柳林地區(qū)煤層氣排采控制因素及改進(jìn)措施

郭 暉 陳 慧 陳 龍

(1．中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011;2．北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

柳林煤層氣試驗(yàn)區(qū)位于山西省柳林縣境內(nèi)，面積16km2，是我國第一個(gè)成功地開發(fā)煤層氣的生產(chǎn)試驗(yàn)基地。

柳林區(qū)塊位于河?xùn)|煤田中段離柳礦區(qū)西部，南鄰石樓北區(qū)塊，北鄰三交區(qū)塊，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地東緣離石鼻狀構(gòu)造南翼，主體構(gòu)造為一個(gè)弧頂向西突出的弧狀褶皺。在鼻軸部位由于張力作用的結(jié)果，產(chǎn)生了東西向的張性斷裂帶，即聚財(cái)塔南北斷層組成的地塹構(gòu)造;在鼻軸方向上，離石-中陽向斜軸也明顯變成向西突出的弧形。研究區(qū)北部地層向西傾斜，向南逐漸轉(zhuǎn)為向西南傾斜，地層產(chǎn)狀平緩，傾角約3°～8°。在鼻狀構(gòu)造的背景上，發(fā)育有起伏微弱的次級(jí)小褶曲，起伏高度一般小于50m。區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，僅在區(qū)塊北部發(fā)育有由聚財(cái)塔南北正斷層組成的地塹及其派生的小型斷層(圖1)。地表未見陷落柱，也未見巖漿活動(dòng)。

柳林區(qū)塊地層出露由老到新依次為太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和新近系地層，其中上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組為主要含煤層系，石盒子組、本溪組僅含薄煤層或煤線，基本沒有開采價(jià)值。區(qū)內(nèi)以焦煤為主，可采煤層大約在10層左右，其中煤層氣開發(fā)目標(biāo)層位為山西組的3#、4#、5#煤層和太原組的8#、9#、10#煤層。

圖1 柳林區(qū)塊及周邊構(gòu)造綱要圖

1 區(qū)內(nèi)煤層氣基本地質(zhì)特征

柳林區(qū)塊煤層埋深在200～1000m之間，總體表現(xiàn)為由東北向西南逐漸加深的趨勢。在東部及北部地區(qū)煤層埋深較淺，在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中，容易造成煤層氣的逸散，對(duì)煤層氣富集不利;在南部和西南地區(qū)，埋深逐漸趨于1000m，埋深加大使得地層壓力變大，將降低煤層的孔隙度和滲透率，也不利于煤層氣的富集;中部的大部分區(qū)域埋深符合我國煤層氣有利開發(fā)條件，是煤層氣富集的有利區(qū)域。煤儲(chǔ)層滲透率主要為0.005～100mD，各個(gè)層位滲透率都呈現(xiàn)出北高南低的特點(diǎn)。

從柳林區(qū)塊排采情況來看:南北產(chǎn)能存在差異，東部比西部產(chǎn)氣量高，山西組較之太原組更容易排采。產(chǎn)水量方面，區(qū)塊西部的井總體比中東部的井要高，反映出西部煤層的水頭壓力要強(qiáng)于中東部。產(chǎn)氣量方面，區(qū)塊西部的井總體比中東部的井要低，反映出水動(dòng)力條件對(duì)該區(qū)煤層氣開發(fā)影響較大。

2 煤層氣排采效果與控制因素分析

柳林區(qū)塊煤層氣開發(fā)目標(biāo)層位為山西組的3#、4#、5#煤層和太原組的 8#、9#、10#煤層，目前以3#、4#、5#煤層合采和8#、9#、10#煤層合采的多層合采方式為主， (有1口井采用3#、4#、5#、8#、9#5層合采方式，該井的情況還處于觀察階段。)

從各井排采數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì) (表1)可以得知:該區(qū)排采3#、4#、5#煤層的單井平均日產(chǎn)水量為2.59m3;單井平均日產(chǎn)氣量為568.13 m3;單井平均最大日產(chǎn)水量為7.24m3;單井平均最大日產(chǎn)氣量為1407.43 m3。

表1 3#、4#、5#煤層排采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

排采8#、10#煤層的單井平均日產(chǎn)水量為3.73m3;單井平均日產(chǎn)氣量為186.21 m3;單井平均最大日產(chǎn)水量為5.85m3;單井平均最大日產(chǎn)氣量為299m3。

排采8#、9#、10#煤層的單井平均日產(chǎn)水量為2.83m3;單井平均日產(chǎn)氣量為1204.46 m3;單井平均最大日產(chǎn)水量為3.8m3;單井平均最大日產(chǎn)氣量為1722m3。

本文對(duì)柳林區(qū)塊排采期較長的11口井做了統(tǒng)計(jì)。這些井位置相對(duì)集中，地質(zhì)條件相近，排采時(shí)間較長，具備一定的可比性。通過對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)、開采層系、構(gòu)造位置等地質(zhì)因素，鉆井、壓裂質(zhì)量等工程因素，排采工作制度制定等生產(chǎn)管理因素的對(duì)比分析，認(rèn)為有3個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)柳林區(qū)塊煤層氣排采效果影響較大，分別為層間干擾、排采工作制度及煤粉堵塞。這里主要以上述11口井為研究對(duì)象，分析3項(xiàng)主控因素對(duì)排采效果的具體影響及其對(duì)應(yīng)規(guī)律。

2.1 層間干擾

不同層系合采因壓力和水力條件差異容易造成層系之間的干擾，影響生產(chǎn)效果。由于排采3#、4#、5#煤層的層間數(shù)據(jù)資料較少，現(xiàn)只研究8#、9#、10#煤層的層間干擾。

表2 8#、10#煤層排采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 8#、9#、10#煤層排采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2、表3可以看出:

同時(shí)排采8#、9#、10#三個(gè)煤層的L－11、L－12井的產(chǎn)氣量明顯大于只排采8#、10#兩個(gè)煤層的L－05、L－25井的產(chǎn)氣量。

排采8#、9#、10#三個(gè)煤層的L－11、L－12井的日平均產(chǎn)氣量、日平均產(chǎn)水量、最大日產(chǎn)氣量、最大日產(chǎn)水量均相差不大，排采8#、10#兩個(gè)煤層的L－05、L－25井的日平均產(chǎn)氣量、日平均產(chǎn)水量、最大日產(chǎn)氣量、最大日產(chǎn)水量也均相差不大。

可見，9#煤層是導(dǎo)致差異的主要因素，排采目的層中包含9#煤層的L－11、L－12井的產(chǎn)氣量比只排采8#、10#兩個(gè)煤層的L－05、L－25井的產(chǎn)氣量高出1000m3左右。說明9#煤層是主要的產(chǎn)氣煤層，而8#、10#兩個(gè)煤層對(duì)產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)不大。

因此，下步優(yōu)選開采層系時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮9#煤層。鑒于目前井?dāng)?shù)較少，還有待進(jìn)一步觀察和研究。

2.2 排采工作制度

總體上煤層氣井排采可以大致劃分為3個(gè)時(shí)期，分別是排采初期、穩(wěn)定產(chǎn)氣期和產(chǎn)量衰減期。排采初期的工作制度將影響到井后期的產(chǎn)氣量和井的壽命。所以有必要對(duì)排采初期的工作制度做重點(diǎn)研究。

合理的排采速度是煤層氣高產(chǎn)的保障。如果排采速率過大，液面下降速度過快會(huì)使有潛力的煤層氣井排采半徑縮短、發(fā)生速敏效應(yīng)、支撐劑顆粒鑲嵌煤層、裂縫閉合現(xiàn)象來臨較快、滲透率迅速降低，進(jìn)而造成單井產(chǎn)氣量低。如果排采速度過小，經(jīng)濟(jì)上又不能達(dá)到要求。

通過對(duì)排采曲線的歸納總結(jié)以及排采機(jī)理分析，可將排采初期進(jìn)一步細(xì)分為3個(gè)階段:第一個(gè)階段是穩(wěn)定降壓階段，第二個(gè)階段是臨界產(chǎn)氣階段，第三個(gè)階段是從初始產(chǎn)氣至穩(wěn)定產(chǎn)氣的階段。

2.2.1 穩(wěn)定降壓階段

在排采初期，隨著井筒內(nèi)液面的下降，井底壓力逐步降低，煤層中流體的壓力自無限遠(yuǎn)處至井筒產(chǎn)生不均勻的壓差，距井筒越近壓差越大，即壓降漏斗。如果排采強(qiáng)度太大，井筒液面和井底流壓下降很快，則煤層中流體壓差越大，一方面流體流動(dòng)速度得不到有效控制，會(huì)產(chǎn)生較多的煤粉，壓裂支撐劑和煤粉將隨流體運(yùn)移，可能產(chǎn)生堵塞，導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害。另一方面，過快的井底流壓降低，將導(dǎo)致煤層骨架受到的絕對(duì)擠壓應(yīng)力增加，即上覆巖層壓力與儲(chǔ)層壓力差變大，使得近井筒煤層產(chǎn)生應(yīng)力集中而滲率急劇變差，煤層內(nèi)流體不能繼續(xù)向井筒運(yùn)移而造成地層供液能力降低或不供液，壓降漏斗擴(kuò)散困難，氣井不能繼續(xù)排采。

如圖2，L－52井在產(chǎn)氣初期曾表現(xiàn)出很好的產(chǎn)氣能力，但在2個(gè)月以后，產(chǎn)氣量逐漸降低，初步分析是由于穩(wěn)定降壓階段因液面下降過快而導(dǎo)致。

2.2.2 臨界產(chǎn)氣階段

隨著液面的下降，煤層內(nèi)壓力下降到臨界解吸壓力時(shí)，吸附態(tài)煤層氣開始解吸，進(jìn)入臨界產(chǎn)氣階段，如果不控制排采強(qiáng)度，保持井底壓力平穩(wěn)，會(huì)有大量的煤層氣解吸出來并在裂隙中形成氣泡。在此情況下動(dòng)液面若下降較快會(huì)導(dǎo)致氣泡體積的迅速膨脹，當(dāng)氣泡體積大于孔大小時(shí)會(huì)引起氣鎖效應(yīng)。氣鎖效應(yīng)使氣泡被堵在孔隙中不能移動(dòng)而造成滲流通道受阻，從而壓力低于解吸壓力的小面積范圍內(nèi)形成氣鎖，阻擋泄壓范圍的擴(kuò)大，這將造成供氣源被限制在近井地帶難以向遠(yuǎn)端擴(kuò)延，最終影響后期產(chǎn)氣量。另外，若煤層氣不能充分有效解吸，而儲(chǔ)層壓力繼續(xù)降低會(huì)導(dǎo)致裂縫閉合，煤層滲透率降低，造成儲(chǔ)層破壞。

圖2 L－52井排采曲線

圖3 L－11井排采曲線

因此，在此階段要適當(dāng)降低排采強(qiáng)度以保持井底壓力平穩(wěn)。

2.2.3 初始產(chǎn)氣至穩(wěn)定產(chǎn)氣的階段

當(dāng)煤層氣解吸范圍逐漸擴(kuò)大時(shí)，產(chǎn)氣量快速增加，產(chǎn)水明顯減少，套壓快速增大，此時(shí)要以保持井底壓力平穩(wěn)為主，適當(dāng)放壓。當(dāng)產(chǎn)氣量基本穩(wěn)定，套壓平穩(wěn)后，進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣的階段。如圖3。在此階段的儲(chǔ)層傷害主要為人為造成的產(chǎn)水、產(chǎn)氣不穩(wěn)定引起壓力波動(dòng)，導(dǎo)致流體流動(dòng)不穩(wěn)定而造成煤層堵塞，滲透率變差。此階段要盡量保持連續(xù)穩(wěn)定的工作制度。

2.3 煤粉堵塞

柳林區(qū)塊煤層氣開發(fā)目標(biāo)層位為山西組的3#、4#、5#煤層和太原組的 8#、9#、10#煤層，從煤層巖性和排采情況可以知道山西組的3#、4#、5#煤層煤質(zhì)較硬，不容易產(chǎn)生煤粉，而太原組的8#、9#、10#煤層煤質(zhì)較軟，容易產(chǎn)生煤粉，容易卡泵。從排采方面來看，煤粉產(chǎn)出量與降液速率密切相關(guān)，若排采強(qiáng)度較大，大量煤粉遷移易堵塞地層，直接影響煤層滲透率，造成產(chǎn)水量下降;煤粉還易逐漸堆積在井筒內(nèi)，形成煤泥，造成卡泵現(xiàn)象，引起頻繁修井、增加成本，且修井過程中易引起煤層激動(dòng)，導(dǎo)致地層堵塞、產(chǎn)量下降。

3 改善排采效果的建議措施

針對(duì)上述主控因素的分析，為了延長產(chǎn)氣周期、提高單井產(chǎn)量，提出了相應(yīng)的排采改進(jìn)措施，在現(xiàn)場實(shí)施后，見到了明顯效果。

(1)9#煤層是研究區(qū)主要的產(chǎn)氣煤層，加強(qiáng)對(duì)9#煤層的研究對(duì)提高產(chǎn)氣量至關(guān)重要，因此下步優(yōu)選開采層系時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮9#煤層。

(2)在穩(wěn)定降壓階段應(yīng)控制液面下降的速度，臨界產(chǎn)氣階段應(yīng)適當(dāng)降低排采強(qiáng)度以保持井底壓力平穩(wěn)，這樣有利于對(duì)儲(chǔ)層形成保護(hù)。

(3)防止產(chǎn)生氣鎖。見套壓后需減小工作制度，保持井底壓力不變且略高于解吸壓力進(jìn)行定壓排采，在不產(chǎn)氣的條件下盡可能地?cái)U(kuò)大泄壓半徑。

(4)減少煤粉堵塞。煤粉堵塞易傷害煤層且引起排采不連續(xù)，影響排采效果。一方面應(yīng)加強(qiáng)增產(chǎn)壓裂工藝的研究，減少煤粉在壓裂過程中的產(chǎn)生量;另一方面加大修井工藝的研究力度，優(yōu)化能夠防止煤粉堵塞且適用于煤層氣特點(diǎn)的排采舉升設(shè)備，以確保各階段特別是產(chǎn)氣上升階段連續(xù)平穩(wěn)排采，努力提高煤層氣單井產(chǎn)量并實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

4 結(jié)語

排采工藝在某種程度上已經(jīng)成為制約我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，重視和加強(qiáng)煤層氣排采工藝的研究，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)柳林區(qū)塊煤層氣排采控制因素的研究，得到以下結(jié)論:

(1)動(dòng)液面下降速率是影響排采效果的關(guān)鍵因素。不同排采階段，動(dòng)液面控制原則和思路也不同。重點(diǎn)應(yīng)根據(jù)各階段的排采機(jī)理，以井底壓力平穩(wěn)下降為原則，開展各階段合理動(dòng)液面下降速率的定量化研究。

(2)通過優(yōu)選開發(fā)層系，降低層間干擾來提高單井產(chǎn)量。加強(qiáng)對(duì)研究區(qū)9#煤層的研究對(duì)后期排采尤其是產(chǎn)氣起著至關(guān)重要的作用。

(3)見氣后階段動(dòng)液面下降過快引起的煤粉堵塞也是影響排采效果的一個(gè)主要因素，易傷害煤層且引起排采不連續(xù)。因此，在壓裂和排采過程中應(yīng)引起足夠重視。

［1］池衛(wèi)國.1998.柳林煤層氣勘探開發(fā)試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，26(3):35－37.

［2］黃曉明，林亮，王贊維等.2010.山西柳林地區(qū)煤系地層對(duì)比特征［J］.中國煤層氣，7(3):3－7.