貴州織納煤田文家壩區(qū)塊煤層氣地質(zhì)特征及開發(fā)工藝研究

鄭鵬宇 向剛 趙凌云

摘? 要：貴州文家壩區(qū)塊煤層氣資源豐富，為了能夠提高文家壩區(qū)塊煤層氣勘探開發(fā)效果，探索出一套適合織納煤田煤層氣勘探開發(fā)工藝。以文家壩區(qū)塊煤儲層為研究對象，分析其地質(zhì)特征，煤儲層具有高含氣量、高含氣飽和度、高孔隙度、低—中等滲透率、儲層壓力欠壓—正常的特征。在此基礎(chǔ)上對開發(fā)工藝進行研究。一是井型工藝采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續(xù)注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主；二是煤儲層改造工藝采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯(lián)作分層壓裂”，依據(jù)煤層氣井周邊導(dǎo)水?dāng)鄬忧闆r和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規(guī)模和范圍；三是排采工藝采用多煤層區(qū)多層合采方式。依據(jù)主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)，組合指數(shù)，產(chǎn)能貢獻指數(shù)3個參數(shù)，運用“三步法”對產(chǎn)層組合進行優(yōu)選，排采過程劃分為7個階段，以實現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：文家壩 煤層氣 地質(zhì)特征 開發(fā)工藝 研究

前言

織納煤田文家壩區(qū)塊是貴州地區(qū)首個提交煤層氣探明儲量并獲得煤層氣采礦許可的區(qū)塊，也是國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)可的貴州地區(qū)煤層氣高產(chǎn)區(qū)塊，區(qū)塊內(nèi)已提交煤層氣探明地質(zhì)儲量64.08億m?，具有重大煤層氣開發(fā)價值及現(xiàn)實意義[1]。本文重點分析文家壩區(qū)塊煤層氣煤儲層特征及開發(fā)工藝，為后期織納煤田煤層氣勘探開發(fā)工作提供指導(dǎo)依據(jù)。

1、區(qū)塊地質(zhì)概況

文家壩區(qū)塊位于織納煤田織金礦區(qū)阿弓向斜，處于黔西弧東翼近內(nèi)緣。發(fā)育地層由老至新為二疊系中統(tǒng)茅口組、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、長興組、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組及第四系，煤層主要分布于上二疊區(qū)段龍?zhí)督M，煤變質(zhì)程度較高。構(gòu)造形態(tài)為一弧形不對稱向斜，地層走向總體呈NE—SW向，區(qū)塊被4條近EW向的橫斷層切割成4段，分布張維背斜、三塘向斜、后寨背斜、阿弓向斜等20余個褶曲，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等類型，如圖1所示。

區(qū)域地表水系屬長江流域烏江水系，為碳酸鹽巖中的裂隙溶洞水、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶洞水及碎屑巖中的基巖裂隙水及第四系孔隙水四類，大氣降水作為區(qū)域內(nèi)含水層的主要補給來源。含煤龍?zhí)督M含裂隙水，泉流量小于0.50l/s，富水性弱。上覆飛仙關(guān)一段與下伏峨眉山玄武巖組均為相對隔水層，有利于煤層氣資源賦存[2]。

2、煤層特征

2.1 煤層發(fā)育特征

文家壩礦區(qū)塊龍?zhí)督M發(fā)育煤層30層～33層，含煤總厚13.32m～33.58m，含煤系數(shù)8.6%。厚度較大且穩(wěn)定的全區(qū)可采煤為6號、7號、16號、23號、27號、30號煤層，可采煤層總厚度7.17m～25.93m，可采煤層為薄-中厚煤層。主要目的煤層為16號、23號、27號、30號煤層。

2.2 煤層埋深

煤層埋深是影響煤層含氣量的重要因素，煤層氣含氣量通常隨著煤層埋深的增大呈先上升后下降的函數(shù)關(guān)系。區(qū)塊主要目的煤層埋深范圍多分布在200m～800m，是煤層氣商業(yè)性開發(fā)最有利的埋深范圍。16號煤層平均埋深301.3m，23號煤層平均埋深344.5m，27號煤層平均埋深366.6m，30號煤層平均埋深384.2m。

3、煤層氣儲層特征

3.1 煤層含氣性

區(qū)塊目的煤層煤層氣含氣量介于8.12 m?/t～21.83m?/t?？刹擅簩雍瑲鉃榧淄椤⒅?zé)N、氮氣、二氧化碳，甲烷含量最高，現(xiàn)場解吸甲烷濃度介于88.82%～94.61%，如表1所列?？諝飧稍锘m氏體積為25.28～31.20 m?/t，蘭氏壓力為1.27～2.00 MPa，且表現(xiàn)出隨蘭氏體積增大，蘭氏壓力升高，氣體解吸難度增大的特點。各目的煤層均表現(xiàn)出較強的吸附能力[3-4]。

3.2 孔裂隙特征

目的煤樣孔隙度主要分布在5.66%-8.00%，有效孔隙度主要分布在0.83%-1.51%，殘余孔隙度主要分布在4.83%-6.68%。煤樣的滲透率分布在0.36-0.96×10-3μｍ之間，均小于1.0×10-3μｍ，滲透率較好，飽水孔隙度分布在5.66%～8.00%。從微、中孔發(fā)育程度來看，16號、23號、30號、27號煤層發(fā)育程度依次變差；從大孔發(fā)育程度來看，16號煤樣大孔發(fā)育最好、占比高，其次為23號和27號，30號煤大孔發(fā)育程度最差，如圖2所示。

3.3 煤儲層壓力及溫度

主要目的煤層的儲層壓力介于1.84 ～6.86 MPa，壓力梯度為0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主應(yīng)力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主應(yīng)力壓力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤層屬于中等應(yīng)力區(qū)，煤儲層試井壓力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，儲層壓力系數(shù)為0.34～1.40，平均0.86。根據(jù)勘查鉆孔測井結(jié)果，區(qū)塊內(nèi)恒溫帶溫度為15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如圖3所示。

3.3 煤儲層壓力及溫度

主要目的煤層的儲層壓力介于1.84 ～6.86 MPa，壓力梯度為0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主應(yīng)力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主應(yīng)力壓力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤層屬于中等應(yīng)力區(qū)，煤儲層試井壓力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，儲層壓力系數(shù)為0.34～1.40，平均0.86。根據(jù)勘查鉆孔測井結(jié)果，區(qū)塊內(nèi)恒溫帶溫度為15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如圖3所示。

4、區(qū)塊煤層氣開發(fā)工藝

4.1 井型工藝

煤層氣井型選擇需考慮煤體結(jié)構(gòu)，煤巖變質(zhì)程度，地應(yīng)力，煤儲層地質(zhì)特征，地形交通條件，施工設(shè)備等多種因素。貴州文家壩區(qū)塊主要以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤體結(jié)構(gòu)相對完整，屬于高煤階煤。具有高含氣量，高含氣飽和度，高孔隙度，低-中等滲透率，儲層壓力欠壓-正常特征，地形以高山地貌為主，地表條件復(fù)雜，目標(biāo)煤層多[5-6]。因此煤層氣開發(fā)采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續(xù)注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主，如圖4所示。

（1） 直井

區(qū)塊煤層氣屬于高階煤層氣，高階煤層氣直井產(chǎn)氣量隨著鏡質(zhì)體反射率（R0）的增大而增加，當(dāng)R0大于3.8%時，直井產(chǎn)氣量好，實現(xiàn)高效開發(fā)。反之，產(chǎn)氣量小。因此R0=3.8%可作為是否作為直井開發(fā)的重要參考指標(biāo)。結(jié)合煤層特點及埋深，對于埋深淺部采用直井開發(fā)。文1-1井采用直井開發(fā)，最高日產(chǎn)氣量3155m?/d，累計產(chǎn)氣量超過100萬m?。

（2）叢式井

區(qū)塊為土石丘陵溝壑地貌，地形支離破碎，地表條件復(fù)雜，目標(biāo)煤層多，薄-中厚煤層，叢式井是文家壩區(qū)塊主要開發(fā)井型。文叢1井組采用叢式井布置，累計開發(fā)煤層厚度11.6m，其中文叢1-2井最高日產(chǎn)氣量6000m?/d，達到高產(chǎn)效果，實現(xiàn)了區(qū)塊煤層氣開發(fā)重大突破。

（3） 水平井

對于煤體結(jié)構(gòu)不完整，煤儲層滲透率較高，煤層構(gòu)造較為簡單，單一煤層厚度大于2m以上煤層采用水平井開發(fā)方式。W1-1H 井水平井段于16號煤層中鉆進，采用水平井段主支下篩管完井，側(cè)鉆分支裸眼完井。排采過程中，自井口油套環(huán)空持續(xù)注水，依靠注入水的流動將煤粉攜帶至地面，對16號煤層產(chǎn)生激蕩增滲效果。排采17d后套壓顯現(xiàn)，日產(chǎn)氣量快速升高至2000m?/d，表現(xiàn)出良好的高產(chǎn)潛力[7]。

4.2 煤儲層改造工藝

基于文家壩煤層龍?zhí)督M煤系薄—中厚煤層群發(fā)育，煤系富水性弱特點，煤儲層改造采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯(lián)作分層壓裂”改造工藝。儲層改造依據(jù)煤層氣井周邊導(dǎo)水?dāng)鄬忧闆r和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規(guī)模和范圍。當(dāng)煤層氣井周邊150 m內(nèi)無導(dǎo)水?dāng)鄬踊騾彩骄M各井壓裂煤層靶點距離超過250 m時，應(yīng)適當(dāng)提高壓裂改造規(guī)模，以增大水力壓裂改造范圍，提高井控資源量及資源采收率。如 W1-1 井各煤層均采用了高液量、高砂量的改造方式，每米煤層所注入的壓裂液量介于 238～286 m?，支撐劑量介于 13.0～15.6 m?。對于可能受導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊懙拿簩託饩騾彩骄M上部壓裂煤層靶點平面距離較小時，需適度控制壓裂改造規(guī)模，避免壓裂所產(chǎn)生的人工裂縫與導(dǎo)水?dāng)鄬訙贤ɑ騾彩骄M內(nèi)發(fā)生井間竄流[8]。

4.3 排采工藝

依據(jù)區(qū)塊目的煤層多特點，多煤層區(qū)多層合采是最佳開發(fā)方式，而多層合采開發(fā)的關(guān)鍵，是產(chǎn)層如何優(yōu)化組合，最大限度降低層間干擾，提高合采兼容性。為此，在文家壩區(qū)塊煤層氣排采中以氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，提出主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)、組合指數(shù)、產(chǎn)能貢獻指數(shù)3個參數(shù)，耦合主產(chǎn)層優(yōu)選、產(chǎn)層組合與產(chǎn)層組優(yōu)選3個步驟，如圖5所示。結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)、儲壓梯度差、產(chǎn)氣貢獻3個參數(shù)“一票否決” 約束，建立“三步法”的產(chǎn)層組優(yōu)化選擇方法，以實現(xiàn)復(fù)雜巖性組合條件下的煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選。將排采劃分為7個階段（試抽、控（流）壓排液、緩慢降（流）壓、控（套）壓產(chǎn)氣、降（流）壓提產(chǎn)、控（套）壓穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)氣衰減，以提高排采效果。

5、結(jié)語

（1）文家壩區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等、富弱水性，儲藏條件好。煤儲層具有高含氣量、高含氣飽和度、高孔隙度、低—中等滲透率、儲層壓力欠壓—正常的特征。以薄-中厚煤層為主，目的煤層為16號、23號、27號、30號，具備有利儲層開發(fā)條件。

（2）井型工藝采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續(xù)注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主。煤儲層改造工藝采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯(lián)作分層壓裂”，依據(jù)煤層氣井周邊導(dǎo)水?dāng)鄬忧闆r和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規(guī)模和范圍。排采工藝采用多煤層區(qū)多層合采方式，將排采過程劃分為7個階段，以實現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

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（作者單位：自然資源部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)非常規(guī)天然氣評價與開發(fā)重點實驗室 、貴州省油氣勘查開發(fā)工程研究院）