煤層氣井合層開發(fā)層間干擾分析與合采方法探討
——以平頂山首山一礦為例

許耀波

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣井產(chǎn)氣量是評價煤層氣開發(fā)區(qū)是否具有開發(fā)效益的重要指標，合理的開采層系劃分及排采措施是煤層氣井獲得高產(chǎn)的重要保障。為了提高煤層氣直井的單井產(chǎn)氣量，國內(nèi)外煤層氣工作者對煤層氣井的排采措施及開發(fā)層系劃分進行了卓有成效的研究，提出了直井單一煤層開采(晉城礦區(qū))、多煤層分壓合采(兩淮和西南地區(qū)等)、高滲區(qū)多煤層篩管裸眼完井開采(美國汾河和澳大利亞Surat 盆地)等開采技術[1-3]。由于我國煤層氣儲層滲透率普遍偏低，單層厚度薄，單一煤層的煤層氣開發(fā)產(chǎn)氣量遞減快，開發(fā)效率低，目前多數(shù)地區(qū)都是采用多煤層分層壓裂合采的開發(fā)層系劃分方式來提高煤層氣的開發(fā)效率和產(chǎn)氣量[4-7]。關于多層合采的問題，國內(nèi)專家學者在晉城礦區(qū)、兩淮地區(qū)和貴州地區(qū)先后開展了大量研究，針對不同煤層氣地質(zhì)條件，應用開發(fā)動態(tài)分析、數(shù)值模擬、物理模擬和工程試驗等手段開展了多煤層合采干擾規(guī)律分析、合采井產(chǎn)能預測以及合采方法探討等研究工作[8-13]，為多煤層合層開發(fā)提供了理論依據(jù)。

河南平頂山礦區(qū)是我國典型的多煤層發(fā)育地區(qū)，含煤層數(shù)多，總厚度大、含煤井段長，層間距大、煤層瓦斯含量高，構造煤發(fā)育、非均質(zhì)性強，擁有豐富的煤炭資源和煤層氣資源。為了充分利用煤層氣這一潔凈能源，加快平頂山礦區(qū)煤層氣地面抽采的步伐和提前解決煤礦開采中的瓦斯隱患，保證煤礦的安全生產(chǎn)，本著采煤采氣一體化，對煤層氣開發(fā)利用、礦井建設和環(huán)境保護同步進行的原則，前期在首山一礦開展了煤層氣合層開采先導性試驗，取得了產(chǎn)氣量的突破，但是也面臨合層開發(fā)的產(chǎn)氣量低、穩(wěn)產(chǎn)期短、效率低的難題。因此，筆者在前人的研究與試驗基礎上，以平頂山礦區(qū)首山一礦為研究對象，針對大間距、多煤層合采層間干擾問題進行分析，并研究提出大間距層間干擾煤層合層排采工藝方法[14-17]，為后續(xù)煤層氣井規(guī)?；_發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件及煤層氣開發(fā)概況

1.1 地質(zhì)特征

平頂山礦區(qū)處于秦嶺緯向構造帶的東延部位、淮陽山字型構造西翼反射弧頂部，為緯向構造與淮陽山字形構造的復合部位，而首山一礦位于平頂山礦區(qū)李口向斜北翼東段，主體構造為一軸向320°的寬緩背斜，即白石山背斜，其南、北翼分別為李口向斜和靈武山向斜的北翼和南翼(圖1)。本區(qū)含煤地層由石炭系上統(tǒng)–二疊系下統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及二疊系上統(tǒng)上石盒子組地層組成，總厚795 m，含煤53 層，煤層總厚度22.85 m，含煤系數(shù)2.77%。其中，全區(qū)可采煤層為山西組的二 1 煤層和下石盒子組的四2 煤層，且煤層分布穩(wěn)定。該區(qū)煤儲層大多經(jīng)歷過復雜的構造作用，煤層發(fā)生反復的搓揉、擠壓作用，煤體結構發(fā)生變形，構造破壞嚴重，其中，四2 煤層的煤體結構主要以碎粒煤和糜棱煤為主，二1 煤層的煤體結構主要以碎裂煤、碎粒煤為主，局部有糜棱煤分布，總體上四2 煤層的煤體結構較二1 煤層要差(圖2)。

圖1 平頂山首山一礦構造位置與煤層綜合柱狀圖Fig.1 Schematic diagram of structure location and comprehensive columnar coal seams of Shoushan No.1 Coal Mine in Pingdingshan

圖2 平頂山首山一礦煤層取心煤體結構Fig.2 Coal structure photos of coal seam coring of Shoushan No.1 Coal Mine in Pingdingshan

二 1 煤層位于山西組下部，煤厚為 2.76～10.22 m，一般5.00～7.00 m，平均6.15 m，局部分岔為二1、二2 煤，煤層結構較簡單，含0～2 層夾矸，厚度0.03～0.65 m，平均0.27 m，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖，屬穩(wěn)定–較穩(wěn)定煤層，二1 煤層空氣干燥基平均含氣量為3.50 m3/t。四2 煤層位于下石盒子組的四煤段下部，煤厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，煤層結構較簡單，含 0～3 層夾矸，厚度為 0.08～0.79 m，巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖，屬較穩(wěn)定煤層，四2 煤層空氣干燥基平均含氣量為5.64 m3/t。

1.2 煤層氣開發(fā)概況

首山一礦前期開展了地面煤層氣合采工程試驗，選擇在首山一礦12081 工作面的西部，布置了5 口地面煤層氣井，中心井為PS01 井，周圍4 口井自北開始，逆時針依次編號為PS02、PS03、PS04、PS05 井。開采的目的層為四2、二1 煤，主要是為了獲取四2 煤和二1 煤的合采產(chǎn)能。以兼顧地面煤層氣井的經(jīng)濟性與井間干擾的有效性，試驗井組采用了等邊矩形井網(wǎng)，也可以看作是菱形井網(wǎng)。取矩形井網(wǎng)中的5 口井形成菱形井網(wǎng)；按200 m×200 m的井距部署井位，即中心井距各井間距為200 m，菱形的邊長為282 m。通過對試驗井組5 口煤層氣井的排采數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，井組最高產(chǎn)氣量1 606.16 m3/d，其中PS04、PS02、PS03 和PS01 井單井最高產(chǎn)氣量分別達到567.6、546.13、411.45、253.47 m3/d，5口井合采產(chǎn)氣量低、衰減快(圖3)。分析其原因：構造煤發(fā)育，煤層的滲透率低和可造性差，排采時壓降漏斗波及面積小、壓裂時難以形成有效的解吸長縫，從而影響煤層氣井的產(chǎn)量；合采的煤層儲層特征存在顯著差異，造成兩層煤合采時層間干擾嚴重，難以實現(xiàn)產(chǎn)能的疊加，影響煤層氣井的產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)期。

圖3 平頂山首山一礦合層開發(fā)典型排采曲線Fig.3 Typical drainage curves for combined development of Shoushan No.1 Coal Mine in Pingdingshan

2 合采層間干擾因素分析

2.1 儲層壓力

儲層壓力直接決定著煤層氣的吸附/解吸，是影響煤層氣合層排采的重要參數(shù)。研究區(qū)四2 煤層埋深608.00～610.45 m，儲層壓力6.22 MPa，儲層壓力梯度為1.05×10–2MPa/m，儲層壓力正常；二1 煤層埋深786.55～790.90 m 與四2 層間距178 m，儲層壓力為4.02 MPa，儲層壓力梯度為0.519 MPa/hm，屬于低壓儲層。當兩層煤層合層開采時，由于下部的二1 煤層壓力低于上部的四2 煤層，后期排采時會造成流體倒灌現(xiàn)象(圖4)，上部四2 煤層流體會快速滲入下部二1 煤層，對煤層造成損傷，影響二1 煤層產(chǎn)氣量，且上下兩層煤層的壓力梯度差越大，合層排采的干擾現(xiàn)象越嚴重，最終影響合層排采的產(chǎn)氣效果。

圖4 壓力與滲透率差異下合采層間干擾Fig.4 Schematic diagram of interlayer interference between combined production under pressure and permeability difference

2.2 滲透率

煤層滲透率直接決定合層排采中壓降漏斗擴展的波及范圍，也是影響煤層氣合層排采的重要參數(shù)。根據(jù)煤層試井參數(shù)測試結果，四2 煤層的滲透率為0.25×10–3μm2，二1 煤層的滲透率為1.4×10–5μm2，都屬于特低滲煤儲層。當兩層煤合層開采時，上下兩層煤的滲透率差異較大，在相同的生產(chǎn)壓差控制條件下，合層排采中滲透率較高的四2 煤層壓降漏斗波及的較遠，滲透率較低的二1 煤層壓降漏斗波及較近(圖4)，導致兩煤層產(chǎn)氣不均衡、且二1 煤層的產(chǎn)氣貢獻較少，上下兩煤層的滲透率差異越大，對合層排采造成的干擾現(xiàn)象也越嚴重，導致合層排采的產(chǎn)氣效果較差。

2.3 臨界解吸壓力

煤層氣臨界解吸壓力是指解吸與吸附達到平衡時，壓力降低使吸附在煤微孔隙表面上的氣體開始解吸時的壓力，即等溫吸附曲線上煤樣實測到含氣量所對應的壓力，可由下式計算得到。

式中：pcd為臨界解吸壓力，MPa；Vt為實測含氣量，m3/t；VL為Langmuir 體積，m3/t；pL為Langmuir壓力，MPa。

根據(jù)試驗井組煤心樣品等溫吸附測試數(shù)據(jù)可知，四2 煤層的空氣干燥基VL為13.10～17.44 m3/t，pL為2.01～2.86 MPa；二1 煤層的空氣干燥基VL為22.18～22.80 m3/t，pL為2.14～2.59 MPa。根據(jù)實測含氣量、等溫吸附曲線計算的臨界解吸壓力，四2 煤層臨界解吸壓力為 1.16～1.69 MPa，二 1 煤為0.40～0.46 MPa(表1)。

表1 煤儲層臨界解吸壓力計算結果Table 1 Calculation results of critical desorption pressure of coal reservoir

由表1 可知，四2 煤層的臨界解吸壓力遠大于二1 煤層，隨著排水降壓的進行，當四2 煤層開始解吸產(chǎn)氣時，此時的二1 煤未解吸產(chǎn)氣；隨著排水液面的繼續(xù)降低，當液面低于四2 煤層一段距離后二1 煤層才開始解吸產(chǎn)氣，而此時四2 煤層的產(chǎn)氣量已經(jīng)衰減。這是因為煤層排采過程中存在2 個效應：一是隨著煤儲層孔隙壓力降低影響滲透率，稱之為負效應；二是煤層氣解吸促使?jié)B透率增加，稱之為正效應；隨著產(chǎn)氣后液面的不斷降低，正效應和負效應疊加后煤層滲透率達到一個最佳點，當排采液面繼續(xù)降低到該液面以下，煤層的產(chǎn)氣量不再增加，反而會出現(xiàn)大幅下降。將該滲透率最佳點對應的液面高度稱之為合理的動液面控制高度，理論和生產(chǎn)實踐證明，排采初期煤層上部保持合理動液面高度，有利于提高煤層氣井的開發(fā)效果[18-19]。因此，四2 煤層和二1 煤層合層排采，難以實現(xiàn)兩層煤層的產(chǎn)氣量疊加，最終影響煤層氣井合采生產(chǎn)效率和產(chǎn)氣效果。

3 層間干擾煤層合采方法探討

根據(jù)平頂山首山一礦兩層煤合采的干擾影響因素分析可知，當動液面位于四2 煤層以上時，5 口試驗井以四2 煤層產(chǎn)氣為主，二1 煤層不產(chǎn)氣；當動液面繼續(xù)下降至四2 煤層的最低控制動液面以下甚至更低時，下部的二1 煤層才開始產(chǎn)氣，但此時四2 煤層的產(chǎn)氣量可能會出現(xiàn)大幅度下降。因此，針對首山一礦大間距煤層干擾條件下合采地質(zhì)條件，目前的方法難以實現(xiàn)多煤層產(chǎn)量的疊加，而且還會出現(xiàn)壓力干擾及流體倒灌現(xiàn)象，煤層氣井的產(chǎn)氣量和開發(fā)效率大幅降低。

為了實現(xiàn)多煤層合采產(chǎn)能的疊加，提高煤層氣井單井產(chǎn)量，提出了大間距多煤層條件下大井眼雙套管分層控制合采工藝方法[20]。其核心思想是把多煤層中壓力系統(tǒng)差距較大或距離較遠的煤層單獨劃分為一個控制層段，每個層段分開控制實現(xiàn)合采產(chǎn)能疊加的目標。

首山一礦四2 煤和二1 煤兩層間距基本在170 m左右，結合兩層煤的臨界解吸壓力，應將四2 煤層和二1 煤層進行分開控制。合采井建議采用大井眼套管完井(?177.8 mm)，在四2 煤層與二1 煤層之間下一套附加套管(?114.3 mm)，附加套管與生產(chǎn)套管之間采用封隔器封隔，2 個層段的排水采氣生產(chǎn)實現(xiàn)分開控制。根據(jù)上述動液面控制規(guī)律，在四 2煤層之上動液面控制高度的合理位置，對附加套管進行大孔徑射孔(射孔位置隨著排水降壓的進行分階段調(diào)整)，作為四2 煤層的氣/水產(chǎn)出通道和動液面控制措施，有桿抽采泵通過油管連接(?60 mm)放到二1 煤以下的位置進行排水。四2 煤層的產(chǎn)出水流入生產(chǎn)井筒與二1 煤層的產(chǎn)出水混合，經(jīng)抽采泵排出地面；四2 煤層的產(chǎn)出氣與二1 煤層的產(chǎn)出氣在上部油套環(huán)空中進行混合產(chǎn)出[15]。隨著煤層氣井排采的進行，剛開始產(chǎn)出的氣應以四2 煤層氣為主，當液面降至四2 煤層以上的控制動液面時，四2 煤層的產(chǎn)氣量將達到最高值，隨著液面繼續(xù)降低，此時四2 煤層的液面將維持在最低控制動液面位置，而二1 煤層的產(chǎn)氣量將會快速增加，當液面降至二1 煤層的動液面控制高度時，二1 煤層的產(chǎn)能也可達到最大值，最終實現(xiàn)2 層煤的產(chǎn)能疊加。

基于地質(zhì)條件和合采策略分析認為，大井眼雙套管分層控制合采工藝方法能夠最大化提高大間距多煤層條件下煤層氣井的產(chǎn)氣量和開發(fā)效率，為平頂山礦區(qū)多煤層合采提供新的技術途徑(圖5)。但是合層排采裝置和排采制度還需要進一步研究完善，以便做到地質(zhì)–工程相適應、技術–裝備相協(xié)調(diào)，以更好地推動多煤層共采技術發(fā)展。

圖5 煤層氣井雙套管分層控制合采示意圖Fig.5 Schematic diagram of double-casing and stratified control combined production in coalbed methane well

4 結論

a.河南平頂山首山一礦，四2 煤和二1 煤煤層氣合層排采層間矛盾突出，合采難以實現(xiàn)產(chǎn)能疊加，其主要原因是煤層間距大，儲層壓力梯度、滲透率、臨界解吸壓力均存在顯著差異，造成前期煤層合采時層間干擾嚴重，產(chǎn)氣量低，合層開發(fā)效果差。

b.針對研究區(qū)合層排采層間矛盾突出問題，探索提出了大間距多煤層大井眼雙套管分層控制合采方法，實現(xiàn)兩層煤分開控制達到合采產(chǎn)能疊加的目標，提高煤層氣井合采產(chǎn)量和開發(fā)效果。

c.煤層群在我國分布廣泛，且煤層氣資源豐富。如何實現(xiàn)復雜地質(zhì)條件下煤層氣多層共采是當前面臨的一個關鍵技術難題。本文的研究思路為多煤層合層開發(fā)提供了一條技術途徑，但是合層排采裝置和排采制度還需要進一步研究完善，以便做到地質(zhì)–工程相適應、技術–裝備相協(xié)調(diào)，以更好地推動多煤層共采技術發(fā)展。