延川南煤層氣田深部煤層氣藏排采制度的建立與優(yōu)化

趙興龍，湯達(dá)禎，張 巖

(1.中國石油化工股份有限公司 華東油氣分公司臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

自20世紀(jì)90年代中國煤層氣產(chǎn)業(yè)起步以來，從開發(fā)效果來看，淺部高煤階煤層氣藏最為成功。在排采制度研究方面，很多學(xué)者取得了豐富的認(rèn)識與成果[1-8]。李清等[9]定量探索延川南工區(qū)煤層氣井流壓降幅與煤層埋深之間的關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)出煤層氣井不同階段的排采規(guī)律。伊永祥等[10]將沁水盆地柿莊南區(qū)塊煤層氣井儲層壓降分為快速下降型、中期穩(wěn)定型及緩慢下降型3種類型，認(rèn)為快速下降型井更有利于煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。胡秋嘉等[11]將沁南煤層氣井降壓產(chǎn)氣過程依據(jù)儲層壓力(Pc)、臨界解吸壓力(Pde)、見氣壓力(Pjq)與井底流壓(Pjd)的關(guān)系劃分為4個階段，認(rèn)為Pc

目前，由于國內(nèi)深部煤層氣藏開發(fā)起步較晚，一系列技術(shù)還不成熟，尤其排采技術(shù)方面，大部分還是沿用或模仿淺部高煤階煤層氣藏，具有一定的局限性和不適應(yīng)性?；诖?深入對比延川南煤層氣田深部煤層氣藏與沁水盆地南部煤層氣地質(zhì)差異性，在此基礎(chǔ)上提出適應(yīng)于深部煤層氣藏的排采制度，為國內(nèi)深部煤層氣藏的勘探開發(fā)提供借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

延川南煤層氣田位于山西省鄉(xiāng)寧縣和吉縣境內(nèi)，構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地東緣南段河?xùn)|煤田的南部。東與晉西隆起帶相連，西接韓城礦區(qū)(圖1)。區(qū)塊內(nèi)發(fā)育的4條二級斷層，將該氣田劃分為2個主要的二級構(gòu)造單元(譚坪構(gòu)造帶和萬寶山構(gòu)造帶)。相比萬寶山構(gòu)造帶，譚坪構(gòu)造帶主力煤層2號煤埋深較淺，800～1 000 m，萬寶山構(gòu)造帶2號煤層埋深為1 000～1 500 m。

圖1 延川南煤層氣田構(gòu)造位置Fig.1 Structural position of South Yanchuan CBM field

2 延川南煤層氣田煤層氣地質(zhì)特征

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場壓裂施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，深入研究延川南煤層氣田煤層孔隙性發(fā)育特征、地應(yīng)力特征和煤巖力學(xué)性質(zhì)，并且主要與沁水盆地南部高煤階淺部煤層氣藏地質(zhì)特征進(jìn)行對比分析，為延川南煤層氣田深部煤層氣藏排采制度的建立與優(yōu)化提供指示意義。

2.1 孔隙性發(fā)育特征

研究的樣品主要采集于中國華北、華南地區(qū)的部分煤礦，另有延川南煤層氣田鉆井取心煤樣3塊。共取煤樣66塊，其中包括高煤階樣品22塊和中、低煤階樣品44塊。對采集的57塊煤樣分別進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率測定和壓汞試驗(yàn)，來獲得各煤樣的煤化作用程度、壓汞孔隙度，這些煤樣采自于沁水盆地的晉城-陽城、潞安、陽泉-壽陽和沁源等礦區(qū)；鄂爾多斯盆地東緣的韓城、澄合、蒲城、柳林、河曲、保德和府谷等礦區(qū)，以及延川南區(qū)塊。對剩余9塊樣品進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率測定和核磁共振測試，以得到各煤樣的Ro值、核磁共振譜圖特征，以及樣品的可動流體孔隙度等信息，煤樣分別取自于沁水盆地侯村煤礦(樣品號：HC-4、HC-7)、端氏煤礦(樣品號：DS-2、DS-5)和高河煤礦(樣品號：GH-A)，鄂爾多斯盆地東緣延川南區(qū)塊(樣品號：YCN-1、YCN-2)，以及貴州的喜樂慶煤礦(樣品號：XLQ)和青山煤礦(樣品號：QS)。

2.1.1 壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)鏡質(zhì)體反射率測試得到57塊煤樣的Ro為0.60%～3.43%，由壓汞試驗(yàn)得到這些樣品的孔隙度為1.0%～8.5%。其中，延川南煤層氣田2塊樣品鏡質(zhì)體反射率為2.24%和2.60%，壓汞孔隙度分別為2.0%和2.7%。通過研究得到煤的孔隙度隨煤階的升高呈現(xiàn)高—低—高的變化規(guī)律(圖2)，當(dāng)Ro為2.5%左右時，孔隙度達(dá)到極小值[12]。

圖2 壓汞孔隙度與煤階的關(guān)系Fig.2 Relationship between mercury porosities and coal rank

延川南煤層氣田2塊煤樣的鏡質(zhì)體反射率在2.5%左右，孔隙度處于所有煤階中的最低水平。而沁水盆地南部煤樣鏡質(zhì)體反射率3.20%～3.43%，孔隙度2.5%～6.6%。延川南煤層氣田主力煤層孔隙度明顯低于沁水盆地南部3號煤層。

2.1.2 核磁共振試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對取自延川南煤層氣田、沁水盆地等的9塊煤樣進(jìn)行了核磁共振試驗(yàn)(圖3)，Ro為0.87%～3.10%，同時結(jié)合其他學(xué)者的核磁共振試驗(yàn)結(jié)果(表1)研究了煤變質(zhì)作用對孔隙系統(tǒng)的影響[13-17]。

圖3 煤樣的核磁共振T2譜特征Fig.3 T2 NMR characteristics of coal samples

1)核磁共振孔裂隙識別。筆者按照ХOДOT[18]的孔隙結(jié)構(gòu)分類方案，將煤中孔隙劃分為大孔(r>1 000 nm)、中孔(100 nm

T2弛豫時間大小對應(yīng)煤中孔裂隙大小，T2弛豫時間小于10 ms時對應(yīng)微小孔，T2弛豫時間為10～100 ms時對應(yīng)大中孔，T2弛豫時間大于100 ms時對應(yīng)裂隙。在中低煤階，核磁共振T2譜主波峰在T2高值區(qū)，隨著煤階的升高，核磁共振T2譜主波峰不斷向T2低值區(qū)移動。這說明，隨著煤階的升高，煤層中的裂隙及大中孔比例不斷減少，微小孔比例不斷增加。由圖3可知，氣煤煤樣XLQ的T2譜呈連續(xù)的雙峰分布且靠近T2高值區(qū)，說明該樣各級孔裂隙系統(tǒng)均有效發(fā)育，且連通性較好，主峰位于T2>100 ms處，該煤樣主要以大中孔和裂隙為主。焦煤煤樣GH-A的T2譜有2個波峰，1個主波峰和1個副波峰，主波峰位于T2<10 ms處，副波峰位于16 ms

通過以上分析和論述，中低煤階煤樣的T2譜含有1個主波峰，含有至少1個副波峰，且主波峰與副波峰之間連續(xù)性較好；中高煤階煤樣的T2譜含有1個主波峰，僅有1個或者沒有副波峰，主波峰遠(yuǎn)高于副波峰，且主波峰與副波峰之間彼此孤立，連續(xù)性很差(圖3)。由此可知，中低煤階煤各級別孔裂隙之間連通性較好，對煤層滲透性較為有利，而中高煤階各級別孔裂隙之間連通性較差，對煤層滲透性不利。

2)可動流體孔隙度。由于核磁共振技術(shù)能夠利用弛豫時間來反映流體與巖石孔隙固體表面間作用力的強(qiáng)弱，因此核磁共振技術(shù)能夠檢測可動流體和束縛流體，基于核磁共振測試結(jié)果可進(jìn)一步將孔隙度劃分為可動流體孔隙度和束縛流體孔隙度[13]，可動流體孔隙度是反映滲透率的重要指標(biāo)。

結(jié)合之前學(xué)者[13]的煤樣核磁共振試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)，研究得出可動流體孔隙度隨著煤階的升高呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在Ro=2.5%左右時達(dá)到最低值，位于煙煤與無煙煤交界處附近，與煤樣壓汞孔隙度與煤階之間的關(guān)系基本一致(圖4)。延川南煤層氣田2塊煤樣的鏡質(zhì)體反射率在2.5%左右，可動流體孔隙度處于所有煤階中的最低水平，平均可動流體孔隙度0.36%。而沁水盆地南部煤樣鏡質(zhì)體反射率2.95%～3.10%，可動流體孔隙度平均0.42%。延川南煤層氣田主力煤層可動流體孔隙度低于沁水盆地南部3號煤層。

表1 煤樣的核磁共振測試數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)Table 1 Analysis and statistics of nuclear magnetic resonance test data of coal samples

圖4 可動流體孔隙度與煤階的關(guān)系Fig.4 Relationship between movable fluid porosity and coal rank

2.2 地應(yīng)力特征

在低滲透地層中，瞬時停泵壓力和裂縫閉合壓力近似相等，而裂縫閉合壓力與最小水平主應(yīng)力又近似相等，所以停泵壓力和裂縫閉合壓力基本上能反映出地層的地應(yīng)力特征。通過統(tǒng)計(jì)延川南煤層氣田2號煤層水力壓裂時的停泵壓力發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的增加，停泵壓力有增大趨勢，說明隨著埋深的增大，地應(yīng)力不斷增加，符合一般規(guī)律。在譚坪構(gòu)造帶，停泵壓力在9.2～14.1 MPa，平均12.1 MPa；萬寶山構(gòu)造帶，停泵壓力11.2～33.1 MPa，平均23.3 MPa。從破裂壓力來看，譚坪構(gòu)造帶，破裂壓力8.0～47.3 MPa，平均28.7 MPa；萬寶山構(gòu)造帶，破裂壓力10.2～58.8 MPa，平均35.1 MPa。

根據(jù)地面垂直鉆孔水力壓裂測量地應(yīng)力方法可知，閉合壓力即最小水平主應(yīng)力σh，min， 即

σh，min=Pc

(1)

最大水平主應(yīng)力σh，max為

σh，max=3Pc-Pf-Po+T

(2)

式中：Pc為閉合壓力，MPa；Pf為破裂壓力，MPa；Po為煤儲層壓力，MPa；T為煤或巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa。

垂直應(yīng)力σv按文獻(xiàn)[19]給出的關(guān)系估算，即

σv=0.027h

(3)

式中：h為儲層垂深，m。

通過公式(1)—(3)計(jì)算，可以得出延川南煤層氣田主力煤層的最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 延川南煤層氣田和沁水盆地南部主力煤層地應(yīng)力對比統(tǒng)計(jì)[20]Table 2 Statistics of geostress of main coal seam in South Yanchuan coalbed methane field and South Qinshui Basin

由表2知，延川南煤層氣田與沁水盆地南部相比，具有高地應(yīng)力特點(diǎn)，最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力均明顯較高。另外，從沁水盆地南部水力壓裂試驗(yàn)資料來看，主力煤層山西組3號煤層的閉合壓力在3.3～26.4 MPa，平均10.51 MPa，煤層破裂壓力6.44～27.74 MPa，平均為12.21 MPa，明顯低于延川南煤層氣田，也反映出沁水盆地3號煤層地應(yīng)力明顯低于延川南煤層氣田2號煤層。

2.3 煤巖力學(xué)性質(zhì)

對比延川南和沁南的煤巖力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩區(qū)塊的煤巖力學(xué)性質(zhì)差別不大，具有煤樣較脆，低彈性模量、高泊松比，抗壓強(qiáng)度較低的共性(表3)[21]，說明在有效應(yīng)力迅速增大的情況下，孔裂隙很容易被壓實(shí)，而造成滲透率大幅降低，對煤層氣井的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)影響很大。

表3 延川南煤層氣田與沁水盆地南部煤巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of coal rock mechanical properties between South Yanchuan CBM filed and South Qinshui Basin

3 延川南煤層氣田煤層氣排采制度

與沁水盆地南部相比，延川南煤層氣田煤儲層孔隙度和可動流體孔隙度更低，導(dǎo)致煤儲層的滲透率極低，加之主力煤層埋深較大、地應(yīng)力較高，另外煤巖本身抗壓強(qiáng)度低，所以在排采控制過程中要采取比沁水盆地南部或其他區(qū)塊更為緩慢的排采制度。主要原因：①滲透率極低，壓降漏斗延伸阻力大，排采過快容易導(dǎo)致卸壓面積有限，后期無法長期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)；②地應(yīng)力高，且煤巖抗壓強(qiáng)度低，非常容易造成壓敏效應(yīng)，導(dǎo)致滲透率進(jìn)一步降低，對氣井產(chǎn)能造成極大影響。

通過上述理論分析研究，并且結(jié)合現(xiàn)場氣井排采規(guī)律和效果，將延川南煤層氣井的排采過程劃分為5個階段(圖5)，分別是井底流壓高于儲層壓力時的快速降壓階段、井底流壓從儲層壓力降至臨界解吸壓力的穩(wěn)定降壓階段、臨界解吸壓力至蘭氏壓力的上產(chǎn)階段、蘭氏壓力至穩(wěn)產(chǎn)壓力的產(chǎn)量波動階段和產(chǎn)量趨于穩(wěn)定的穩(wěn)產(chǎn)階段。

通過對譚坪構(gòu)造帶(Y11P2、Y13)和萬寶山構(gòu)造帶(Y16、Y22)地質(zhì)和工程施工條件差異不大的高產(chǎn)井與高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果差的井進(jìn)行排采過程參數(shù)(表4、表5)控制對比發(fā)現(xiàn)，在快速降壓階段，井底流壓的快速下降對后期產(chǎn)量影響不大，主要區(qū)別在于穩(wěn)定降壓階段、上產(chǎn)階段和產(chǎn)量波動階段，在這3個階段應(yīng)該采取更為緩慢、精細(xì)化的排采制度和控制。其中，穩(wěn)定降壓階段，要盡量多排水提高返排率，為后期高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)打下基礎(chǔ)；上產(chǎn)階段，井底流壓波動較大，要盡量放緩排采速率保證產(chǎn)氣量穩(wěn)步上漲；產(chǎn)量波動階段，在氣量達(dá)到峰值之后會出現(xiàn)小幅下降或波動的現(xiàn)象，這個階段要堅(jiān)持緩慢排采的原則，避免流壓下降過快導(dǎo)致儲層傷害。

表4 譚坪構(gòu)造帶高產(chǎn)井和低產(chǎn)井各排采階段參數(shù)控制對比情況統(tǒng)計(jì)Table 4 Comparison on parameters control during different drainage stages of high yield wells and low yield wells in Tanping structural belt

表5 萬寶山構(gòu)造帶高產(chǎn)井和低產(chǎn)井各排采階段參數(shù)控制對比情況統(tǒng)計(jì)Table 5 Comparison on the parameter control during different drainage stages of high yield wells and low yield wells in Wanbaoshan structural belt

根據(jù)以上分析并結(jié)合現(xiàn)場氣井生產(chǎn)參數(shù)，認(rèn)為在延川南煤層氣田，譚坪構(gòu)造帶內(nèi)的井快速降壓階段日降流壓控制0.1 MPa左右，不會對后期產(chǎn)氣效果造成明顯影響。在穩(wěn)定降壓階段和上產(chǎn)階段的排采控制非常關(guān)鍵，要以控制井底流壓為核心，采取較為緩慢的排采制度。Y13井在這2個排采階段日降流壓均達(dá)到0.01 MPa左右，排采速率較快，該井雖然達(dá)到了日產(chǎn)千方的峰值產(chǎn)量，但沒有形成穩(wěn)產(chǎn)，產(chǎn)量迅速下降，雖然在產(chǎn)量波動階段排采速率放緩，但由于前2個階段排采控制較差，因此造成該井產(chǎn)氣效果不佳。從Y11P2井較好的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果分析排采參數(shù)控制，認(rèn)為這2個階段的日降流壓要小于0.005 MPa，產(chǎn)量波動階段日降流壓要控制在0.003 MPa左右。在萬寶山構(gòu)造帶，同樣快速降壓階段日降流壓控制0.1 MPa左右，不會對后期產(chǎn)氣效果造成明顯影響。穩(wěn)定降壓階段、上產(chǎn)階段和產(chǎn)量波動階段的排采控制要采取較為緩慢的排采制度，通過研究發(fā)現(xiàn)Y22井在這3個排采階段日降流壓均超過0.01 MPa，排采速率較快，造成后期產(chǎn)氣效果較差，未能形成穩(wěn)產(chǎn)。相比之下，Y16井在這3個階段日降井底流壓控制均較為緩慢，產(chǎn)氣效果較好。

Ⅰ—Ⅴ為排采階段圖5 延川南煤層氣田高產(chǎn)井與低產(chǎn)井生產(chǎn)曲線及排采階段劃分對比Fig.5 Comparison of production curves and drainage stage division between high yield wells and low yield wells in South Yanchuan CBM field

4 結(jié) 論

1)煤的壓汞孔隙度和可動流體孔隙度隨著煤階的升高呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在Ro=2.5%左右達(dá)到最低值，位于煙煤與無煙煤交界處附近；延川南煤層氣田煤巖的Ro在2.5%左右，煤儲層壓汞孔隙度和可動流體孔隙度在所有煤階中處于最低水平，且孔隙系統(tǒng)以微小孔為主，各級別孔隙間連通性差，對煤層滲透性極為不利。

2)與沁水盆地南部相比，延川南煤儲層具有孔滲性差、地應(yīng)力高的特點(diǎn)，加之煤巖本身抗壓強(qiáng)度低，所以在排采控制過程中要采取比沁水盆地南部更為緩慢的排采制度。主要原因：①孔滲性極差，壓降漏斗延伸阻力大，排采過快容易導(dǎo)致泄壓面積受限；②地應(yīng)力高，且煤巖抗壓強(qiáng)度低，排采過快極易造成壓敏效應(yīng)，對氣井產(chǎn)能造成極大影響。

3)在煤層氣地質(zhì)條件對比分析基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場排采規(guī)律和效果，將延川南深部煤層氣井的排采過程劃分為5個階段，分別是快速降壓階段、穩(wěn)定降壓階段、上產(chǎn)階段、產(chǎn)量波動階段和穩(wěn)產(chǎn)階段。在快速降壓階段日降井底流壓控制在0.100 MPa左右；穩(wěn)定降壓階段，日降井底流壓要控制在0.003 MPa左右；上產(chǎn)階段日降井底流壓0.005 MPa左右；產(chǎn)量波動階段合理的日降井底流壓在0.003 MPa左右；穩(wěn)產(chǎn)階段井底流壓和產(chǎn)量均趨于平穩(wěn)，在此階段可通過微調(diào)井底流壓保持產(chǎn)量穩(wěn)定即可。