常村煤礦煤層氣井產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型及其成因分析

馮緒興，倪小明，郝少偉，譚學(xué)斌，吳垚壘

(1.山西潞安金源煤層氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046299；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

煤層氣井的產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線形態(tài)是煤儲(chǔ)層資源潛力高低、圍巖補(bǔ)給水多少、排采工作制度合理與否的綜合反映。國(guó)內(nèi)煤層氣研究者基于儲(chǔ)層特征、壓裂效果、排采制度合理性等，研究了煤層氣井的排采曲線類(lèi)型。一些研究者基于煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)排采過(guò)程中壓力傳播的影響，把煤層氣井的產(chǎn)氣曲線分為“增-減-增”“增-減”“增-增”“增-減-猛增”等四種典型類(lèi)型，這種分類(lèi)方法僅對(duì)產(chǎn)氣曲線進(jìn)行了劃分，未考慮圍巖水補(bǔ)給差異對(duì)壓力傳播的影響[1]。一些研究者從排采不合理性導(dǎo)致的支撐劑返吐、煤粉產(chǎn)出等角度，把產(chǎn)氣曲線分為衰減型、波動(dòng)擴(kuò)壓型、穩(wěn)步上升型等，但未對(duì)排采合理井的產(chǎn)氣曲線進(jìn)行總結(jié)分類(lèi)[2-3]。還有一些研究者根據(jù)排采過(guò)程中產(chǎn)水量變化，將排采曲線分為單峰型、雙峰型、平穩(wěn)上升型等，但對(duì)于如何影響產(chǎn)氣未進(jìn)行較深入分析[4-6]。一些研究者從儲(chǔ)層原始滲透率、動(dòng)力和壓裂效果等方面分析了造成單峰快速上升、單峰穩(wěn)定上升、雙峰后低和雙峰后高排采曲線類(lèi)型的原因，對(duì)制定相應(yīng)的排采工作制度具有重要的指導(dǎo)意義[7-9]。

前人的研究均未把產(chǎn)水曲線和產(chǎn)氣曲線組合進(jìn)行分析，導(dǎo)致分析結(jié)果相對(duì)片面。為了更加準(zhǔn)確劃分煤層氣井產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型，并分析其成因，本文以潞安礦區(qū)常村煤礦的33口煤層氣井的排采資料為基礎(chǔ)，根據(jù)波動(dòng)性指數(shù)大小劃分產(chǎn)水+產(chǎn)氣曲線類(lèi)型，并從資源潛力、圍巖補(bǔ)給水情況、排采工作制度等方面分析其成因，為相似地質(zhì)儲(chǔ)層條件下合理排采工作制度研究奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

潞安礦區(qū)位于沁水盆地的東部邊緣中段，隸屬華北地層區(qū)山西地層分區(qū)寧武-臨汾小區(qū)。構(gòu)造形態(tài)為一走向NNE～SN向西緩傾的單斜構(gòu)造。礦區(qū)發(fā)育的地層由老到新有震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，三疊系、古近紀(jì)、新近紀(jì)、第四系。石炭系太原組和二疊系山西組為該區(qū)主要含煤地層，其中，3#煤層、15#煤層厚度大、分布廣，全區(qū)穩(wěn)定，為該區(qū)主要目的煤層。本次研究對(duì)象為潞安礦區(qū)常村煤礦的33口煤層氣井，開(kāi)發(fā)的目標(biāo)煤層為3#煤層。3#煤層含氣量一般為7.50～15.35 m3/t，煤層埋深一般為550～700 m，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂-碎粒煤為主，儲(chǔ)層壓力梯度一般為0.20～0.40 MPa/hm，常村煤礦3#煤層底板等高線見(jiàn)圖1。

圖1 常村煤礦3#煤層底板等高線Fig.1 Floor contour of No.3 coal seam inChangcun coal mine

2 煤層氣直井產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型劃分

2.1 排采階段劃分

煤層氣井的排采曲線是氣井生產(chǎn)過(guò)程中日產(chǎn)水量、日產(chǎn)氣量、井底流壓、套壓、動(dòng)液面等生產(chǎn)參數(shù)隨排采時(shí)間變化的曲線。其中日產(chǎn)水量、日產(chǎn)氣量曲是煤層氣井產(chǎn)能的最直接表現(xiàn)。根據(jù)煤層氣井排采過(guò)程中流態(tài)的變化及控制管理需要，煤層氣井的排采階段可劃分為以下幾個(gè)階段。

1) 單相流階段。這一階段中，僅有水的產(chǎn)出；通過(guò)調(diào)整動(dòng)液面的下降速度來(lái)控制日產(chǎn)水量。

2) 控套壓產(chǎn)液階段。當(dāng)井底壓力降低到煤層氣解吸壓力以下時(shí)，煤層中的氣體發(fā)生解吸產(chǎn)出，套壓開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸上升；為了讓相對(duì)遠(yuǎn)端的水能繼續(xù)流動(dòng)，通過(guò)調(diào)整套壓控制近井筒地帶產(chǎn)氣速度。

4) 穩(wěn)產(chǎn)階段。當(dāng)幾次提產(chǎn)后，地層日解吸氣量逐漸趨于平穩(wěn)。

5) 產(chǎn)氣衰減階段。隨著排采的繼續(xù)進(jìn)行，氣體需要運(yùn)移的距離越來(lái)越長(zhǎng)，日解吸氣量逐漸減小。

本文中的33口煤層氣井目前均未進(jìn)入產(chǎn)氣衰減階段，因此僅根據(jù)前4個(gè)排采階段的日產(chǎn)水量、日產(chǎn)氣量情況進(jìn)行分析。

2.2 排采曲線類(lèi)型劃分及曲線特征

煤層氣井排采時(shí)，遵循“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”的生產(chǎn)特點(diǎn)。 為了較準(zhǔn)確地劃分煤層氣井的排采曲線類(lèi)型，以排采1年為界限，分析這段生產(chǎn)時(shí)間以來(lái)日產(chǎn)水量、日產(chǎn)氣量的最大值和最小值的差值與該段時(shí)間平均值的比值來(lái)判斷其波動(dòng)性，即波動(dòng)性指數(shù)，見(jiàn)式(1)。

μ=(VMAX-VMIN)/VAVG

(1)

式中：VMAX、VMIN、VAVG為排采計(jì)算時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)參數(shù)的最大值、最小值、平均值；μ為排采計(jì)算時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)參數(shù)的波動(dòng)性指數(shù)，無(wú)因次。

楊慎認(rèn)為十二生肖是“天地自然之理”，并非人為所能編造出來(lái)的，他還主張：日中的雞之所以出現(xiàn)在傍晚的“酉”時(shí)，而月中的兔之所以出現(xiàn)在清晨的“卯”時(shí)，是因?yàn)椤叭赵玛庩?yáng)互藏其宅”。何謂“日月陰陽(yáng)互藏其宅”？按《淮南子·天文訓(xùn)》所云：“積陽(yáng)之熱氣生火，火氣之精者為日；積陰之寒氣為水，水氣之精者為月?！庇捎谌諡殛?yáng)、月為陰，金雞因是日中之物，故應(yīng)屬陽(yáng)；而玉兔是月中之物，則應(yīng)屬陰。但屬“陽(yáng)”的金雞出現(xiàn)在“太陰之精”的月亮初升的“酉”時(shí)，而屬“陰”的玉兔出現(xiàn)在太陽(yáng)之精的日初升之“卯”時(shí)，所以說(shuō)是“日月陰陽(yáng)互藏其宅”。

根據(jù)這一定義，對(duì)33口煤層氣井的日產(chǎn)水量波動(dòng)指數(shù)、日產(chǎn)氣量波動(dòng)指數(shù)分別計(jì)算。以10%為界限，確定出排采曲線類(lèi)型，劃分方案見(jiàn)表1。

表1 排采曲線類(lèi)型劃分方案Table 1 Classification scheme of drainage andproduction curve type

根據(jù)劃分方案及33口煤層氣井的產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線特征，劃分出五種典型的產(chǎn)水+產(chǎn)氣組合類(lèi)型，即：?jiǎn)畏瀹a(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型、雙峰產(chǎn)水+雙峰產(chǎn)氣型、雙峰產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型、穩(wěn)定產(chǎn)水+單峰產(chǎn)氣型、穩(wěn)定產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型，見(jiàn)圖2。

圖2 典型產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型劃分Fig.2 Classification of typical water/gas production curve types

典型產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線組合類(lèi)型特征見(jiàn)表2。

表2 典型產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線組合類(lèi)型曲線特征Table 2 Typical curve characteristics of water/gas production curve combination type

3 不同排采曲線類(lèi)型成因分析

3.1 資源產(chǎn)氣潛力對(duì)排采曲線類(lèi)型的影響

煤層氣資源豐度、儲(chǔ)層壓力梯度、滲透率等參數(shù)對(duì)煤層氣產(chǎn)氣潛力具有重要影響[10]。產(chǎn)氣潛力指數(shù)可以用來(lái)表征煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力大小。本次根據(jù)文獻(xiàn)[10]的資源產(chǎn)氣潛力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算見(jiàn)式(2)。

δ=HVK0pS

(2)

式中：δ為產(chǎn)氣潛力指數(shù)；H為煤層厚度，m；V為儲(chǔ)層含氣量，m3/t；K0為改造后儲(chǔ)層滲透率，10-3μm2；p為儲(chǔ)層壓力，MPa；S為煤體結(jié)構(gòu)因子。

根據(jù)卡門(mén)公式，滲透率與孔隙度之間關(guān)系見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：C為柯茲尼常數(shù)；S為比表面積，cm2/g；φ為孔隙度；k為煤儲(chǔ)層滲透率，mD。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知：C/S2的均值為8.410 5×10-7cm2，本次取該數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)密度和自然伽馬測(cè)井計(jì)算出相應(yīng)層段平均地層孔隙度，再根據(jù)式(3)計(jì)算出滲透率。煤層含氣量通過(guò)排采時(shí)臨界解吸壓力、蘭氏體積和蘭氏壓力計(jì)算得出；煤層厚度由測(cè)井解釋得出，進(jìn)而求出煤層氣資源豐度；儲(chǔ)層壓力由排采時(shí)初始動(dòng)液面獲得；根據(jù)每口井的關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算出33口煤層氣井產(chǎn)氣潛力指數(shù)，等值線見(jiàn)圖3。

產(chǎn)氣潛力指數(shù)越高，煤層氣井的產(chǎn)氣量越高。分析33口煤層氣井的產(chǎn)氣潛力指數(shù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣潛力指數(shù)為0.130～0.003。根據(jù)潛力指數(shù)大小劃分為：潛力指數(shù)>0.08為較大；0.08>潛力指數(shù)>0.02為一般；潛力指數(shù)<0.02為較小。

由圖3可知，CC-03、CC-05、CC-09等煤層氣井附近產(chǎn)氣潛力指數(shù)大，在產(chǎn)氣曲線上多表現(xiàn)為穩(wěn)定產(chǎn)氣；CC-13、CC-18、CC-26等煤層氣井附近產(chǎn)氣潛力指數(shù)一般，該類(lèi)井在產(chǎn)氣曲線上多表現(xiàn)為穩(wěn)定產(chǎn)氣，但日產(chǎn)氣量低于潛力指數(shù)大的日產(chǎn)氣量；CC-06、CC-20、CC-31等煤層氣井附近產(chǎn)氣潛力指數(shù)小，屬于產(chǎn)氣潛力較差地區(qū)，該類(lèi)井在產(chǎn)氣曲線上多表現(xiàn)為單峰產(chǎn)氣。

圖3 常村煤礦33口煤層氣井產(chǎn)氣潛力指數(shù)Fig.3 Gas production potential index of 33 CBM wells in Changcun coal mine

資源產(chǎn)氣潛力對(duì)典型產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型的影響見(jiàn)表3。

由表3可知，排采時(shí)動(dòng)液面降速相同時(shí)，儲(chǔ)層壓力梯度和滲透率的大小對(duì)排采時(shí)煤層中壓力傳遞速度影響較大。單峰產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型和雙峰產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型的煤層氣井的儲(chǔ)層壓力梯度和滲透率相對(duì)較大，排采時(shí)能基本保證煤層中壓力傳遞的有效性；其他三種類(lèi)型的煤層氣井，當(dāng)儲(chǔ)層壓力梯度和滲透率較小時(shí)，排采時(shí)煤層中壓力傳遞速度較慢。開(kāi)始產(chǎn)氣時(shí)，提產(chǎn)速度相對(duì)較慢，穩(wěn)定產(chǎn)氣量相對(duì)較小。

表3 資源產(chǎn)氣潛力對(duì)典型產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型的影響Table 3 Influence of gas production potential on typical water/gas production curve types

3.2 圍巖水補(bǔ)給對(duì)排采曲線類(lèi)型的影響

煤層氣井的排采是在三維空間進(jìn)行的，排采時(shí)圍巖水是否會(huì)向煤層補(bǔ)給以及補(bǔ)給量的多少?zèng)Q定了煤層中水壓傳遞的有效性。圍巖水補(bǔ)給量的多少主要受含水層厚度、含水層能否突破隔水層等因素控制。圍巖含水層能否突破隔水層向煤層補(bǔ)給，即含水層與煤層的最大壓差是否大于隔水層的突破壓力。 為此，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了有效孔隙度與突破壓力實(shí)驗(yàn)，擬合得出有效孔隙度與突破壓力的關(guān)系見(jiàn)式(4)。

Pa=13.076e-1.997φ，R2=0.926 3

(4)

結(jié)合密度測(cè)井曲線和自然伽馬測(cè)井曲線計(jì)算巖層孔隙度，見(jiàn)式(5)～式(7)。

ρ=Vma×ρma+Vsh×ρsh+φ×ρw

(5)

I=Vma×Ima+Vsh×Ish+φ×Iw

(6)

1=Vma+Vsh+φ

(7)

考慮泥質(zhì)含量的巖石孔隙度大小可以由所在巖層對(duì)應(yīng)的密度測(cè)井和自然伽馬測(cè)井響應(yīng)值表示，見(jiàn)式(8)。

(8)

式中：ρ、I分別為巖石對(duì)密度、自然伽瑪?shù)臏y(cè)井響應(yīng)值；ρma、ρsh、ρw分別為巖石骨架、泥質(zhì)、孔隙水對(duì)密度測(cè)井的響應(yīng)參數(shù)；Ima、Ish、Iw分別為巖石骨架、泥質(zhì)、孔隙水對(duì)自然伽瑪?shù)臏y(cè)井響應(yīng)參數(shù)；Vma、Vsh分別為巖石骨架、泥質(zhì)的體積含量；φ為巖石孔隙度。

根據(jù)33口煤層氣井測(cè)井巖性解釋并結(jié)合鉆井取芯資料，得出研究區(qū)煤層頂板砂巖含水層厚度。利用測(cè)井曲線計(jì)算出孔隙度，結(jié)合式(4)，求得隔水層的突破壓力，分別繪制等值線如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可看出，CC-01、CC-27等煤層氣井附近含水層厚度較大，層厚10 m左右；CC-04、CC-06等煤層氣井附近含水層厚度一般，層厚6 m左右；其余各煤層氣井含水層厚度較小，含水層厚度為1～3 m。CC-02、CC-18、CC-32等煤層氣井附近隔水層突破壓力較大，為9～13 MPa；CC-07、CC-15、CC-21等煤層氣井附近隔水層突破壓力中等，為5～8 MPa；CC-03、CC-06、CC-20等煤層氣井附近隔水層突破壓力較小，為0.5～4 MPa。結(jié)合儲(chǔ)層壓力和含水層厚度，可知：CC-03、CC-05、CC-07等煤層氣井附近圍巖水補(bǔ)給量相對(duì)較少；CC-10、CC-18、CC-28等煤層氣井所在區(qū)塊圍巖水補(bǔ)給量中等；CC-31、CC-21等煤層氣井所在區(qū)域圍巖水補(bǔ)給量相對(duì)較大。研究區(qū)塊圍巖水補(bǔ)給量整體呈現(xiàn)為由北至南逐漸減少。

圖4 常村煤礦3#煤層頂板砂巖厚度Fig.4 Thickness of sandstone in roof of No.3 coalseam in Changcun coal mine

從表4可以看出，雙峰產(chǎn)水+雙峰產(chǎn)氣型和雙峰產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型的煤層氣井排采時(shí)圍巖水幾乎不補(bǔ)給煤層，對(duì)煤層內(nèi)壓力傳播影響小。其他三種類(lèi)型曲線均存在圍巖水補(bǔ)給煤層的情況，圍巖水對(duì)煤層的補(bǔ)給一定程度上抑制了煤層內(nèi)壓力傳播的有效性和傳播速度，最終影響著產(chǎn)氣時(shí)間和日產(chǎn)氣量。

表4 圍巖水補(bǔ)給量等因素對(duì)產(chǎn)水/產(chǎn)氣影響分析結(jié)果Table 4 Analysis results of influence of surrounding rock supply and other factors on water/gas production

3.3 排采工作制度對(duì)排采曲線的影響

排采工作制度尤其是單相水流階段的降液速度和提產(chǎn)階段的提產(chǎn)速度對(duì)煤層氣井的產(chǎn)水/產(chǎn)氣具有重要影響[11-13]。對(duì)五種典型排采曲線在單相水流階段和提產(chǎn)階段對(duì)產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線影響進(jìn)行分析，見(jiàn)表5。

從表5可以看出，降液速度不穩(wěn)定、提產(chǎn)速度過(guò)快會(huì)影響煤層內(nèi)水壓傳遞的有效性和距離，最終影響產(chǎn)氣的穩(wěn)定性。整個(gè)排采過(guò)程保持流動(dòng)通道的暢通性是穩(wěn)定產(chǎn)氣的重要保障。

表5 排采工作制度對(duì)產(chǎn)水/產(chǎn)氣影響分析結(jié)果Table 5 Analysis results of influence of drainage and production system on water/gas production

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)排采過(guò)程中不同產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線形態(tài)及波動(dòng)性將常村煤礦33口煤層氣井的曲線類(lèi)型劃分為：?jiǎn)畏瀹a(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型、雙峰產(chǎn)水+雙峰產(chǎn)氣型、雙峰產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型、穩(wěn)定產(chǎn)水+雙峰產(chǎn)氣型、穩(wěn)定產(chǎn)水+穩(wěn)定產(chǎn)氣型等5種典型組合類(lèi)型。

2) 產(chǎn)水/產(chǎn)氣曲線類(lèi)型是資源潛力指數(shù)、圍巖水補(bǔ)給情況、排采工作制度等共同作用的結(jié)果。當(dāng)煤層氣資源潛力較好時(shí)，容易出現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)氣型；圍巖水幾乎不補(bǔ)給煤層時(shí)，容易出現(xiàn)雙峰產(chǎn)水型；圍巖水對(duì)煤層補(bǔ)給較大時(shí)，容易出現(xiàn)單峰產(chǎn)水或穩(wěn)定產(chǎn)水類(lèi)型。降液速度不穩(wěn)定、提產(chǎn)速度過(guò)快會(huì)影響煤層內(nèi)水壓傳遞的有效性和距離，容易出現(xiàn)單峰或雙峰產(chǎn)氣類(lèi)型。

3) 當(dāng)有越流補(bǔ)給且煤層的滲透率與圍巖的滲透率具有可比性時(shí)，應(yīng)該加大排采強(qiáng)度，盡量快速實(shí)現(xiàn)從有越流補(bǔ)給到無(wú)越流補(bǔ)給是提高煤層壓力傳播有效性的關(guān)鍵。有越流補(bǔ)給且煤層滲透性較差時(shí)，盡量控制動(dòng)液面平穩(wěn)下降，延長(zhǎng)單相水流階段排采時(shí)間，盡可能增加水壓傳播距離；無(wú)越流補(bǔ)給且煤層滲透性較差時(shí)，盡量延長(zhǎng)低產(chǎn)階段的排采時(shí)間是延長(zhǎng)水壓傳播距離進(jìn)而提高累積產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。無(wú)越流補(bǔ)給且煤層滲透性較好時(shí)，可以適當(dāng)加快排采速度，降低排采成本。