huì)增加后期固井、完井工藝的難度，不利于水泥漿返排，形成大小不等的水泥環(huán)，增加了射孔的難度，使得壓裂液經(jīng)過射孔段時(shí)摩阻顯著增大，影響壓裂效果及煤層氣井產(chǎn)能。

煤層氣井壓裂后，進(jìn)行壓裂液返排。由于存在濾失現(xiàn)象，一部分壓裂液會(huì)殘留在煤層中，堵塞孔裂隙，增加解吸甲烷運(yùn)移的難度。

圖1 不同煤體結(jié)構(gòu)煤的井徑

圖2 壓裂施工曲線

3.2.2 儲(chǔ)層改造效果

煤層氣開發(fā)的儲(chǔ)層具有“三低”特點(diǎn)，而合理的儲(chǔ)層改造是增大煤儲(chǔ)層滲透性的關(guān)鍵。圖2顯示，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為主的煤儲(chǔ)層，由于煤巖具有一定的脆性，壓裂曲線可看到明顯的破裂壓力(一級(jí)破裂面起破)(圖2-a)，以碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)為主的煤儲(chǔ)層，無明顯破裂壓力(圖2-b)。隨著排量和砂比增加，以原生結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)為主的煤儲(chǔ)層，裂縫繼續(xù)向儲(chǔ)層擴(kuò)展，當(dāng)裂縫被壓裂液充滿且有效支撐后，煤體可能沿著次級(jí)弱面繼續(xù)起裂，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸；而以碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)為主的煤儲(chǔ)層卻出現(xiàn)砂堵現(xiàn)象，由于其裂隙系統(tǒng)幾乎完全遭到破壞，煤顆粒彼此充填導(dǎo)致壓裂無法形成有效的裂縫。

4 不同煤體結(jié)構(gòu)下煤層氣開發(fā)的對(duì)策

煤體結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在孔-裂隙系統(tǒng)和吸附性能等方面。裂隙擴(kuò)展度及密度主要影響儲(chǔ)層滲透性，而吸附性在一定程度上可反映煤儲(chǔ)層的資源量，煤體結(jié)構(gòu)可為儲(chǔ)層改造方案的優(yōu)化和排采制度的調(diào)整提供參考。儲(chǔ)層資源量是開采基礎(chǔ)。合理的壓裂是增加儲(chǔ)層滲透性的關(guān)鍵，恰當(dāng)?shù)呐挪墒翘岣呙簩託饩a(chǎn)量的保障。

4.1 鉆井方面

鉆井是煤層氣開發(fā)中非常重要的環(huán)節(jié)。鉆井質(zhì)量直接影響井壁的穩(wěn)定性，間接影響固井質(zhì)量、儲(chǔ)層傷害程度、儲(chǔ)層改造效果、煤層氣產(chǎn)能等。煤層氣井筒擴(kuò)徑的主控因素是鉆井液密度、天然裂隙發(fā)育狀況及排量。因此，以原生結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，應(yīng)在較高的鉆壓下用低密度鉆井液和較高排量鉆進(jìn)；以碎裂結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，應(yīng)在適中的鉆壓下配備低密度鉆井液和適中排量鉆進(jìn)；以碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，應(yīng)在較小的鉆壓下配備高密度鉆井液和較低排量鉆進(jìn)。在地層條件下，煤儲(chǔ)層大多是不同煤體結(jié)構(gòu)的組合體，這就需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整鉆井液密度、鉆壓、鉆速變化，實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，確保平衡鉆進(jìn)，力求鉆井質(zhì)量高，減小擴(kuò)徑對(duì)后續(xù)工程和煤層氣井產(chǎn)能的影響。

4.2 儲(chǔ)層改造方面

目前，“排水-降壓-解吸-擴(kuò)散-滲流”是地面煤層氣開發(fā)的主導(dǎo)思想，壓降能否有效傳遞是氣體產(chǎn)出的關(guān)鍵。滲流理論表明：滲透率是壓降傳遞的關(guān)鍵因素。煤層氣井水力壓裂是利用液體傳壓原理，以大于煤儲(chǔ)層吸收能力的速度向煤儲(chǔ)層注入壓裂液，使煤體原有的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)劈開煤體薄弱部分產(chǎn)生新的裂縫，加入起支撐作用的支撐劑，增大煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力。以原生結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，其內(nèi)生裂隙發(fā)育，缺少溝通內(nèi)生裂隙和外生裂隙或者構(gòu)造裂隙的紐帶。傳統(tǒng)的水力壓裂僅僅是通過強(qiáng)化原有裂隙和形成一定數(shù)量的大尺度裂隙來增加煤儲(chǔ)層的滲透性；很難形成微裂隙網(wǎng)絡(luò)，其裂隙系統(tǒng)連通性較差。采用大于20目的支撐劑進(jìn)行支撐裂縫，其支撐范圍有限，井筒附近短期導(dǎo)流能力大大增強(qiáng)。采用多種儲(chǔ)層改造方式，如多脈沖壓裂和水力壓裂聯(lián)合作業(yè)，可在煤儲(chǔ)層形成一定數(shù)量的徑向裂隙和微裂隙，大大增加了內(nèi)生裂隙和外生裂隙及構(gòu)造裂隙的連通性，同時(shí)選擇更小尺度(40-60目)的支撐劑支撐微裂縫是增大煤儲(chǔ)層長(zhǎng)期導(dǎo)流能力和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的保障。以碎裂結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，其構(gòu)造裂隙、外生裂隙、微裂隙、割理等較發(fā)育，連通性好，簡(jiǎn)單的水力壓裂和多尺度支撐劑的支撐可使該類煤層氣井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，如沁水南部盆地鄭莊區(qū)塊。以碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤為主的儲(chǔ)層，其裂隙系統(tǒng)遭到破壞，水力壓裂很難對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行有效改造。開發(fā)該類儲(chǔ)層的核心是進(jìn)行有效的卸壓改造(水平井、羽狀井打破了煤層氣井傳統(tǒng)“點(diǎn)”開采)或者進(jìn)行保護(hù)層開采(夾矸、頂?shù)装?，充分利用井型(組合)及保護(hù)層優(yōu)勢(shì)，松弛儲(chǔ)層地應(yīng)力，讓軟弱致密的煤儲(chǔ)層釋放膨脹能，改善煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力，使煤層氣有一定的運(yùn)移空間產(chǎn)出。

4.3 排采管控方面

煤層氣井排采過程中，壓降是引起煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及物性參數(shù)發(fā)生一系列變化的根本原因，有效應(yīng)力增加產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)和基質(zhì)收縮產(chǎn)生的正效應(yīng)綜合影響煤儲(chǔ)層的滲透性能。原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂結(jié)構(gòu)煤，經(jīng)復(fù)合改造和多尺度支撐劑的有效支撐，裂隙擴(kuò)展性及其連通性、長(zhǎng)期導(dǎo)流能力大大增強(qiáng)，壓降易于傳播，可能會(huì)使煤層氣井的見氣和產(chǎn)氣高峰時(shí)間提前，增加經(jīng)濟(jì)效益。碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤，經(jīng)卸壓改造或者保護(hù)層開采，透氣性能和導(dǎo)流能力有一定程度的增大，具有一定高產(chǎn)的潛能。構(gòu)造煤對(duì)初期降液速度較敏感，原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂結(jié)構(gòu)煤對(duì)初期降液速度不敏感。但在飽和單相水流階段，過快的降液速度可能會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)增強(qiáng)，將發(fā)生支撐劑顆粒鑲嵌煤層現(xiàn)象，因此，在煤層氣井產(chǎn)氣前，應(yīng)緩慢降低動(dòng)液面，盡可能增大壓降傳遞的范圍。

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(責(zé)任編輯 王一然)

Effect of Coal Body Structures on CBM Wells’ Production and Solutions

ZHAO Jiapan1，ZHANG Yongqi1，ZHANG Shuai2，WANG Hailin1，PI Hongbin1，XIONG Jianping1

(1.CBM Exploration and Development Branch，Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000；2. School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000)

Based on CBM wells’ geological and drainage data of Fanzhuang Block in Southern Qinshui Basin, effect of different coal structures on CBM wells’ productivity is discussed. The differences of pore system, fissure systems, and mechanics properties of coal have great effect on the whole development process of CBM wells, which results in great differences in production of corresponding CBM wells. The more damage of coal-body is, the larger the diameter of wells becomes, which will cause greater difficulties of a series of technologies in later stage. The application of compound modifications and multi-scale propping agents can improve the long-term flow conductivity in coal reservoirs dominated by primary and cataclastic structure coal. For the coal reservoirs dominated by fragmented-mylonitic structure coal, the key point of development is to adopt pressure relief or protective layer mining, so as to improve its flow conductivity.

Coal structure;productivity of CBM well;flow conductivity

趙家攀，男，碩士，助理工程師，主要從事煤層氣開發(fā)工作。