李夢(mèng)溪 張 聰 張紹雄 石 斌 王立龍 崔新瑞

(華北油田煤層氣分公司,山西 048000)

沁水南部煤層氣田劃分為樊莊、潘莊、鄭莊3個(gè)區(qū)塊,總面積3630km2,煤層氣總資源量為4500億m3,是我國(guó)主要的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)較為成熟的區(qū)塊之一。其中樊莊區(qū)塊總含氣面積為398.23km2,煤層氣總資源量為1043億m3,已探明352.26億m3。目前主要開(kāi)發(fā)為3#煤層煤層氣氣藏。

1 地質(zhì)條件概況

1.1 3#煤層特征

煤層埋深為409～808m,受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,整體呈現(xiàn)東部淺、西部深,北部深南部淺。3#煤層厚度大、分布穩(wěn)定。厚度范圍在4.5～7.3m,平均厚度6.0m。本區(qū)煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主,煤巖變質(zhì)程度高 (Ro%＞3.0),為低孔、低滲儲(chǔ)層,煤層滲透率煤儲(chǔ)層。

1.2 構(gòu)造特征

樊莊區(qū)塊位于固縣-晉城單斜帶。西部有寺頭正斷層,瑤溝正斷層帶、城后腰正斷層,邊緣斷層多N傾,內(nèi)部斷層多S傾,斷距70～300m。東部發(fā)育NNE斷裂,大者有石門正斷層、府底正斷層,并與寺頭斷層斜交,斷距一般50～105m。在固縣地區(qū)發(fā)育NW向傾伏的鼻狀構(gòu)造,可分為固縣鼻狀撓曲帶和布村-北留撓曲帶。沁水縣南發(fā)育城后腰向斜、東山向斜、南坪向斜等,均呈近 EW向延展?？傮w來(lái)說(shuō),樊莊區(qū)塊以中生代東西向、北東向褶皺為主,盆地中部北北東-北東向褶皺發(fā)育。

樊莊區(qū)塊內(nèi)普遍發(fā)育一組或兩組內(nèi)生割理,兩主煤層中內(nèi)生割理密度較沁水盆地其它地區(qū)高,總體上煤層內(nèi)生割理發(fā)育密度在下主煤層較高,上主煤層相對(duì)較低。由于該區(qū)內(nèi)生割理密度越大,因此也較有利于煤層氣的解吸與擴(kuò)散。

1.3 保存條件

樊莊區(qū)塊復(fù)向斜部位是煤層中水的匯聚滯流區(qū),流速緩慢,水中的溶解氣不易大量散失;另外,向斜部位水的礦化度高,進(jìn)一步減小了水對(duì)煤層氣的溶解度,對(duì)煤層氣起到一定的封堵作用。在復(fù)向斜構(gòu)造中,游離氣向次級(jí)背斜集中,煤層氣富集在次級(jí)背斜核部。在正斷層的斷裂帶附近,水動(dòng)力條件較強(qiáng),運(yùn)移帶走煤層氣,煤層氣不易保存,煤層氣井產(chǎn)能也較低。本區(qū)內(nèi)部存在著4條重要的水文地質(zhì)邊界,包括近EW向2條和NNE-NE向2條。其中3條邊界是由次級(jí)隆起形成的地下分水嶺,1條為南部煤層氣富集高產(chǎn)條件具有明顯影響的寺頭斷裂。

樊莊區(qū)塊3#煤層地下水等勢(shì)面 (圖1)整體展布格局為北高南低,西部有寺頭斷層阻擋,東部為煤層露頭區(qū),地下水補(bǔ)給主要來(lái)自樊莊東部煤層露頭區(qū),其被NW向分水嶺分割成兩個(gè)徑流區(qū),形成分別向南北兩邊匯流之勢(shì),對(duì)分水嶺南北兩側(cè)的煤層氣起到了很好的封存作用。而在樊莊區(qū)塊東部,由于地下水補(bǔ)給條件好,造成區(qū)塊東部地下水動(dòng)力條件相對(duì)較強(qiáng),含氣量較低。

圖1 樊莊區(qū)塊3#煤地下水等勢(shì)面圖

1.4 含氣量特征

在樊莊區(qū)塊內(nèi),3#煤煤頂海拔高低直接反映了煤儲(chǔ)層儲(chǔ)層壓力的高低,而儲(chǔ)層壓力高低則直接表達(dá)了煤儲(chǔ)層理論含氣量的高低,因此,3#煤煤頂海拔高低直接控制了煤層含氣量的大小。在構(gòu)造高部位,儲(chǔ)層壓力低,理論含氣量低,構(gòu)造低部位,儲(chǔ)層壓力高,理論含氣量高。斷層附近,由于斷層溝通了頂?shù)装寤驃W陶系含水層,導(dǎo)致斷層附近水動(dòng)力條件活躍,水會(huì)溶解部分甲烷氣體,且為煤層氣提供了良好的運(yùn)移通道,甲烷氣體容易逸散,這兩方面原因可能導(dǎo)致斷層附近井產(chǎn)水量大,含氣量低。一般情況下煤頂海拔高于300m,按含氣量分為富集區(qū),中等區(qū)和貧集區(qū)。富集區(qū)：位于整個(gè)樊莊區(qū)塊的中部,煤頂海拔小于300m,含氣量大于18m3/t,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,有小斷層發(fā)育,水動(dòng)力條件弱。中等區(qū)：位于富集區(qū)東部,煤頂海拔300～350m,含氣量間于12～18m3/t,或背斜構(gòu)造高部位,斷層附近,或斷槽內(nèi)。貧瘠區(qū)：位于構(gòu)造高部位,煤頂海拔大于350m,含氣量小于12m3/t,一般靠近煤層露頭附近,水動(dòng)力活躍區(qū)帶,背斜構(gòu)造高部位。

2 排采階段劃分

通過(guò)不斷的總結(jié)分析煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程中井底流壓的變化,結(jié)合壓力節(jié)點(diǎn)試驗(yàn),研究人員深化了“雙駝峰曲線”理論,在其基礎(chǔ)上提出“單井開(kāi)發(fā)曲線”,豐富了煤層氣生產(chǎn)理論?！皢尉_(kāi)發(fā)曲線”反映了隨井底流壓變化過(guò)程中,地層壓力的變化趨勢(shì)和氣水兩相的產(chǎn)出規(guī)律 (圖2)。

根據(jù)解吸壓力、廢棄壓力和氣量自然上長(zhǎng)段這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),我們把單井生產(chǎn)歷史劃分為四大段五小段,分別定名為排水段、憋壓段、控壓段、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)段和衰竭段。

圖2 排采階段劃分示意圖

2.1 排水段

壓裂液反排時(shí),近井地帶壓開(kāi)的縫發(fā)生變窄或閉合,使壓裂縫遠(yuǎn)端液體無(wú)法返回,產(chǎn)生附加生產(chǎn)壓力,使得井筒靜液柱高度高于儲(chǔ)層壓力,新井投產(chǎn)后泵效接近100%。本階段產(chǎn)出液體為殘留壓裂液和壓裂釋放煤層孔隙水的混合液體。3#煤層的補(bǔ)給速度非常慢,壓裂液殘留壓力釋放后,產(chǎn)水量會(huì)自然下降。

單井生產(chǎn)壓力主要為壓裂液殘留壓力與井底流壓之間的壓差 (如溝通外來(lái)水,產(chǎn)水壓差為補(bǔ)給頭壓力與井底流壓之間壓差),即補(bǔ)給能力為定值,因此,累產(chǎn)水量與井底流壓呈現(xiàn)線性相關(guān)關(guān)系。累產(chǎn)水量值折射出壓降面積的大小。排水降壓過(guò)程中,有效應(yīng)力逐漸增加 (圖3)。由于近井地帶導(dǎo)流能力強(qiáng)、壓降快,有效應(yīng)力相對(duì)增加快,而煤巖的力學(xué)性質(zhì)偏軟塑性,在有效應(yīng)力增強(qiáng)作用下,局部煤巖沿脆弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切變形,使?jié)B流通道出現(xiàn)變窄、閉合現(xiàn)象,造成了產(chǎn)水能力的下降。

圖3 有效應(yīng)力增加示意圖

另外,此階段內(nèi)生產(chǎn)井發(fā)生停抽后,因地層產(chǎn)水能力強(qiáng),將造成井底流壓回升,地層流體流速減緩,正在排出的壓裂煤粉沉淀,堵塞地層通道或造成卡泵。排水期如抽汲速度過(guò)快,近井地帶煤巖過(guò)早解吸產(chǎn)氣,在氣水兩相影響作用下,產(chǎn)水能力減弱,將無(wú)法形成有效的解吸面積。

2.2 憋壓控壓段

近井地帶壓裂裂縫導(dǎo)流能力強(qiáng),壓降快,裂縫內(nèi)煤巖容易解吸產(chǎn)氣。當(dāng)其解吸時(shí),大部分煤層尚未達(dá)到解吸壓力。

2.2.1 憋壓段

煤巖解吸的實(shí)質(zhì)為煤基質(zhì)表面釋放出的甲烷分子在濃度差的作用下,源源不斷的涌向微裂隙,而后進(jìn)入大孔徑滲流通道內(nèi)向井筒運(yùn)移。氣體在擴(kuò)散過(guò)程中遵循費(fèi)克定律,在滲流過(guò)程中遵循達(dá)西定律。

隨煤巖解吸的繼續(xù),解吸氣不斷運(yùn)移到井筒中。解吸后采取憋壓排采時(shí),當(dāng)井筒中井底流壓上升到與近井地帶地層壓力相當(dāng)時(shí),煤基質(zhì)表面達(dá)到氣體解吸與吸附動(dòng)態(tài)平衡,甲烷氣體停止向裂縫擴(kuò)散,此時(shí)地層通道中主要以水相達(dá)西流為主,壓力得以較快傳播,壓降范圍持續(xù)擴(kuò)大。

圖4 賈敏效應(yīng)圖示

解吸產(chǎn)氣初期,解吸氣泡由水流攜帶運(yùn)移,停抽后水流流速降低,氣泡停滯,受毛管力作用的影響,再次運(yùn)移時(shí)啟動(dòng)阻力增大,產(chǎn)生賈敏效應(yīng),堵塞解吸通道和局部滲流通道 (圖4)。

解吸產(chǎn)氣初期,如排采強(qiáng)度大,可使近井地帶煤巖發(fā)生大量解吸,此時(shí)地層產(chǎn)水能力較強(qiáng),滲流通道內(nèi)將形成強(qiáng)混合氣水兩相流。因兩相流密度小,表面張力大,容易攜帶已沉積煤灰運(yùn)移。當(dāng)流體流速降低時(shí),很容易造成煤粉和賈敏效應(yīng)的復(fù)合堵塞,使地層產(chǎn)能損失嚴(yán)重。解吸產(chǎn)氣后,隨解吸面積的增加,供氣能力增強(qiáng),氣相滲透率增大,產(chǎn)水量下降。此時(shí)應(yīng)及時(shí)下調(diào)工作制度,延緩抽汲速度,降低單點(diǎn)解吸速率,防止水相滲透率急劇降低。如抽汲速度過(guò)快,近井地帶煤巖大量解吸,滲流通道內(nèi)氣相增多,由于氣相壓縮性較大,同等有效應(yīng)力作用下更容易使裂縫閉合,造成地層產(chǎn)能損失。

2.2.2 控壓段

憋壓排采時(shí),水相滲透率降低小,解吸面積擴(kuò)大較快,氣量供給能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)工作制度下調(diào)到較低時(shí),水流無(wú)法攜帶氣泡,產(chǎn)生氣堵水現(xiàn)象,造成日產(chǎn)水量下降 (圖5)。

圖5 樊莊區(qū)塊HY18-9井排采曲線

此時(shí),近井地帶地層壓力主要由氣體壓力平衡,應(yīng)緩慢放氣,使井底流壓逐漸下降,增大產(chǎn)水壓差,恢復(fù)地層產(chǎn)水能力。放氣過(guò)程中,排采曲線表現(xiàn)出“雙峰曲線”的第一峰和峰后平穩(wěn)階段。

放氣過(guò)程必須控制套壓降落速率。如套壓降落速率太快,滲流通道內(nèi)有效應(yīng)力相對(duì)增加過(guò)快,會(huì)引起局部煤層微裂隙發(fā)生變窄或閉合,降低氣水兩相滲透率。放氣過(guò)程必須控制放氣速率。如放氣速率太快,氣水兩相流流速增加,攜灰能力增強(qiáng),一但發(fā)生停抽,將造成嚴(yán)重的地層堵塞或卡泵現(xiàn)象。此階段內(nèi)必須減少停抽時(shí)間。停抽后,井底壓力回升,兩相流流速減緩,滲流通道中容易產(chǎn)生賈敏效應(yīng)或煤粉堵塞。

圖6 樊莊區(qū)塊G7-12井排采曲線

2.2.3 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)段

隨排采時(shí)間的延長(zhǎng),煤基質(zhì)收縮效應(yīng)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)作用。煤巖體微裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張,增大了基質(zhì)暴露面積,加快了解吸速率。同時(shí),氣體滑脫效應(yīng)增大了解吸氣向割理、裂隙運(yùn)移的速率。地層供氣能力增強(qiáng),生產(chǎn)井套壓、氣量自然上長(zhǎng),排采曲線表現(xiàn)出“雙峰曲線”的第二峰上升階段。裂縫擴(kuò)展后,部分孔隙束縛水或封閉水被釋放,表現(xiàn)出階段性的低水量產(chǎn)出 (圖6)。本階段屬于自噴產(chǎn)氣,主要受集輸壓力的影響。

2.2.4 衰竭段

當(dāng)井控范圍內(nèi)地層壓力降低至廢棄壓力時(shí),大部分煤巖解吸完畢,產(chǎn)氣量自然下降。但由于塊狀煤巖解吸的緩慢性,局部煤巖仍保持解吸,生產(chǎn)井將保持低產(chǎn)量較長(zhǎng)時(shí)間。

3 產(chǎn)氣產(chǎn)水特點(diǎn)

3.1 不同構(gòu)造產(chǎn)水變化差異大

樊莊區(qū)塊產(chǎn)煤層氣直井產(chǎn)水量差異性大,構(gòu)造、壓裂、排采強(qiáng)度是影響產(chǎn)水量的主要因素。在能夠穩(wěn)定降流壓的排采強(qiáng)度條件下,斷層附近井產(chǎn)水量大,構(gòu)造平緩部位井產(chǎn)水量小,一般達(dá)到平穩(wěn)產(chǎn)氣階段,構(gòu)造平穩(wěn)處井日產(chǎn)水在0～3.5m3/天,平均0.9m3/天,而處于溝通導(dǎo)水層井平均日產(chǎn)水4～30m3/天,平均8.6m3/天。

3.2 不同排采階段產(chǎn)水差異大

圖7 樊莊區(qū)塊P2-5井產(chǎn)量與水質(zhì)情況圖

排采初期產(chǎn)水量大,一般在2～45m3/天,平均在6m3/天,產(chǎn)氣后產(chǎn)水量迅速下降,穩(wěn)產(chǎn)后產(chǎn)水量低,平均在2.3m3/天。

3.3 不同排采階段水質(zhì)變化大

煤層氣井的煤粉產(chǎn)出具有明顯階段性 (圖7),投產(chǎn)初期和產(chǎn)氣初期由于鉆井和壓裂產(chǎn)生的煤灰在井筒附近,地層產(chǎn)出煤粉較多,抽吸擾動(dòng)使得排出水中一般含較多煤粉;隨著水量的增加,排采穩(wěn)定后,水質(zhì)變好,含較少煤灰;當(dāng)井底壓力下降至鄰近解吸壓力是,氣體開(kāi)始解吸,氣水兩相流體相互作用促進(jìn)流體通道中的煤灰排出,水質(zhì)開(kāi)始變差,含較多煤灰,該階段煤灰的產(chǎn)出與氣量的波動(dòng)具有一定的正相關(guān)性,氣量增加,則煤灰增加;氣量、水量穩(wěn)定后,煤灰的產(chǎn)出漸趨減少,穩(wěn)產(chǎn)階段煤灰產(chǎn)出一般較少。另外在氣水變化階段,煤灰的產(chǎn)出還與排采的連續(xù)性有著密切關(guān)系,頻繁的啟停抽排設(shè)備容易造成煤粉擾動(dòng),水質(zhì)變差。

圖8 樊莊區(qū)塊產(chǎn)氣量分布平面圖

3.4 單井產(chǎn)氣量差異大

構(gòu)造和含氣量是影響產(chǎn)氣量的重要因素,樊莊區(qū)塊高產(chǎn)井分布高含氣區(qū)域,且分布在遠(yuǎn)離斷層的區(qū)域 (大于200m)、一般位于褶曲構(gòu)造的轉(zhuǎn)換部位,低產(chǎn)井分布于含氣量低 (＜15m3/t)的區(qū)域(圖 8)。

3.5 不同排采階段產(chǎn)氣變化

產(chǎn)氣第一峰來(lái)的快、產(chǎn)量高,產(chǎn)量迅速上升,但產(chǎn)氣量難以穩(wěn)定,產(chǎn)量緩慢遞減,隨排采時(shí)間延長(zhǎng),降壓面積進(jìn)一步擴(kuò)大,產(chǎn)量穩(wěn)步上升,呈“雙駝峰”曲線特征。

[1] 王憲花,盧霞,蔣衛(wèi)東,等.沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià) [J].天然氣工業(yè),2004,24(5)：137-139.

[2] 魏俊之,楊勝來(lái).油層物理學(xué) [M].北京：石油工業(yè)出版社,2004：214-215.