汪萬紅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

我國煤礦區(qū)煤層群普遍發(fā)育。目前，在我國多煤層發(fā)育地區(qū)進(jìn)行煤層氣勘探開發(fā)，普遍采用分層壓裂、合層排采工藝技術(shù)，該技術(shù)可有效降低煤層氣開發(fā)成本、提高煤層氣井產(chǎn)能。但結(jié)果顯示多數(shù)效果不甚理想，未產(chǎn)生1+1≥2的產(chǎn)氣效果。在合層排采過程中，為使煤層氣井達(dá)到最好的產(chǎn)氣效果，井筒內(nèi)液面要不斷下降，不可避免會(huì)使上部煤層暴露。煤層暴露是否會(huì)影響煤層氣井的產(chǎn)氣效果？針對(duì)上述問題，筆者基于平頂山礦區(qū)首山一礦煤層氣勘探開發(fā)工程實(shí)踐，探討分析了煤層暴露對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣效果的影響，以期為平頂山礦區(qū)及類似煤礦區(qū)煤層氣的合層開發(fā)提供參考和借鑒。

1 基本概況

平頂山礦區(qū)首山一礦位于平頂山市的東北方向，距平頂山市約25 km，面積約36 km2。礦區(qū)構(gòu)造簡單，主體構(gòu)造為一軸向320°的寬緩背斜，地層走向一般為290°～320°，傾角一般變化在8°～20°之間，斷層不甚發(fā)育。首山一礦全區(qū)可采煤層共兩層，分別為二疊系下統(tǒng)山西組的二1煤層和下石盒子組的四2煤層，也是煤礦采掘設(shè)計(jì)的主采煤層。四2煤層位于下石盒子組，煤厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，四2煤層空氣干燥基含氣量為3.74～5.53 m3/t；二1煤層位于山西組下部，煤厚為2.76～10.22 m，一般5.00～7.00 m，平均6.15 m，上距四2煤層平均距離170 m。二1煤層空氣干燥基含氣量為2.86～3.85 m3/t。

為了提前解決煤礦開采中的瓦斯隱患，前期在首山一礦實(shí)施了1組地面瓦斯抽采試驗(yàn)井組，由5口煤層氣直井組成，分別為01、02、03、04、05井，呈正方形井網(wǎng)布置，井間距200 m×200 m。各井均采用二開井身結(jié)構(gòu)、套管射孔完井、水力加砂壓裂、有桿泵排水采氣工藝，對(duì)主采煤層四2、二1煤層進(jìn)行分層壓裂、合層排采。結(jié)果顯示合層排采效果不理想，單井最大日產(chǎn)氣量為586 m3，平均日產(chǎn)氣量為41～350 m3。煤層氣井排采效果具體情況見表1。后期由于5口井產(chǎn)氣量低，日常維護(hù)費(fèi)用大，各井已停止排采。

表1 首山一礦煤層氣井排采效果

2 合層排采產(chǎn)氣特征

排采是煤層氣勘探開發(fā)工程的歸結(jié)點(diǎn)，是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一，客觀地反映了煤層氣井的產(chǎn)氣特征及效果。排采工作的好壞，直接關(guān)系到煤層氣開發(fā)的成敗。下面以首山一礦01井為例說明其合層排采產(chǎn)氣特征。01井上部四2煤層深度為631.18～633.48 m，厚度為2.30 m，下部二1煤層深度為811.43～816.80 m，厚度為5.37 m，上距四2煤層177.95 m。01井液面深度與日產(chǎn)氣量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 01井液面深度與日產(chǎn)氣量的關(guān)系圖

合層排采必須兩層煤都產(chǎn)氣才有意義。01井上部四2煤層隨著排采開始會(huì)首先產(chǎn)氣，下部二1煤層上距四2煤層177.95 m，換算成流體壓力約為1.78 MPa。而根據(jù)實(shí)測(cè)含氣量、等溫吸附結(jié)果計(jì)算二1煤層臨界解吸壓力是0.40～0.46 MPa，小于煤層間距對(duì)應(yīng)的流體壓力1.78 MPa。所以為使01井四2、二1煤層共同產(chǎn)氣，必須使井筒內(nèi)液面降至四2煤層以下。故該井合層排采必須暴露上部四2煤層。

由圖1可知，01井排采過程根據(jù)產(chǎn)氣量變化情況可劃分為兩個(gè)時(shí)期：從排采開始到產(chǎn)氣量快速增加到最大值階段；產(chǎn)氣量從最大值快速降低階段。第1階段，排采開始井筒內(nèi)液面由202.57 m開始下降，井底流壓隨之降低，當(dāng)液面降至488.58 m，達(dá)到四2煤層臨界解吸壓力1.457 MPa時(shí)，四2煤層開始產(chǎn)氣。液面繼續(xù)下降，四2煤層產(chǎn)氣量快速增加，當(dāng)液面降至四2煤層附近，產(chǎn)氣量達(dá)到最大值。第2階段，液面降至四2煤層以下，四2煤層暴露，產(chǎn)氣量快速減少，之后液面繼續(xù)下降但產(chǎn)氣量沒有得到恢復(fù)，最終產(chǎn)氣效果不佳。

隨著煤儲(chǔ)層壓降漏斗的不斷擴(kuò)展，煤層氣井產(chǎn)量應(yīng)持續(xù)增加或趨于穩(wěn)定，但 01井四2煤層暴露后的產(chǎn)氣情況卻恰恰相反。分析認(rèn)為，四2煤層暴露可能是該井產(chǎn)氣量快速下降的原因。

3 煤層暴露對(duì)產(chǎn)氣的影響

本文從首山一礦煤儲(chǔ)層特征出發(fā)，結(jié)合01井實(shí)際排采過程，分析煤層暴露對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣的影響。

平頂山礦區(qū)由于先后受到中岳、懷遠(yuǎn)、加里東、印支、燕山和喜山六期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重，其煤層孔隙、裂隙比較發(fā)育。首山一礦四2煤層以碎裂煤為主，次為碎粒煤，煤體松軟。四2煤層煤巖特征見表2，由表2可以看出，四2煤層煤巖具有煤體強(qiáng)度低、滲透率低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)的特點(diǎn)。

表2 四2煤層煤巖特征

眾所周知，煤層氣的產(chǎn)出包括解吸、擴(kuò)散和滲流3個(gè)相互銜接連續(xù)的過程。煤層氣主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存在煤的孔隙中，通過地面煤層氣井的排水降壓，煤層氣從煤基質(zhì)表面解吸，并從孔隙擴(kuò)散、滲流至煤層氣井筒，最終產(chǎn)出地面。煤層氣的擴(kuò)散滲流通道順暢，煤儲(chǔ)層滲透性好，產(chǎn)氣量才會(huì)高。煤層氣井排采過程中煤儲(chǔ)層滲透率動(dòng)態(tài)變化特征主要受有效應(yīng)力效應(yīng)和煤基質(zhì)收縮效應(yīng)共同控制。有效應(yīng)力效應(yīng)占主導(dǎo)地位時(shí)，儲(chǔ)層壓降越大，滲透率降低量越大；煤基質(zhì)收縮效應(yīng)占主導(dǎo)地位時(shí)，儲(chǔ)層壓降越大，滲透率增加量越大。

首山一礦01井排采按照穩(wěn)定、緩慢的排采控制原則，排采過程中總體上液面下降速度<10 m/d，見圖1。排采開始，液面緩慢下降，儲(chǔ)層壓力隨之降低，為水的單相流動(dòng)階段。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降至上部四2煤層臨界解吸壓力后，一定數(shù)量的煤層氣從煤基質(zhì)表面解吸形成孤立、互相不連接的氣泡，四2煤層開始產(chǎn)氣。隨著液面繼續(xù)下降，四2煤層儲(chǔ)層壓力進(jìn)一步下降，更多數(shù)量的煤層氣解吸，氣泡間相互連接進(jìn)而形成連續(xù)的流線，氣相開始流動(dòng)，形成氣液兩相流，水相對(duì)滲透率逐漸降低，氣相對(duì)滲透率逐漸增加，產(chǎn)氣量逐漸增加到最大值。為使該井四2、二1煤層共同產(chǎn)氣，液面必須降至四2煤層以下，使四2煤層暴露。四2煤層為碎裂煤和碎粒煤，煤巖抵抗形變能力弱，裂隙壓縮/膨脹系數(shù)大，滲透率應(yīng)力敏感性強(qiáng)，有效應(yīng)力效應(yīng)占主導(dǎo)地位。四2煤層暴露后，四2煤層儲(chǔ)層壓降最大，其滲透率降低量也最大。井筒附近氣水兩相流態(tài)在短期內(nèi)急劇轉(zhuǎn)換，近井地帶形成液相低滲區(qū)，使地層水難以排出，壓降漏斗擴(kuò)展困難。四2煤層缺少流體支撐其產(chǎn)氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)氣通道被壓實(shí)破壞，滲透率下降，導(dǎo)致四2煤層產(chǎn)氣量快速下降。之后液面繼續(xù)下降但產(chǎn)氣量沒有得到恢復(fù)，最終產(chǎn)氣效果不佳。

4 結(jié)論及建議

(1)首山一礦5口煤層氣井合層排采產(chǎn)氣效果不理想。四2煤層暴露造成了產(chǎn)氣量快速下降和最終產(chǎn)氣效果不佳。

(2)首山一礦四2、二1煤層間距較大，為使四2、二1煤層達(dá)到合層排采的效果，排采過程中必須暴露上部四2煤層。四2煤層為碎裂煤和碎粒煤，滲透率應(yīng)力敏感性強(qiáng)，有效應(yīng)力效應(yīng)占主導(dǎo)地位。當(dāng)四2煤層暴露后，四2煤層儲(chǔ)層壓降最大，其滲透率降低量也最大。近井地帶形成液相低滲區(qū)，使地層水難以排出，壓降漏斗擴(kuò)展困難。四2煤層缺少流體支撐其產(chǎn)氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)氣通道被壓實(shí)破壞，導(dǎo)致四2煤層產(chǎn)氣量快速下降。

(3)綜合考慮上述因素，筆者對(duì)平頂山礦區(qū)及類似煤礦區(qū)煤層氣合層開發(fā)提出了以下建議：四2、二1煤層間距較大，在現(xiàn)有技術(shù)條件下不建議進(jìn)行合層開發(fā)；可先對(duì)下部二1煤層進(jìn)行開發(fā)，后封堵二1煤層，再對(duì)四2煤層進(jìn)行開發(fā)；四2煤體強(qiáng)度低、應(yīng)力敏感性強(qiáng)，排采過程中應(yīng)避免暴露煤層。