熊先鉞(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京1 0 0 0 8 3) (中石油煤層氣有限責任公司,北京1 0 0 1 0 2)

曹代勇 (中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京100083)

王新海 (長江大學計算機科學學院,湖北荊州434023)

郭大立 (西南石油大學理學院,四川成都610500)

江云濤 (中石油煤層氣有限責任公司,北京100102)

李斌斌 (西南石油大學理學院,四川成都610500)

邊利恒 (中石油煤層氣有限責任公司,北京100102)

韓城煤層氣田11號煤層產(chǎn)出水越流補給主控因素研究

熊先鉞(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京1 0 0 0 8 3) (中石油煤層氣有限責任公司,北京1 0 0 1 0 2)

曹代勇 (中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京100083)

王新海 (長江大學計算機科學學院,湖北荊州434023)

郭大立 (西南石油大學理學院,四川成都610500)

江云濤 (中石油煤層氣有限責任公司,北京100102)

李斌斌 (西南石油大學理學院,四川成都610500)

邊利恒 (中石油煤層氣有限責任公司,北京100102)

韓城煤層氣田是鄂爾多斯盆地東緣重要的煤層氣生產(chǎn)區(qū)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)開采上古生界二疊系太原組11號煤層總井數(shù)14%的煤層氣井日產(chǎn)水量大于25m3，其排采特征表現(xiàn)為高產(chǎn)水且動液面不降。11號煤層下伏含水砂巖層中的水通過人工裂縫越流補給煤層，導致該井排采產(chǎn)水量較高。首次提出11號煤層產(chǎn)生越流補給水的主控因素是關(guān)鍵層厚度和凈壓力，并提出發(fā)生越流補給的雙因素模型。關(guān)鍵層厚度小、凈壓力大，易形成裂縫溝通下伏高含水砂巖層，導致后期單井排采產(chǎn)水量高，無法有效排出煤層水形成有效降壓面來取得穩(wěn)定高產(chǎn)氣量。首次結(jié)合井溫測試結(jié)果，運用灰色系統(tǒng)中的GM(1，N)模型對軟件模擬裂縫高度進行校核，形成了最終校核公式。對現(xiàn)場10口井11號煤層進行了人工隔板封堵下伏含水砂體，封堵有效率達到了100%，封堵應(yīng)用效果較好。

煤層氣;越流補給;裂縫高度;關(guān)鍵厚度;凈壓力;韓城煤層氣田

1 11號煤層越流補給水產(chǎn)生的主控因素

1.1 關(guān)鍵層厚度

11號煤層與下伏含水砂巖層之間的距離是影響壓裂裂縫高度的主控因素之一。首次提出將該距離范圍內(nèi)的泥巖隔水層段定義為 “關(guān)鍵層”，關(guān)鍵層厚度越小，即煤層與含水砂巖層的距離越短，壓裂過程中容易圧穿隔水層使裂縫延伸到下伏含水砂體，導致砂巖水上竄至煤層中的可能性越高。韓城區(qū)塊煤層氣井關(guān)鍵層厚度為0～15m。從現(xiàn)場單采11號煤層氣井產(chǎn)水量與關(guān)鍵層厚度關(guān)系圖 (圖1)可以看出，隨著關(guān)鍵層厚度的減小，日產(chǎn)水量有增大的趨勢，其相關(guān)性達到75.99%。

圖2 壓裂最大凈壓力-日產(chǎn)水量散點圖

圖1 關(guān)鍵層厚度-日產(chǎn)水量散點圖

1.2 凈壓力

由于煤儲層地應(yīng)力高，壓裂所造裂縫幾乎在停泵瞬間即發(fā)生閉合，因此認為瞬時停泵壓力即為裂縫閉合壓力，閉合壓力代表著裂縫穿透地層的平均地層應(yīng)力，在數(shù)值上與區(qū)域最小主應(yīng)力相等。采用11號煤層的瞬時停泵壓力與單井瞬時停泵壓力的比值來表征區(qū)域最小主應(yīng)力的相對大小。凈壓力是指裂縫端部張開新的裂縫面積與保持裂縫延伸所需的壓力[2]。如圖2所示，當11號煤層壓裂最大凈壓力小于13MBa時，產(chǎn)水量隨著凈壓力的增大而減少，日產(chǎn)水量有增大的趨勢;當最大凈壓力超過13MBa后，產(chǎn)水量才隨凈壓力的增加而增大，其相關(guān)性達到了71.06%。

同一區(qū)域煤層與關(guān)鍵層的最小主應(yīng)力之差相對穩(wěn)定，因此凈壓力越大，關(guān)鍵層厚度越小，壓裂施工中溝通含水砂巖層的可能性越大。綜合考慮關(guān)鍵層厚度與凈壓力雙因素對裂縫高度的影響程度，提出強函數(shù)概念，即所有影響因素中所占權(quán)值較大者為決定性的強函數(shù):當?shù)貞?yīng)力較小 (低于6MBa)、關(guān)鍵層厚度較小 (小于3m)時，關(guān)鍵層厚度成為影響裂縫高度的強函數(shù) (圖3);當?shù)貞?yīng)力較高 (大于6MBa)，關(guān)鍵層厚度較大 (大于3m)時，凈壓力成為影響裂縫高度的強函數(shù) (圖4)。因此關(guān)鍵層厚度小、凈壓力大的區(qū)域會表現(xiàn)出產(chǎn)水量高的特征。

圖3 關(guān)鍵層厚度強函數(shù)模式

圖4 壓裂施工凈壓力強函數(shù)模式

1.3 實例分析

1)模式1——關(guān)鍵層厚度強函數(shù)模式 以H-2井為例，該井11號煤層頂板為泥巖，上覆石灰?guī)r; 11號煤層下伏關(guān)鍵層厚度1m，同時測井曲線顯示下伏砂巖層段電阻率較低，說明其含水量較高。11號煤層射孔段4m，最小地應(yīng)力為6MBa，施工壓力10MBa，計算其壓裂施工凈壓力為14.2MBa，壓裂過程中施工壓力增至18.5MBa后出現(xiàn)突降，說明裂縫在煤層中延伸距離較小，中途發(fā)生轉(zhuǎn)向壓穿底部砂巖層段，在含水砂體層形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。該井排采曲線顯示后期日產(chǎn)水量高達32m3且動液面不降(圖5)，由于該井壓裂裂縫高度超過了關(guān)鍵層厚度，導致越流補給發(fā)生。

2)模式2——壓裂施工凈壓力強函數(shù)模式 以H-3井為例，該井頂板為泥巖，底板是關(guān)鍵層厚度為4m左右的泥巖，下部為含水砂巖層。模擬裂縫高度為13.3m，射孔段厚度為4.5m，施工壓力為33MBa，計算施工凈壓力為28MBa。分析認為裂縫在煤層中延伸較遠，由于煤層彈性模量低，裂縫韌性斷裂效應(yīng)及大量煤粉的產(chǎn)出造成裂縫內(nèi)部摩阻增大，同時凈壓力急劇增大，裂縫在煤層中發(fā)生轉(zhuǎn)向并壓穿底部砂巖含水層，此為典型的壓裂施工凈壓力影響裂縫高度的情況。由于裂縫網(wǎng)絡(luò)主要形成于煤層中，該井排采曲線顯示投產(chǎn)后排采日產(chǎn)水為20m3，產(chǎn)水量較高，液面不降 (圖6)。2012年2月在11號煤層和下伏砂巖之間打人工隔板擠灰封堵后，2013年11月日產(chǎn)水量1.2m3，日產(chǎn)氣量1200m3，取得了較好的排采效果。

圖5 H-2井排采曲線圖

圖6 H-3井排采曲線圖

2 裂縫高度模擬和監(jiān)測

2.1 井溫測試解釋裂縫高度

為了研究韓城煤層氣井壓裂裂縫的延伸情況、裂縫溝通下伏含水層程度，部分井壓裂施工時采用測井溫法對41口井65層進行了測試。井溫測試結(jié)果表明有81%的井壓裂形成的裂縫不同程度地穿越11號煤層頂?shù)装?(見表1)，實際裂縫高度與射孔段厚度之比在1.8～4.7之間。裂縫模擬結(jié)果和實測結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，證明了關(guān)鍵層厚度和凈壓力是影響區(qū)塊11號煤層壓裂裂縫的主控因素。這與之前認為煤層彈性模量低、泊松比高、相比頂?shù)装迕簩拥膽?yīng)力梯度低、裂縫高度主要限制在煤層中的觀點相悖。而區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘查資料表明，11號煤層下伏砂巖層含水，壓裂時若裂縫延伸至該層，將導致氣井產(chǎn)水量高。

表1 井溫測試井基本參數(shù)表(部分)

2.2 基于灰色模型的縫高模擬

灰色系統(tǒng)對時間序列短、統(tǒng)計數(shù)據(jù)少、信息不完全系統(tǒng)的分析與建模，具有獨特的功效[3]，因此得到了廣泛的應(yīng)用。利用裂縫模擬軟件計算得到的裂縫高度 (模擬縫高)和利用井溫測試得到的結(jié)果存在著一定的差距，而現(xiàn)場施工中將井溫測試的結(jié)果作為真實值并利用該值對軟件模擬結(jié)果進行校核。

根據(jù)現(xiàn)場實際和對影響裂縫高度的因素分析，選取2個變量:模擬縫高、井溫測試縫高，建立煤層壓裂縫高的灰色預測模型GM(1，2)。根據(jù)表1參數(shù)，應(yīng)用GM(1，N)模型得到煤層壓裂縫高模型GM(1，2)如下:

式中:hp為預測裂縫高度;hs，i為第i口井的模擬裂縫高度;ht，i為第i口井的井溫測試裂縫高度;n為已知井溫測試的井數(shù)。

在既定的客觀條件，例如煤層埋深、煤層厚度、煤層密度、煤層聲波時差等不可控參數(shù)下，可利用該方法灰色模型預測結(jié)果和裂縫模擬軟件優(yōu)化軟件模擬中的參數(shù) (如壓裂施工排量、總砂量、前置液占總壓裂液的比例、壓裂液總量等可控參數(shù))，優(yōu)化壓裂設(shè)計，預防煤層壓裂時裂縫溝通圍巖含水層，防止越流補給的發(fā)生。

3 現(xiàn)場封堵效果

為了進一步驗證影響11號煤層越流補給程度的雙因素分析是否符合實際，針對產(chǎn)水量高、關(guān)鍵層厚度小、壓裂施工凈壓力高的10口氣井，在11號煤層與下伏砂巖中間進行了打人工隔板擠灰封堵作業(yè)，封堵前日產(chǎn)水量與封堵后日產(chǎn)水量之比在4.5～56之間，封層有效率達到了100%(見圖7)。

圖7 人工隔板封堵越流補給層的10口井前后產(chǎn)水量對比圖

4 結(jié)論

1)韓城煤層氣田煤儲層低孔低滲，滲透率一般0.001～0.1mD，單煤層供液一般小于8m3/d。11號煤層底部砂巖為韓城區(qū)塊主要越流補給水源層。

2)11號煤層產(chǎn)生越流補給水的主控因素是關(guān)鍵層厚度和凈壓力，首次提出控制煤層裂縫高度雙因素模式，即當?shù)貞?yīng)力較低 (小于6MBa)、關(guān)鍵層厚度較薄 (小于3m)時，關(guān)鍵層厚度成為影響裂縫高度的強函數(shù);當?shù)貞?yīng)力較高(大于6MBa)，關(guān)鍵層厚度較厚(大于3m)時，凈壓力成為影響裂縫高度的強函數(shù)。

3)首次結(jié)合井溫測試結(jié)果，運用灰色系統(tǒng)中的GM(1，N)模型對軟件模擬裂縫高度進行校核，形成了最終校核公式。

4)選取韓城煤層氣田有越流補給水產(chǎn)出的10口煤層氣井，對這10口井的11號煤層與下伏砂巖中間進行了打人工隔板擠灰封堵作業(yè)試驗，封堵有效率達到了100%，取得了較好的應(yīng)用效果。

[1]倪小平，蘇現(xiàn)波，張小東.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學[M].北京:化學工業(yè)出版社，2010.162～165.

[2]Economides M J.油藏增產(chǎn)措施[M].張保平，等譯.北京:石油工業(yè)出版社，2001.140～151，224～225.

[3]鄧聚龍.灰色控制系統(tǒng)[J].華中工學院學報，1982，10(3):11～18.

[編輯] 黃鸝

TE332

A

1000-9752(2014)04-0121-04

韓城煤層氣田是鄂爾多斯盆地東緣重要煤層氣生產(chǎn)區(qū)，位于渭北煤田東部邊緣斷褶帶的北端，總體形態(tài)為向北西傾的大型單斜，地層傾角平緩，構(gòu)造走向近北東。韓城煤層氣區(qū)塊發(fā)育3號、5號、11號共3套主力煤層，中低階煤，屬于低孔低滲欠壓儲層，煤儲層滲透率一般0.001～0.1mD，埋深400～1200m。工區(qū)主力開發(fā)層系為11號煤層，11號煤層頂板巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚度8～16m，底板是薄層鋁質(zhì)泥巖，下伏是砂巖，厚度6～15m。工區(qū)開采11號煤層井產(chǎn)水量差異較大，日產(chǎn)水量0.2～60m3，其中日產(chǎn)水量大于25m3的井數(shù)超過區(qū)內(nèi)總井數(shù)的14%，這些井排采特征表現(xiàn)為產(chǎn)水量高、動液面不降，井底流壓不能緩慢下降至臨界解吸壓力，煤層氣無法解吸產(chǎn)出。區(qū)塊728口開發(fā)井資料統(tǒng)計表明，3套主力煤層供液能力低，一般小于8m3/d，11號煤層單層供液能力0.3～4.86m3/d。因此開采11號煤層大水量動液面不下降的井產(chǎn)出水是否由別的含水層通過通道供給煤層是研究重點。早期對區(qū)塊內(nèi)淺層砂巖的試采研究表明，11號煤層下伏砂巖含水量高。因此推斷越流補給使得這些井產(chǎn)水量高，即下伏含水砂巖層中的水通過人工裂縫補給煤層。目前國內(nèi)對于煤層氣井越流補給的研究僅處于起步階段，倪小平等[1]結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)資料進行了理論分析，但并未闡明發(fā)生越流補給的影響因素，也未提出有效的治理和預防措施，為此筆者以韓城煤層氣田開發(fā)井為實例，對11號煤層越流補給產(chǎn)水的主控因素進行分析研究。

2013-11-18

國家科技重大專項(2011ZX05038-001)。

熊先鉞(1984-),男,2006年長江大學畢業(yè),工程師,博士生,現(xiàn)從事煤層氣地質(zhì)及開發(fā)工藝技術(shù)研究工作。