基于“定體積法”的大佛寺井田煤儲層穩(wěn)產(chǎn)階段動態(tài)含氣量反演

劉巧妮，劉鈺輝,2

1. 中煤科工集團 西安研究院有限公司，西安 710077；2. 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048

煤層氣井排采的目標(biāo)是持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)，因而排采工作制度顯得十分重要（倪小明等，2007；陶樹等，2011；秦勇等，2012；Tao et al., 2010；Xu et al., 2015；Liu et al., 2018）。當(dāng)前煤層氣井排采工作制度主要是利用經(jīng)驗制定，經(jīng)驗不適造成頻繁修井與排采間斷，進而影響煤層氣井的產(chǎn)量（楊秀春和李明宅，2008；康永尚等，2008；李金海等，2009；李國富和侯泉林，2012；張遂安等，2014；Zhang et al., 2014；Zhao et al., 2016）。但是，排采數(shù)據(jù)是儲層物性動態(tài)變化的實際反饋，即煤儲層含氣量變化對產(chǎn)氣量反應(yīng)最為敏感。在煤層氣勘探開發(fā)過程中，絕大多數(shù)煤層氣生產(chǎn)井的含氣量無法準(zhǔn)確獲得，即使少數(shù)參數(shù)井依據(jù)解吸法直接測得的含氣量數(shù)據(jù)也由于損失氣量、殘余氣量等干擾因素而與實際情況存在偏差，尤其是低階煤層氣解吸快，測試誤差更大（鄧澤等，2008；姚晉芳，2011；曾凡武和薛曉輝，2012；劉愛華等，2012；丁安徐等，2013；Liu et al., 2013；陳剛等，2015；武杰，2018；）。因此，利用煤層氣井排采數(shù)據(jù)反演煤儲層含氣量動態(tài)變化是獲得煤儲層含氣量的有效途徑之一，但相關(guān)研究鮮有報道（趙曉莉和張遂安，2014；邵長奎等，2017；楊函等，2018）。目前關(guān)于煤儲層含氣量研究都集中于實驗研究領(lǐng)域，而實驗研究的煤粒與煤層差異明顯，因而本文利用大佛寺井田煤層氣井排采數(shù)據(jù)，以宏觀表征認(rèn)識為基礎(chǔ)，通過“定體積法”計算煤儲層不同排采時間的實時含氣量，探索“排水—降壓—解吸—產(chǎn)氣”過程中煤層（塊煤）含氣量變化規(guī)律，詮釋塊煤的產(chǎn)氣機理。

1 研究區(qū)概況

大佛寺井田位于鄂爾多斯盆地南部的渭北撓褶帶北緣廟彬凹陷區(qū)，侏羅紀(jì)煤系隱伏構(gòu)造總體為一走向NE，傾向NW-NNW向的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育一組寬緩的褶曲構(gòu)造（圖1）。該區(qū)主要開采侏羅系延安組4#煤層，也是煤層氣井的目的煤層，煤層平均厚度11.65 m，以光亮—半亮煤為主，鏡質(zhì)體反射率為0.54%～0.664%之間，屬于低階煤（Chen et al., 2019）。大佛寺煤礦是彬長礦區(qū)主要生產(chǎn)礦井之一，屬瓦斯突出礦井，該區(qū)于2009年2月進行井田范圍煤層氣地面勘探開發(fā)，截至2018年底，共實施煤層氣鉆井37口，主要分布于井田的中部和西南部。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造概況與煤層氣井分布圖Fig. 1 Geologic structure and CBM wells distribution in Dafosi

2 “定體積法”產(chǎn)氣認(rèn)識的形成

2.1 煤的潤濕性

2.1.1 接觸角測定

煤的化學(xué)成分復(fù)雜，煤既有親水性又有疏水性。村田逞詮（1992）測定了70多個不同煤樣的接觸角，得出大部分接觸角處于40°～85°，故煤通常被認(rèn)為具有一定的親水性。4#煤層是大佛寺井田煤層氣井的目標(biāo)煤層，宏觀煤巖類型為光亮型—半亮型煤，煤的接觸角75°～105°，煤表現(xiàn)為不潤濕或潤濕惰性，親水性不強（李沛等，2016；馬東民等，2018）。煤層氣井排采過程中，直井累積排采水量超過壓裂時煤層注入水量，即排采帶出煤層原有水分。首先，接觸角大小反映了煤的親水性，與煤的含氧官能團數(shù)目正相關(guān)；其次，接觸角大小反映了煤表面的粗糙程度；再者，與煤中吸水礦物有關(guān)。既然直井排采水量大于壓裂液量，說明煤層的疏水性強。

2.1.2 吸水實驗

將大佛寺4#塊煤切成20 cm×20 cm×30 cm的塊浸入純凈水，進行吸水實驗。浸水高度與質(zhì)量變化如圖2、圖3所示，其結(jié)果表明，空干基塊煤一定的吸水高度，對應(yīng)相應(yīng)的持水能力，強制吸水量/自然吸水量一致；水的表面張力與毛細(xì)管力在煤孔隙系統(tǒng)表現(xiàn)不明顯。并且，實驗的空氣壓力條件下，塊煤攜水能力較差。因此，在覆水煤層中，水主要以自由水的方式存在，受煤孔隙毛細(xì)管力、水的表面張力影響較??；另一方面說明，煤中束縛水主要與煤的含氧官能團有關(guān)。

2.2 采煤工作面實際

圖2 吸水實驗塊煤質(zhì)量變化 Fig. 2 Weight Change of lump coal during a water imbibition experiment

圖3 吸水實驗塊煤水漬線高度變化Fig. 3 Height variation of water spots of lump coal during a water imbibition experiment

DFS-C02井為該區(qū)排采效果較好的氣井，其高產(chǎn)時期產(chǎn)氣量達3.3×104m3/d，穩(wěn)產(chǎn)時期產(chǎn)氣量為1.2×104～3×104m3/d之間。排采5年多的時間后， 大佛寺煤礦井下采煤工作面截斷煤層氣水平井DFS-C02主枝，距排采井水平距離650 m左右，主枝井筒周圍煤層中鹽析水漬線半徑不超過2 m（圖4），但排采過程煤層氣液面位置都位于水平井筒以上。水漬線痕跡表明，水平井筒充水，至少在排采井液柱壓力作用下，長時間擴散、滲流距離很短。即煤層中，長距離的水的擴散、滲流現(xiàn)象并不顯著。但煤的工業(yè)分析結(jié)果都表明，煤中含有一定水分，因此，煤層氣井工程中，能夠進入煤層氣井的水主要是自由水，并且在煤層中存在束縛水與自由水的轉(zhuǎn)換，致使質(zhì)點運動，促使吸附CH4解吸。

2.3 “定體積排采”概念

上述實驗揭示，煤具有潤濕惰性，同時持水能力不佳，尤其是在煤層氣井排采的穩(wěn)產(chǎn)階段，其產(chǎn)水量普遍較低，此時水在煤層中的擴散、滲流現(xiàn)象較弱，排水降壓幅度十分有限，此時煤層孔隙中的水主要起到“置換解吸”和傳遞能量的作用。因此，筆者認(rèn)為，在煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)階段，其所能影響的煤層范圍是有限的、一定的，即受其控制的煤層體積實固定的。煤層氣開發(fā)中一般會對煤層進行壓裂改造，壓裂時水進入煤層，形成裂隙溝通一定范圍的煤層，然后排采時進入煤層的水排出，此過程并不是簡單的水進/出循環(huán)，而是作為傳能介質(zhì)。基于以上認(rèn)識，筆者初步認(rèn)為，穩(wěn)產(chǎn)階段，煤層氣井所能影響的煤層范圍是一定的，并且與壓裂時水所能到達的煤層范圍一致，即“定體積排采”的概念。

圖4 大佛寺煤礦采煤截斷DFS-C02井主枝（煤礦井下）素描圖Fig. 4 Water spots sketch of the branch of horizontal CBM well DFS-C02 truncated by coal mining in Dafosi Mine

3 排采數(shù)據(jù)分析方法

3.1 典型井產(chǎn)能特征

大佛寺井田典型的煤層氣連續(xù)排采井分析具有共性：（1）各煤層氣井產(chǎn)氣壓力一致，井底壓力為0.75 MPa左右（圖5）；（2）直井產(chǎn)氣前累積產(chǎn)水量皆大于壓裂液量（前置液與攜砂液之和）；（3）煤層氣井產(chǎn)氣后井底壓力恢復(fù)慢、產(chǎn)水少。查證大佛寺井田65 km2范圍內(nèi)煤層氣測試井資料，臨界解吸壓力皆超過1.85 MPa，與產(chǎn)氣壓力相差較大。由此可見，塊煤（煤層）的產(chǎn)氣壓力與臨界解吸壓力關(guān)系不大；各井產(chǎn)氣壓力保持一致，說明煤層（塊煤）產(chǎn)氣與覆水高度有關(guān)，并在區(qū)域上保持一致。

圖5 大佛寺井田典型煤層氣井排采曲線Fig. 5 Typical production curves of wells in Dafosi

3.2 排采數(shù)據(jù)分析

水為吸附的CH4解吸的媒介，但煤層是弱含水層或隔水層，壓裂強制外界水進入煤層的范圍有限，因而一口煤層氣井產(chǎn)氣的煤體積是定值，即確定時間范圍煤層氣井的產(chǎn)氣量與消耗的煤儲層含氣量應(yīng)該一致。基于該區(qū)煤層氣井排采特征認(rèn)識，采用“定體積法”進行排采數(shù)據(jù)分析，即假設(shè)煤層氣井排采連續(xù)階段（無修井間斷），塊煤解吸—產(chǎn)氣的煤層體積保持不變，可認(rèn)為等同于壓裂注入水所影響的微孔喉內(nèi)水的范圍，進而分別計算時間周期1 d、2 d、3 d、5 d、9 d的煤儲層含氣量變化。具體步驟如下：（1）繪制排采曲線（任選研究區(qū)一口煤層氣直井，如DFS-134井）（圖6）；（2）劃分生產(chǎn)階段：煤層氣井產(chǎn)氣后，任意取連續(xù)產(chǎn)氣段；（3）進行時間步長數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以“一個時間步長的產(chǎn)氣量是一定體積煤儲層含氣量降低結(jié)果”為指導(dǎo)思路進行分析，以不同含氣量假定為基礎(chǔ)進行計算；（4）計算不同步長的實時含氣量，進行數(shù)學(xué)分析。

圖6 大佛寺DFS-134井排采曲線Fig. 6 Production curves of DFS-134 well in Dafosi

設(shè)連續(xù)產(chǎn)氣的任意時刻A，累積產(chǎn)氣量為QA，煤儲層原始含氣量為q原始，連續(xù)產(chǎn)氣時刻O，累積產(chǎn)氣量作為Q0，A時刻煤儲層含氣量為qA，塊煤的解吸體積為V，煤的視密度為ρ，由物質(zhì)平衡定律知O-A時間段產(chǎn)氣量為

既然是“定體積”產(chǎn)氣，Q0為定值，根據(jù)采用此次DFS-134井?dāng)?shù)據(jù)，即前230 d產(chǎn)氣量總和249 165.75 m3；產(chǎn)氣范圍取壓裂監(jiān)測縫長91.88 m，煤層厚度取測井解釋結(jié)果10 m，大佛寺井田煤的視密度為ρ取1.367 m3/t，則產(chǎn)氣的煤體積為265 211.2 m3。

3.2.1 第一（連續(xù)產(chǎn)氣）階段

第一連續(xù)產(chǎn)氣階段選取第230 d- 487 d（即2015年6月21日—2016年2月24日）。

（1）1 d作為時間步長計算分析

假設(shè)q原始=4.0 m3/t，由式（2）可得q0=3.31272905 m3/t.

以1 d為統(tǒng)計單位，根據(jù)統(tǒng)計表（表1），可得qA隨時間變化曲線。

表1 設(shè)定原始含氣量為4m3/t時qA的變化量Table 1 Variation of qA with 4 m3/t original gas content

可見，設(shè)定原始含氣量為4 m3/t時qA隨時間變化成線性遞減函數(shù)關(guān)系，擬合度較高。如果設(shè)定原始含氣量分別為2 m3/t、3 m3/t、5 m3/t、6 m3/t、7 m3/t、8 m3/t，qA隨時間變化也成線性遞減關(guān)系，并且下降趨勢一致（表2，圖7）。

表2 不同原始含氣量qA與時間的變化關(guān)系Table 2 Changes in the relationship between time and different original gas contents

圖7 不同原始含氣量排采過程實時含氣量變化曲線（1 d時間間隔）Fig. 7 Real-time curve of gas content change in different original gas content drainages and production process (1d time interval)

（2）3 d時間步長計算分析

以3 d為時間步長，即將3天為統(tǒng)計單位，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。即3 d、6 d、9 d、12 d…分別為1、2、3、4…統(tǒng)計點，排采曲線產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量分別為（1 d+2 d+3 d）、（4 d+5 d+6 d）、（7 d+8 d+9 d）、（10 d+11 d+12 d）…，而井底流壓、套壓、不變，僅統(tǒng)計點稀疏。利用上述計算方法，獲得實時含氣量與時間的關(guān)系（表3，圖8）。

表3 不同原始含氣量3d為步長實時含氣量變化關(guān)系Table 3 Real-time gas content change in different original gas contents with a 3d step size

（3）5d時間步長計算分析

以5 d為步長，求取不同原始含氣量與時間的關(guān)系式，得到實時含氣量與時間的關(guān)系式（表4，圖9）?？梢钥闯?，1 d、3 d、5 d的不同時間步長，設(shè)定原始含氣量分別為3 m3/t、4 m3/t、5 m3/t、6 m3/t、8 m3/t時，煤儲層實時含氣量變化關(guān)系高度一致。

表4 不同原始含氣量5d為步長實時含氣量變化關(guān)系Table 4 Real-time gas content change in different original gas content with 5 d step size

3.2.2 第二（連續(xù)產(chǎn)氣）階段

圖9 5 d為時間間隔Fig. 9 5 d time interval

圖8 3 d為時間間隔Fig. 8 3 d time interval

DFS-134井在排采至400多天時，排水呈灰黑色，煤層氣井的產(chǎn)氣量出現(xiàn)明顯下降，在第排采530～531 d進行修井。修井之后，煤層氣井的產(chǎn)氣量呈現(xiàn)平穩(wěn)衰減階段，將549～749 d作為第二階段進行擬合計算（表5，圖10）。

表5 第二階段實時含氣量與排采時間擬合函數(shù)Table 5 Fitting function of real time gas content and extraction time of phase two

圖10 第一階段與第二階段實時含氣量隨時間變化關(guān)系曲線Fig. 10 Curve of real time gas content changing with time between the first stage and the next

3.2.3 實時含氣量變化特征對比

（1）煤儲層原始含氣量無論設(shè)定多少，連續(xù)排采階段，隨著排采進行，實時含氣量都與排采時間呈線性關(guān)系，第一階段直線斜率為-0.00546，第二階段直線斜率為-0.00435；

（2）兩個連續(xù)產(chǎn)氣階段實時含氣量變化斜率皆為負(fù)值，說明實時含氣量在遞減；第二階段較第一階段實時含氣量變化斜率的絕對值小，是排采過程產(chǎn)生煤粉，煤粉堵塞阻礙塊煤的解吸作用，相當(dāng)于儲層傷害，能夠解吸的煤層體積縮小。

3.3 毗鄰的DFS-133井排采數(shù)據(jù)驗證

利用DFS-134煤層氣井排采數(shù)據(jù)分析的方法，使用DFS-133煤層氣井排采數(shù)據(jù)，考察“定體積”排采分析的普遍性。具體步驟如下：

（1）DFS-133煤層氣井排采曲線繪制并進行連續(xù)排采階段劃分，如圖11，DFS-133井分產(chǎn)氣量上升階段與穩(wěn)產(chǎn)階段進行計算。

（2）計算參數(shù)選取

2015年11月13日前342 d累積產(chǎn)氣量402571.18m3，煤層厚度12.84 m，煤的視密度為1.367 t/m3，壓裂形成裂縫長取140 m，取產(chǎn)氣量穩(wěn)定階段342～615 d進行實時含氣量變化規(guī)律計算。

（3）計算結(jié)果

計算結(jié)果如表6和圖12所示，對散點進行線性回歸分析，獲得產(chǎn)氣量上升階段、穩(wěn)產(chǎn)階段、無水排采穩(wěn)產(chǎn)階段煤儲層實時含氣量變化方程。

4 對比與討論

（1）含氣量是煤層氣測試井鉆取煤芯進行解吸實測獲得，多數(shù)煤層氣開采井無具體數(shù)據(jù)，而實測過程，含氣量包含逸散氣、解吸氣、殘余氣三部分，測試結(jié)果也存在一定的主觀性，如逸散氣是根據(jù)解吸計量與裸露時間平方根回歸計算獲得，低階煤層氣初始解吸速度快，誤差更大，并且多種原因?qū)е芦@得的原始含氣量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差。在“定體積法”分析過程中，即使設(shè)定多個原始含氣量，如：設(shè)定原始含氣量分別為2 m3/t、3 m3/t、5 m3/t、6 m3/t、7 m3/t、8 m3/t，實時含氣量qA隨時間變化也成線性遞減關(guān)系，并且下降趨勢一致（表2,圖4），皆能得到實時含氣量變化線性斜率相同的結(jié)果，說明原始含氣量的大小與產(chǎn)氣的連續(xù)性無關(guān)。

圖11 大佛寺DFS-133井排采曲線及階段劃分Fig. 11 Production curves and stage division of DFS-133 well in Dafosi area

表6 三個階段DFS-133實時含氣量變化線性函數(shù)Table 6 Real-time gas content change of linear function of DFS-133 well in three stages

圖12 DFS-133煤層氣排采井實時含氣量變化曲線Fig. 12 Real-time gas content curve of DFS-133 well in Dafosi

（2）任選兩口井DFS-133井（連續(xù)排采）與DFS-134井（修井歷史）進行對比分析發(fā)現(xiàn)：修井造成煤層氣井排采間斷，實時含氣量隨時間的線性斜率發(fā)生變化，斜率絕對值變大，煤層氣井還處于高產(chǎn)期；反之，產(chǎn)量衰減很快，甚至被迫停產(chǎn)。一方面，說明煤層污染很難恢復(fù)，另一方面，阻礙了塊煤微孔腔內(nèi)表面CH4解吸，因為時間延續(xù)導(dǎo)致微孔喉結(jié)合水重新恢復(fù)，煤粉堵塞孔喉使孔腔封閉，最終影響自由水的傳質(zhì)作用?？梢?，連續(xù)排采能激勵塊煤的解吸作用，連續(xù)的排采工作制度是實現(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)的關(guān)鍵。

（3）研究區(qū)煤儲層為低階煤，對比分析DFS-133、DFS-134井，對散點進行線性回歸分析，獲得產(chǎn)氣量上升階段、穩(wěn)產(chǎn)階段、無水排采穩(wěn)產(chǎn)階段煤儲層實時含氣量變化，實時斜率變化等，初步揭示了煤層氣井產(chǎn)氣范圍是“定體積”。雖然中、高煤階和低煤階煤層氣產(chǎn)出機理本質(zhì)上具有一致性，但本文“定體積法”排采分析僅僅針對大佛寺低階煤層氣，而對于其他中高煤階地區(qū)，“定體積排采”分析方法是否適用，仍需要持續(xù)進行研究。

（4）結(jié)合對比毗鄰DFS-133井?dāng)?shù)據(jù)計算結(jié)果，

分析認(rèn)為：DFS-133井是大佛寺井田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的煤層氣井，排采史無煤粉排出記錄，調(diào)整泵掛與檢泵雖有幾次短時間排采間斷，但井底流壓較為穩(wěn)定，同時套壓基本不變，動液面保持在煤層頂面以上。至今，雖然排水量幾乎無法計量，但穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)。較其他產(chǎn)氣穩(wěn)定性差、持續(xù)時間短的煤層氣井相比，原因有二：（i）煤儲層未受污染，甲烷在塊煤中有效解吸體積不變，即一口煤層氣井排采產(chǎn)氣范圍基本恒定，是非煤層水在煤微裂隙系統(tǒng)到達的范圍，為定體積產(chǎn)氣；（ii）泵的持續(xù)運轉(zhuǎn)動力造成煤儲層微孔隙（孔喉）水的湍動，質(zhì)能傳遞持續(xù)有效進行。

（5）“定體積”產(chǎn)氣分析方法中體積的選取變化范圍還需持續(xù)研究。

（6）基于“定體積排采”認(rèn)識，當(dāng)煤層含氣性確定時，煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)主要取決于壓裂所能溝通的煤層范圍大小，因此，在壓裂時應(yīng)盡量用小排量、大水量，使得形成的裂縫延伸范圍更廣，影響煤層面積更大。在煤層氣井開始產(chǎn)氣之后，排水的目的并不是降壓，而是利用水傳遞能量，促使煤層氣解吸持續(xù)進行，所以此時應(yīng)盡量緩降液面，維持相對穩(wěn)定的排采強度，有利于保障煤層氣井的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）煤層氣井排采數(shù)據(jù)是對煤儲層參數(shù)動態(tài)的反饋，設(shè)定多個原始含氣量，實時含氣量qA隨時間變化呈線性遞減關(guān)系，并且下降趨勢一致，皆能得到實時含氣量變化線性斜率相同的結(jié)果：產(chǎn)氣量與含氣量消耗同步，且與生產(chǎn)時間間隔無關(guān)。

（2）通過分析1 d、3 d、5 d的不同時間步長，設(shè)定原始含氣量分別為3 m3/t、4 m3/t、5 m3/t、6 m3/t、8 m3/t時，煤儲層實時含氣量變化關(guān)系高度一致。認(rèn)為煤層氣井遵循“定體積”產(chǎn)氣規(guī)律，即一口煤層氣井只能影響固定范圍的煤層。

（3）連續(xù)排采階段煤儲層實時含氣量隨排采時間線性降低，排采間斷前后兩個階段煤儲層實時含氣量線性降低速率不同，分別為-0.00546和-0.00435，是因為排采過程產(chǎn)生煤粉，堵塞部分孔隙喉道，阻礙了塊煤的解吸作用，造成儲層傷害，能夠解吸的煤層體積縮小。