李 俊 石 斌 張 聰 趙家攀 張光波 紀(jì)彥波

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

煤層氣開發(fā)是通過(guò)降低儲(chǔ)層壓力至臨界解吸壓力后，使甲烷從吸附態(tài)變成游離態(tài)再采出的過(guò)程。通過(guò)井網(wǎng)開發(fā)可以大幅度降低煤儲(chǔ)層壓力，釋放煤基質(zhì)孔隙內(nèi)表面的吸附氣。完善的井網(wǎng)可以使煤層氣井的壓降漏斗疊加，進(jìn)而可以大幅提高煤儲(chǔ)層壓力的下降速度，提高煤層氣解吸速率，增大解吸體積。所以，煤層氣開發(fā)過(guò)程中，壓降漏斗的疊加是提高產(chǎn)量的重要手段。劉世奇等研究認(rèn)為，影響壓降漏斗疊加的因素包括滲透率、井網(wǎng)井距、水動(dòng)力條件、排水量等。沁水盆地南部樊莊區(qū)塊已經(jīng)過(guò)十多年的煤層氣開發(fā)歷程，由于前期對(duì)井網(wǎng)開發(fā)的認(rèn)識(shí)不足，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期排采后，井與井之間并未形成理論上的井間干擾。近幾年力圖通過(guò)井網(wǎng)調(diào)整與完善，以達(dá)到井間干擾的效果，目前部分井區(qū)取得了較好的效果。據(jù)此，本文探討了樊莊區(qū)塊煤層氣井井網(wǎng)調(diào)整的應(yīng)用與效果。

1 樊莊區(qū)塊開發(fā)特征

1.1 地質(zhì)背景

樊莊區(qū)塊位于沁水盆地南部晉城馬蹄形斜坡帶上，西側(cè)緊鄰寺頭斷層，總體呈東南高，西北低的構(gòu)造特征。樊莊區(qū)塊煤層氣資源豐富，目前開發(fā)煤層氣的主力煤層為山西組3號(hào)煤和太原組的15號(hào)煤，埋深介于400～800m，總體上東深西淺，厚度5～6m，全區(qū)分布穩(wěn)，含氣量較高，一般為23m3/t，在斷層附近，顯著降低，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般在底部發(fā)育0.7m左右的構(gòu)造煤。而樊莊區(qū)塊大斷層不甚發(fā)育，但小規(guī)模的斷裂構(gòu)造卻廣泛分布，主要以北東或北西向正斷層為主。對(duì)研究區(qū)內(nèi)晉試1、晉試2、晉試3井和晉試4井4口煤層氣探井進(jìn)行注入/壓降測(cè)試，獲取的煤層滲透率數(shù)據(jù)為0.01～0.514mD，說(shuō)明煤儲(chǔ)層的滲透性較差，非均質(zhì)性較強(qiáng)。儲(chǔ)層壓力測(cè)試結(jié)果顯示，4口探井的煤層儲(chǔ)層壓力為5MPa，壓力系數(shù)接近1.0，為常壓儲(chǔ)層。

1.2 開發(fā)歷程

樊莊區(qū)塊作為煤層氣工業(yè)化開發(fā)典型代表區(qū)塊，自2006年以來(lái)，累計(jì)投產(chǎn)井?dāng)?shù)1000余口，建成產(chǎn)能10億m3，產(chǎn)能到位率75%以上，2013年達(dá)到產(chǎn)量高峰，年產(chǎn)氣能力達(dá)到6億m3/a；2014年以來(lái)，受部分井產(chǎn)量遞減影響，區(qū)塊產(chǎn)氣量持續(xù)下降，最高年遞減率達(dá)到10%。為此，2014年在樊莊進(jìn)行穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)研究，試圖通過(guò)井網(wǎng)調(diào)整技術(shù)，完善井網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同降壓作用，最終提高區(qū)塊產(chǎn)氣量及采收率。

1.3 開發(fā)中存在的問(wèn)題

樊莊區(qū)塊以往開發(fā)井型主要以直井和多分支水平井為主，連片部署。直井采用井距300m×300m 的規(guī)則井網(wǎng)，但在實(shí)施過(guò)程中，由于開發(fā)區(qū)內(nèi)地表?xiàng)l件復(fù)雜，局部呈現(xiàn)出不規(guī)則狀井網(wǎng)，井距偏大，一般井距在280～400m范圍。研究區(qū)內(nèi)單井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)顯示，壓裂裂縫以北東方向?yàn)橹?，但局部南北向、東西向、北西向均有分布。以往井距的部署方案，未考慮到局部應(yīng)力變化導(dǎo)致裂縫形態(tài)發(fā)生改變，不同單井的壓降擴(kuò)展具有差異性。最終難以形成井間干擾，壓降漏斗無(wú)法疊加。

2 井網(wǎng)調(diào)整對(duì)策及效果

井網(wǎng)調(diào)整需要綜合考慮地質(zhì)條件和壓降擴(kuò)展方向，確定最優(yōu)化井距，以實(shí)現(xiàn)井間干擾，最大程度控制井區(qū)資源。首先通過(guò)構(gòu)造確定井網(wǎng)內(nèi)壓裂裂縫優(yōu)勢(shì)方向，即壓降擴(kuò)展長(zhǎng)軸方向，結(jié)合原井網(wǎng)內(nèi)井區(qū)的采出程度，確定井區(qū)內(nèi)剩余資源分布；其次通過(guò)統(tǒng)計(jì)及模擬滲透率對(duì)單井壓降范圍及采收率的影響，可計(jì)算不同地質(zhì)條件下調(diào)整井網(wǎng)的合理井距(圖1)。

圖1 確定調(diào)整井網(wǎng)的流程圖

2.1 確定剩余資源分布

我國(guó)煤儲(chǔ)層原始滲透率低，主要采用直井壓裂的方式開發(fā)，壓裂裂縫作為儲(chǔ)層中的高滲通道，使得儲(chǔ)層的各向異性增大，壓降擴(kuò)展具有明顯的方向性，裂縫長(zhǎng)軸方向的壓力傳播較短軸方向快，其壓力傳播的等勢(shì)面以橢圓的形式逐漸向外擴(kuò)展(圖2)。對(duì)于煤層氣壓裂直井，選擇矩形或菱形井網(wǎng)比較容易形成井間干擾。矩形長(zhǎng)邊沿裂縫長(zhǎng)軸方向，短邊沿裂縫短軸方向，矩形長(zhǎng)寬之比受裂縫參數(shù)和儲(chǔ)層滲透率的影響。確定壓降橢圓的長(zhǎng)軸方向，必須要確定壓裂裂縫的優(yōu)勢(shì)方向。樊莊區(qū)塊大量的壓裂裂縫監(jiān)測(cè)顯示，煤儲(chǔ)層裂縫發(fā)育方向及規(guī)模存在較強(qiáng)的差異性，且與局部構(gòu)造作用明顯(圖3)。其中單斜構(gòu)造及褶皺翼部的壓裂裂縫擴(kuò)展與區(qū)域最大水平主應(yīng)力一致；背斜軸部受局部拉張應(yīng)力，形成與軸向平行的裂縫，即長(zhǎng)軸方向與背斜軸向方向平行；向斜軸部的裂縫方向近似與向斜軸向垂直，即長(zhǎng)軸方向與背斜軸向方向垂直。該方法對(duì)于判斷區(qū)域構(gòu)造背景下的復(fù)雜構(gòu)造單元的壓裂裂縫形態(tài)具有較好的指導(dǎo)作用。

圖2 壓裂裂縫控制的煤層壓力傳播示意圖

圖3 壓裂裂縫實(shí)測(cè)分布規(guī)律

通過(guò)上述方法，確定了不同構(gòu)造單元中壓裂井的壓降橢圓，再結(jié)合目前單井的采出程度，最終可確定井間剩余資源分布。

2.2 不同井距效果分析

井間干擾受控于井距、滲透率等因素影響，滲透率不同的井區(qū)，產(chǎn)生井間干擾的模式不同，在相同井距下，低滲區(qū)無(wú)井間干擾，中滲區(qū)以不均衡井間干擾為主，高滲區(qū)則產(chǎn)生強(qiáng)井間干擾。通過(guò)數(shù)值模擬和生產(chǎn)實(shí)踐可以看出，小井距、高滲透率條件下更易產(chǎn)生壓降漏斗的疊加(表1)，最終采收率也越高。滲透率0.1mD時(shí)，井距300×300m，最終采收率只有12%，當(dāng)井距縮小到250×230m時(shí)，最終采收率達(dá)到24%；滲透率0.5mD時(shí)，井距300×300m最終采收率28%，井距250×230m最終采收率50%；滲透率1mD時(shí)，井距300×300m最終采收率50%，井距250×230m最終采收率可達(dá)92%(圖4)。在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，應(yīng)利用2.1所述方法確定所處位置的優(yōu)勢(shì)裂縫方向，進(jìn)而明確井網(wǎng)的長(zhǎng)軸方向。

表1 滲透率與井距對(duì)井間干擾的影響

圖4 不同滲透率與不同井網(wǎng)條件下采收率對(duì)比

2.3 井網(wǎng)調(diào)整方法

在已確定剩余資源平面分布及不同滲透率下不同井距控制的采收率的基礎(chǔ)上，可形成確定井網(wǎng)調(diào)整的方法。依此方法，針對(duì)樊莊區(qū)塊不同的滲透率，確定優(yōu)勢(shì)裂縫的基礎(chǔ)上，對(duì)原有固定的300×300m井距進(jìn)行了調(diào)整。對(duì)于滲透率>0.5mD的井區(qū)，井距縮短至250×300m；滲透率0.1-0.5mD的井區(qū)，井距縮短至200×250m；滲透率<0.1mD的井區(qū)，井距縮短至180×220m(表2)。2014年以來(lái)分3批實(shí)施，共實(shí)施了80口井。

表2 井距調(diào)整前后對(duì)比

2.4 開發(fā)調(diào)整效果

通過(guò)井網(wǎng)調(diào)整后，調(diào)整井與老井之間表現(xiàn)出較強(qiáng)的干擾特征，其主要可以分為裂縫溝通型和壓降擴(kuò)展型兩類。

裂縫溝通型，即調(diào)整井的裂縫與老井裂縫直接溝通，主要有兩個(gè)特征：①調(diào)整井壓裂施工曲線為突降型；②調(diào)整井壓裂過(guò)程中，相鄰老井流壓回升，產(chǎn)水量上升。如G6-23井于2009年投產(chǎn)，至2014年最高產(chǎn)量800m3。鄰井X20-3與該井井距250m，X20-3在壓裂時(shí)施工壓力突降，溝通G6-23壓裂裂縫，導(dǎo)致G6-23井底流壓突然回升，產(chǎn)水量增大。X20-3投產(chǎn)后，兩井經(jīng)過(guò)共同排水降壓，達(dá)到區(qū)域降壓的效果，兩井產(chǎn)量均大幅增加。G6-23最高產(chǎn)量達(dá)2000m3，X20-3目前仍穩(wěn)產(chǎn)3000m3(圖5)。

圖5 G6-23與X20-3生產(chǎn)曲線

壓降擴(kuò)展型，即調(diào)整井投產(chǎn)后，縮小了井距，隨著井組的排水降壓，加快了新井與老井的壓降漏斗的疊加，煤層氣解吸量成倍提高。以鄭村井區(qū)為例，鄭村井區(qū)西南部先期投產(chǎn)6口井，平均井距280m，至2016年最高產(chǎn)量1.8萬(wàn)m3，單井產(chǎn)量3000m3。在相鄰井投產(chǎn)后，平均井距縮小至240m，通過(guò)1年時(shí)間的共同排采，老井與新井產(chǎn)量同時(shí)上升，至2018年6月份，老井日產(chǎn)氣量達(dá)到2.8萬(wàn)m3，增產(chǎn)1.0萬(wàn)m3(圖6)。

圖6 鄭村西南部井組生產(chǎn)曲線

通過(guò)優(yōu)化井網(wǎng)井距，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的井間干擾，有效控制了資源，不僅新井產(chǎn)量大幅提升，井區(qū)內(nèi)的老井產(chǎn)量也由遞減趨勢(shì)轉(zhuǎn)為上升，預(yù)計(jì)井區(qū)最終采收率由50%上升至70%(圖7)。

圖7 開發(fā)調(diào)整對(duì)井區(qū)產(chǎn)量影響示意圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)井網(wǎng)的認(rèn)識(shí)，形成了井網(wǎng)調(diào)整思路，經(jīng)過(guò)井網(wǎng)調(diào)整技術(shù)，最終達(dá)到了提高采氣速度及最終采收率的效果。

(1)局部構(gòu)造導(dǎo)致局部主應(yīng)力發(fā)生改變，影響單井的壓裂裂縫長(zhǎng)軸方向，進(jìn)而影響壓降擴(kuò)展方向，部署井位時(shí)應(yīng)充分考慮壓降擴(kuò)展方向，開發(fā)過(guò)程中才易產(chǎn)生井間干擾作用。

(2)滲透率和井距同時(shí)影響井間干擾效果，開發(fā)實(shí)踐表明：滲透率高，井距小，發(fā)生干擾的井?dāng)?shù)占比高，所需時(shí)間短；滲透率低，井距大，發(fā)生干擾的井?dāng)?shù)占比低，所需時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)開發(fā)調(diào)整，優(yōu)化井網(wǎng)井距后，井區(qū)整體產(chǎn)量提升，提高了最終采收率。

(3)發(fā)生井間干擾主要分2種模式，一是新井壓裂時(shí)壓裂裂縫直接與老井溝通；二是通過(guò)井組持續(xù)排水降壓，壓降漏斗疊加后，產(chǎn)生協(xié)同降壓。