新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣井排采產(chǎn)水特征研究

胡振鵬 王 琪 吳 恒

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 830000)

白楊河礦區(qū)是新疆第一個(gè)規(guī)模開(kāi)發(fā)的煤層氣項(xiàng)目，其開(kāi)發(fā)模式為39號(hào)、41號(hào)、42號(hào)煤層聯(lián)合開(kāi)采，各煤層通過(guò)水力加砂壓裂的方式進(jìn)行儲(chǔ)層改造。煤層埋深為700～1200m范圍，資源豐度達(dá)到 7.80～10.72×108m3/km2，按照煤層氣資源豐度劃分標(biāo)準(zhǔn)(低資源豐度：<0.5×108m3/km2、中等資源豐度：0.5×108～1.5×108m3/km2、高資源豐度：>1.5×108m3/km2)，屬于高資源豐度煤層氣藏(見(jiàn)表1)。

表1 白楊河礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)量豐度表

高資源豐度為白楊河礦區(qū)煤層氣井的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)提供了較好的煤層氣資源基礎(chǔ)。但是通過(guò)排水降壓后發(fā)現(xiàn)，白楊河礦區(qū)東區(qū)和中、西區(qū)產(chǎn)水差異很大。產(chǎn)氣后東區(qū)煤層氣井產(chǎn)量普遍能維持穩(wěn)定產(chǎn)氣狀態(tài)(圖1)；中、西區(qū)50%以上的煤層氣井產(chǎn)氣量在達(dá)到產(chǎn)氣高峰后快速降低(圖2)。

圖1 白楊河礦區(qū)東部FS-X1井排采曲線

圖2 白楊河礦區(qū)中部FS-X4井排采曲線

在其他地質(zhì)條件相似，鉆井、壓裂、排采手段相同的情況下，東區(qū)和中、西區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣量持續(xù)時(shí)間的巨大差異說(shuō)明高產(chǎn)水影響了產(chǎn)氣的持續(xù)性。因此針對(duì)白楊河礦區(qū)煤層氣井產(chǎn)水特征進(jìn)行研究分析，找到中、西部產(chǎn)水較大區(qū)域?qū)е庐a(chǎn)氣量不穩(wěn)定的原因，對(duì)白楊河礦區(qū)后續(xù)煤層氣井的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)概況

1.1 開(kāi)發(fā)煤層及其特征

白楊河礦區(qū)為一傾角為45°～53°的單斜構(gòu)造，開(kāi)發(fā)煤層為八道灣組下段(J1b1)39號(hào)、41號(hào)和42號(hào)煤，其中41號(hào)煤層與39號(hào)煤層夾40號(hào)薄煤層(表2)；開(kāi)發(fā)煤層淺部火燒，在礦區(qū)北部形成了一條近東西向的燒變巖帶。

39號(hào)煤的頂板巖性為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及砂巖，其中以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，泥巖和砂質(zhì)泥巖厚度在10～27m之間，平均為14.14m，全區(qū)分布連續(xù)穩(wěn)定。

41號(hào)煤頂板以泥巖為主，局部可見(jiàn)砂質(zhì)泥巖。厚度在8m～23m之間，平均厚度為15.38m。底板巖性主要為泥巖為主。一般厚度在8m～18m之間，平均厚度12.25m，全區(qū)分布連續(xù)穩(wěn)定。

42號(hào)煤頂?shù)装逡阅鄮r為主，其次是砂質(zhì)泥巖。頂板巖性主要為泥巖。厚度在9m～32m之間，平均厚度為15.88m。底板巖性主要為泥巖為主。一般厚度在6m～34m之間，平均厚度14m，全區(qū)分布連續(xù)穩(wěn)定。

表2 示范區(qū)煤層特征一覽表

1.2 開(kāi)發(fā)煤層水動(dòng)力條件

白楊河礦區(qū)主力煤系地層含水層巖性以中、粗砂巖、砂礫巖及煤層為主，含水層和隔水層以互層形式組成，煤層之間由粉砂巖、泥巖等隔水層隔離?？傮w上含水層組富水性弱，透水性差，為弱含水層組。由于單斜構(gòu)造的影響，火燒區(qū)水對(duì)礦區(qū)淺部煤層的影響較大，中、深部煤層影響較小。

地下水的水化學(xué)場(chǎng)也進(jìn)一步驗(yàn)證了上述地下水流場(chǎng)特征。根據(jù)鉆井抽水試驗(yàn)及排采生產(chǎn)井的水樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，白楊河礦區(qū)地下水水質(zhì)類型為HCO3-K++Na+型，沿煤層傾向，除異常點(diǎn)外，隨著煤層埋深的增加，礦化度顯著增加(表3)。

表3 白楊河礦區(qū)不同區(qū)域水質(zhì)化驗(yàn)主要離子統(tǒng)計(jì)值

礦區(qū)礦化度分布特征反映了淺部煤層地下水接受補(bǔ)給，水徑流交替條件好，不利于煤層氣的開(kāi)發(fā)。中、深部煤層徑流緩慢甚至呈滯流狀態(tài)，礦化度顯著增高(圖3)。這種滯流狀態(tài)為中、深部煤層氣井排水降壓，形成較大范圍的降壓漏斗，提供了可能。

圖3 白楊河礦區(qū)儲(chǔ)層水礦化度等值線圖

2 白楊河礦區(qū)排采產(chǎn)水特征

排采生產(chǎn)顯示白楊河礦區(qū)中、西部區(qū)域煤層氣井單井日產(chǎn)水量明顯大于東部。按照排采降壓階段、憋套壓階段、產(chǎn)氣階段進(jìn)行劃分，各階段單井平均產(chǎn)水量、最高產(chǎn)水量如表4所示。

表4 白楊河礦區(qū)不同區(qū)域不同排采階段日產(chǎn)水統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，東部區(qū)域產(chǎn)水的特征為排水降壓階段產(chǎn)水量較大，隨著排采的進(jìn)行，見(jiàn)套后產(chǎn)水量逐步下降，產(chǎn)氣后產(chǎn)水量顯著下降。分析認(rèn)為該區(qū)域煤儲(chǔ)層本身含水小，前期產(chǎn)水大的原因主要是受水力壓裂施工的影響(單井三層煤壓裂用水約2500～3000m3)，并且產(chǎn)氣后煤儲(chǔ)層水的過(guò)流通道變小,進(jìn)一步降低了單井產(chǎn)水量。

中、西部區(qū)域產(chǎn)水的特征為排水降壓階段產(chǎn)水量較大，隨著排采的進(jìn)行，見(jiàn)套后產(chǎn)水量下降，但始終穩(wěn)定在一個(gè)較高的水平。分析認(rèn)為該區(qū)域煤儲(chǔ)層本身富水性強(qiáng)或者有較強(qiáng)的補(bǔ)給源對(duì)煤層進(jìn)行補(bǔ)給。產(chǎn)氣后煤儲(chǔ)層水的過(guò)流通道變小,部分降低了單井產(chǎn)水量。

3 排采產(chǎn)水對(duì)排采壓力傳遞的影響

在煤層氣排采過(guò)程中，排采產(chǎn)水的差異會(huì)影響到排采時(shí)壓力傳播變化規(guī)律。根據(jù)達(dá)西滲流定律可知，在煤儲(chǔ)層滲透性和過(guò)流面積一定的情況下，產(chǎn)水大會(huì)使排采壓差消耗在近井地帶，導(dǎo)致滲流半徑小，不利于排采降壓漏斗的擴(kuò)展。

3.1 壓力傳遞對(duì)頂?shù)装瀹a(chǎn)水的影響

白楊河礦區(qū)主力開(kāi)發(fā)煤層總體上富水性弱，透水性差，為弱含水層組。煤層氣井的部署也避開(kāi)了示范區(qū)淺部煤層(埋深700m以淺)水徑流交替條件好的不利開(kāi)發(fā)區(qū)域，整體上有利于排采過(guò)程排采壓力的傳遞。東部井排采產(chǎn)水小、產(chǎn)氣連續(xù)穩(wěn)定就很好的印證了這一地質(zhì)情況。

但中、西部區(qū)域產(chǎn)水較大。考慮到煤層氣井排采時(shí)，隨著井筒內(nèi)液面的下降，在近井筒煤層段內(nèi)及煤層與頂、底板形成了壓力差。當(dāng)排采壓力下降到一定值后，煤層頂、底板含水就能突破圍巖阻力源源不斷的進(jìn)入煤層，使排采井產(chǎn)水顯著變大這一特點(diǎn)；在白楊河礦區(qū)中部區(qū)域施工的一口新井中進(jìn)行頂板壓力傳遞驗(yàn)證試驗(yàn)。

鉆探施工新井距離排采井平距180m，鉆井施工至主力開(kāi)發(fā)煤層39號(hào)煤層頂板30～40m時(shí)出現(xiàn)泥漿嚴(yán)重漏失和不返漿現(xiàn)象。白楊河礦區(qū)未排采前鉆井施工未出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，這說(shuō)明中、西部煤層氣井通過(guò)排水降壓后，壓力沿頂板進(jìn)行了傳遞，通過(guò)降壓漏斗曲線特性進(jìn)行反推，當(dāng)排采井井筒壓力接近零時(shí)，推斷頂板影響帶為80～120m。這已經(jīng)超過(guò)了主力煤層之上隔水層的厚度。說(shuō)明含水層與煤層之間雖然有泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水巖層隔擋，但排采壓力的傳遞導(dǎo)致含水層中的水能突破隔擋層對(duì)煤層形成補(bǔ)給，顯著的增加了排采井的產(chǎn)水量。

若排采時(shí)雖然煤層頂、底板一定距離有含水層，但含水層與煤層之間隔水性比較好，即使煤層壓力下降到最低，含水層也無(wú)法突破隔擋層進(jìn)入到煤層，此種情況下排采時(shí)只需排采煤層中的水，有利于降壓漏斗的擴(kuò)展和高產(chǎn)井的形成。這樣的煤層結(jié)構(gòu)稱為層狀巖層。對(duì)比白楊河礦區(qū)東部井產(chǎn)水及產(chǎn)氣特征，認(rèn)為東部區(qū)域?qū)儆谶@種情況。

3.2 排采產(chǎn)水對(duì)煤層降壓邊界的影響

白楊河礦區(qū)煤層含氣飽和度均為欠飽和狀態(tài)，一般情況下，煤層氣大量吸附在煤炭表面，煤層及頂?shù)装逵坞x氣很少。煤層氣井的產(chǎn)氣主要依靠壓力沿煤層的橫向傳遞，增加煤層的解吸范圍來(lái)獲取。

白楊河礦區(qū)煤層滲透性屬于中低滲煤層，煤層的過(guò)水能力有限。根據(jù)達(dá)西滲流定理，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件和工程改造手段限制了煤層的滲透性、滲流面積和煤層與井筒的最大壓差時(shí)，煤層滲流半徑會(huì)與排采產(chǎn)水量呈反比關(guān)系。即當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水較大，特別是圍巖含水層中水的補(bǔ)給較大時(shí)，地層與井筒的壓差會(huì)被消耗在近井范圍，從而顯著的影響沿煤層方向的降壓邊界，導(dǎo)致煤層解吸范圍有限。這是白楊河礦區(qū)中、西部煤層氣排采井始終保持高產(chǎn)水量，但產(chǎn)氣量達(dá)到第一個(gè)高峰就快速下降，甚至只產(chǎn)水不產(chǎn)氣的根本原因。

4 結(jié)論與建議

(1)阜康白楊河礦區(qū)中、西部煤層井排采過(guò)程中產(chǎn)水較大，產(chǎn)氣量在見(jiàn)套后快速上升，達(dá)到高峰后快速下降。分析認(rèn)為這是由于在排采降壓過(guò)程中，煤層頂板對(duì)煤層產(chǎn)水補(bǔ)給明顯，導(dǎo)致沿煤層方向地層與井筒的壓差在近井地帶迅速消耗，難以在煤層形成半徑足夠大的煤層氣解吸降壓漏斗。

(2)阜康白楊河礦區(qū)東部煤層井排采過(guò)程中產(chǎn)水快速下降，這有利于排采壓力沿煤層傳遞，形成大的煤層解吸區(qū)，有利于形成高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

(3)針對(duì)白楊河礦區(qū)中、西部煤層井頂板含水層補(bǔ)給的影響，可以考慮通過(guò)工程手段封堵產(chǎn)層頂、底板，隔斷煤層頂、底板補(bǔ)水,促進(jìn)煤層氣排采降壓漏斗的擴(kuò)展和井間干擾的形成，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)氣量的目的。同時(shí)，降低單井產(chǎn)水量，還減少了排采能耗和排采設(shè)備的磨損，降低了排采生產(chǎn)成本。