劉昌平 胡秋嘉 樊 彬 李玲玉 崔新瑞 邱春華

(中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

地層水對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣效果的影響分析
——以夏店區(qū)塊李村井區(qū)為例

劉昌平 胡秋嘉 樊 彬 李玲玉 崔新瑞 邱春華

(中國(guó)石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

沁水盆地煤層氣井已進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段，目前存在部分高產(chǎn)水井潛力難評(píng)價(jià)，治理措施單一的特征，為研究高產(chǎn)水井的開發(fā)對(duì)策，本文通過分析地層水的組成，劃分了地層水類型，建立了水源判別方法，根據(jù)不同水源類型提出了具體的解決措施，并在李村井區(qū)生產(chǎn)井實(shí)施，取得了較好的增產(chǎn)效果，對(duì)夏店地區(qū)以及國(guó)內(nèi)其它區(qū)塊煤層氣開發(fā)具有借鑒意義。

地層水 產(chǎn)水來源 開發(fā)對(duì)策

目前沁水盆地煤層氣井已進(jìn)入規(guī)模開發(fā)階段，在開發(fā)過程中，部分煤層氣井產(chǎn)水量大，排水降壓困難，抑制煤層解吸，難以獲得產(chǎn)量峰值，生產(chǎn)潛力不明，部分井轉(zhuǎn)換排采方式后，見效比例低。為解決這一難題，本文以夏店區(qū)塊李村井區(qū)為例，分析地層水組成，研究來源判別方法，建立“一看含氣性，二看水源，三定措施”的評(píng)價(jià)方法，并提出了針對(duì)性技術(shù)對(duì)策，指導(dǎo)了大水量井措施挖潛工作。

1 地質(zhì)特征

李村井區(qū)處于低山丘陵地帶，區(qū)塊構(gòu)造位于晉獲褶斷帶西側(cè)，沁水盆地東南部，主要受新華夏構(gòu)造體系控制，褶曲、斷層發(fā)育。區(qū)域地層自下而上發(fā)育古生界奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系，新生界第三系、第四系。石炭系太原組和二疊系山西組煤系地層發(fā)育，其中山西組3號(hào)煤層、太原組15號(hào)煤層，厚度較大且發(fā)育穩(wěn)定，為區(qū)塊主要開采層段。

區(qū)域水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，其中鄰近3號(hào)、15號(hào)煤層主要發(fā)育三套含水層，自上而下依此為二疊系砂巖裂隙含水層(以下簡(jiǎn)稱二疊系含水層)，太原組巖溶裂隙含水層(以下簡(jiǎn)稱太原組含水層)及奧陶系巖溶裂隙含水層(以下簡(jiǎn)稱奧陶系含水層)，根據(jù)水文孔資料顯示，二疊系含水層單位涌水量為11.2～60.5m3/d·m；太原組含水層單位涌水量為0.02～0.09m3/d·m；奧陶系含水層單位涌水量為1.13～3456m3/d·m。

2 采出水來源

通過煤質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，煤層中的水主要由吸附在煤基質(zhì)表面的束縛水及成藏過程中形成的自由水組成，3號(hào)煤層水分含量1.0%～1.5%，水分含量低且其中包含部分不可移動(dòng)的束縛水，因此不易疏排。

煤層氣井采出水的來源主要有兩種：壓裂液及含水層中的承壓水。壓裂液是指在壓裂改造過程中注入的液體，主要以活性水為主，液量通常為800m3，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的KCl防膨劑；含水層中的承壓水，是指在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，斷裂作為橋梁溝通煤層與上下覆巖層承壓含水層，致使部分承壓水在重力、壓力作用下運(yùn)移至煤層。從地層發(fā)育及儲(chǔ)層壓力特征看，奧陶系、太原組含水層水位均高于3號(hào)、15號(hào)煤底海拔，而二疊系含水層鄰近3號(hào)、15號(hào)煤層，因此三套含水層在斷裂溝通條件下均可能對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行補(bǔ)給；從單位涌水量特征看，太原組含水層最大單位涌水量為0.09m3/d·m，補(bǔ)給極弱，二疊系、奧陶系含水層最大單位涌水量分別可達(dá)60.5m3/d·m、 3456m3/d·m，富水性中等-強(qiáng)，補(bǔ)給強(qiáng)。

從水質(zhì)類型特征分析，兩種潛在水源存在差異性特征，由于壓裂液中要加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%KCl防膨劑，因此壓裂液的水質(zhì)類型以KCl型為主，但當(dāng)壓裂液注入地層后，由于鉀鹽的鉀離子的大小，可以允許它進(jìn)入黏土結(jié)構(gòu)的硅氧四面體表面上由6個(gè)氧原子圍成的內(nèi)切直徑為0.288nm的6角空間，并可以與周圍的氧原子形成結(jié)合，起到抑制黏土膨脹作用，因此鉀離子會(huì)被大量消耗，因此地層中壓裂液的離子成分主要以鈉、氯離子為主，可能含有少量鉀離子,水質(zhì)類型為K+·Na+—Cl-；同時(shí)，結(jié)合水文孔水質(zhì)化驗(yàn)資料顯示：二疊系含水層水質(zhì)類型為K+·Na+—HCO3-，奧陶系含水層水質(zhì)類型為K+· Na+—HCO3-· SO42-，水質(zhì)類型的差異性特征可作為識(shí)別產(chǎn)水來源的依據(jù)。

3 影響因素及開發(fā)對(duì)策

產(chǎn)水來源及其富水性控制單井產(chǎn)水量的大小，影響儲(chǔ)層的壓降面積及解吸速率，進(jìn)而影響單井產(chǎn)能，因此弄清不同水源類型對(duì)產(chǎn)能的影響，對(duì)開發(fā)對(duì)策的確定尤為重要。

3.1 壓裂液補(bǔ)給型水源

對(duì)于水源類型以壓裂液為主的生產(chǎn)井，水質(zhì)類型主要為K+·Na+—Cl-，以氯離子富集為主要特征，表明無上下覆含水層承壓水補(bǔ)給或補(bǔ)給弱，儲(chǔ)層頂?shù)装灞４鏃l件好，通常含氣量高，資源基礎(chǔ)好，在疏排壓裂液后，就會(huì)迅速在近井筒地帶形成壓降漏斗且不斷向遠(yuǎn)端擴(kuò)大，使儲(chǔ)層壓力達(dá)到煤層氣的解吸壓力以下，形成穩(wěn)定氣流，針對(duì)這種類型井，應(yīng)保持連續(xù)排采，均勻降壓，保證產(chǎn)水變化平穩(wěn)，壓降面積逐步擴(kuò)大。

3.2 二疊系、奧陶系含水層補(bǔ)給型水源

對(duì)于水源類型以二疊系、奧陶系含水層為主的生產(chǎn)井，水質(zhì)為K+·Na+—HCO3-或K+· Na+—HCO3-· SO42-，以陰離子單一富集碳酸氫根離子或富集碳酸氫根、硫酸根離子為主要特征。該類型井含氣性存在差異性，第一類井位于張性斷層或陷落柱發(fā)育區(qū)，溝通強(qiáng)富水含水層，導(dǎo)致水動(dòng)力場(chǎng)發(fā)生改變，在水力沖洗作用下，水對(duì)氣體的主要作用是溶解，溶解氣會(huì)被水力運(yùn)移帶走,“溶解-運(yùn)移-再溶解-再運(yùn)移”的過程持續(xù)發(fā)生,這個(gè)過程直接導(dǎo)致了煤層氣藏被破壞，該類井通常含氣量低，壓裂曲線表現(xiàn)為前置液段至加砂段施工壓力持續(xù)下降型或極低型，濾失大，上產(chǎn)潛力小；第二類井受壓裂規(guī)模大影響，在壓裂中、后期溝通外生裂隙，連通富水含水層，該類井通常含氣量高，壓裂曲線表現(xiàn)為加砂段中、后期施工壓力下降，有一定改造體積，產(chǎn)水量大，難于疏排，具備一定降壓上產(chǎn)潛力。

針對(duì)以上兩種類型井，應(yīng)首先結(jié)合解吸壓力及壓裂曲線特征，判斷資源潛力；然后優(yōu)選含氣量高的高產(chǎn)水井，利用水質(zhì)化驗(yàn)資料，判斷產(chǎn)水來源；針對(duì)于二疊系含水層補(bǔ)給井，最大涌水量可達(dá)60m3/d.m，補(bǔ)給強(qiáng)度中等，更換更大排量的抽排設(shè)備，降低井底壓力，擴(kuò)大解吸壓差，促使煤層氣解吸；針對(duì)于奧陶系補(bǔ)給類型井，最大涌水量可達(dá)3456m3/d.m，補(bǔ)給強(qiáng)度大，更換抽排設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益差，實(shí)施無機(jī)堵水方法進(jìn)行大裂隙封堵，降低奧陶系含水層補(bǔ)給水量，促使煤層降壓解吸，提高產(chǎn)氣量。

4 開發(fā)效果分析

根據(jù)上面的理論分析，對(duì)于李村井區(qū)低產(chǎn)煤層氣井，采用“一看含氣性，二看水源，三定措施”的評(píng)價(jià)方法，治理了不同水源類型井。

結(jié)合低產(chǎn)井解吸壓力及施工壓力曲線特征，優(yōu)選了19口高含氣量(大于16m3/t)生產(chǎn)井，其中包含直井17口，水平井2口，開展了水質(zhì)化驗(yàn)分析，根據(jù)煤礦MT/T 672—1997《煤礦水害防治水化學(xué)分析方法規(guī)定》(主要離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于25%為主要離子，參加評(píng)定水質(zhì)類型，介于20%～25%的成分作為參考成分，并括號(hào)區(qū)別)進(jìn)行水質(zhì)類型劃分，其中6口井水質(zhì)為K+·Na+—Cl-，水源主要來自壓裂液；8口井水質(zhì)為K+·Na+—HCO3-，水源主要來自二疊系含水層，5口井水質(zhì)為K+· Na+—HCO3-· SO42-，其中包含2口單采15號(hào)煤的L型水平井，水源主要來自?shī)W陶系含水層，并實(shí)施了針對(duì)性的治理措施。對(duì)于二次壓裂治理措施治理煤粉堵塞問題，已經(jīng)有很多文章進(jìn)行了例證，就不再贅述，本文只敘述受二疊系、奧陶系含水層補(bǔ)給井的治理措施。

4.1 二疊系含水層補(bǔ)給井

LC27井為單采3號(hào)煤層直井，水質(zhì)類型為K+·Na+—HCO3-型，主要受二疊系含水層補(bǔ)給，解吸壓力1.8MPa,折合含氣量16m3/t，該井投產(chǎn)時(shí)使用的抽排設(shè)備為泵徑38mm管式泵，最大制度產(chǎn)水量25m3/d，排采近3年，最低流壓為1.02MPa，最高產(chǎn)氣量?jī)H為112m3/d，，轉(zhuǎn)抽螺桿泵后，產(chǎn)水量由25m3/d上升至60.2m3/d,流壓由1.02MPa降至0.02MPa,產(chǎn)氣量由112m3/d上升至860m3/d,措施增產(chǎn)效果明顯。

4.2 奧陶系含水層補(bǔ)給井

LCP28井為單采15號(hào)煤L型水平井，水質(zhì)類型為K+· Na+—HCO3-· SO42-型，主要受奧陶系含水層補(bǔ)給，解吸壓力1.83MPa,折合含氣量16m3/t,該井投產(chǎn)時(shí)采用射流泵，產(chǎn)水量達(dá)到172m3/d，排采近1年，最低流壓降至2.58MPa,不產(chǎn)氣且難以滿足降壓需求，在實(shí)施射孔+注灰封堵后，日產(chǎn)水量由172m3/d下降至14m3/d，滿足降壓需求，目前流壓0.74MPa，日產(chǎn)氣量500～600m3，仍具備一定降壓提產(chǎn)能力，措施效果好。

5 結(jié)論

(1)李村井區(qū)煤層氣井主要潛在水源為壓裂液，二疊系含水層、奧陶系含水層，壓裂液水質(zhì)類型為K+·Na+—Cl-，二疊系含水層水質(zhì)類型為K+·Na+—HCO3-，奧陶系含水層水質(zhì)類型為K+· Na+—HCO3-· SO42-；水質(zhì)類型的差異性可作為判斷產(chǎn)水來源的依據(jù)。

(2)低產(chǎn)井開發(fā)對(duì)策的制定應(yīng)遵循“一看含氣性，二看水源，三定措施”的分析原則，即優(yōu)先選擇含氣量高的井，再判斷產(chǎn)水來源，針對(duì)水源主要為壓裂液類型井，應(yīng)保持連續(xù)-穩(wěn)定降壓，若因排采不連續(xù)，導(dǎo)致氣水突降，煤層堵塞，可實(shí)施二次壓裂措施，解除堵塞；針對(duì)水源主要為二疊系含水層類型井，可轉(zhuǎn)換更大排量的排采設(shè)備，降壓促解吸；針對(duì)水源主要為奧陶系含水層類型井，直井可采用無機(jī)堵水方法，水平井可采用射孔+注灰封堵措施，提高排水效率，降低儲(chǔ)層壓力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能釋放。

[1] 煤炭工業(yè)部.煤礦水害防治水化學(xué)分析方法(MT/T 672—1997)[Z].1998.6.1.

[2] 張星.畢義泉,等.黏土礦物膨脹機(jī)理及防膨研究現(xiàn)狀[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2014,15(5):39-43.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Influence Analysis of Formation Water on the Gas Production Effect of CBM Well

LIU Changping，HU Qiujia，F(xiàn)AN Bin，LI Lingyu，CUI Xinrui，QIU Chunhua

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

The development of CBM wells in Qinshui Basin has entered the scale production stage. The development potential of some CBM wells in this area which have high water production is difficult to be evaluated and featured with single prevention and control measures. In order to study the development countermeasures of CBM wells with high water production，the paper analyze the composition of the formation water，classifies the types of formation water，and establishes the distinguishing method of water sources. It also provides detailed resolutions according to the different types of water sources and implements the measures in the production wells of Licun well zone，which has achieved a good result for production increase and will provide reference for the CBM development in Xiadian Block and other CBM blocks in China.

Formation water; source of water production; development countermeasures

劉昌平，男，助理工程師，現(xiàn)在華北油田山西煤層氣分公司從事煤層氣勘探開發(fā)研究工作。