杜豐豐，倪小明，張亞飛,2,，王文升，王 凱

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000；2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100010；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300450）

0 引言

沁水盆地壽陽(yáng)區(qū)塊煤層氣資源豐富，具有較大的產(chǎn)氣潛力[1]。然而研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)氣效果并不太理想，整體表現(xiàn)為產(chǎn)水量高、產(chǎn)氣量低[2]。地面煤層氣井主要通過(guò)排水降壓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣[3]，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層含氣量的富集、產(chǎn)出具有重要影響[4]。壽陽(yáng)區(qū)塊水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的控藏作用方面的研究相對(duì)薄弱，對(duì)煤層氣井的控產(chǎn)特征不清楚，導(dǎo)致目前煤層氣井位布置存在較多問(wèn)題，達(dá)產(chǎn)井相對(duì)少。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者先后采用物理模擬[5]、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法分析了水動(dòng)力、水化學(xué)的控氣作用，發(fā)現(xiàn)封閉緩慢的水動(dòng)力條件有利于煤層氣富集，即滯留區(qū)、弱徑流區(qū)富氣，補(bǔ)給區(qū)和強(qiáng)徑流區(qū)貧氣[6-8]，礦化度、鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)等水化學(xué)特征參數(shù)是反映煤層氣富集程度的重要指標(biāo)[9]；水力封堵和水力封閉作用有利于煤層氣富集，水力逸散作用往往導(dǎo)致煤層含量較低[10]。學(xué)者們通過(guò)分析水化學(xué)參數(shù)與產(chǎn)能的關(guān)系，探討了水文地質(zhì)條件的控產(chǎn)規(guī)律。發(fā)現(xiàn)：水文地質(zhì)條件除控氣作用外，排采過(guò)程中對(duì)產(chǎn)水量和降壓速度具有重要影響[11]；地下水流動(dòng)緩慢的滯流區(qū)煤層氣井多為高產(chǎn)水低產(chǎn)氣[12]；提出了更具普適意義的地層水封閉性指數(shù)，中等封閉指數(shù)與Cl-返排率越高含量越大，煤層氣井產(chǎn)氣效果越好[13]；依據(jù)δD 和δ18O 與日產(chǎn)水、日產(chǎn)氣的高相關(guān)性，建立了水化學(xué)產(chǎn)能預(yù)測(cè)公式[14]。通過(guò)探討煤層氣富集高產(chǎn)的水文控制規(guī)律，建立了富集高產(chǎn)區(qū)的水文指標(biāo)，優(yōu)選了煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)[15]。前人對(duì)壽陽(yáng)松塔區(qū)塊的水文地質(zhì)條件進(jìn)行了研究，探討了水文控氣作用[16]，通過(guò)綜合分析壽陽(yáng)區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)水差異原因,提出了“避水采氣”的有利區(qū)優(yōu)選方法[17]；然而研究區(qū)的水文控藏模式、控產(chǎn)特征研究相對(duì)薄弱。為此，通過(guò)排采水離子測(cè)試，水化學(xué)特征和水動(dòng)力分區(qū)劃分了控藏模式；分析不同控藏模式下煤層氣井的排采曲線(xiàn)形態(tài)，劃分了控產(chǎn)類(lèi)型，提出了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)建議，以期為該區(qū)井位部署提供重要指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)與開(kāi)發(fā)概況

壽陽(yáng)地區(qū)位于沁水盆地北部斜坡區(qū)，松塔區(qū)塊位于壽陽(yáng)東部。區(qū)塊整體為南傾的單斜構(gòu)造，主要受東西向擠壓而形成小型鼻狀構(gòu)造，發(fā)育小規(guī)模斷層。主要煤層為山西組3 號(hào)、太原組9 號(hào)和15 號(hào)，其中15 號(hào)煤為目前開(kāi)發(fā)的主力煤層。15 號(hào)煤層埋深介于769.2～1 467.3 m，總體北淺南深；15 號(hào)煤層厚度介于3～8.58 m，向南逐漸增厚。煤體結(jié)構(gòu)以碎裂-碎粒煤為主，部分地區(qū)發(fā)育碎粒-糜棱煤。

目前，該區(qū)煤層氣產(chǎn)氣井共49 口。以平均日產(chǎn)水量＜5 m3/d、5～15 m3/d、≥15 m3/d 和平均日產(chǎn)氣量＜300 m3/d、300～500 m3/d、≥500 m3/d 分別劃分為低、中、高產(chǎn)井。主要表現(xiàn)出“高產(chǎn)水低產(chǎn)氣、中產(chǎn)水低產(chǎn)氣、高產(chǎn)水中產(chǎn)氣、低產(chǎn)水低產(chǎn)氣、低產(chǎn)水高產(chǎn)氣”等5 種類(lèi)型。研究區(qū)底板構(gòu)造形跡及產(chǎn)氣井類(lèi)型分布如圖1 所示。

圖1 15 號(hào)煤底板標(biāo)高等值線(xiàn)與生產(chǎn)特征分布Fig.1 Floor elevation contour and production characteristics distribution map of No.15 coal seams

2 基于“水化學(xué)+水動(dòng)力”特征參數(shù)的控藏模式

大量研究表明：地下水動(dòng)力強(qiáng)弱對(duì)煤層氣的聚集與逸散具有控制作用。排采水的離子特征、礦化度、水化學(xué)參數(shù)反映了地下水動(dòng)力強(qiáng)弱與煤層氣富集關(guān)系[8-9]。本次首先分析排采水化學(xué)、水動(dòng)力特征及其控氣作用；然后通過(guò)水化學(xué)與水動(dòng)力強(qiáng)弱相結(jié)合進(jìn)行水動(dòng)力分區(qū)；在此基礎(chǔ)上劃分控藏模式。

2.1 煤層氣井排采水化學(xué)特征及控氣作用

水化學(xué)特征間接反映了水動(dòng)力的強(qiáng)弱。為此，對(duì)排采半年以上的煤層氣井排采水進(jìn)行常規(guī)離子測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。排采水離子與礦化度關(guān)系如圖2 所示，排采水離子礦化度等值線(xiàn)如圖3 所示。

表1 研究區(qū)15 號(hào)煤排采水離子測(cè)試結(jié)果Table 1 Study area No.15 coal drainage water ion test results

圖2 離子濃度與礦化度關(guān)系Fig.2 Relationship between ion concentration and salinity

圖3 15 號(hào)煤層礦化度等值線(xiàn)Fig.3 mineralization contours of No.15 coal seams

由測(cè)試結(jié)果可知：排采水離子以Na+、Cl-、為主，礦化度介于1 058.27～7 789.10 mg/L。陽(yáng)離子以Na+離子為主，隨著礦化度增加，陰離子由逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃l-。

礦化度整體由北向南逐漸增大，東北部礦化度最大，西南部次之，西北部最小。究其原因，局部水動(dòng)力封閉作用是導(dǎo)致東北部礦化度大的主要原因；地下水流動(dòng)緩慢及所處向斜核部導(dǎo)致西南部礦化度較大；西北部地下水動(dòng)力作用較強(qiáng)，礦化度最小。

由蘇林（1946）分類(lèi)法知，排采水化學(xué)類(lèi)型為CaCl2和NaHCO3。鈉氯系數(shù)[r(Na+)/r(Cl-)]、變質(zhì)系數(shù)[r(Cl--Na+)/r(Mg2+)]與碳酸鹽平衡系數(shù)分別是反映地下水變質(zhì)濃縮程度、變質(zhì)和陰陽(yáng)離子交換作用強(qiáng)弱、脫碳酸作用強(qiáng)弱的重要參數(shù)，常用來(lái)表征地下水活躍程度和地層封閉性的好壞[16]，r為離子當(dāng)量，meq/L。鈉氯系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)越小，變質(zhì)系數(shù)越大，表明地下水流動(dòng)越緩慢，地層封閉性越好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取煤層含氣量。排采水化學(xué)參數(shù)與含氣量關(guān)系如圖4 所示。

由圖4 可知礦化度、鈉氯系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)與含氣量的相關(guān)性較好。隨著礦化度增加，含氣量逐漸增加。當(dāng)?shù)V化度≥5 595 mg/L 時(shí)，含氣量≥12 m3/t。鈉氯系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)越小，變質(zhì)系數(shù)越大，含氣量越大。當(dāng)鈉氯系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)分別≤1.13、≥-17.75、≤7.27 時(shí)，含氣量≥12 m3/t；否則＜12 m3/t。

2.2 水動(dòng)力特征及控氣作用

地下水勢(shì)能較清楚的反映出地下水動(dòng)力的強(qiáng)弱[15]。分別用煤層底板標(biāo)高與生產(chǎn)井初始動(dòng)液面高度代替位置水頭與壓力水頭，兩者求和獲取地下水勢(shì)。研究區(qū)礦化度、儲(chǔ)層壓力等值線(xiàn)和地下水勢(shì)等值線(xiàn)分別如圖5 和6 所示。

從圖5 和圖6 可看出：研究區(qū)儲(chǔ)層壓力介于2.75～11.04 MPa，整體呈現(xiàn)北低南高的特征，中部部分區(qū)域儲(chǔ)層壓力較高。地下水勢(shì)在-13～1 111 m，地下水整體由北向南流動(dòng)。地下水勢(shì)與含氣量的關(guān)系如圖7所示。

圖7 地下水勢(shì)與含氣量關(guān)系Fig.7 Relationship between groundwater potential and gas content

從圖7 可知：地下水勢(shì)與含氣量之間呈負(fù)線(xiàn)性相關(guān)性，相關(guān)性較高。當(dāng)?shù)叵滤畡?shì)≥646 m 時(shí)，含氣量≤12 m3/t。

2.3 水動(dòng)力分區(qū)及水化學(xué)特征

根據(jù)水化學(xué)參數(shù)、地下水勢(shì)與含氣量的關(guān)系及其臨界值，將研究區(qū)水動(dòng)力劃分為徑流區(qū)、弱徑流區(qū)和滯流區(qū)。劃分結(jié)果如圖8 所示。

圖8 15 號(hào)煤水動(dòng)力分區(qū)結(jié)果Fig.8 hydrodynamic division results of No.15 coal

不同水動(dòng)力分區(qū)下排采水化學(xué)特征見(jiàn)表2。

表2 不同水動(dòng)力分區(qū)下排采水化學(xué)特征Table 2 Chemical characteristics of drainage water in different hydrodynamic zones

由表2 可知：弱徑流區(qū)和滯流區(qū)礦化度較大。隨著水動(dòng)力減弱，鈉氯系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)由大變小，變質(zhì)系數(shù)由小變大，地層封閉性變好。

2.4 控藏模式

研究區(qū)含氣量為1.75～18.04 m3/t，以含氣量＜12 m3/t、12～16 m3/t、≥16 m3/t 分別劃分為貧氣區(qū)、較富集區(qū)、富集區(qū)，劃分結(jié)果如圖9 所示。

圖9 煤層氣富集區(qū)劃分結(jié)果Fig.9 Division results of coalbed methane enrichment area

由圖9 可知，煤層氣富集區(qū)位于研究區(qū)東北部、西南部和中東部。

水文控氣作用可分為水力逸散、封堵、封閉等三種[11]，控氣作用機(jī)理及富集程度見(jiàn)表3。

表3 水文控氣作用機(jī)理及富集程度Table 3 Mechanism and enrichment degree of hydrological gas control

根據(jù)研究區(qū)水動(dòng)力分區(qū)和富集區(qū)帶分布，沿剖面線(xiàn)A—A’和B—B’對(duì)控藏模式進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 研究區(qū)水動(dòng)力控藏模式Fig.10 Hydrodynamic reservoir control model in the study area

剖面線(xiàn)A—A’由NW 至SE 控藏模式依次為水力逸散、封堵、封閉、逸散型。含氣量表現(xiàn)為“先增加-波動(dòng)-下降”的特征。北部SY-1 井周?chē)畡?dòng)力較強(qiáng)，水動(dòng)力逸散作用明顯，含氣量小于12 m3/t；SY-1至SY-15 井周?chē)鸀閱涡睒?gòu)造區(qū)，水力封堵作用使煤層氣富集，含氣量≥12 m3/t；SY-4 至SY-14 周?chē)叵滤畡?shì)較大，在水壓下水力封閉使煤層氣富集，含氣量為13.01～17.2 m3/t；SY-14 井以西地下水勢(shì)降低，水動(dòng)力強(qiáng)，地下水向SW 匯集，水力逸散作用下導(dǎo)致含氣量降低。

剖面線(xiàn)B—B’由NW 至SE 控藏模式依次為水力逸散、封堵、逸散、封堵型。含氣量表現(xiàn)為“減小-增加-減小-增加”的變化規(guī)律。北部SY-3、SY-8 井周?chē)叵滤畡?shì)較大，水動(dòng)力較強(qiáng)，逸散作用導(dǎo)致煤層氣含氣量小于12 m3/t；SY-3 至SY-8 井周?chē)鸀榫植康屯萏帲幱谌鯊搅鲄^(qū)，水力封堵作用使煤層氣相對(duì)富集，含氣量大于12 m3/t；SY-21 井周?chē)鸀榈叵滤畢R集處，水力封堵作用使煤層氣富集，含氣量為12.15 m3/t。

兩條剖面線(xiàn)整體均為單斜構(gòu)造，局部的低洼或平緩處成為煤層氣富集區(qū)。A—A’的局部隆起，形成局部高點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)中可形成動(dòng)態(tài)氣藏，有利區(qū)煤層氣富集、解吸[20]。

3 不同控藏模式下煤層氣井的產(chǎn)氣特征及開(kāi)發(fā)建議

影響煤層氣井產(chǎn)水產(chǎn)氣的因素可分為地質(zhì)、工程、排采工作制度[21]等，其中地質(zhì)儲(chǔ)層是基礎(chǔ)，工程措施是關(guān)鍵，排采制度是保障。研究區(qū)不同控藏模式下煤層氣井生產(chǎn)特征鮮明，其對(duì)煤層氣井生產(chǎn)具有一定指示意義，為此對(duì)不同控藏模式煤層氣井控產(chǎn)特征分析，確定產(chǎn)能主控因素，能為煤層氣井開(kāi)發(fā)建議的提出奠定基礎(chǔ)。

3.1 不同控藏模式下煤層氣井的產(chǎn)氣特征

水動(dòng)力控藏模式的差異對(duì)煤層氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣曲線(xiàn)形態(tài)具有較大影響。篩選并剔除工程、排采制度影響較大的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，不同控產(chǎn)模式下煤層氣井產(chǎn)水產(chǎn)氣形態(tài)及成因機(jī)制見(jiàn)表4。

表4 不同控藏模式下煤層氣井的產(chǎn)水產(chǎn)氣類(lèi)型及成因機(jī)制Table 4 Gas production types and formation mechanism of coalbed methane wells under different reservoir control modes

由表4 可知，強(qiáng)水動(dòng)力對(duì)煤層含氣量和供液能力影響大，結(jié)合儲(chǔ)層滲透性形成了“高產(chǎn)水低產(chǎn)氣、中產(chǎn)水低產(chǎn)氣、高產(chǎn)水中產(chǎn)氣、低產(chǎn)水低產(chǎn)氣、低產(chǎn)水高產(chǎn)氣” 5 種產(chǎn)水產(chǎn)氣曲線(xiàn)類(lèi)型對(duì)應(yīng)典型井的產(chǎn)水產(chǎn)氣曲線(xiàn)實(shí)例如圖11 所示，排采曲線(xiàn)特征及成因見(jiàn)表5。

表5 不同控藏模式下典型井排采曲線(xiàn)特征及成因分析Table 5 Characteristics and cause analysis of drainage curve of typical wells under different reservoir control modes

圖11 壽陽(yáng)區(qū)塊不同控藏模式下典型井排采曲線(xiàn)Fig.11 Typical well discharge and recovery curves in the Shouyang block under different reservoir control modes

由表5 可知，隨著水動(dòng)力增強(qiáng)，地下水供液能力增加，產(chǎn)氣前累計(jì)產(chǎn)水量呈增加的趨勢(shì)；隨著供液能力與儲(chǔ)層滲透率降低，見(jiàn)套壓時(shí)間變晚。徑流區(qū)水動(dòng)力逸散作用導(dǎo)致含氣量低,成為煤層氣井高產(chǎn)的主控因素，地層供液能力、儲(chǔ)層滲透性為次要因素；弱徑流區(qū)水力封堵作用使煤層氣富集的同時(shí)為煤層氣井排采降壓帶來(lái)了困難，供液能力與儲(chǔ)層滲透性成為煤層氣高產(chǎn)的主控因素；滯流區(qū)水力封閉作用在富集煤層氣的同時(shí)形成局部水勢(shì)高點(diǎn)，有利于煤層氣排水降壓，儲(chǔ)層滲透性成為煤層氣井高產(chǎn)的主控因素。

3.2 開(kāi)發(fā)建議

根據(jù)煤層氣井開(kāi)發(fā)特征，針對(duì)煤層氣產(chǎn)能主控因素，提出了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)建議，見(jiàn)表6。

表6 煤層氣井開(kāi)發(fā)措施建議Table 6 Suggestions on development measures of coalbed methane well

4 結(jié)論

1）通過(guò)水化學(xué)、水動(dòng)力特征及其控氣作用分析，進(jìn)行了水動(dòng)力分區(qū)與控藏模式劃分。水動(dòng)力越小，則鈉氯系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)越小，礦化度、變質(zhì)系數(shù)越大，水化學(xué)類(lèi)型由NaHCO3變?yōu)镃aCl2型，含氣量隨之變大。徑流區(qū)以水動(dòng)力逸散作用控制煤層氣逸散，主要在研究區(qū)北部及西北部；弱徑流、滯流區(qū)以水動(dòng)力封堵或水動(dòng)力封閉作用控制煤層氣成藏，水動(dòng)力封堵主要分布在研究區(qū)西北與西南部，水動(dòng)力封閉主要分布在研究區(qū)東北部。

2）根據(jù)水文地質(zhì)條件控藏的供液能力與控氣特點(diǎn)，疊加儲(chǔ)層滲透性，劃分了6 種控產(chǎn)類(lèi)型。水動(dòng)力逸散模式為含氣量主控，容易形成高產(chǎn)水低產(chǎn)氣井。水動(dòng)力封堵模式下整體產(chǎn)水量較大，根據(jù)滲透性差異，容易形成中、高產(chǎn)水低產(chǎn)氣井和高產(chǎn)水中產(chǎn)氣井。水力封閉模式下儲(chǔ)層滲透性的差異可形成高產(chǎn)氣低產(chǎn)水或低產(chǎn)水低產(chǎn)氣井。

3）針對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)能主控因素，提出了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)建議。含氣量或供液能力主控下容易形成高產(chǎn)水低產(chǎn)氣井，整體開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大；滲透性主控導(dǎo)致高、中產(chǎn)水低產(chǎn)氣，應(yīng)注意儲(chǔ)層改造的有效性；排采主控型，開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)注意排采的連續(xù)性，減少儲(chǔ)層傷害。