盧凌云，張遂安，郭文朋，石 悅，張靈菊，王千瑋.

(1.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，山西太原 030032； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 煤層氣研究中心，北京 102249；3.山西天然氣有限公司，山西太原 030032；4.山西高碳能源低碳化利用研究設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032)

煤層氣直井低產(chǎn)原因與高產(chǎn)因素診斷分析

盧凌云1，張遂安2，郭文朋3，石 悅4，張靈菊4，王千瑋2.

(1.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，山西太原 030032； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 煤層氣研究中心，北京 102249；3.山西天然氣有限公司，山西太原 030032；4.山西高碳能源低碳化利用研究設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032)

以沁水盆地南部樊莊區(qū)塊現(xiàn)有煤層氣地面開發(fā)直井實(shí)際排采規(guī)律為基礎(chǔ)，從區(qū)域3號(hào)煤層地質(zhì)特征、煤儲(chǔ)層特征和工程因素3個(gè)方面入手，對(duì)煤層氣單井低產(chǎn)原因與高產(chǎn)因素進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明：在樊莊區(qū)塊斜坡帶構(gòu)造特征下，煤層埋深淺，構(gòu)造部位相對(duì)高點(diǎn)容易高產(chǎn)；在小范圍內(nèi)，煤巖組分中鏡質(zhì)組含量大小和含氣量大小對(duì)產(chǎn)能影響較大；在開采工藝和鉆完井工藝等工程因素相同的情況下，水力壓裂時(shí)總壓裂液量和砂比的合理設(shè)計(jì)決定著有效裂縫長(zhǎng)度和支撐劑的支撐效果，前置液量與攜砂液量配比在0.8～1.2之間、砂比控制在10%～15%之間時(shí)，壓裂效果好，有助于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

煤層氣；地質(zhì)特征；煤儲(chǔ)層特征；工程因素；診斷分析

中國(guó)煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，特殊的地質(zhì)背景造就了高煤階典型的高含氣量、低滲透率、低儲(chǔ)層壓力和低含氣飽和度的特征，單井產(chǎn)量普遍偏低已經(jīng)成為制約煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重障礙[1-4]。目前，許多研究人員對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能影響因素進(jìn)行了不同程度的研究，指出產(chǎn)能低的影響因素多樣復(fù)雜，主要包括煤儲(chǔ)層特征、含氣性、儲(chǔ)層物性等[5-6]；同時(shí)通過(guò)對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂工程改造可以相應(yīng)提高氣產(chǎn)量[7-9]。

截至2014年，全國(guó)累計(jì)探明儲(chǔ)量為5754×108m3，地面煤層氣產(chǎn)量?jī)H為36×108m3。根據(jù)我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，以沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣為重點(diǎn)，加大支持力度，加快煤層氣勘探開采步伐，到2020年，煤層氣產(chǎn)量力爭(zhēng)達(dá)到300×108m3。因而對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能控制因素進(jìn)行診斷分析是合理指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。

本文以沁水盆地南部樊莊區(qū)塊現(xiàn)有煤層氣地面開發(fā)直井實(shí)際產(chǎn)水和產(chǎn)氣規(guī)律為基礎(chǔ)，從區(qū)域3號(hào)煤層地質(zhì)特征、煤儲(chǔ)層特征和工程因素3個(gè)方面入手，對(duì)煤層氣單井低產(chǎn)原因與高產(chǎn)因素進(jìn)行診斷分析。

1 研究區(qū)塊概況

樊莊區(qū)塊位于沁水盆地馬蹄形斜坡帶東南部，西以寺頭正斷層和東大井田為界，北與長(zhǎng)平和柿莊井田相鄰，南和寺河、成莊井田為界，東和地方礦井多個(gè)井田為界，總體呈東南高，西北低的構(gòu)造特征。東部構(gòu)造簡(jiǎn)單，且斷層以西部最為發(fā)育，向東斷層減少。區(qū)塊總含氣面積為398.23 km2，煤層氣總資源量為1043×108m3，已探明352.26×108m3，主采煤層為山西組3號(hào)煤層，3號(hào)煤厚度大且分布穩(wěn)定。

2 產(chǎn)水、產(chǎn)氣特征

以樊莊區(qū)塊生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)40口典型開發(fā)直井為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該區(qū)域平面上分布的40口典型開發(fā)直井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，單井平均日產(chǎn)氣量差異大，排采期日產(chǎn)氣量最大達(dá)1.5×104m3，最低僅100 m3以下。根據(jù)其產(chǎn)氣產(chǎn)水實(shí)際變化情況，將排采井生產(chǎn)特點(diǎn)分為以下3類：高產(chǎn)井，平均日產(chǎn)氣量在6000 m3/d以上；中高產(chǎn)井，平均日產(chǎn)氣量在1500～6000 m3/d之間；低產(chǎn)井，平均日產(chǎn)氣量在1500 m3/d以下。

樊莊區(qū)塊為典型欠壓欠飽和氣藏，其煤層氣排采生產(chǎn)主要分為排水降壓、控壓階段、穩(wěn)定產(chǎn)氣、產(chǎn)氣衰減4個(gè)階段，高、中、低產(chǎn)典型井排采曲線規(guī)律總體表現(xiàn)為初期經(jīng)過(guò)排水降壓后，很快出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰期，維持一段時(shí)間后產(chǎn)量逐漸降低(圖1)。

通過(guò)上述產(chǎn)能及排采特征分析，樊莊區(qū)塊產(chǎn)能評(píng)價(jià)整體表現(xiàn)為單井氣產(chǎn)量相差較明顯。中高產(chǎn)井平均日產(chǎn)量高達(dá)3000 m3/d，且穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)、產(chǎn)氣效益高。低產(chǎn)井的低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，較中高產(chǎn)井相比，低產(chǎn)原因和高產(chǎn)因素主要表現(xiàn)在地質(zhì)構(gòu)造變化、儲(chǔ)層特征和壓裂改造等工程因素差異上。

3 煤層氣直井高產(chǎn)、低產(chǎn)因素分析

3.1 煤層地質(zhì)特征因素

由于生產(chǎn)井距寺頭主正斷層較遠(yuǎn)，次斷層稀少，在不考慮斷層因素的前提下，在對(duì)各單一因素與平均日產(chǎn)氣量關(guān)系進(jìn)行整理分析后發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造和埋深對(duì)產(chǎn)能影響比較大。

由圖2可看出，煤層構(gòu)造位置和埋深與平均日產(chǎn)氣量的相關(guān)性較好(分別為R2=0.676和R2=0.453)。具體表現(xiàn)為煤層埋深越淺、構(gòu)造相對(duì)越高，平均日產(chǎn)氣量越大，反之越小。分析認(rèn)為，煤層構(gòu)造位置的高低決定水體的大小，由于氣、水密度不同出現(xiàn)“氣、水差異流動(dòng)性”，構(gòu)造高位相比構(gòu)造低位水體小，含水量越小，解吸速度越快，單井產(chǎn)氣量大；構(gòu)造低位煤層含水量大，產(chǎn)水量相對(duì)較高，降壓緩慢，解吸速度慢，平均單井日產(chǎn)氣量小。

以圖1中低、中、高產(chǎn)井的排采動(dòng)態(tài)為例，低產(chǎn)井HY8-5煤層埋深為594 m，底板標(biāo)高為240 m，單井平均日產(chǎn)氣量445 m3/d，平均日產(chǎn)水量1.8 m3/d；中產(chǎn)井DS-006煤層埋深267 m，底板標(biāo)高為290 m，單井平均日產(chǎn)氣量3037 m3/d，平均日產(chǎn)水量0.9 m3/d；而高產(chǎn)井DS-155煤層埋深為300 m，底板標(biāo)高為470 m，單井平均日產(chǎn)氣量為 9689 m3/d，平均日產(chǎn)水量0.38 m3/d。

3.2 煤儲(chǔ)層特征因素

3.2.1 單井產(chǎn)能煤儲(chǔ)層特征影響因素分析

煤儲(chǔ)層既是煤層氣的烴源巖，又是儲(chǔ)存場(chǎng)所[10]，儲(chǔ)層本身特征參數(shù)如煤厚、孔隙度、滲透率、含氣飽和度等都影響氣產(chǎn)量[11-12]。一般來(lái)說(shuō)，煤層的厚度越大，供氣能力越足，產(chǎn)量越大；煤儲(chǔ)層滲透率越大，壓降范圍大，有效滲流區(qū)越大，產(chǎn)量越高；初始狀態(tài)認(rèn)為煤儲(chǔ)層裂隙孔隙度越大則水體積越大，初期排水量大、氣量小[13-16]。同理儲(chǔ)層壓力和吸附常數(shù)等煤儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)產(chǎn)能都有一定程度影響；但是通過(guò)分析，在本區(qū)塊小范圍內(nèi)這些儲(chǔ)層因素變化不大，與平均日產(chǎn)氣量相關(guān)性很小，對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能影響不大。

圖1 高、中、低產(chǎn)典型井排采曲線Fig.1 Typically well production curves

圖2 煤層構(gòu)造位置及埋深與平均單井日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.2 Relationship of daily gas production rate with structural position and depth

因此，針對(duì)不同構(gòu)造部位下，按照樊莊區(qū)塊所研究的40口井的分布區(qū)域，從中選取10口取樣評(píng)價(jià)井進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊煤巖組分特征、含氣量因素與其平均日產(chǎn)氣量之間存在較大相關(guān)性。

3.2.2 煤巖組分和含氣量對(duì)產(chǎn)能的影響

煤巖組分主要分為宏觀煤巖組分和微觀煤巖組分。微觀煤巖組分主要由鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰性組組成，微觀煤巖組分影響煤巖的生氣潛力及吸附能力。根據(jù)不同鏡質(zhì)組含量和惰性組含量煤巖下產(chǎn)氣率經(jīng)驗(yàn)公式[17]：

Rg=188Cj+43.9Cd

(1)

式中Rg——煤層產(chǎn)氣率，m3/t;

Cj——煤中鏡質(zhì)組含量,%；

Cd——煤中惰質(zhì)組含量，%。

對(duì)10口評(píng)價(jià)井進(jìn)行煤層產(chǎn)氣率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。在不考慮其他因素下，煤巖產(chǎn)氣率與煤層含氣量之間存在很好的線性關(guān)系(圖3)，煤層含氣量與平均日產(chǎn)氣量相關(guān)性較高(圖4)。分析認(rèn)為，在小范圍內(nèi)微觀煤巖組分中鏡質(zhì)組含量的大小直接影響煤層氣直井的產(chǎn)能。僅從產(chǎn)氣率考慮，通過(guò)表1及圖3、圖4來(lái)看，具體表現(xiàn)為煤巖鏡質(zhì)組含量越大，產(chǎn)氣率越高，越有利于氣體生成；且吸附能力越強(qiáng)，煤層吸附飽和程度高，含氣量大，臨界解吸壓力越高，有效泄氣面積越大，單井平均日產(chǎn)氣量越高。

表1 煤層氣井顯微煤巖組分和含氣量測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of macerals and gas content

圖3 煤層產(chǎn)氣率與含氣量的關(guān)系Fig.3 Relationship of coalbed gas content and gas production rate

圖4 煤層含氣量與平均日產(chǎn)氣量的關(guān)系Fig.4 Relationship of coalbed gas content and daily gas production rate

3.3 工程因素

針對(duì)樊莊區(qū)塊在采取的排采工藝和鉆完井工藝變化不大的前提下，主要從壓裂工藝對(duì)煤層氣垂直井產(chǎn)能控制因素的影響方面進(jìn)行剖析。壓裂工藝對(duì)煤層氣直井產(chǎn)能的影響主要通過(guò)壓裂工藝參數(shù)指標(biāo)來(lái)反映，樊莊區(qū)塊煤層氣直井壓裂采用的壓裂液主要為氯化鉀活性水壓裂液，支撐劑為石英砂。在對(duì)研究井的壓裂工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，在注入排量控制為6.3～7.0 m3/min時(shí)，發(fā)現(xiàn)總壓裂液量和平均砂比與平均單井日產(chǎn)氣量存在一定的相關(guān)性。

通過(guò)圖5可看出，對(duì)于樊莊區(qū)塊，總壓裂液量與平均單井日產(chǎn)氣量存在線性相關(guān)性(R2=0.491)，平均單井日產(chǎn)氣量隨總壓裂液量的增加而增加，總壓裂液量在400～550 m3之間時(shí)壓裂效果效果明顯，平均單井日產(chǎn)氣量最高達(dá)10000 m3/d；總壓裂液量在400 m3以下時(shí)的平均單井日產(chǎn)量相對(duì)較低。分析認(rèn)為，高壓裂液量有利于增加裂縫導(dǎo)流能力，降低滲流阻力，并且總壓裂液量中前置液量影響裂縫的幾何尺寸，攜砂液量大小影響支撐劑的支撐效果。通過(guò)對(duì)比分析(表2)，在高壓裂液量時(shí)，前置液量Qq與攜砂液量Qx配比越大，裂縫半長(zhǎng)越長(zhǎng)，平均日產(chǎn)氣量越大，壓裂效果越好。

平均砂比與平均單井日產(chǎn)氣量之間存在一個(gè)最優(yōu)平均砂比區(qū)間，產(chǎn)能與平均砂比的關(guān)系總體呈“兩端低，中間高”的特征，平均砂比在低于10%或高于15%時(shí)的平均單井產(chǎn)能明顯低于平均砂比為10%～15%時(shí)。分析認(rèn)為，砂比過(guò)低不能釋放煤層裂縫應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫閉合，縫寬受限，不足以產(chǎn)生有效裂縫，滲透性未得到較大改善；砂比過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致早期和中后期砂堵，降低裂縫導(dǎo)流能力，平均單井日產(chǎn)氣量明顯低于中砂比時(shí)的產(chǎn)量。

表2 煤層氣井壓裂參數(shù)與平均日產(chǎn)氣量對(duì)比情況Table 2 Correlation table of production wells fracturing parameters and daily gas production rate

圖5 總壓裂液量及平均砂比與平均單井產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.5 Relationship of daily gas production rate with total amount of fracturing fluid and average sand ratio

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出如下結(jié)論：

(1) 影響樊莊區(qū)塊斜坡帶煤層氣直井產(chǎn)能的地質(zhì)因素主要為構(gòu)造及埋深。具體表現(xiàn)為煤層埋深越淺，構(gòu)造位置相對(duì)越高，產(chǎn)氣量大；煤層埋深越深，構(gòu)造位置相對(duì)越低，產(chǎn)氣量小。

(2) 同一區(qū)塊小范圍內(nèi)，在煤厚、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層特征參數(shù)變化不大的情況下，煤巖組分和含氣量大小對(duì)產(chǎn)能影響較大。煤巖組分中鏡質(zhì)組含量越大，產(chǎn)氣率越高，煤層含氣量大，有效泄氣面積大，單井平均日產(chǎn)氣量越高。

(3) 在其他工程條件相同的情況下，影響煤層氣井高產(chǎn)和低產(chǎn)的因素主要體現(xiàn)在壓裂液量和砂比等水力壓裂參數(shù)上。前置液量與攜砂液量配比及砂比的合理設(shè)計(jì)決定著最終壓裂效果，保證一次壓裂下得到有效裂縫長(zhǎng)度和支撐效果，獲得較高導(dǎo)流能力的裂縫，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。而低產(chǎn)井則可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)經(jīng)二次壓裂改造來(lái)提高煤層氣井產(chǎn)氣能力。

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TheDiagnosisandAnalysisoftheLow-yieldCauseandHigh-yieldFactorofVerticalWellinCoalbedMethane

Lu Lingyun1, Zhang Suian2, Guo Wenpeng3, Shi Yue4, Zhang Lingju4, Wang Qianwei2

(1.ShanxiCBM(NG)GatheringandTransportationCo.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030032,China; 2.CoalbedMethaneResearchCentre,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 3.ShanxiNaturalGasLimitedCompany,Taiyuan,Shanxi030032,China; 4.ShanxiHighCarbonEnergyLowCarbonUtilizationResearchandDesigninstituteCo.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030032，China)

Based on the actual law of gas and water production of the existing CBM surface development vertical wells in Fanzhuang block, in south of Qinshui basin, we have studied the low-yield cause and high-yield factor of the coalbed methane single well in No.3 coal seam from following aspects: geological features, coal reservoir characteristics, engineering factors. The results showed that: First, under the structural characters in the slope of Fanzhuang block, it is easy to obtain high productivity in shallow buried of the coal seam and relatively high position of the structure. Second, within a small range, the vitrinite content of the coal components and the gas content in the coalbed layers have great effect on productivity. Third, under the same circumstances in the engineering factors of mining technology and drilling and completion technology, the rational design of the total amount of fracturing fluid and sand ratio determines the effective fracture length and bracing effect of the proppant, hydraulic fracturing will have good effects and also helps to improve the productivity if the volume ratio of pre-fluid and sand-carrying fluid is 0.8～1.2 and the sand ratio is 10%～15%.

coal-bed methane (CBM); geological features; coal reservoir characteristics; engineering factors; diagnosis and analysis

TE377

A

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“煤層氣排采技術(shù)及智能化裝備開發(fā)與示范”(MQ2014-06)資助。

盧凌云(1988—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，從事煤層氣開發(fā)方面的科研工作。郵箱：lulingyun0912@126.com.

張遂安(1957—)，男，山東菏澤人，教授、博士生導(dǎo)師。郵箱：sazhang@263.com.