趙建斌，楊玲，萬金彬，劉紅艷，黃科

（1．中國石油集團(tuán)測井有限公司油氣評價中心，陜西 西安710077；2．中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津300280）

0 引 言

山西保德區(qū)塊屬于中國第一個已探明的大型中低煤階煤層氣田，區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣北部，在構(gòu)造位置上屬于晉西褶曲帶北段，總體形態(tài)為向西緩傾的大型單斜構(gòu)造，地層傾角較緩，約5°～10°，構(gòu)造走向近北東向，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，其中主要發(fā)育煤層為二疊系山西組的4＋5煤和石炭系太原組的8＋9煤。煤層具有發(fā)育厚度大、含氣量低—中等、見氣早、產(chǎn)量上升快、解析壓力高、含氣飽和度高的特點(diǎn)［1－3］，但隨著勘探與開發(fā)的深入，有些排采井在排采過程中發(fā)現(xiàn)井筒產(chǎn)水量過大，嚴(yán)重影響開發(fā)進(jìn)度。

煤層氣井的生產(chǎn)是通過抽排煤層以及相鄰含水層中的地下水降低儲層壓力，使煤層中的甲烷氣體從吸附態(tài)解析為游離態(tài)并向井口運(yùn)移，即經(jīng)歷排水—降壓—解析—擴(kuò)散—滲流—產(chǎn)出過程［4－5］，排水是儲層壓力降低的根本途徑。煤層含水性直接關(guān)系到儲層壓力降低的難易程度。含水性過強(qiáng)，無疑增加排采的強(qiáng)度，如果排采速率過大，液面下降速度太快，會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，甚至報廢。

針對山西保德區(qū)塊煤層氣井出現(xiàn)產(chǎn)水量大、排水時間增加、見氣周期變長的問題，本文進(jìn)行煤層氣井含水性評價方法的研究進(jìn)而指導(dǎo)井位部署、壓裂施工以及排采制度。

1 煤層產(chǎn)水單因素分析

保德地區(qū)排采數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明，各井的8號＋9號煤層日產(chǎn)水量從幾方到幾十方不等（剔除排水異常井），井間日產(chǎn)水量差異較大。從平面上看，煤層日產(chǎn)水量總體呈由西南向東北不斷減少的規(guī)律，尤其是西北方向上的A井—B井和西南方向上的D井—C井2個區(qū)域的日產(chǎn)水量最大（見圖1）。煤層氣井排采過程中水的補(bǔ)給源主要是煤層頂?shù)装搴畬樱陧數(shù)装迳澳鄮r巖系中砂巖顆粒越粗、砂巖層越厚則含水性越強(qiáng)［6］，因此在評價煤層產(chǎn)水情況不僅考慮煤層自身產(chǎn)水還要考慮其頂?shù)装宓挠绊?。以下從?gòu)造、埋深、煤層厚度、頂?shù)装搴凸I(yè)組分等5個方面對煤層的日產(chǎn)水量控制因素進(jìn)行分析。

圖1 8號＋9號煤層日產(chǎn)水平面圖

1．1 構(gòu)造因素

圖2 8號＋9號煤層頂面構(gòu)造圖

從日產(chǎn)水平面圖可以看出，產(chǎn)水量較大的A、B和D等井基本位于局部構(gòu)造低部位（見圖2），體現(xiàn)了構(gòu)造作用對煤層產(chǎn)水的控制作用。位于局部構(gòu)造低部位的煤層在盆地構(gòu)造演化過程中受到了水平擠壓應(yīng)力的作用，于是煤層發(fā)生韌性變形而產(chǎn)生褶曲。通常情況下，在褶曲的低部位軸部以壓縮作用為主，抗壓強(qiáng)度大，彈性形變好，裂隙不易發(fā)育，但在褶曲翼部由于受到強(qiáng)烈的剪切作用，裂隙通常較發(fā)育，使得煤層的滲透性變好，有利于地下水的聚集和滲流。

1．2 埋深

該區(qū)煤層的日產(chǎn)水量與埋深有一定相關(guān)性，隨埋深的增加，日產(chǎn)水量增多（見圖3）。當(dāng)煤儲層的埋深越深時，儲層壓力就越高，產(chǎn)氣量和產(chǎn)液量也隨之增大。煤層氣開發(fā)正是基于這一規(guī)律，通過對煤儲層承壓水的抽排，使煤層中的壓力得到有效降低，以達(dá)到讓煤層氣解析的目的。實驗室內(nèi)對不同埋深的煤樣滲透性的測試結(jié)果表明，隨著埋深增加，煤層受到上覆地層的壓力變大，煤層裂隙趨于閉合，儲層物性和滲透性變差，流體流動能力變小，一定程度上阻礙了地下水的滲流和排出。由于以上2個相反方面的因素的綜合影響，該區(qū)煤層日產(chǎn)水量與埋深的正相關(guān)系數(shù)較低。

圖3 8號＋9號煤層埋深與日產(chǎn)水關(guān)系圖

1．3 煤層厚度

保德地區(qū)主力煤層的孔隙度為3%～8%，與常規(guī)砂巖儲層相比，煤層的孔隙度相對較低。在頂?shù)装宓绕渌刭|(zhì)條件相同的情況下，煤層的厚度越大，則其中的孔隙體積越大，能夠儲存或滲流的流體越多。因此該區(qū)煤層厚度與日產(chǎn)水量呈正相關(guān)關(guān)系，如D井8號＋9號煤層厚度達(dá)12m，日產(chǎn)水量為35m3以上，而E井的該套煤層厚度小于4m，日產(chǎn)水量僅有17m3左右。

1．4 底板厚度及巖性

研究表明，該區(qū)煤層底板條件對煤層產(chǎn)水量的控制作用明顯。煤層底板對煤層產(chǎn)水量的影響表現(xiàn)在厚度和巖性2個方面。底板厚度越大，砂地比越大，煤層產(chǎn)水量越大（見圖4、圖5）。底板厚度和砂地比越大，代表底板中砂巖含量越多，甚至煤層直接與厚層滲透性砂巖相接觸，而太原組砂巖層也為含水層，砂巖所含水和煤層所含水疊加使得該處煤層產(chǎn)水較多。相反，當(dāng)煤層底板厚度較薄，砂地比小時，底板巖性主要為非滲透性泥巖，泥巖層將煤層與其他滲透性含水層隔開，煤層產(chǎn)水相對要少。

圖4 8號＋9號煤層底板厚度與日產(chǎn)水關(guān)系圖

圖5 8號＋9號煤層底板砂地比與日產(chǎn)水關(guān)系圖

1．5 工業(yè)組分

煤包含水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分4種工業(yè)組分，該區(qū)煤層的日產(chǎn)水量與其中的固定碳組分呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖6）。這是由于固定碳的含量與煤的變質(zhì)程度密切相關(guān)，從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度看，碳主要集中在稠核上并構(gòu)成稠核芳香系統(tǒng)的骨架，隨煤的變質(zhì)程度增加，稠核不斷擴(kuò)大，碳含量也逐漸增加。而變質(zhì)程度相對低的煤，一般水分含量較少，煤割理常較發(fā)育，隨著煤化程度的增高，成煤物質(zhì)長期處于高溫、高壓條件下，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤分子排列更緊密，煤體中已張開的裂隙逐漸閉合，使裂隙數(shù)量減少，使得煤層物性變差，日產(chǎn)水量減少。

圖6 8號＋9號煤層固定碳與日產(chǎn)水關(guān)系圖

2 基于煤巖體系統(tǒng)分析煤層產(chǎn)水情況

從以上單因素分析煤層產(chǎn)水情況來看，煤層產(chǎn)水與構(gòu)造、埋深、煤層厚度、底板厚度與巖性以及工業(yè)組分具有一定關(guān)系。但是在煤層氣井實際排采過程中，保德區(qū)塊4號＋5號煤和8號＋9號煤同時被射開進(jìn)行排采，因此日產(chǎn)水量實際是2個煤層產(chǎn)水量之和。另外，煤層氣的開采普遍需要對煤層進(jìn)行壓裂，壓裂的對象是煤層，但是壓裂裂縫形態(tài)是一個空間概念，因此上下圍巖的性質(zhì)和煤層性質(zhì)以及兩者的組合關(guān)系對裂縫形態(tài)影響較大，在上下圍巖與煤層力學(xué)性質(zhì)相近時，壓裂往往會使上下圍巖壓串煤層與上下圍巖的連通性大大增加，增加了煤層產(chǎn)水的來源?，F(xiàn)場資料也證實了這一點(diǎn)，圖7、圖8分別是×井偶極子陣列聲波壓裂前后處理結(jié)果（10號層為8號＋9號煤），從結(jié)果對比明顯看出：①煤層被壓碎，各向異性變?nèi)酰瑝毫迅纳泼黠@；②該層頂板661．0～666．7m、底板672．5～680．0m 相對壓前各向異性增強(qiáng)，煤層壓開井段向上延伸7．0m，向下延伸8．2m。

基于以上要點(diǎn)考慮，將煤層產(chǎn)水作為一個系統(tǒng)行為研究，為此引入綜合煤巖體綜合強(qiáng)度因子，結(jié)合煤層產(chǎn)水單因素分析結(jié)果建立煤層產(chǎn)水預(yù)測模型對井筒煤層產(chǎn)水進(jìn)行分析。

2．1 煤巖體綜合強(qiáng)度因子

圖7 ×井8號＋9號煤層壓裂前偶極子陣列聲波解釋圖

圖8 ×井8號＋9號煤層壓裂后偶極子陣列聲波解釋圖

對于一個井田或者小范圍區(qū)塊，煤儲層經(jīng)歷的地質(zhì)發(fā)展史、演化史相似，某一階段煤儲層所承受的溫度、壓力、應(yīng)力接近，且井田或區(qū)塊內(nèi)部沒有明顯邊界，煤層本身含水性在徑向上沒有較大區(qū)別，井筒的產(chǎn)水更取決于縱向上頂?shù)装鍘r體與煤層結(jié)構(gòu)變化、連通性等。煤巖體綜合強(qiáng)度因子反映了統(tǒng)計層段內(nèi)層狀復(fù)合巖體的綜合強(qiáng)度，可以作為煤巖體綜合彈性模量。當(dāng)強(qiáng)度因子較大時，巖體容易發(fā)生脆性斷裂，在相同的泵入總液量前提下，壓開裂隙延伸長度越大，使得煤巖體的連通性強(qiáng)，在排采過程中存在越流補(bǔ)給現(xiàn)象，所以煤層產(chǎn)水量就大。

煤巖體強(qiáng)度因子

式中，hi為統(tǒng)計層段內(nèi)巖層單層厚度；si為巖層中點(diǎn)到煤層中點(diǎn)的距離；Ki為巖層單層相對強(qiáng)度（見表1）。

表1 巖層單層相對強(qiáng)度［7］

據(jù)5口探井資料統(tǒng)計保德區(qū)塊4號＋5號煤底深距8號＋9號煤頂深最小值為30．5m，最大值為60．8m，平均40．45m；所以將每口井4號＋5號煤頂深以上20m、4號＋5號煤底深與8號＋9號煤頂深之間、8號＋9號煤底深以下20m定義為1個煤巖體系統(tǒng)作為研究對象。定義煤巖體綜合強(qiáng)度因子

式中，H4＋5為4號＋5號煤層厚度；H為4號＋5號煤層與8號＋9號煤總厚度；CE4＋5為4號＋5號煤巖體強(qiáng)度因子；CE8＋9為8號＋9號煤巖體強(qiáng)度因子。

2．2 井筒產(chǎn)水預(yù)測模型

綜合考慮煤層產(chǎn)水單因素分析結(jié)果與煤巖體綜合強(qiáng)度因子建立了煤層氣井井筒產(chǎn)水預(yù)測模型

式中，TCE為煤巖體綜合強(qiáng)度因子；D為煤巖體埋深；Fca為4號＋5號煤和8號＋9號煤平均碳含量；a、b為待定系數(shù)。

2．3 實例分析

據(jù)鉆井錄井資料顯示，該區(qū)塊煤層頂?shù)装逯饕悄鄮r、細(xì)砂巖、粉砂巖和少量炭質(zhì)泥巖。為了計算方便，規(guī)定泥質(zhì)含量大于40%且厚度大于1m為泥巖層，泥質(zhì)含量小于40%且厚度大于1m為砂巖層，炭質(zhì)泥巖層按泥巖層處理。表2為保德區(qū)塊?！痢辆?＋9煤各巖體單層厚度、距煤層中點(diǎn)距離以及單層強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表2 ?！痢辆?號＋9號煤層單層統(tǒng)計數(shù)據(jù)

將統(tǒng)計數(shù)據(jù)帶入式（1）計算的CE8＋9＝1．49，同樣方法計算CE4＋5＝1．17，然后利用式（2）計算?！痢辆簬r體綜合強(qiáng)度因子TCE＝1．34。隨著各巖層距目的煤層距離的增大，其單層強(qiáng)度對煤巖體強(qiáng)度因子的影響減弱，當(dāng)超過一定距離后，其影響將非常有限。參考現(xiàn)場資料壓裂裂隙在縱向上延伸10m左右，將這一距離設(shè)定為20m。

該區(qū)塊橫向上煤層與砂體發(fā)育比較穩(wěn)定，也就是說區(qū)域水源相似；縱向上井與井之間砂體距煤層距離、砂體厚度、煤層厚度以及砂體與煤層組合關(guān)系、力學(xué)強(qiáng)度等存在著較大差異。這種差異性正是導(dǎo)致壓裂后井與井之間產(chǎn)水量不同的原因，煤巖體綜合強(qiáng)度因子能夠很好體現(xiàn)這種差異。

對保德區(qū)塊20口井進(jìn)行煤巖體綜合強(qiáng)度因子計算，計算結(jié)果見表3。圖9為煤巖體綜合因子與日產(chǎn)水關(guān)系圖?？梢钥闯鼍踩债a(chǎn)水量隨著煤巖體綜合強(qiáng)度因子TCE的增大顯現(xiàn)指數(shù)增加且相關(guān)性好，充分說明壓裂對煤層產(chǎn)水起著主導(dǎo)作用。利用井筒產(chǎn)水模型預(yù)測了10口井的產(chǎn)水情況，圖10為實際日產(chǎn)水與預(yù)測日產(chǎn)水對比圖，從結(jié)果看，該模型具有很好的實用性。

圖9 煤巖綜合體強(qiáng)度因子與日產(chǎn)水關(guān)系圖

圖10 模型計算日產(chǎn)水與實際日產(chǎn)水對比圖

表3 保德區(qū)塊20口井煤巖體強(qiáng)度因子計算結(jié)果

3 結(jié)論與建議

（1）在單因素分析得到8號＋9號煤日產(chǎn)水量受構(gòu)造、埋深、底板、工業(yè)組分等多種因素的影響。局部構(gòu)造位置低、埋深大、底板厚度大且砂巖含量高、低固定碳工業(yè)組分等條件的煤層，產(chǎn)水量一般較多。單因素分析能夠指導(dǎo)煤層氣井的井位部署、井網(wǎng)布置。

（2）引入了煤巖體綜合強(qiáng)度因子TCE，將4號＋5號煤和8號＋9號煤作為一個整體評價壓裂后井筒產(chǎn)水情況，TCE值與井筒產(chǎn)水量有很好的關(guān)系。通過計算煤巖體綜合強(qiáng)度因子控制壓裂規(guī)模是控制煤層產(chǎn)水一個有效方法。如果4號＋5號煤與8號＋9號煤的煤巖體強(qiáng)度因子差別較大，就選用分層壓裂方式；如果差異不大則采用合層壓裂方式。

（3）結(jié)合單因素分析結(jié)果與煤巖體綜合強(qiáng)度因子建立了煤層氣井筒產(chǎn)水預(yù)測模型，通過實際資料處理，取得了較好的應(yīng)用效果。

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