摘 "要：深煤層井開采是煤炭及煤層氣資源利用的重要領(lǐng)域，其生產(chǎn)特征及影響因素的研究對于提高開采效率和資源利用率具有重要意義。本文將從地質(zhì)因素、開采技術(shù)兩個方面深入分析深煤層井的生產(chǎn)特征及其影響因素，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，以期為深煤層井的高效開發(fā)提供理論支持和實踐指導。

關(guān)鍵詞：開采效率；地質(zhì)因素；開采技術(shù)

1、前言

20世紀80年代以來，中國主要在小于2000m的含煤地區(qū)勘探開發(fā)煤層氣。根據(jù)2016年中國石油第四次全國油氣資源評價結(jié)果，中國小于2000 m深度的煤層氣資源量（總地質(zhì)資源）約為30.05 × 1012 m3，可采資源量為12.50 × 1012m3[1]。同時，我國深部煤層氣資源豐富，開發(fā)潛力巨大，具有重要的能源戰(zhàn)略價值。最近的研究表明，中國1000 至2000 m的煤層氣資源量約為18.80 × 1012 m3，可采資源量約為7.04 × 1012 m3。此外，中國2000 m以下煤層氣資源量約為40.71 × 1012 m3，可采資源量約為10.01 × 1012 m3[2]。

相較于淺層煤層，深部煤層氣的地質(zhì)條件優(yōu)勢在于其含氣量、含氣飽和度、儲層壓力和臨界解吸壓力，但是滲透率低、水力壓裂難度大、低效井比例高、高產(chǎn)井產(chǎn)量下降快是深層煤層氣目前面臨的開采難題[3]。

深煤層井的地質(zhì)條件復雜，主要表現(xiàn)為高地應(yīng)力、高地溫和高流體壓力[4]，這些特點對開采過程中的圍巖穩(wěn)定性、瓦斯防治、熱害治理等方面提出了更高要求。此外，深部煤巖儲層具有多重孔-裂隙系統(tǒng)[5]，微孔、介孔、宏孔和微裂縫的體積占比較大，儲集與保存條件較好[6]，但同時也增加了開采難度。目前認知中，煤層氣主要以吸附態(tài)、游離態(tài)和水溶性存在[7]，其存在方式及占比的不同，使煤層氣井有了三種不同的生產(chǎn)特征（見圖1）。

深部煤層氣井的開發(fā)，除受地質(zhì)條件的影響外，也會受到工程因素影響，井型的選擇、工程質(zhì)量的好壞、儲層激勵技術(shù)的選擇[8]以及開采配套技術(shù)的選取[9]都直接影響到后期的生產(chǎn)效果。

2、生產(chǎn)特征

煤層氣在煤層中的賦存狀態(tài)多種多樣，包括吸附態(tài)、游離態(tài)和水溶性。深煤層井的生產(chǎn)特征主要表現(xiàn)為早期產(chǎn)量高、遞減快。由于深部煤層氣含氣量高且吸附氣與游離氣共存，氣井生產(chǎn)過程中游離氣產(chǎn)出依賴地層彈性能量，吸附氣產(chǎn)出依賴于地層壓力降低，因此早期產(chǎn)量會快速提升，隨著地層壓力的降低，產(chǎn)量會逐漸遞減。由于賦存狀態(tài)的不同，實際生產(chǎn)中主要有游離氣占主導，自噴生產(chǎn)、游離氣較豐富，上產(chǎn)快但高產(chǎn)期短、吸附氣為主，需穩(wěn)定排水降壓多種生產(chǎn)特征。

2.1 游離氣占主導

游離氣是指儲存在煤層孔隙或裂隙中能自由運移的天然氣。在煤層中，游離氣量取決于儲氣孔隙和裂隙空間的大小以及溫度、壓力等因素。在地層條件較好，含氣飽和度高、儲氣孔隙和裂隙空間條件好的區(qū)域，開采初期，地層壓力較高，游離氣在煤層中占據(jù)主導地位。采用優(yōu)選管柱自噴排水采氣法，促使地層流體（包括游離氣和水）自噴到井口，地面通常需配備分離器配合生產(chǎn)。

2.2 游離氣與吸附氣共存

煤層氣開發(fā)的初期，由于煤層裂隙網(wǎng)絡(luò)中飽和水，首先需要排出裂隙網(wǎng)絡(luò)中的承壓水，降低煤層壓力。此階段，游離氣可能占據(jù)主導地位，因為游離氣更容易在裂隙網(wǎng)絡(luò)中流動和產(chǎn)出。隨著排水降壓的進行，煤層壓力逐漸降低，吸附氣開始解吸。在儲層壓力較高的初期階段，游離氣占主導地位，產(chǎn)出的煤層氣主要來源于裂隙中的游離氣。隨著儲層壓力的逐漸降低，吸附氣開始解吸并貢獻給總產(chǎn)氣量，產(chǎn)出氣體中吸附氣的占比逐漸上升。在煤層氣開發(fā)的后期，當儲層壓力降至一定水平時，吸附氣的解吸速度趨于穩(wěn)定，此時產(chǎn)出的氣體主要來源于吸附氣的持續(xù)解吸和游離氣的少量貢獻。

2.3 吸附氣為主

在大部分地質(zhì)條件一般的區(qū)域，其儲層物性通常較差，尤其是滲透率低，大多小于0.1mD，滲流條件較差。同時，該類區(qū)域深部煤巖儲層通常具有高地應(yīng)力和高流體壓力的特點。高地應(yīng)力可能導致煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)配置較差，裂隙受壓縮趨于閉合，從而降低滲透率。高流體壓力則可能增加開采過程中的難度和風險，需要采取有效的技術(shù)措施來應(yīng)對。通過配備抽油機進行穩(wěn)定的排水降壓，從而將以吸附狀態(tài)存在于煤基質(zhì)的微孔隙中的煤層氣解吸為游離態(tài)，并運移至井口。

3、影響因素分析

3.1 地質(zhì)因素

深煤層井的生產(chǎn)受地質(zhì)因素的制約，深煤層的地質(zhì)條件通常更為復雜，存在更多的不確定性因素。煤層的埋深以及煤層條件直接關(guān)系到滲透率、含氣飽和度、臨界解析壓力等關(guān)鍵生產(chǎn)因素，水文地質(zhì)條件對煤層氣保存和開采作業(yè)具有重要影響。排水降壓是煤層氣開發(fā)的重要手段之一，而水文地質(zhì)條件的好壞直接影響排水效率和煤層氣井產(chǎn)量。

3.1.1 煤層埋深的影響

煤層埋深對煤層氣井產(chǎn)量的影響也十分顯著。煤層埋藏越淺，地應(yīng)力低、滲透率高，排水降壓容易，氣井產(chǎn)量就越高。然而，對于深煤層井而言，由于埋深較大，地應(yīng)力高、滲透率低，開采難度和成本都會相應(yīng)增加。同時，隨著埋深的增加，儲層壓力增大，煤層氣的解吸難度增加。較高的儲層壓力需要更高的臨界解吸壓力才能啟動解吸過程，這不利于煤層氣的開采。另外，煤層埋深還可能通過影響煤層厚度、頂板巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素間接影響煤層氣井的產(chǎn)能。

3.1.1 煤層條件的影響

煤層厚度是影響煤層氣井產(chǎn)量的重要因素之一。煤層厚度越大，向井筒滲流匯聚的煤層氣就越充足，產(chǎn)氣量就越高。因此，在選擇開采煤層時，應(yīng)優(yōu)先考慮厚度較大的煤層。煤層氣含量是決定煤層氣豐度高低的關(guān)鍵參數(shù)，也是影響煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制因素。煤層氣含量越高，氣井產(chǎn)量就越高。滲透率是煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制參數(shù)之一。我國煤層氣勘探開發(fā)中的煤層滲透率普遍較低，是制約煤層氣開發(fā)的主要地質(zhì)因素，因此，提高煤層滲透率是提高氣井產(chǎn)量的關(guān)鍵。

3.1.2 水文地質(zhì)條件的影響

煤層氣主要在煤基中以吸收狀態(tài)儲存，同時包含少量的游離氣體和水溶氣。水文地質(zhì)條件中的地下水動力條件對煤層氣的賦存具有重要影響。在停滯區(qū)和沉壓區(qū)，由于水動力條件較弱，有利于煤層氣的保存；在水動力條件強的地區(qū)，煤層氣含量較低，因為流動的地下水可能對煤層氣的保存產(chǎn)生破壞作用。高含水層勢能與高儲層壓力的區(qū)域往往是煤層氣較為富集的區(qū)域，因為這些條件有利于煤層氣的保存。相反，在含水層勢能與儲層壓力較低的區(qū)域，煤層氣極有可能出現(xiàn)逸散現(xiàn)象。

3.2 開采技術(shù)因素

3.2.1 鉆井技術(shù)的影響

不同的井型設(shè)計對煤層氣的開采效率有不同的影響。直井適用于中高滲透煤層，成本低但單井產(chǎn)量普遍較低；多分支水平井能增加泄氣面積，提高單井產(chǎn)氣量，但鉆井費用高、井壁穩(wěn)定性差。因此，在選擇井型時需要根據(jù)煤層特性和開采目標進行綜合考慮。

鉆井質(zhì)量包括井底水平位移、井徑變化、煤層段擴孔等因素。鉆井液的選擇也直接影響煤層氣井的生產(chǎn)。鉆井液需要與煤層有良好的配伍性，避免固相顆粒及泥餅堵塞油氣通道，防止濾失液使地層中粘土膨脹而堵塞地層孔隙。不合適的鉆井液可能導致煤層氣井的產(chǎn)量降低，甚至無法產(chǎn)出煤層氣。

3.2.1 儲層激勵技術(shù)的影響

儲層激勵技術(shù)主要包括導流類、增壓類、飽和類等。

導流類主要是指大規(guī)模體積壓裂技術(shù)，通過向煤層中注入高壓水，并攜帶砂粒，使煤層產(chǎn)生裂縫，從而提高煤層的導流能力。此類技術(shù)可以擴大儲層滲透性，增加油氣流動通道，從而提高油氣采集率。

增壓類的原理是降低井筒周圍的壓力，增加煤層氣的解吸速度和產(chǎn)出量，主要方式有抽油機排水降壓、氣舉、泡排生產(chǎn)等，這種技術(shù)通常與其他激勵技術(shù)結(jié)合使用，以提高煤層氣的采收率。

飽和類指的是煤層中注入氮氣、二氧化碳等氣體，以增加煤層氣的飽和度，通過置換出煤層中的甲烷，提高煤層的滲透率，增加煤層氣的產(chǎn)出量。

根據(jù)具體的煤層特性和開發(fā)需求選擇和組合應(yīng)用合適的儲層激勵技術(shù)對于深煤層井生產(chǎn)具有重要影響。

3.2.2 開采配套技術(shù)的影響

對于地層壓力較高、儲層條件好的深煤層氣井，選擇合適的管柱使其自噴生產(chǎn)最為關(guān)鍵，而對于初期可以自噴生產(chǎn)，后期地層能力降低，或初期地層能力不足吸附氣為主要存在狀態(tài)的氣井，應(yīng)采取合適的排采措施。排水降壓的原理主要是利用抽排設(shè)備將煤層中的承壓水抽出，從而降低煤儲層壓力。當煤層氣井開始排采后，井筒中的液面下降，在煤層氣井筒和煤層中形成壓力差，地下水從壓力高的地方流向壓力低的地方，因此，煤層中的地下水就源源不斷地流向井筒中，使得煤層中的壓力不斷下降，并逐漸向遠方擴展，最終在以井筒為中心的煤層段形成一個水頭壓降漏斗。隨著抽水的延續(xù)，該壓降漏斗不斷擴大和加深，煤層中的壓力逐漸降低，直至達到臨界解吸壓力以下，煤層氣開始解吸并產(chǎn)出，在此過程中，壓降速度的控制直接影響到后期生產(chǎn)效果，壓降速度過快會對煤層氣產(chǎn)生不利影響。壓降過快，前期見氣早、上產(chǎn)速度快但其穩(wěn)產(chǎn)期短，煤層基巖發(fā)生應(yīng)力敏感，導致裂隙、割理閉合，不利于壓降漏斗的形成，外圍煤層氣無法解析，影響煤層氣的生產(chǎn)。因此，針對不同的深煤層氣井，配套不同的開采技術(shù)，對深煤層氣井生產(chǎn)具有重要影響。

四、結(jié)論

對于投產(chǎn)層厚度較薄的井，應(yīng)通過優(yōu)化層系組合，將多個薄層合并開采，以提高產(chǎn)液量和產(chǎn)氣量。通過壓裂、注入CO2等技術(shù)手段提高煤層滲透率，增加煤層氣的流動性和可采性。加強地質(zhì)勘探和監(jiān)測工作，準確掌握煤層地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，為開采方案的設(shè)計和實施提供可靠依據(jù)。另外，積極推廣多分支水平井、超短半徑水力噴射鉆井等先進開采技術(shù)，以提高深煤層井的開采效率和產(chǎn)量。

深煤層井的生產(chǎn)特征及影響因素復雜多樣，需要綜合考慮地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素。通過優(yōu)化層系組合、提高煤層滲透率、加強地質(zhì)勘探和監(jiān)測以及推廣先進開采技術(shù)等措施，可以實現(xiàn)深煤層井的高效、安全開發(fā)。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和經(jīng)驗的不斷積累，深煤層井的開采效率和資源利用率將得到進一步提升。

參考文獻

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作者單位：中聯(lián)煤層氣有限責任公司