李夢(mèng)溪 胡秋嘉 王立龍 張 聰 劉國(guó)偉

(中國(guó)石油華北油田煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

山西沁水盆地是我國(guó)煤層氣研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)，樊莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，是目前中石油開(kāi)發(fā)煤層氣較為成功的區(qū)塊之一。截至到2011年底中石油在該區(qū)塊擁有煤層氣礦權(quán)面積204.86km2，探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量364.96億 m3，建設(shè)完成1座煤層氣處理中心、7座集氣站、14座閥組、495km采集氣管線的配套工程，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化外輸，但該區(qū)塊產(chǎn)能到位率較低，2011年產(chǎn)能到位率僅56%。鑒于此，筆者在依托大量實(shí)際開(kāi)發(fā)建產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)特征及工程技術(shù)條件，深入剖析了該區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)到位率低的原因，并較系統(tǒng)的探討了提高煤層氣產(chǎn)能到位率的方法。

1 產(chǎn)能到位率情況

2005年12月15日，以煤層氣羽狀水平井晉平2井組的開(kāi)鉆為標(biāo)志，拉開(kāi)了樊莊區(qū)塊煤層氣田規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)的序幕。開(kāi)發(fā)井型為直井、叢式井、多分支水平井。截至到2011年底累計(jì)投產(chǎn)煤層氣井716口，建產(chǎn)能7.75億m3。該區(qū)塊由樊莊、成莊、鄭村三個(gè)井區(qū)組成。

樊莊井區(qū)煤層氣井投產(chǎn)時(shí)間較早，從2006年開(kāi)始投產(chǎn)，截至到2011年底累計(jì)投產(chǎn)煤層氣井471口，建產(chǎn)能5.62億m3，2011年產(chǎn)氣量2.81億m3，產(chǎn)能到位率50%，目前日產(chǎn)氣量81萬(wàn)m3，產(chǎn)氣趨勢(shì)平穩(wěn)，自然上升空間小，預(yù)測(cè)2012年產(chǎn)氣量2.90億m3，產(chǎn)能到位率52%。

成莊井區(qū)煤層氣井于2010年開(kāi)始投產(chǎn)，累計(jì)投產(chǎn)煤層氣井103口，建產(chǎn)能1.18億m3，2011年產(chǎn)氣量1.1億m3，產(chǎn)能到位率93%，目前日產(chǎn)氣量43萬(wàn)m3，還有一定上升空間，預(yù)測(cè)2012年產(chǎn)氣量1.46億m3，產(chǎn)能到位率124%。

鄭村井區(qū)煤層氣井投產(chǎn)時(shí)間較晚，于2010年底開(kāi)始規(guī)模投產(chǎn)，截至到2011年底累計(jì)投產(chǎn)煤層氣井143口，建產(chǎn)能0.95億m3，2011年產(chǎn)氣量0.42億m3，產(chǎn)能到位率45%，目前日產(chǎn)氣量26萬(wàn)m3，還有較大的上升空間，預(yù)測(cè)2012年產(chǎn)氣量0.92億m3，產(chǎn)能到位率98%。

2 產(chǎn)能到位率低原因分析

樊莊井區(qū)產(chǎn)能到位率52%，成莊、鄭村井區(qū)產(chǎn)能到位率98%以上 (表1)。相比而言，投產(chǎn)較早的樊莊井區(qū)受低效井影響，產(chǎn)能到位率較低，而早期地質(zhì)認(rèn)識(shí)不足、儲(chǔ)層改造針對(duì)性不強(qiáng)、儲(chǔ)層保護(hù)意識(shí)不夠、排采認(rèn)識(shí)不到位、抽排工藝適應(yīng)性不高是導(dǎo)致該井區(qū)部分井低效的主要原因。

表1 樊莊區(qū)塊各井區(qū)2012年產(chǎn)能到位率預(yù)測(cè)表

2.1 開(kāi)發(fā)初期缺少地質(zhì)資料，認(rèn)識(shí)不足，鉆投了一批低效井

樊莊井區(qū)早期的地質(zhì)認(rèn)識(shí)主要是依據(jù)晉試4口探井和1個(gè)試采井組5口井，由于井控程度低，導(dǎo)致地質(zhì)認(rèn)識(shí)不足。一是認(rèn)為井區(qū)內(nèi)單井產(chǎn)能無(wú)太大差異。試采結(jié)果顯示，除晉試1－5井外，其他井試采均獲單井產(chǎn)量2000m3/d以上的工業(yè)氣流 (表2);二是認(rèn)為井區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育。開(kāi)發(fā)初期井區(qū)內(nèi)僅有測(cè)網(wǎng)密度為1.5km×1.5km的二維地震測(cè)線8條及9口鉆井資料，解釋結(jié)果顯示構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體構(gòu)造為西北傾的單斜。但后期通過(guò)地震加密和地層對(duì)比，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育;三是認(rèn)為井區(qū)內(nèi)含氣性、滲透性差異不大。4口探井的測(cè)試結(jié)果表明區(qū)內(nèi)含氣量普遍較高，一般大于20m3/t;滲透率一般在0.3～0.5mD，幾乎無(wú)差異(表3)。在上述地質(zhì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，迫于礦權(quán)形勢(shì)，前期井位部署以非技術(shù)原則確定，井位主要部署在河灘、溝谷等有利地形。導(dǎo)致97口直井和7口水平井位于斷層或含氣量低值區(qū)，單井產(chǎn)氣量低或者不產(chǎn)氣。

表2 樊莊井區(qū)試采井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

2.2 水平井鉆井過(guò)程中，儲(chǔ)層保護(hù)意識(shí)不夠，產(chǎn)氣能力不能有效釋放

煤層為有機(jī)儲(chǔ)層，具有裂縫－孔隙雙重結(jié)構(gòu)，滲透率低、易受污染。鉆井過(guò)程中，為避免煤層垮塌等井下復(fù)雜情況，一般會(huì)提高鉆井液密度和粘度。這樣易造成儲(chǔ)層傷害，產(chǎn)氣能力受到制約。井區(qū)北部2010年以前投產(chǎn)的6口水平井，地質(zhì)條件好，含氣量高，解吸壓力折算噸煤含氣量18～22m3，平均20m3。相鄰直井單井平均日產(chǎn)氣量2500m3以上。但由于鉆井過(guò)程中采用4.6寸井眼，且泥漿比重及泥漿粘度較大，可能對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，6口水平井日產(chǎn)氣量11415m3，單井平均產(chǎn)氣量1903m3(表4)，產(chǎn)氣量效果差。

表4 樊莊井區(qū)北部6口水平井生產(chǎn)數(shù)據(jù)表

2.3 前期直井壓裂方案針對(duì)性不強(qiáng)，儲(chǔ)層改造效果不理想

樊莊井區(qū)開(kāi)發(fā)早期由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，壓裂工藝以借鑒、模仿為主?；钚运帕?～5m3/min、液量370～450m3，加砂量40m3，砂比10% ～12%;清潔壓裂液排量4～5m3/min、液量250m3，加砂量40m3，砂比15% ～20%。由于排量小、液量低，導(dǎo)致造縫及攜砂能力差、壓裂裂縫長(zhǎng)度短，此階段多數(shù)井儲(chǔ)層改造效果不理想，施工成功率較低。目前通過(guò)開(kāi)展以提高單井施工排量，增加攜砂能力，增大改造范圍，提高單井產(chǎn)量為目的研究試驗(yàn)，形成了“變排量、大液量、中高砂比國(guó)”的壓裂工藝。單井產(chǎn)量明顯提升。

2.4 排采認(rèn)識(shí)不到位，排采控制差，導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害

高階煤的規(guī)模開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外均無(wú)成功的先例可循，因此開(kāi)發(fā)早期主要借鑒美國(guó)粉河、黑勇士等盆地高孔高滲煤層氣藏的產(chǎn)氣規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn) (圖1)，采用了高強(qiáng)度的降壓方式，力圖早見(jiàn)氣，早高產(chǎn)，導(dǎo)致部分井大量出煤粉及壓裂砂，出現(xiàn)煤層堵塞，卡泵等問(wèn)題，一些高產(chǎn)井產(chǎn)量迅速下降 (圖2)。同時(shí)由于地下地面施工同步進(jìn)行，連續(xù)生產(chǎn)無(wú)法得到保障，停電停抽的現(xiàn)象比較普遍，造成煤粉遷移和沉積，裂縫閉合或被煤粉堵塞，產(chǎn)水、產(chǎn)氣減少，產(chǎn)能遭到傷害，造成部分井低產(chǎn)。

圖1 低階煤產(chǎn)氣規(guī)律曲線

圖2 樊莊井區(qū)1號(hào)直井生產(chǎn)曲線

2.5 煤層氣排采工藝適應(yīng)性不高，導(dǎo)致產(chǎn)液不正常，有效降壓困難

目前煤層氣井的抽采設(shè)備主要沿用常規(guī)油氣的設(shè)備，但由于煤層氣井具有產(chǎn)水差異大、液面低、煤粉多的特點(diǎn)，因此工藝適應(yīng)性較差。一是本區(qū)主力3號(hào)煤層和15號(hào)煤層之間產(chǎn)水差異大。3號(hào)煤層主要含水巖層為二疊系下石盒子組、山西組碎屑巖類裂隙水，屬弱富水性，單井普遍產(chǎn)水量低;15號(hào)煤層主要為含水性較大的奧陶系碳酸鹽巖巖溶水含水層，單井產(chǎn)水量相對(duì)較高 (表5);二是不同構(gòu)造位置，產(chǎn)水差異大。通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，開(kāi)發(fā)區(qū)塊內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層氣井產(chǎn)水、產(chǎn)氣影響較大，斷層附近煤層氣井普遍產(chǎn)水大，降壓困難;三是“排水－降壓－產(chǎn)氣”的開(kāi)采機(jī)理決定了不同排采階段產(chǎn)水的差異性。排采初期產(chǎn)水量較大，隨著持續(xù)排水降壓開(kāi)始產(chǎn)氣，雙相流影響造成產(chǎn)水量快速下降，液面持續(xù)降低，導(dǎo)致排采后期產(chǎn)液難、產(chǎn)液少，泵適應(yīng)性差，不能持續(xù)、有效降低儲(chǔ)層壓力(圖3);四是受直井壓裂增產(chǎn)方式及排采過(guò)程中應(yīng)力變化的影響，生產(chǎn)過(guò)程中一般伴隨一定量的煤粉產(chǎn)出。這些煤粉隨水進(jìn)入泵筒，與上下凡爾球發(fā)生摩擦，長(zhǎng)時(shí)間作用下，導(dǎo)致凡爾失效，泵效降低，產(chǎn)出水減少，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)煤灰卡泵、氣鎖等問(wèn)題，影響排采工作的連續(xù)性。

表5 樊莊井區(qū)不同開(kāi)發(fā)層系井日產(chǎn)水量統(tǒng)計(jì)表

圖4 樊莊井區(qū)2號(hào)直井生產(chǎn)曲線

3 提高產(chǎn)能到位率建議

上述任何一方面的原因都會(huì)造成生產(chǎn)井低效。但實(shí)際情況往往是某方面原因?yàn)橹?，多種原因相互關(guān)聯(lián)并可能同時(shí)存在。提高煤層氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)能到位率，建議從以下七個(gè)方面入手解決。

3.1 遵循科學(xué)的勘探開(kāi)發(fā)程序，先評(píng)價(jià)后開(kāi)發(fā)

地質(zhì)研究是根本，產(chǎn)能評(píng)價(jià)是重點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)資源是基礎(chǔ)，高水平方案是指南，方案實(shí)施及調(diào)整是關(guān)鍵，科研、生產(chǎn)、管理密切配合是保障。為了提高單井產(chǎn)氣量，降低低產(chǎn)井比例，首先通過(guò)勘探評(píng)價(jià)確定含氣量高、構(gòu)造簡(jiǎn)單、埋深適中的高效建產(chǎn)區(qū)塊;二是建產(chǎn)前實(shí)施地震勘探，落實(shí)建產(chǎn)區(qū)構(gòu)造情況，在鉆直井區(qū)域部署二維地震測(cè)線，在鉆水平井區(qū)域部署三維地震測(cè)線;三是根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)確定合理開(kāi)發(fā)井型，科學(xué)編制開(kāi)發(fā)方案和工程設(shè)計(jì)，提高資金投入效益;四是優(yōu)選基于地質(zhì)條件的開(kāi)發(fā)技術(shù)模式和配套工藝技術(shù);五是遵循滾動(dòng)開(kāi)發(fā)原則，可優(yōu)化調(diào)整，有效降低煤層氣勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn);六是地質(zhì)研究與工程研究應(yīng)貫穿于勘查開(kāi)發(fā)整個(gè)過(guò)程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.2 加強(qiáng)煤體物性研究，科學(xué)進(jìn)行開(kāi)發(fā)部署

煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)具有多級(jí)次、多形態(tài)、多成因的復(fù)雜性，煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)微觀揭示是認(rèn)識(shí)這些復(fù)雜性及其控制煤層氣儲(chǔ)集運(yùn)移過(guò)程的鑰匙。如外生節(jié)理的發(fā)育具有成組特點(diǎn)，局部密集成組成帶發(fā)育。氣脹節(jié)理具有明顯的成分選擇性，在光亮煤分層內(nèi)最為發(fā)育，而在暗淡煤中則基本不發(fā)育。大裂隙系統(tǒng)的方向性和空間非均一性導(dǎo)致滲透率隨方向和層位而變化，可導(dǎo)致煤儲(chǔ)層滲透性的空間各向異性。但目前測(cè)井、試井資料和解釋精度遠(yuǎn)不能滿足開(kāi)發(fā)需要，因此需要對(duì)測(cè)井、取芯、錄井、試井等技術(shù)進(jìn)行完善和研究，搞清煤體物性，尋找高滲區(qū)，確定合理開(kāi)發(fā)井型、井網(wǎng)，從而進(jìn)行科學(xué)的井位部署。

3.3 精細(xì)落實(shí)構(gòu)造，井位部署要遠(yuǎn)離斷層及陷落柱

通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造 (小構(gòu)造)對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)具有控制性影響，對(duì)煤層含氣量、滲透性影響較大，斷層附近煤層氣井普遍含氣量低，產(chǎn)氣量小，產(chǎn)水量大，而鉆遇斷層多的水平井，煤層垮塌嚴(yán)重，鉆井成功率低。因此直井開(kāi)發(fā)需要測(cè)網(wǎng)相對(duì)較密的二維地震，水平井開(kāi)發(fā)需要高精度的三維地震。即需要在精細(xì)落實(shí)構(gòu)造的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)塊內(nèi)小構(gòu)造影響煤層氣井產(chǎn)氣的認(rèn)識(shí)，在強(qiáng)調(diào)與常規(guī)氣藏顯著區(qū)別的前提下重新審視“構(gòu)造高點(diǎn)”和“正斷層”的開(kāi)發(fā)意義，從而進(jìn)行合理的井位部署。

3.4 水平井鉆井過(guò)程中既要保護(hù)儲(chǔ)層又要防井壁垮塌

該區(qū)煤巖具有強(qiáng)度低、膠結(jié)差、易破碎的特點(diǎn)。其機(jī)械強(qiáng)度僅為砂巖強(qiáng)度的十分之一，易發(fā)生壓性破裂和張性破損，導(dǎo)致坍塌堵塞井眼。同時(shí)由于其具有裂縫－孔隙雙重結(jié)構(gòu)，滲透率低、易受污染，煤層鉆進(jìn)過(guò)程中必須采用清水，從而增加了垮塌的可能性。且在水平井排采后期隨動(dòng)液面的降低井底壓差增加，井筒存在一定程度的失穩(wěn)坍塌因素。因此如何確保鉆井成功即儲(chǔ)層無(wú)污染達(dá)到井壁穩(wěn)定是水平井開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)改進(jìn)的突破點(diǎn)。

3.5 針對(duì)不同煤儲(chǔ)層特點(diǎn)，優(yōu)化射孔壓裂技術(shù)方案

沁水盆地南部無(wú)煙煤儲(chǔ)層具有低孔、低滲、低飽和的特點(diǎn)，因此直井開(kāi)發(fā)都需要經(jīng)過(guò)壓裂改造。在壓裂過(guò)程中的壓裂液類型、支撐劑、施工規(guī)模、施工壓力、施工排量、砂比等工藝參數(shù)的選擇均對(duì)煤儲(chǔ)壓裂改造效果產(chǎn)生影響。如壓裂裂縫短，裂縫鋪砂距離短，可能會(huì)造成煤層氣井在生產(chǎn)過(guò)程中難以形成有效連通和干擾，整體降壓面積難以形成，煤層氣井產(chǎn)氣量低;再如壓裂施工時(shí)壓穿了煤巖頂?shù)装搴畬踊驕贤藢?dǎo)水?dāng)鄬?，使得煤層氣井成為產(chǎn)水井，也可導(dǎo)致煤層氣井低產(chǎn)。同時(shí)3號(hào)煤層在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的分層性，其中光亮煤是主力產(chǎn)層，構(gòu)造煤呈粉末狀，滲透率低，壓裂改造過(guò)程無(wú)法造縫，且是煤粉產(chǎn)出的主要來(lái)源，易造成卡泵停抽，影響排采效果。因此有必要加強(qiáng)射孔、壓裂技術(shù)的研究，優(yōu)化方案，提高儲(chǔ)層改造效果。

3.6 攻關(guān)排采工藝技術(shù)，連續(xù)、穩(wěn)定降低儲(chǔ)層壓力

排采管理是煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中影響單井產(chǎn)氣量的一個(gè)重要因素。排采控制不當(dāng)和排采工藝適應(yīng)性差可導(dǎo)致煤層氣井排采不連續(xù)，造成壓敏或速敏效應(yīng)，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率不可恢復(fù)性下降，甚至可以阻止煤層氣井解吸半徑擴(kuò)展和遠(yuǎn)井地帶煤層氣解吸，最終直接影響煤層氣井產(chǎn)能建設(shè)到位率。因此在排采控制方面要堅(jiān)持“連續(xù)、漸變、長(zhǎng)期”的排采控制原則，在排采工藝技術(shù)方面要不斷攻關(guān)試驗(yàn)，以適應(yīng)煤層氣井產(chǎn)水量差異大，出煤粉多的特點(diǎn)，確保儲(chǔ)層壓力連續(xù)穩(wěn)定下降。

3.7 完善低效井改造措施系列，減少低產(chǎn)井比例

在已進(jìn)行生產(chǎn)的煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)域，為減少低效井，常進(jìn)行一系列增產(chǎn)的工程措施，如實(shí)施加密井、二次壓裂、井型改造增產(chǎn)、氣體驅(qū)替增產(chǎn)等。加密井增產(chǎn)的前提是目前的井距、壓裂措施在短時(shí)間內(nèi)難以形成井間干擾，實(shí)施井間干擾監(jiān)測(cè)與評(píng)估是必須的。二次壓裂增產(chǎn)的前提是因工程不當(dāng)或生產(chǎn)管理不當(dāng)造成了顯著的煤儲(chǔ)層傷害或進(jìn)入煤儲(chǔ)層不暢或首次壓裂工程質(zhì)量不佳，工程方案不可照搬煤層首次壓裂時(shí)的壓裂工藝設(shè)計(jì)，因?yàn)榇藭r(shí)煤層物性和流體場(chǎng)已發(fā)生了改變，必須進(jìn)行方案調(diào)整。井型改造增產(chǎn)和氣體驅(qū)替增產(chǎn)應(yīng)首先應(yīng)用于已實(shí)踐和研究確認(rèn)無(wú)可能實(shí)現(xiàn)煤層氣高產(chǎn)的井，這些井往往連片低效，可以積極進(jìn)行井型改造增產(chǎn)和氣體驅(qū)替增產(chǎn)等工程探索和工程研究。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)樊莊井區(qū)煤層氣低效井的形成原因進(jìn)行分析，可以得到如下認(rèn)識(shí)和結(jié)論:

(1)樊莊區(qū)塊直井產(chǎn)氣效果較好，產(chǎn)能建設(shè)到位率86%;水平井產(chǎn)氣效果差，產(chǎn)能建設(shè)到位率41%，因此提高水平井單井產(chǎn)氣量是提高區(qū)塊整體產(chǎn)能到位率的最佳途徑;

(2)鉆井垮塌難治理，無(wú)法井眼重入，是目前水平井產(chǎn)能到位率較低的主要原因。因此對(duì)于低滲儲(chǔ)層，如何確保儲(chǔ)層無(wú)污染和井筒的穩(wěn)定性，是獲得長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵;

(3)客觀評(píng)價(jià)區(qū)塊真實(shí)產(chǎn)能、優(yōu)選高滲富集區(qū)、科學(xué)井位部署、合理儲(chǔ)層改造、配套工藝技術(shù)是是減少低效井，提高產(chǎn)能到位率的保障。

［1］葉建平，秦勇，林大楊．中國(guó)煤層氣資源［M］．江蘇徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］孟慶春等.沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊產(chǎn)能影響因素分［J］.中國(guó)煤層氣，2010，7(6);10－15.

［3］司淑平等.煤層氣井產(chǎn)能影響因素分析及對(duì)策［J］.斷塊油氣田，2001，8(5);50－53.

［4］陳江等.煤層氣產(chǎn)能影響因素及開(kāi)發(fā)技術(shù)研究［J］.資源與產(chǎn)業(yè)，2011，13(1);108－113.

［5］王生維等.晉城成莊礦煤層大裂隙系統(tǒng)研究［J］.科學(xué)通報(bào)，2005，50(1);38－44.