孟慶春 左銀卿 魏 強 周 崔麗華

(中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院, 河北 062552)

2000 年, 對沁水煤層氣田6 口井采用小井距進行先導試驗, 日產(chǎn)氣穩(wěn)定在2000～2700m3/d 之間, 最高達5800m3/d。2006 年規(guī)模投產(chǎn)轉入生產(chǎn)排采階段。同時, 按照產(chǎn)能建設方案, 在樊莊區(qū)塊采用了水平井開采。

在樊莊區(qū)塊地質構造特征劃分的十幾個構造區(qū)塊中, 煤層氣井的生產(chǎn), 井與井之間以及單井在不同的生產(chǎn)階段, 呈現(xiàn)出不同的生產(chǎn)特征, 通過單井監(jiān)測及跟蹤研究, 這些特征受各種不同因素的控制。本文以樊莊區(qū)塊為例, 從地質角度結合數(shù)值模擬技術探究煤層氣井生產(chǎn)產(chǎn)能影響。

1 煤層氣儲層條件對煤層氣產(chǎn)能的影響

影響煤層氣生產(chǎn)能力的儲層因素主要有煤層滲透率、煤層分布狀況 (煤層厚度) 、煤階、含氣量、沉積環(huán)境、構造應力以及水動力條件等。采用Eclipse 數(shù)值模擬軟件中的煤層氣模型, 討論煤層厚度、煤層裂縫孔隙度、含氣量、煤層的壓裂改造(裂縫長度、滲透率) 和井底流壓對煤層氣井產(chǎn)量的影響。分析模擬結果, 煤層厚度、含氣量以及壓裂改造的裂縫半長和滲透率對煤層氣產(chǎn)能影響較大, 各參數(shù)對煤層氣井的產(chǎn)量的影響見表1。

表1 數(shù)值模擬分析煤層產(chǎn)氣量影響因素

煤層厚度、含氣量對煤層氣產(chǎn)能的影響顯而易見, 在其它地質條件相同、工作制度一致的情況下, 煤層含氣量越高, 煤層越厚, 煤層氣的地質儲量越大, 單井控制儲量越大, 其開采潛力越大。

2 工程條件對煤層氣產(chǎn)能的影響

裂縫半長越長產(chǎn)能越高, 隨著裂縫長度的增大, 產(chǎn)氣量、最大產(chǎn)氣量、穩(wěn)產(chǎn)時間都在增加。但是滲透率對產(chǎn)氣量的影響不同, 開發(fā)早期, 較大滲透率的情況下, 產(chǎn)氣量增大, 達到產(chǎn)氣峰值的時間早, 主要因為滲透率增大, 減小了氣、水流動的阻力, 使產(chǎn)水量增大, 儲層壓力下降更快, 氣體解吸速度加快。到開發(fā)后期, 滲透率越大, 產(chǎn)氣量比低滲透率情況下的反而小, 但累積產(chǎn)氣量仍然高于低滲透率條件。

結合煤層氣井供液能力數(shù)學模型, 在同等壓裂改造、地質條件相當?shù)那闆r下, 在煤層厚度、供給半徑、氣井半徑、含氣性、流體特性等參數(shù)基本相當?shù)臈l件下影響產(chǎn)氣的主要因素, 歸納起來也就是含氣飽和度 (含氣量) 和滲透性兩個主要影響因素。影響煤儲層含氣量、滲透率的因素十分復雜,有時是綜合因素的影響, 有時是某一因素起主導作用。

3 地質構造對單井產(chǎn)能影響

3．1 背斜構造初始產(chǎn)氣可能早, 但產(chǎn)氣量不高,產(chǎn)水量也不太大

(1) 初始產(chǎn)氣時間

統(tǒng)計樊莊區(qū)塊不同構造產(chǎn)氣時間, 在固縣背斜、玉溪西背斜的排采產(chǎn)氣井的初始產(chǎn)氣時間在15～130 天, 由于后期投產(chǎn)井大部分沒有放氣, 因而, 統(tǒng)計了其起套壓時間, 同樣, 固縣背斜的排采井的起套壓時間平均在34 天之內, 仍然為最先起套壓的排采井。

(2) 產(chǎn)水/產(chǎn)氣量

樊莊區(qū)塊不同構造產(chǎn)水/產(chǎn)氣量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明, 背斜部位井一般產(chǎn)水量在1．9～3．8m3/d, 平均日產(chǎn)水量2．7m3, 累計產(chǎn)水150～370m3, 開始產(chǎn)氣, 平均日產(chǎn)氣量500m3/d。圖1 顯示, 背斜部位的井的日產(chǎn)氣/累計產(chǎn)氣量不高。

尤其在煤層底板等高線的圈閉部位, 與外界水動力聯(lián)系很弱, 煤層氣保存條件較好, 在張力作用下游離氣較多, 初始產(chǎn)氣時間較短。在背斜圈閉部位的煤層氣井, 降壓容易, 產(chǎn)氣量峰值到達時間早, 產(chǎn)水量少。由于與其他構造部位聯(lián)系較少, 致使產(chǎn)氣周期短、產(chǎn)氣量少, 玉溪西背斜的氣井生產(chǎn)情況即是如此。

圖1 樊莊區(qū)塊產(chǎn)氣分布圖

3．2 背斜翼部是產(chǎn)氣的有利部位

位于背斜翼部的生產(chǎn)井, 儲層受力均勻, 頂?shù)装灞容^完好, 在上部水壓頭和下部“奧灰水”補給作用下, 煤層氣不易被解吸逸散, 從而聚集成藏。排采過程中壓降漏斗影響范圍大, 形成井間壓力重疊和主要產(chǎn)氣區(qū)。

樊莊區(qū)塊構造翼部排采井的產(chǎn)氣/產(chǎn)水統(tǒng)計,與背斜構造不同處表現(xiàn)為產(chǎn)氣量高于前者, 一般為3．9～5．9m3/d, 平均為4．5m3/d, 累計產(chǎn)氣量也高于前者。圖1 顯示出差別比較明顯。

3．3 斷層的導水性

斷層的導水性導致斷層附近含氣量低, 排采井可能產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量較小或不產(chǎn)氣。而向斜構造低部位水體大, 同樣壓降慢, 壓力短期內難以達到解吸壓力, 造成產(chǎn)氣晚、產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量小。

(1) 由地震及井分層所建立的層面構造, 區(qū)塊內部構造結構比較復雜, 存在若干個小規(guī)模的背斜、向斜構造, 在內部小斷層的控制下, 構造結構更為復雜。

斷層導水作用除了地表水向深部各含水層的補給外, 深部主要表現(xiàn)為以中奧陶統(tǒng)灰?guī)r為主的巖溶裂隙水向煤系含水層、煤層進行灌注與補給。

斷層附近裂縫發(fā)育, 通過壓裂易與斷層、地層水或地表水溝通, 煤層氣沿裂縫散逸, 排采井可能產(chǎn)水量大、產(chǎn)氣量較小或不產(chǎn)氣。統(tǒng)計斷層附近的目前生產(chǎn)井的生產(chǎn)情況, 數(shù)據(jù)變化受地質構造的控制, 向斜構造的較低部位的煤層氣井, 大部分井產(chǎn)水量在10m3以上, 見套壓時間相對晚, 產(chǎn)氣量小(或排采2 年時間還沒產(chǎn)氣) ;

(2) 由于處于同一區(qū)塊的煤層處于同一水動力壓力系統(tǒng), 構造低部位水體大、壓降慢, 壓力短期內難以達到解吸壓力, 因此產(chǎn)氣晚、產(chǎn)水量大, 產(chǎn)氣量小。在向斜構造較低部位的煤儲層, 在排水采氣過程中, 會接受來自翼部儲層中水的補給, 儲層中水匯集于此, 排水強度最大, 產(chǎn)水量大, 壓降漏斗卻小, 產(chǎn)氣量峰值達到時間晚。所以, 在構造低部位平均單井日產(chǎn)水量超過10m3/d 的居多, 甚至達到55m3/d。樊莊區(qū)塊斷層附近和構造低部位氣井產(chǎn)量統(tǒng)計結果, 平均日產(chǎn)水量14．7m3, 累計產(chǎn)氣量很少。

在初始降壓過程中儲層中水補給量的大小, 煤儲層中水的流動是制約煤層氣井產(chǎn)量的主要因素,而構造特點則決定了煤儲層中水的流動方向, 基于上述分析, 精細煤儲層描述、研究煤儲層構造底板等高線展布是選擇煤層氣井部署區(qū)域、提高煤層氣井產(chǎn)量基礎。

3．4 地質條件也是決定煤層氣水平井排采效果好壞的決定性因素

多分支水平井技術在沁水煤層氣田的應用, 標志著煤層氣鉆井和完井技術的發(fā)展, 隨著樊莊區(qū)塊多分支水平井的陸續(xù)投產(chǎn), 從目前排采現(xiàn)狀暴露的問題分析, 研究地質構造是多分支水平井鉆井成功、大幅度提高產(chǎn)量的關鍵。

(1) 水平井產(chǎn)量與水平井所處構造位置及鉆遇斷層發(fā)育程度有關

目前生產(chǎn)的水平井5 口井的日產(chǎn)氣量在1．5 萬m3以上, 從構造圖上分析, 這五口水平井所處構造相對簡單, 基本處于構造寬緩的翼部, 水平段沿煤層上傾方向鉆進, 沒有鉆遇斷層或很少。表2 顯示了部分生產(chǎn)井與構造的關系, 隨著生產(chǎn)時間的延長, 暴露出的問題會更明顯。

表2 樊莊區(qū)塊部分水平井產(chǎn)量統(tǒng)計

例如FZP02 - 3 井是目前多分支水平井排采時間較長、產(chǎn)氣量較高的一口井, 該井煤質結構很好(圖2) , 工程井與洞穴井連通后, 水平段沿地層上傾方向鉆進 (圖3) , 煤層進尺3579m, 沒有鉆遇斷層, 且鉆出煤層的層段相對少, 該井水平段煤層連通率相對高。FZP02- 3 井于2008 年1 月9 日投產(chǎn),目前產(chǎn)氣5 萬m3/天, 累計產(chǎn)氣320 萬m3。

由于前期的地質構造不太清楚, 在完鉆的45口多分支水平井中, 有部分井 (圖4) 水平段沿下傾方向鉆進, 且延伸到構造低部位, 甚至單井鉆遇多條斷層, 排除工程原因 (例煤層坍塌) 的各種影響, 僅從地質角度考慮, 有可能產(chǎn)水量大, 傾斜地層可能使生產(chǎn)井的產(chǎn)氣時間滯后, 但是否影響產(chǎn)氣量且影響程度大小, 盡管目前的實際資料還無法證實, 也將不利煤層氣解吸產(chǎn)出。

圖2 FZP02- 3 井煤層結構

(2) 水平井產(chǎn)量與水平段煤層鉆遇率、連通程度有關

圖3 FZP02- 3HL4 (L2) 鉆井軌跡

圖4 FZP03- 1HL7 (L6) 鉆井軌跡

FZP3- 1H 多分支水平井鉆有2 個水平主支, 8個水平分支, 總進尺為5523m, 統(tǒng)計實際煤層中累計水平進尺3662m, 該井總體特點為： ①主井眼連通性差; ②分支井眼從分支點起水平段在煤層外或煤層底部 (頂部) 居多; ③鉆遇斷層多, 地質條件復雜, 特別是地層傾向變化時地質導向準確率降低, 例L8 (L6) 分支水平段的鉆進, 整個分支水平段的連通性極差; ④水平段中煤層鉆遇率低; ⑤實際鉆進軌跡與設計相差大。由于眾多不利因素,該井生產(chǎn)中排水降壓困難, 該井目前累計產(chǎn)水18455m3, 未見產(chǎn)氣, 套壓為0, 平均日產(chǎn)水46m3。

另外, 如果多分支水平井的水平段煤層鉆遇率高, 僅僅是沿傾斜地層下傾方向延伸, 但水平延伸段仍處于構造的有利富氣區(qū), 可能產(chǎn)氣時間滯后,但產(chǎn)氣量的影響程度相對小的多 (表3) 。

表3 水平井分支走向統(tǒng)計表

(3) 水平段延伸方向與主裂縫發(fā)育方向相交,溝通的裂縫越多, 越有利于產(chǎn)氣。

水平井水平段延伸方向與主裂縫發(fā)育方向垂直或存在一定角度優(yōu)于平行于主裂縫方向。煤層的面割理方位直接決定了主水平井眼的方位。

鄭莊- 樊莊區(qū)塊以NE65 - 85°、NW20 - 50°方位裂縫最發(fā)育, 排采井水平段延伸方向與兩組裂縫成正交狀態(tài), 即水平分支走向為北北東和北北西的水平井大都產(chǎn)氣情況比較好。

從以上分析不難理解, 目前樊莊區(qū)塊水平井產(chǎn)氣情況也與構造位置高低相關, 傾斜地層可能使生產(chǎn)井的產(chǎn)氣時間滯后, 但是否影響產(chǎn)氣量且影響程度大小, 盡管目前的實際資料還無法證實, 但是研究地質構造, 優(yōu)選多分支水平井井位及鉆井軌跡也是非常關鍵的環(huán)節(jié)。2008 年新采集的二維地震資料解釋結果認為鄭莊區(qū)塊煤層條件比樊莊區(qū)塊更復雜, 所以為順利完成15 億m3產(chǎn)能建設, 更應在仔細研究現(xiàn)有資料的前提下部署多分支水平井。

4 煤體結構對煤層氣井產(chǎn)量的影響

煤體結構是煤儲層滲透率的間接反映, 煤體結構資料的的獲得主要依靠井下實際編錄和鉆井取芯, 但是井巷編錄在未采區(qū)的資料無法獲得, 而鉆井取芯常因煤層取心率低, 進行煤體結構分析準確度不高, 而方便快捷的評價方法是利用測井資料評價煤體結構, 在視電阻率曲線和在自然伽瑪曲線上, 軟煤表現(xiàn)為數(shù)值降低和增大, 同時三孔隙度曲線也有相應變化。

圖5 地層剖面顯示縱向上煤巖質量的差異, 縱向上煤層段可大致分為三層, 不同井煤體結構的差異不盡相同。但是軟煤的存在可能造成每口井的壓裂增產(chǎn)效果不同, 使得有的井可以高產(chǎn), 有的井產(chǎn)量不理想, 因此, 在后面的投產(chǎn)直井中, 全部壓裂三層結構的上面2 層, 雖然部分井頂部一層煤層厚度相對薄, 但頂部一層相對厚的情況也并非個別井, 例如華蒲2- 12 井, 因此投產(chǎn)井優(yōu)化射孔方案關系著單井的排采效果。

實際排采資料統(tǒng)計, 產(chǎn)氣穩(wěn)定、產(chǎn)氣量高 (上升) 的煤層氣井粉煤灰的排出大致有： ①煤粉灰短期內排出總量多, 但排出時間短; ②粉煤灰總體排出少, 間斷排出。而且排采初期就開始產(chǎn)出煤粉,例如華溪4- 10、蒲1 - 10 等井, 一段時間后產(chǎn)出煤粉量減少, 但產(chǎn)氣量增加。統(tǒng)計目前低產(chǎn)的煤層氣井, 除因產(chǎn)出水量大使得煤層氣難以解吸的煤層井, 不能排除煤粉灰的堵塞作用。如果在排采過程中排出一部分煤粉灰, 適當采取增產(chǎn)措施, 仍有可能提高產(chǎn)氣量。因此, 關注排采初期煤粉灰的產(chǎn)出是煤層氣井穩(wěn)定生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié), 是減少因煤粉灰(砂) 堵塞檢泵的一個手段。例如蒲2- 4 井, 該井曾持續(xù)一段時間排出少量的煤粉灰, 初期也有部分煤粉灰產(chǎn)出, 排出總量不大, 產(chǎn)氣量在1000m3/d左右, 實行水力解堵后, 產(chǎn)氣量達到2400m3/d,半年時間穩(wěn)產(chǎn)在2000m3/d 以上, 并在以后的生產(chǎn)過程中, 仍不時有煤粉產(chǎn)出, 可能仍存在堵塞。實行水力解堵后也有見效微或不見效井, 分析其原因, 大部分仍然存在堵塞的問題。例如華溪6 - 14井水力解堵后啟抽憋壓, 6 天內套壓由0．03 上升至0．31MPa, 憋壓近2 個月放氣, 目前日產(chǎn)氣600m3左右, 套壓0．42MPa, 產(chǎn)氣有上升趨勢。但是在水力解堵后排采過程初期多次停抽, 影響正常生產(chǎn), 可能仍有堵塞存在。因此, 對影響煤層氣排采的產(chǎn)量變化的煤粉的控制監(jiān)測也需要逐漸展開。

圖5 測井剖面

5 初步結論與建議

(1) 樊莊區(qū)塊煤層氣產(chǎn)能主要受控于煤儲層含氣量、滲透率、地質構造和水文地質條件是影響含氣量、滲透率的關鍵因素, 并且煤層氣井排采效果受煤體結構影響。

水文地質條件控制煤層氣富集運移, 煤層形成后的構造運動影響煤層氣的保存, 樊莊區(qū)塊產(chǎn)氣量高 (上升) 井一般位于構造的翼部, 低產(chǎn)井位于背斜構造高 (圈閉) 處、構造低部位及斷層附近。多分支水平井的排采效果也受地質構造條件影響。

(2) 隨著對樊莊區(qū)塊構造、高產(chǎn)規(guī)律的認識不斷深化和水平井開采方式的深入研究, 在今后的井位部署中, 選擇褶曲的寬緩翼部布井, 避開地下水補給邊界和斷裂以及合理的開發(fā)方式, 對即將實施的鄭莊區(qū)塊9 億m3產(chǎn)能建設及今后沁南地區(qū)規(guī)模開發(fā)具有指導意義。

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