王福國， 熊 濤， 劉亞然， 畢彩芹， 單衍勝， 王行軍， 馬國強

(1.中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

0 引言

都格井田位于六盤水煤田楊梅樹向斜內(nèi)，面積48.38km2。區(qū)內(nèi)龍?zhí)睹合当≈林泻衩簩尤喊l(fā)育[1]，煤系資源豐度高，且具備良好的共生共存條件[2]。

中國地質(zhì)調(diào)查局于井田內(nèi)按照探采結(jié)合一體化的總體思路，相繼施工的DC-1井、楊煤參1井、黔水參1井。本文依據(jù)其工程數(shù)據(jù)，分析了都格井田煤系氣富集特征，探討了楊煤參1井“分壓合采”工藝的地質(zhì)適配性，對我國西南地區(qū)相似地質(zhì)條件下的煤系氣勘查開發(fā)工作具有一定的借鑒與指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)與工程背景

井田所在楊梅樹向斜位于六盤水煤田中部，總體構(gòu)造形態(tài)為一復(fù)式寬緩向斜，內(nèi)部發(fā)育兩個次級向斜，即NW向的馬龍向斜和近SN向的妥倮向斜(圖1)[3]。向斜四周被大面積出露的峨眉山玄武巖組包圍，中心主要分布上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組，僅在坳陷幅度最大的次級向斜核部仍殘留有下三疊統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組。核部地層傾角5°～10°，翼部翹傾，傾角15°～35°[4]。

圖1 都格井田地質(zhì)構(gòu)造簡圖Figure 1 Geological structure sketch of Duge minefield

楊梅樹向斜主要含煤地層為龍?zhí)督M，自下而上發(fā)育潮坪-潟湖、三角洲平原沉積環(huán)境，為一套深灰色薄—中厚層含煤細(xì)碎屑沉積(圖2)。龍?zhí)督M厚度平均400m左右，含煤數(shù)十層，成群成組發(fā)育，含煤20～45層，可采煤層19層，煤層總厚31～56m，可采煤層總厚19～32.0m，平均22.23m，可采煤層單層厚度一般0.72～2.89m[1]。龍?zhí)督M上覆地層飛仙關(guān)組，一般可達(dá)500m，巖性主要為紫色及灰綠色的粉砂質(zhì)泥巖及泥巖，巖性致密，與龍?zhí)督M為連續(xù)沉積，廣泛覆蓋在煤系地層之上[5]，具有較強的區(qū)域封蓋能力[6]，煤系地層含氣性保存條件較好[7]。

2 煤系儲氣層特征

基于現(xiàn)場含氣量測定、氣測錄井工作，結(jié)合地質(zhì)錄井、綜合測井?dāng)?shù)據(jù)，顯示井田煤系氣主要賦存于龍?zhí)督M煤層中，煤層頂、底板砂巖、泥巖中也普遍含氣。龍?zhí)睹合得簩优c層間砂巖、泥巖共存，形成了資源豐度高的煤系氣藏，增大了單井范圍內(nèi)非常規(guī)天然氣的地質(zhì)資源量[3]，為下一步煤系氣地面開發(fā)創(chuàng)造了良好的資源條件。

圖2 楊梅樹向斜上二疊統(tǒng)綜合柱狀圖(DC-1井)Figure 2 Yangmeishu syncline upper Permian comprehensivecolumn (well DC-1)

2.1 含氣性

2.1.1 煤層

據(jù)DC-1井與黔水參1井取心后測試結(jié)果顯示，主要煤層解析含氣量為9.38～23.82m3/t(空氣干燥基)，平均為14.68 m3/t；氣成分均以甲烷為主，甲烷含量87.01%～97.29%，平均占91.80%。主力煤層蘭氏體積為11.06 ～22.52 m3/t，平均16.88m3/t，蘭氏壓力為0.75～1.65MPa，平均1.28MPa，其蘭氏體積與實測含氣量接近，含氣飽和度較高，有利于排水產(chǎn)氣。

2.1.2 煤系泥巖

泥巖現(xiàn)場解吸含氣量變化較大，對大于1 m3/t的樣品進(jìn)行殘余氣測試，其空氣干燥基含氣量可達(dá)4.00 ～11.48m3/t。觀察含氣量高的泥巖樣品，主要為有機質(zhì)含量較高或夾煤線樣品。

2.1.3 煤系砂巖

根據(jù)氣測錄井，龍?zhí)睹合档貙又猩皫r段儲層部分層段有明顯顯示，現(xiàn)場取樣實測空氣干燥基含氣量為0.54 ～ 5.24m3/t，含量高的砂巖樣品通常夾煤線或黑色泥巖薄層。

2.2 儲層物性特征

2.2.1 孔滲特征

煤層中構(gòu)造裂隙發(fā)育，多呈網(wǎng)狀、樹枝狀和條帶狀，鏡煤條帶中內(nèi)生裂隙發(fā)育[8]。掃描電鏡顯示煤層顯微裂隙較發(fā)育，主要為后生氣孔，其次為外生裂隙孔以及鑄?？祝B通性較好，孔隙率為2.76%～7.0%，平均為5.18%。據(jù)DC-1井及黔水參1井試井測試結(jié)果顯示：主要煤層滲透率為0.07～0.35mD，平均0.22 mD。都格井田孔滲性較好，滲透率高于西南多數(shù)地區(qū)，有利于后期儲層改造和地面開發(fā)[6]。構(gòu)造裂縫適中，有利于煤層氣富集高產(chǎn)[9]。

泥巖孔隙類型主要以溶蝕孔、晶內(nèi)孔、粒間孔為主，孔徑分布以納米級孔隙為主，孔隙度分布在0.13%～3.15%，平均為1.18%；滲透率為0.000 8～0.263 5mD，平均為0.029 1 mD。

砂巖樣品孔隙度為2.38%～5.64%，滲透率為0.035～0.13mD，均屬致密低孔低滲砂巖儲層。

2.2.2 煤體結(jié)構(gòu)與變質(zhì)程度

都格井田煤層總體上原生結(jié)構(gòu)煤和破裂煤為主，個別煤層遭構(gòu)造破壞嚴(yán)重，呈糜棱煤。原生結(jié)構(gòu)煤一般較有利于煤層氣滲流，碎裂煤由于構(gòu)造裂隙發(fā)育程度適中而具有煤層氣開發(fā)的良好物性條件[10]；主要煤層去礦物基鏡質(zhì)組為14.92%～84.77%，各主要煤層鏡質(zhì)組最大反射率(Ro,max%)為1.51%～2.03%，平均1.71%，為中等變質(zhì)程度的貧瘦煤，煤層變質(zhì)作用主要為深成變質(zhì)作用[11]。因此井田煤體結(jié)構(gòu)整體較好，鏡質(zhì)組含量高，變質(zhì)程度適中，有利于煤層氣的富集。

2.3 溫壓場及巖石力學(xué)特征

注入/壓降試井顯示主力煤層儲層溫度較低，為27.0～33.8℃，儲層壓力為5.16～7.62MPa，壓力系數(shù)為0.93～1.20，為正常-超壓系統(tǒng)，臨儲比平均為0.44.主要目標(biāo)煤層儲層壓力為常壓儲層，臨儲比較高，利于煤層的排水降壓和較快的解吸產(chǎn)氣[12]。

煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)測試表明：巖石塊體密度為2.48～3.09g/cm3，平均2.72g/cm3；巖石抗壓強度為6.1～60.9MPa，平均23.25MPa；彈性模量為(21.1～30.1)×103MPa；平均26.14×103MPa；泊松比為0.22～0.28，平均0.25；巖石抗拉強度為0.55～9.68MPa，平均3.71MPa。主要煤層頂?shù)装蹇箟簭姸?、抗拉強度等力學(xué)性質(zhì)均明顯優(yōu)于煤層，有利于壓裂過程中裂縫的產(chǎn)生與擴展[2]。

3 分壓合采工藝及產(chǎn)氣效果

3.1 工藝選擇

針對都格井田中高階多、薄煤層，高含氣量、高含氣飽和度、低滲透率、弱含水的特征，結(jié)合黔西地區(qū)以往煤層氣開發(fā)經(jīng)驗[13]，楊煤參1井采用單流閥可鉆式橋塞分層，光套管大排量、大液量、分段階梯式加砂、多級段塞的分壓合采工藝。

3.2 目的層段優(yōu)選

楊煤參1井為都格井田第一口煤層氣參數(shù)井，以產(chǎn)能最大化為目的，要求所選煤層含氣量、臨界解析壓力、滲透率、儲層壓力等關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)越性和相近性，采用產(chǎn)層參數(shù)最優(yōu)質(zhì)、控制煤層氣資源量最大、資源豐度貢獻(xiàn)最強、層間干擾最低的原則[14]，層間距在30m左右，優(yōu)選上煤組5#、7#和13-2#煤層為目的層，單一煤層分別壓裂(圖3)。

3.3 分層壓裂施工過程

黔水參1井與楊煤參1井均采用光套管大排量注入，階梯式加砂的多層段塞壓裂工藝，由于儲層特征的差異，儲層的改造效果也呈現(xiàn)一定的差異性(表1)。

楊煤參1井射孔3段，射孔厚度7.3m，純煤厚度6.13m，均對煤層頂板進(jìn)行括射(不超過0.5m)，施工液量2 680.4m3，加砂量117.3 m3，施工壓力16.6～23.1MPa。裂縫監(jiān)測顯示楊煤參1井3個層段壓裂均產(chǎn)生了明顯的人工垂直裂縫，主裂縫方向為北東向，兩側(cè)延伸105.5～131.6m，裂縫寬31.4～35.6m，裂縫高10.8～12.6m。射孔范圍主要針對煤層，頂板括射0.3～0.5m，壓裂后裂縫高度均達(dá)到10m以上，對煤層頂?shù)装迳澳鄮r起到了較好的溝通作用，為后期獲得高產(chǎn)氣流提供了保障。

3.4 合采排采工藝

楊煤參1井使用抽油機加管式泵的有桿泵排水方式，進(jìn)行合層排采[15]，泵的吸入口下在最下部目的層以下5m左右。制定精細(xì)壓差排采制度，以控制井底流壓日降幅為核心，在產(chǎn)氣初期憋套壓至2～3MPa后，逐步放壓產(chǎn)氣, 避免過早暴露煤層，隨著排采的進(jìn)行逐步降低套壓， 根據(jù)不同排采階段控制流壓日降幅。排采前期逐步調(diào)高沖次，流壓日降幅控制在50kPa左右，為排水降壓階段；起套后，憋套壓，逐步調(diào)低沖次，流壓日降幅控制在30kPa左右，起套初期游離氣十分活躍，套壓上漲較快，流壓會因為氣團產(chǎn)出，出現(xiàn)突然大幅下降，但很快又會慢慢上漲，該階段產(chǎn)氣量提升較快，為產(chǎn)氣初期穩(wěn)壓提產(chǎn)階段(進(jìn)入該階段前，為確保排采安全，調(diào)換了現(xiàn)場閥門及配件，提高本井承壓能力，調(diào)整排采制度，該段稱為裝置制度調(diào)整階段)；伴隨著排水降壓范圍的不斷擴大，產(chǎn)氣量會逐步上升并平穩(wěn)，該階段流壓日降幅控制在20kPa左右，套壓逐步放低，以暴露最上部產(chǎn)氣層前多排水為目的，盡可能擴大降壓范圍，保證遠(yuǎn)端供氣平穩(wěn)，隨著液面不斷下降，儲層逐步暴露至最后一層，產(chǎn)氣量會在一定范圍內(nèi)波動，但基本保持穩(wěn)定，該階段流壓日降幅控制在10kPa以內(nèi)，為控氣穩(wěn)產(chǎn)階段；后期需保持液面穩(wěn)定在最后一層煤以上，盡量不暴露最后一個產(chǎn)層，隨著產(chǎn)水的減小，不斷調(diào)低沖次，保持流壓平穩(wěn)(圖4)。

圖3 楊煤參1井目標(biāo)層段優(yōu)選綜合柱狀圖Figure 3 Well YMC No.1 target segment optimized comprehensive column

表1 楊煤參1井與黔水參1井目的層壓裂特征一覽表

圖4 楊煤參1井生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線(2017.1.10—2018.1.31)Figure 4 Production data curve of well Yangmeican 1(2017.1.10—2018.1.31)日產(chǎn)水量、沖次、井底流壓、套壓4項參數(shù)數(shù)據(jù)采用左側(cè)坐標(biāo)；日產(chǎn)氣量、動液面、距離5-2煤層3項參數(shù)數(shù)據(jù)采用右側(cè)坐標(biāo)

統(tǒng)計楊煤參1井排采380d數(shù)據(jù)可以看出：楊煤參1井抽水46d后開始起套，隨后用20d時間改進(jìn)井口，提高其承壓能力，抽140d后單井日產(chǎn)氣量達(dá)到3 850m3，之后日產(chǎn)氣量長期穩(wěn)定在4 300m3左右，日產(chǎn)氣量大于3 800m3達(dá)240d，最高日產(chǎn)氣量5 011m3。

4 結(jié)論

1)都格井田上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M薄—中厚煤層群發(fā)育，煤層厚度大且穩(wěn)定性好，煤層埋深和變質(zhì)程度適中，具備良好的煤系氣生成、儲集與保存條件。煤儲層含氣量及含氣飽和度高，滲透性較好，儲層壓力梯度較高，煤系氣開發(fā)條件整體較好。

2)采用單流閥可鉆式橋塞分層，

光套管大排量、大液量、分段階梯式加砂、多級段塞壓裂工藝進(jìn)行分壓合采，楊煤參1井取得良好的煤系氣勘查試采效果，實現(xiàn)了西南地區(qū)煤系氣勘查開發(fā)工作突破。

3)煤層氣勘查過程中，必須按照探采一體化的思路，各工程緊密銜接，試采井完井后盡快壓裂排采，獲取產(chǎn)能數(shù)據(jù)，為下一步規(guī)模壞開采、商業(yè)開發(fā)提供依據(jù)。