王密計 康永尚 毛得雷 秦紹鋒

1．中國海油COSL工程技術(shù)學(xué)院 2．中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院 3．油氣資源與探測國家重點實驗室

煤層氣以吸附態(tài)為主（75%～90%），根據(jù)蘭格繆爾等溫吸附原理，壓力是吸附量的主要控制因素，水文地質(zhì)條件在煤層氣富集中起著十分重要的作用。國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量相關(guān)研究：Kaiser等．（1991）指出San Juan盆地地下水的順層徑流攜帶Fruitland組煤層氣運移是煤層氣富集成藏的原因［1］；葉建平等（2001）提出了水力逸散作用、水力封閉作用和水力封堵作用3種水文地質(zhì)控氣類型［2］；秦勝飛等（2005）提出煤層氣滯留水控氣論［3］；劉洪林等（2006）討論了水動力對煤層氣成藏的差異性作用［4］；陳振宏等（2007）研究了地下水對煤層氣成藏的作用，通過物理模擬得出活躍的地下水動力條件將破壞煤層氣藏、而地下水滯留區(qū)則有利于煤層氣富集的認識［5］；毛得雷等（2012）研究了水文地質(zhì)旋回對煤層氣富集成藏過程的影響作用［6］。

煤層氣產(chǎn)出是一個“排水—降壓—解吸—擴散—滲流”過程［7］，煤層氣解吸并產(chǎn)出的關(guān)鍵是煤儲層壓力降低到臨界解吸壓力之下，抽排煤層水是降低壓力最直接有效的方法。煤層氣井在排采初期一般產(chǎn)出單一水相，經(jīng)過一段時間的抽排后，煤層壓力低于臨界解吸壓力，呈現(xiàn)水、氣兩相產(chǎn)出的狀態(tài)，煤層水是煤層氣開發(fā)中不可回避的問題［8－9］，同時，在排水降壓過程中，煤儲層滲透率的變化對氣井產(chǎn)量變化有著不可忽視的影響［10］?？涤郎械龋?007，2008）認為煤層氣井的排水降壓是對原始水動力場的擾動，在排采井周圍一定范圍內(nèi)形成局部水動力場，在局部水動力場范圍內(nèi)，煤儲層壓力下降形成壓降漏斗，煤層氣解吸后通過在基質(zhì)中的擴散和割理—裂縫系統(tǒng)中的滲流進入井筒而被采出，局部水動力場模式和單井排采壓降漏斗的范圍直接影響煤層氣井的排采效果［11－13］。

筆者以鄂爾多斯盆地東南緣某煤層氣田（以下簡稱“研究區(qū)”）為研究對象，以煤層氣井實際排采動態(tài)資料為基礎(chǔ)，分析了排采井動態(tài)特征的差異性，結(jié)合排采井所處的構(gòu)造位置和區(qū)域水動力場背景，提出了單井排采擾動下可能出現(xiàn)的局部水動力場模式，科學(xué)合理地解釋了煤層氣井排采動態(tài)的復(fù)雜性，對于揭示產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量等重要參數(shù)的變化規(guī)律和排采井井層優(yōu)選具有重要指導(dǎo)意義。

1 煤層氣井排采動態(tài)分析

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，煤層氣開發(fā)主力煤層有二疊系山西組的3＃煤層和石炭系太原組的5＃、11＃煤層。研究區(qū)發(fā)育的含水層自上而下依次有：①第四系松散孔隙強含水層；②二疊系石盒子組砂巖中含水層；③二疊系山西組底部砂巖中含水層；④石炭系太原組K2石灰?guī)r中含水層；⑤奧陶系石灰?guī)r強含水層（圖1）。對山西組3＃煤層有影響的地下水是石盒子組和山西組底部的砂巖含水層，對太原組5＃煤層有影響的地下水主要是山西組底部的砂巖含水層和太原組K2石灰?guī)r含水層，對太原組11＃煤層有影響的地下水主要是太原組K2石灰?guī)r和奧陶系石灰?guī)r含水層。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)綜合柱狀圖

影響煤層氣井排采動態(tài)的因素很多［14］，如煤儲層的厚度、含氣量、滲透率、儲層壓力、地解壓差、構(gòu)造等地質(zhì)因素和鉆井、固井、完井等工程因素以及井底流壓、套壓等排采工作制度。因此，煤層氣井的排采動態(tài)曲線多呈現(xiàn)跳躍和多變的形態(tài)，變化劇烈復(fù)雜，僅從表面上看，規(guī)律性不強，其背后蘊含的地質(zhì)和工程信息也難以從單口井的排采動態(tài)曲線中得到挖掘和揭示。因此，從復(fù)雜多變的排采動態(tài)曲線中，提取能反映排采動態(tài)特征的典型指標，是煤層氣井排采動態(tài)分析的一條重要途徑。

在煤層氣井初始單一排水階段，排采動態(tài)典型指標為初始見氣時間和初始累計產(chǎn)水量，初始見氣時間為煤層氣井開抽后到出現(xiàn)15d以上較連續(xù)產(chǎn)氣量之前的單一排水階段的延續(xù)時間；初始累計產(chǎn)水量為從煤層氣井開抽后到初始見氣時間之間煤層氣井的累計產(chǎn)水量。在煤層氣井氣水同產(chǎn)階段，排采動態(tài)典型指標為典型日產(chǎn)水量和典型日產(chǎn)氣量，典型日產(chǎn)水量為煤層氣井在氣水同產(chǎn)階段動液面較穩(wěn)定期間的平均日產(chǎn)水量；典型日產(chǎn)氣量為煤層氣井在氣水同產(chǎn)階段日產(chǎn)氣量連續(xù)15d以上較穩(wěn)定期間的平均日產(chǎn)氣量，圖2為研究區(qū)YY井排采動態(tài)典型指標提取的示意圖。

圖2 研究區(qū)YY井排采動態(tài)曲線和典型指標提取示意圖

表1 典型井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

選取研究區(qū)8口代表性排采井，提取的排采動態(tài)典型指標列于表1中。從表1可見，這8口井的排采動態(tài)存在較大的差異。其中，Y1～Y4井見氣時間短（見氣快），初始累計產(chǎn)水量小，見氣后典型日產(chǎn)水量小，典型日產(chǎn)氣量相對較高；Y5、Y6井見氣時間長（見氣慢），初始累計排水量大，見氣后典型日產(chǎn)水量較高，而典型日產(chǎn)氣量低—中等且變化大；Y7、Y8井初始見氣時間短（見氣快），初始累計產(chǎn)水量小，見氣后典型日產(chǎn)水量較高，而典型日產(chǎn)氣量低。

2 煤層氣井排采動態(tài)差異的地質(zhì)解釋

從煤層氣井排采有效性的角度來看，Y1～Y4井排采效果好，Y5～Y8井排采效果差，出現(xiàn)這種差異的根本原因是什么呢？現(xiàn)將這8口井放到具體的構(gòu)造和水動力背景下來討論其排采效果的差異。

圖3、4為8口代表井所處的構(gòu)造位置和水動力背景。其中，Y1～Y3井開發(fā)層位均為3＃＋5＃煤層組合，Y4井開發(fā)層位為3＃＋11＃煤層組合，這4口井所在位置遠離斷裂和鼻隆，構(gòu)造條件比較簡單，水勢平緩。雖然Y4井射開了距奧陶系強含水層較近的11＃煤層，但生產(chǎn)中表現(xiàn)出與Y1～Y3井類似的動態(tài)特征，即初始見氣時間較短、初始累計產(chǎn)水量少、典型日產(chǎn)水量較少和典型日產(chǎn)氣量高的特征，其中Y1井初始見氣時間為1d，初始累計產(chǎn)水量0m3、典型日產(chǎn)水量為0．4m3、典型日產(chǎn)氣量為2 000m3（表1），表明4口井的生產(chǎn)煤層與上覆和下伏含水層均沒有溝通，氣井抽出的水為煤層本身的水，所以儲層壓力降低至臨界解吸壓力所需時間短，煤層氣較早發(fā)生解吸作用。同時由于沒有煤層水以外的補給源，壓降漏斗在煤儲層中得以充分擴展，大量的吸附氣解吸并產(chǎn)出，出現(xiàn)較高的日產(chǎn)氣量。

圖3 排采井分布和煤層構(gòu)造圖

圖4 排采井和區(qū)域水勢分布圖

Y5～Y6井位均位于斷裂構(gòu)造附近，水勢較高且變化較快（圖4），兩口井的開發(fā)層位相同，排采動態(tài)表現(xiàn)出類似的特征（表1）。其中，Y5井生產(chǎn)層位初期為5＃－11＃＋11＃煤層組合，后期改為3＃＋5＃煤層組合，Y6井生產(chǎn)層位初期為11＃煤層，后期改為3＃＋5＃煤層組合。在開采11＃煤層期間，兩口井的產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量很低，但當(dāng)改變生產(chǎn)層位，封掉11＃煤層后，典型日產(chǎn)水量明顯減少，典型日產(chǎn)氣量明顯提高。其中Y6井改變生產(chǎn)層位前，初始見氣時間長達396d，初始累計產(chǎn)水量高達3 003．96m3、典型日產(chǎn)水量為12 m3、典型日產(chǎn)氣量卻低于65m3，抽排效果非常不理想。于是2009年12月21日調(diào)整生產(chǎn)層位，封掉11＃煤層，改為3＃＋5＃煤層組合后，典型日產(chǎn)水量降低到2m3，典型日產(chǎn)氣量升高到2 500m3（表1），生產(chǎn)效果顯著提高。這表明在斷層附近，11＃煤層與下伏奧陶系石灰?guī)r含水層存在流體連通，在開采11＃煤層期間，雖然排出了大量的水，但產(chǎn)氣量低。由此推測排出的水部分為下伏奧陶系石灰?guī)r含水層中的水，抽排煤層水期間，圍巖中的水通過斷層涌入煤層，導(dǎo)致煤儲層本身壓力未得到有效降低，而當(dāng)封掉11＃煤層后，阻斷了下伏奧陶系石灰?guī)r水的補給通道，典型日產(chǎn)水量降了下來，而典型日產(chǎn)氣量得到了明顯的提高。

Y7～Y8井位于研究區(qū)所處盆地邊緣的鼻狀凸起的下傾方向（圖3），水勢變化較快（圖4），在鼻狀凸起上，煤層埋深淺并處于張應(yīng)力環(huán)境中，張開裂縫有溝通地表水的作用，在煤層氣井抽排后，從鼻狀凸起上傾方向發(fā)生了淡水的補給，煤儲層壓力難以得到有效降低，這兩口井表現(xiàn)出高產(chǎn)水量、低產(chǎn)氣量的現(xiàn)象，其中Y8井初始見氣時間為19d，初始產(chǎn)水量為49．81m3／d，動液面穩(wěn)定期典型日產(chǎn)水量高達10m3，典型日產(chǎn)氣量低至400m3（表1），這表明盆地邊緣構(gòu)造凸起部位地表水容易侵入，會干擾到煤層水的抽排。

3 局部水動力場模式及其意義

根據(jù)前面排采井動態(tài)差異的地質(zhì)解釋，結(jié)合研究區(qū)煤系地層與下伏及上覆含水層的組合關(guān)系，建立了煤儲層在排水降壓過程中可能出現(xiàn)的3種局部水動力場模式，即有效擾動型局部水動力場、含水層入侵型局部水動力場和近地表淡水補給型局部水動力場。

3．1 有效擾動型局部水動力場

當(dāng)煤層的頂?shù)装寰鶠楦羲畬?，上覆和下伏地層中的含水層在原始狀態(tài)下和排采過程中均與煤儲層不溝通時，排出的水全部為煤層中的水，稱為有效排水。在此條件下形成的局部水動力場稱為有效擾動型局部水動力場（圖5－a）。前述Y1～Y4排采井即屬這種局部水動力場模式，在排采井周圍形成這種局部水動力場模式，最有利于降低煤儲層的儲層壓力，是對煤層氣解吸最有利的局部水動力場。

圖5 3種局部水動力場模式示意圖

3．2 含水層入侵型局部水動力場

在原始狀態(tài)下，煤層與含水層之間存在水動力平衡，在排采擾動下，煤層中的壓力降低將打破原始狀態(tài)下的平衡，導(dǎo)致含水層中的水通過斷層和（或）含水層天窗等路徑進入煤層，形成含水層入侵型局部水動力場（圖5－b），前述Y5～Y6排采井即屬這種局部水動力場模式，在排采井周圍形成這種局部水動力場，排采效果會因臨近含水層的入侵而大打折扣。

3．3 近地表淡水補給型局部水動力場

在煤層露頭處和淺部背斜構(gòu)造部位，煤儲層和含水層在張性環(huán)境中張性斷裂發(fā)育，煤層中的割理、含水層中的裂縫得以擴張，大氣降水以及近地表淡水可能會沿著這些張開的割理與裂縫侵入煤層與含水層。這些侵入的淡水會對煤儲層及含水層中的水動力條件產(chǎn)生影響，尤其是在煤層氣井抽排為其提供了人為排泄點以后，這種由于排水降壓所形成的局部地下水動力場稱為近地表淡水補給型局部水動力場（圖5－c），前述Y7～Y8排采井即屬這種局部水動力場模式，該模式對煤層氣井的排采造成不利的影響。

不同的局部水動力場模式對煤層氣井的排水效果有很大影響（表2），進而影響到煤層氣的解吸和產(chǎn)出。

用局部水動力場模式可以科學(xué)合理地解釋煤層氣井排采動態(tài)的復(fù)雜性，可以揭示產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量等重要參數(shù)井間變化的地質(zhì)或工程成因。同時，以局部水動力模型為指導(dǎo)，可以優(yōu)選排采井層，對斷層附近的排采井要避免射開臨近強含水層的煤層，還要排采井井位應(yīng)避開近地表淡水補給區(qū)。

表2 煤層氣排采局部水動力場模式排水效果分析表

4 結(jié)論和認識

1）煤層氣依靠壓力吸附在煤基質(zhì)顆粒的內(nèi)表面上，所以排采之前，首先要抽排出煤層中的承壓水以降低煤儲層的壓力，使煤層氣解吸出來。

2）根據(jù)煤層氣井排采特征、構(gòu)造狀況，并結(jié)合煤儲層與含水層（隔水層）的組合關(guān)系進行綜合分析，提出了在煤儲層排水降壓過程中可能出現(xiàn)的3種局部水動力場樣式，即有效擾動型局部水動力場、含水層入侵型局部水動力場和淡水補給型局部水動力場。

3）在有效擾動型局部水動力場中，煤層氣井表現(xiàn)出初始見氣時間短、初始累積產(chǎn)水量少、典型日產(chǎn)水量低和典型日產(chǎn)氣量高的特點，在含水層入侵型局部水動力場和淡水補給型局部水動力場中，有部分或大部分排出水為無效排水，達不到有效降低煤層壓力的目的，初始見氣時間晚，日產(chǎn)氣量低。

4）煤層氣井排采井層的確定，要考慮構(gòu)造背景、區(qū)域原始水動力場背景和斷裂帶等因素，應(yīng)避免射開斷層附近臨近強含水層的煤層，井位應(yīng)避開近地表淡水補給區(qū)。

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