沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊Z1井區(qū)煤層氣產(chǎn)氣特征及影響因素

許露露, 田 成, 張焱林, 徐 聰, 王 璐

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

對(duì)于煤層氣井產(chǎn)能的控制因素,前人主要在構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)因素、壓裂及排采措施等方面進(jìn)行過深入的研究工作[1-14],前人研究成果表明:構(gòu)造發(fā)育對(duì)煤層氣產(chǎn)能有較大影響,鄭莊區(qū)塊主要斷層——寺頭斷層在喜馬拉雅晚期處于緊閉狀態(tài),有利于煤層氣的保存;地質(zhì)因素主要包括含氣量、滲透率、埋深和煤層厚度,其中含氣量和滲透率是影響煤層氣產(chǎn)能最重要的地質(zhì)參數(shù),含氣量和滲透率越高,煤層氣產(chǎn)能越大,而煤層埋深和厚度對(duì)產(chǎn)氣量的影響較為復(fù)雜,不同學(xué)者有不同的觀點(diǎn),呂玉民等在研究與鄭莊相鄰的樊莊區(qū)塊發(fā)現(xiàn),煤層氣產(chǎn)量隨埋深的增加而增大,隨煤厚的增加而減少[7],而另有學(xué)者在研究韓城示范區(qū)煤層氣區(qū)塊發(fā)現(xiàn),煤層氣產(chǎn)量隨埋深的增加而減小,隨煤厚的增加而增大[9];壓裂施工的一些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)能也有一定影響,壓裂時(shí)平均排量越大,加砂量越大,投產(chǎn)后氣井的產(chǎn)量越高[10];排采措施中影響產(chǎn)氣量的參數(shù)主要是產(chǎn)水量、井口套壓和液面深度[11],有學(xué)者研究表明:外來水體補(bǔ)給煤層是造成部分氣井平均產(chǎn)水量大以及產(chǎn)能低的主要原因[12],而較快的液面下降速度,更容易發(fā)生煤儲(chǔ)層的壓敏效應(yīng),導(dǎo)致井筒附近煤儲(chǔ)層滲透率降低,影響煤層氣的單井最高產(chǎn)量[13]。

前人對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響因素分析已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,但對(duì)除含氣量和滲透率以外影響煤層氣產(chǎn)能的其他參數(shù)尚未進(jìn)行過定量分析。本文以鄭莊區(qū)塊中部生產(chǎn)井大量分布的Z1井區(qū)為研究對(duì)象,從地質(zhì)、壓裂以及排采3個(gè)方面,分析其與產(chǎn)氣量的相關(guān)性關(guān)系,并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法,定量確定影響Z1井區(qū)產(chǎn)氣量的主要因素。

1 Z1井區(qū)產(chǎn)氣分布特征

鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城地區(qū),以寺頭斷層為界,西側(cè)為鄭莊區(qū)塊,東側(cè)為樊莊區(qū)塊,總體上為一個(gè)馬蹄形斜坡帶(圖1),主力目的煤層是區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育分布的二疊系山西組3號(hào)煤層。Z1井區(qū)位于鄭莊中東部,面積約80 km2。地勢西北低、東南高,西北部為寬緩的單斜地層,斷層發(fā)育較少,東南部靠近后城腰斷層。根據(jù)研究區(qū)斷層分布及海拔高低,可以將研究區(qū)分為3個(gè)構(gòu)造單元:北部斜坡帶、中部隆起帶及南部斷層帶(圖1)。Z1井區(qū)分布著70多口生產(chǎn)井。根據(jù)該井區(qū)日平均產(chǎn)氣量的范圍,將Z1井區(qū)日平均產(chǎn)氣量分為高中低3個(gè)標(biāo)準(zhǔn),日平均產(chǎn)氣量低于100 m3為低產(chǎn)井,日平均產(chǎn)氣量為100～500 m3為中產(chǎn)井,日平均產(chǎn)氣量高于500 m3為高產(chǎn)井。通過產(chǎn)氣平面分布圖和各單元產(chǎn)氣統(tǒng)計(jì)得出,各構(gòu)造單元均以日產(chǎn)氣量0～100 m3/d的低產(chǎn)氣量為主(圖2-b),且從北部斜坡帶到南部斷層帶低產(chǎn)氣井有增加的趨勢。日產(chǎn)氣量在100～500 m3/d的中產(chǎn)氣井從北部斜坡帶到南部斷層帶呈現(xiàn)降低的趨勢,日產(chǎn)氣量>500 m3/d的28口高產(chǎn)井中,其中有14口井分布在中部隆起帶,5口井位于北部斜坡帶,另外還有9口井位于南部斷層帶,產(chǎn)氣量最高的井位于中部隆起帶斷層附近,日平均產(chǎn)氣量為2 720 m3/d(圖2-a)。南部斷層帶附近高產(chǎn)氣井分布較多,說明該區(qū)斷層的發(fā)育導(dǎo)致煤儲(chǔ)層的裂隙發(fā)育,增加了煤儲(chǔ)層滲透率,對(duì)產(chǎn)氣量的提高起到一定的促進(jìn)作用。

圖2 Z1井區(qū)產(chǎn)氣分布特征Fig.2 Distribution characteristics of gas production in Z1 well area

圖1 鄭莊區(qū)塊Z1井區(qū)范圍分布圖Fig.1 Distribution map of Z1 well area in Zhengzhuang block1.逆斷層;2.煤層氣井;3.Z1井區(qū)范圍;4.<-200 m;5.-200～0 m;6.0～200 m;7.>200 m。

2 Z1井區(qū)產(chǎn)氣影響因素分析

煤層氣產(chǎn)氣量大小受控于煤層橫向和縱向展布特征、煤階、含氣量、滲透率、地下水,以及沉積和構(gòu)造背景、壓裂及排采等關(guān)鍵控制因素的綜合影響。本文主要從已獲取可靠數(shù)據(jù)的煤層埋深、煤層厚度、壓裂液量、加砂量、動(dòng)液面下降速率以及產(chǎn)水量6個(gè)方面出發(fā),建立相關(guān)散點(diǎn)圖,并分析其與煤層氣井產(chǎn)氣量的關(guān)系。為了更準(zhǔn)確地分析產(chǎn)氣量影響因素,排除斷層分布對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,本文選取分布于中部隆起區(qū)及北部斜坡帶且日平均產(chǎn)氣量>100 m3/d的煤層氣井48口生產(chǎn)井進(jìn)行產(chǎn)氣量相關(guān)性分析。

2.1 埋深和厚度

Z1井區(qū)煤儲(chǔ)層埋深分布在400～1 200 m,產(chǎn)氣量>500 m3/d的高產(chǎn)井,大多數(shù)埋深<800 m,產(chǎn)氣量最大的井,煤儲(chǔ)層埋深為651 m,日平均產(chǎn)氣量達(dá)到2 720 m3/d。當(dāng)煤儲(chǔ)層埋深>800 m后,很少有高產(chǎn)氣井分布(圖3-a),其原因是煤儲(chǔ)層埋深過大時(shí),煤儲(chǔ)層所受地層圍壓增大,而煤層應(yīng)力敏感性較強(qiáng),因此圍壓的增大導(dǎo)致孔滲性較差,進(jìn)而影響煤層產(chǎn)氣量。Z1井區(qū)煤層厚度在3.5～6.0 m之間,日產(chǎn)氣量>500 m3/d的高產(chǎn)煤層氣井煤層厚度多>4.0 m。煤儲(chǔ)層厚度在3.0～4.5 m之間時(shí),產(chǎn)氣量隨煤層厚度的增加而增大,而當(dāng)厚度>4.5 m后,煤層厚度對(duì)產(chǎn)氣量的影響開始減弱(圖3-b)。

2.2 壓裂液量與加砂量

Z1井區(qū)壓裂采用活性水壓裂液,壓裂液量分布在650～850 m3之間。Z1井區(qū)壓裂液量與產(chǎn)氣量散點(diǎn)圖顯示,當(dāng)壓裂液量<700 m3時(shí),沒有高產(chǎn)氣井分布,大部分高產(chǎn)氣井壓裂液量主要分布在700～750 m3(圖4-a)。支撐劑選用蘭州石英砂,粒徑分布范圍為0.425～1.18 mm。Z1井區(qū)加砂量與產(chǎn)氣量散點(diǎn)圖顯示,加砂量位于20～55 m3之間,大部分井加砂量在40 m3左右,大部分高產(chǎn)氣井加砂量分布在40 m3左右(圖4-b)。

2.3 動(dòng)液面下降速率

排采制度的不合理常造成儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性傷害。如果動(dòng)液面下降比較快,致使近井地帶的地層壓力迅速降低,由于煤層具有低孔低滲特點(diǎn),遠(yuǎn)井地帶的氣水不能迅速滲流到井筒附近,這樣在短時(shí)間內(nèi)造成了一個(gè)極低的壓力區(qū),導(dǎo)致作用在煤儲(chǔ)層上的有效應(yīng)力增大,由于煤層具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性,根據(jù)公式①,近井地帶儲(chǔ)層壓力的減小,導(dǎo)致有效應(yīng)力的增大,使割理、微裂隙和孔隙壓縮、滲透率降低。

圖3 Z1井區(qū)產(chǎn)氣量與埋深及煤厚相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of gas production and buried depth in Z1 well area and coal thickness

圖4 Z1井區(qū)產(chǎn)氣量與壓裂液量及加砂量相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of gas production and fracturing fluid volume and sand loading in Z1 well area

Ki/K0=be-a(p0-p)

①

式中:Ki為有效應(yīng)力變化后滲透率,μm2;K0為初始滲透率,μm2;b為比例常數(shù),無因次;a為滲透率應(yīng)力敏感系數(shù),MPa-1;p0為儲(chǔ)層壓力,MPa;p為近井地帶儲(chǔ)層壓力,MPa。

統(tǒng)計(jì)了Z1井區(qū)48口井的動(dòng)液面下降速率與日產(chǎn)氣量相關(guān)性發(fā)現(xiàn),日產(chǎn)氣量與動(dòng)液面下降速率呈負(fù)相關(guān)性(圖5-b),當(dāng)動(dòng)液面下降速率>10 m/d,高產(chǎn)井和中產(chǎn)井比例較低,而低產(chǎn)井比例較高(圖5-c)。為了進(jìn)一步分析動(dòng)液面下降對(duì)產(chǎn)氣量的影響,盡可能排除其他地質(zhì)因素對(duì)產(chǎn)氣量的影響,選取研究區(qū)中部隆起帶A和B兩個(gè)井區(qū)進(jìn)行分析(圖5-a),研究表明,當(dāng)構(gòu)造部位和其他地質(zhì)條件相似時(shí),動(dòng)液面下降速率與產(chǎn)氣量相關(guān)性顯著增加,兩者呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性,產(chǎn)氣量隨著動(dòng)液面下降速率的增加而明顯減少(圖5-d、圖5-e)。

圖5 Z1井區(qū)產(chǎn)氣量與動(dòng)液面相關(guān)性分析Fig.5 Analysis of the correlation between gas production and moving surface in Z1 well area

2.4 產(chǎn)水量

統(tǒng)計(jì)了Z1井區(qū)產(chǎn)水情況,發(fā)現(xiàn)北部斜坡帶生產(chǎn)井產(chǎn)水量大多分布在0～2 m3/d,中部隆起帶產(chǎn)水量中等,南部斷層帶大多數(shù)井產(chǎn)水量>5 m3/d(圖6-a)。日產(chǎn)氣量與產(chǎn)水量呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)性,全區(qū)日產(chǎn)氣量>500 m3/d的高產(chǎn)井中,其中多數(shù)井產(chǎn)水量<5 m3/d,當(dāng)產(chǎn)水量>5 m3/d時(shí),高產(chǎn)井分布極少(圖6-b、圖6-c)。產(chǎn)水量較大的部位主要分布在Z1井區(qū)南部斷層帶,其原因是:一方面斷層的發(fā)育容易溝通煤層頂?shù)装宓暮畮r層,造成煤層外來水補(bǔ)給較高;另一方面,南部斷層帶附近海拔較低,水流從海拔較高的地方向低洼的斷層帶地方匯聚。

圖6 Z1井區(qū)產(chǎn)氣量與產(chǎn)水量相關(guān)性分析Fig.6 Analysis of the correlation between gas production and water production in Z1 well area

3 主要因素評(píng)價(jià)

灰色關(guān)聯(lián)分析是基于系統(tǒng)內(nèi)各因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似程度,以定量分析和確定系統(tǒng)中各因素之間關(guān)聯(lián)性的一種分析方法?；疑P(guān)聯(lián)分析的目的在于定量地表征系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的關(guān)聯(lián)程度,尋找影響系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的主要因素[15]。上述分析了煤層埋深、煤層厚度、液量和砂量、動(dòng)液面下降速率、產(chǎn)水量與煤層氣井產(chǎn)能之間的關(guān)系,但無法確定各個(gè)因素對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣量的影響程度。為了分析上述參數(shù)中對(duì)Z1井區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣量影響的主要因素,本文引入灰色關(guān)聯(lián)分析方法,定量確定各影響因素與產(chǎn)能之間的關(guān)聯(lián)度,以客觀評(píng)價(jià)各因素對(duì)氣井產(chǎn)能的影響程度?；疑P(guān)聯(lián)分析主要包括三個(gè)計(jì)算過程:

②

(2) 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算。主參數(shù)列與輔參數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)的公式如下:

③

(3) 關(guān)聯(lián)度計(jì)算。關(guān)聯(lián)度為各個(gè)時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值,即:

④

式中:ri,0為輔參數(shù)列i與主參數(shù)列0的關(guān)聯(lián)度;n為數(shù)列長度,即生產(chǎn)井的數(shù)量。

從Z1井區(qū)選取產(chǎn)氣量>100 m3/d且排采時(shí)間>6個(gè)月的生產(chǎn)井48口井,按照上述灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法,對(duì)煤層埋深等6個(gè)參數(shù)與產(chǎn)氣量的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了計(jì)算(表1)。

灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果顯示,各因素與產(chǎn)氣量關(guān)聯(lián)度的排序順序?yàn)?產(chǎn)水量>動(dòng)液面下降速率>總液量>埋深>凈厚度>用砂量,這表明產(chǎn)水量和動(dòng)液面下降速率對(duì)產(chǎn)氣量影響較大,因此在Z1井區(qū)勘探開發(fā)過程中,應(yīng)當(dāng)在與斷層相隔一定距離的構(gòu)造高點(diǎn)部署井位,一方面距斷層較遠(yuǎn)的構(gòu)造高部位產(chǎn)水量低,另一方面煤層氣容易在構(gòu)造高點(diǎn)聚集;同時(shí)在排采初期,應(yīng)當(dāng)控制動(dòng)液面下降速率,讓壓降漏斗盡量擴(kuò)大,增加影響半徑,避免因?yàn)槊簩討?yīng)力敏感性造成近井地帶煤儲(chǔ)層滲透率變低而導(dǎo)致煤層氣井產(chǎn)能過低。

表1 Z1井區(qū)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果Table 1 Results of grey correlation analysis in Z1 well area

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)Z1井區(qū)斷層分布特征和煤層海拔高低,將Z1井區(qū)分為北部斜坡帶、中部隆起帶和南部斷層帶。三個(gè)區(qū)帶均以0～100 m3/d的低產(chǎn)井為主,100～500 m3/d的中產(chǎn)氣井次之,>500 m3/d的高產(chǎn)井最少,中部隆起帶高產(chǎn)井分布最多。

(2) 高產(chǎn)氣井大多埋深<800 m,煤厚≥4.0 m,壓裂液量位于700～750 m3,加砂量分布在40.0～40.5 m3之間,動(dòng)液面下降速率<10 m/d,產(chǎn)水量<5 m3/d。其中,動(dòng)液面下降速率、產(chǎn)水量與產(chǎn)氣量呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)性。由于煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性強(qiáng),動(dòng)液面下降過快導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透率降低,從而導(dǎo)致產(chǎn)氣量過低。而產(chǎn)水量過多使得排采降壓困難,從而導(dǎo)致產(chǎn)氣量過低。

(3) 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明,產(chǎn)水量、動(dòng)液面下降速率與產(chǎn)氣量關(guān)聯(lián)度較好。因此,在煤層氣排采降壓階段,應(yīng)選擇合理的動(dòng)液面下降速率,避免因?yàn)閯?dòng)液面下降速率過快而導(dǎo)致滲透率急劇降低而影響產(chǎn)氣量;為了避免排采過程中產(chǎn)水量過多,應(yīng)選擇離斷層較遠(yuǎn)的構(gòu)造高點(diǎn)部署井位。

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