雍曉艱

(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院, 新疆烏魯木齊 830009 )

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新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣排采影響因素與煤層氣單井產(chǎn)量的預(yù)測(cè)

雍曉艱

(新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院, 新疆烏魯木齊 830009 )

煤層氣開(kāi)發(fā)可分為包括地質(zhì)、選區(qū)評(píng)價(jià)；鉆井、壓裂開(kāi)發(fā)工程；排采生產(chǎn)三個(gè)階段。在新的煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)域，由于無(wú)法準(zhǔn)確、有效的建立煤層氣分析模型，因此對(duì)新區(qū)域“甜點(diǎn)區(qū)”以及前期地質(zhì)、工程施工工作的評(píng)價(jià)往往需要長(zhǎng)時(shí)間的排采后，通過(guò)分析排采效果才能得出結(jié)論，這一時(shí)間往往需要1～3 a(不同區(qū)塊略有不同)，這不利于煤層氣開(kāi)發(fā)。通過(guò)在新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣排采研究和生產(chǎn)過(guò)程中，分析影響煤層氣單井產(chǎn)量的主控因素，利用“有限元”的思想簡(jiǎn)化等溫吸附曲線和煤層氣有效排采降壓漏斗曲線，對(duì)該地區(qū)煤層氣單井排采有效降壓范圍進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)單井產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)和對(duì)比。

阜康白楊河礦區(qū)；煤層氣開(kāi)發(fā)；煤層氣單井產(chǎn)量預(yù)測(cè)；等溫吸附曲線；降壓漏斗

0 引言

新疆預(yù)測(cè)2000m以淺煤炭資源總量約為2.19萬(wàn)億t ，約占全國(guó)煤炭資源總量的42%。全區(qū)煤層氣預(yù)測(cè)資源量為9.51萬(wàn)億m3，占全國(guó)的26%。全國(guó)資源量大于1萬(wàn)億m3的9個(gè)含氣盆地，新疆占4個(gè)。

目前，新疆煤層氣探明儲(chǔ)量為43.39億m3，已建產(chǎn)能約0.5億m3，勘探開(kāi)發(fā)程度低，資源未得到有效開(kāi)發(fā)利用,開(kāi)發(fā)前景很好。新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)利用先導(dǎo)性示范工程是新疆第一個(gè)煤層氣示范工程，主要工作任務(wù)是在該區(qū)前期煤炭、煤層氣工作的基礎(chǔ)上，按照整體部署、分期實(shí)施、滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的原則，在該區(qū)施工50口生產(chǎn)井、1組U型井，并進(jìn)行包括集氣管網(wǎng)、集氣處理站以及相配套的土建工程、輸氣管網(wǎng)、動(dòng)力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)等工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)小規(guī)?；a(chǎn)和利用，目前已建成為年產(chǎn)能3000萬(wàn)m3的新疆第一個(gè)煤層氣開(kāi)發(fā)利用示范基地。

1 單井產(chǎn)氣量主控因素

排采研究認(rèn)為，阜康白楊河礦區(qū)影響單井產(chǎn)氣量的因素有三個(gè)，包括水文地質(zhì)條件、煤層含氣量和煤層的滲透性。其中以滲透性為主，水文地質(zhì)條件和煤層含氣量為輔。

1.1 水文地質(zhì)條件

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中,地下水系統(tǒng)通過(guò)地層壓力對(duì)煤層氣吸附聚集起控制作用。

通過(guò)排采研究分析發(fā)現(xiàn)，阜康白楊河礦區(qū)水力運(yùn)移逸散作用較弱。主要原因是阜康白楊河礦區(qū)未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水性較強(qiáng)的斷層構(gòu)造發(fā)育，煤層富水性較差，水動(dòng)力弱，在煤系沒(méi)有形成明顯的補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)。僅在高滲集中區(qū)有局部排采井出現(xiàn)煤層含氣量高于附近井的現(xiàn)象。

與水力運(yùn)移逸散作用相比，阜康白楊河礦區(qū)以水力封閉作用為主。其煤系上部和下部均以巨厚泥巖、粉砂巖為主，是良好的隔水層，與含水層無(wú)水力聯(lián)系，煤層水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。煤層淺部火燒區(qū)含水層以靜水壓力傳遞至煤層，使煤層氣吸附于煤中，煤層氣相對(duì)富集而不發(fā)生運(yùn)移。

由于富水性弱，煤層水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，因此水文地質(zhì)條件僅為影響單井產(chǎn)量的次要因素。

1.2 煤層含氣量

煤層含氣量是煤化作用、構(gòu)造活動(dòng)、埋藏演化過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次吸附/解吸、擴(kuò)散/滲流、運(yùn)移后，在現(xiàn)今地質(zhì)條件下動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。

阜康白楊河礦區(qū)位于黃山-二工河倒轉(zhuǎn)向斜北翼,總體為南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻鼥|西向，地層傾角45°～58°，區(qū)塊內(nèi)沒(méi)有斷層，構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單構(gòu)造類(lèi)型，淺部火燒嚴(yán)重，深度達(dá)到400～500m。由于白楊河礦區(qū)煤層高傾角和淺部火燒這一地質(zhì)特征，煤層含氣量與煤層埋深呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，煤層埋深是煤層含氣量的主要控制因素。特別是600m以淺煤層，煤層含氣量低，煤層含氣量是單井產(chǎn)量的主控因素。600m以深，1200m以淺范圍，煤層含氣量隨深度穩(wěn)步上升，噸煤含氣量由8m3/t逐步上升至21m3/t；煤層含氣量變化不大，是影響單井產(chǎn)氣量的次要因素。

1.3 滲透性

煤體的滲透性是指煤對(duì)煤層氣流動(dòng)的阻力特性，煤的滲透性是控制煤層氣在煤儲(chǔ)層中流動(dòng)的最關(guān)鍵參數(shù)。阜康白楊河礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層滲透性有自身的特點(diǎn)，在走向上煤層滲透性出現(xiàn)高滲集中區(qū)和低滲集中區(qū)，通過(guò)分析認(rèn)為這是由于受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，沿煤層走向出現(xiàn)局部區(qū)域受擠壓，形成低滲集中區(qū)；局部區(qū)域受張拉，形成高滲集中區(qū)。高滲集中區(qū)測(cè)試平均滲透率3.3mD，最高7.3mD。低滲集中區(qū)測(cè)試平均滲透率0.9mD，最低0.2mD。沿煤層傾向方向，隨著地層上覆壓力的增加，煤層滲透性逐步降低，但滲透率與深度無(wú)明顯的線性關(guān)系。由于煤層滲透性在傾向上和走向上非均質(zhì)性強(qiáng)，差異大，成為影響單井產(chǎn)量的主控因素。

2 單井產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)

阜康白楊河礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層含氣量規(guī)律分布明顯，測(cè)試容易，地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)布井時(shí)均在600m以深布設(shè)井位，避開(kāi)了煤層含氣量不利區(qū)域。單井控制區(qū)域煤層滲透性的高低決定了單井有效降壓范圍擴(kuò)散的容易程度，因此通過(guò)排采分析單井有效降壓體積，成為預(yù)測(cè)單井產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。

2.1 單井產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法

在解吸產(chǎn)氣初期，井底流壓下降快，但氣產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢，這一現(xiàn)象主要由兩個(gè)原因產(chǎn)生。第一、產(chǎn)氣初期煤層有效壓降漏斗范圍小，供氣煤層體積(V)有限；第二、煤層等溫吸附曲線是非線性曲線，井底壓力越高，噸煤?jiǎn)挝粔航到馕鰵饬?δ)越低，井底單位降壓煤層氣解析總量C=V×δ就越低。

隨著井底流壓不斷下降，地層壓降漏斗逐漸擴(kuò)大，不僅供氣煤層體積(V)增加，噸煤?jiǎn)挝粔航到馕鰵饬?δ)也增加，因此井底流壓下降較小的值就能產(chǎn)出大量的煤層氣。由于等溫吸附曲線是由煤層物理性質(zhì)和溫度決定，且可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)得，因此只要知道地層降壓漏斗擴(kuò)展規(guī)律，得出供氣煤層體積與井底流壓曲線就可以通過(guò)單井初期產(chǎn)氣量準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)后期穩(wěn)產(chǎn)量。

2.2 等溫吸附曲線的處理方法

等溫吸附曲線是非線性曲線，圖1為阜康白楊河地區(qū)FS-X井在溫度24℃條件下測(cè)得的等溫吸附曲線圖。在壓力值變化程度相同的情況下隨著壓力的不斷下降，相同降壓范圍的吸附量有顯著的變化，為了在實(shí)際中計(jì)算各階段的實(shí)際煤層解析體積，通過(guò)運(yùn)用“有限元”的思想方法，認(rèn)為曲線是由有限的足夠小的直線組成，為了計(jì)算方便，我們將壓降范圍以0.2MPa為一段， 以確定在整個(gè)降壓過(guò)程中對(duì)應(yīng)不同壓力，相同壓降的總參與解吸體積。

圖1 FS-X井實(shí)驗(yàn)室等溫吸附曲線Figure 1 Well FS-X laboratory isothermal adsorption curve

2.3 煤層解析體積的計(jì)算方法

由于煤層氣排采形成了降壓漏斗，因此煤層與井筒距離不一樣，其對(duì)應(yīng)的流壓也不一樣。由于降壓漏斗曲線的非線性，導(dǎo)致要準(zhǔn)確計(jì)算測(cè)出距離井筒X的煤層流壓f與井筒內(nèi)流壓F的關(guān)系是很困難的。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于阜康白楊河地區(qū)滲透性較小，弱富水性，以及等溫吸附曲線的非線性，導(dǎo)致產(chǎn)氣量主要集中在近井地帶，因此再次使用“有限元”的思想，認(rèn)為在極小壓力變化下，降壓漏斗曲線呈線性變化。煤層解析體積也呈線性變化。

2.4 FS-X井參與解析煤層體積的計(jì)算

表1是取降壓0.2MPa為一個(gè)單元“有限元”化等溫吸附曲線和排采實(shí)際產(chǎn)氣量計(jì)算FS-X井相應(yīng)降壓范圍參與解析的煤層體積。

圖2是取降壓0.2MPa為一個(gè)單元“有限元”化等溫吸附曲線和排采實(shí)際產(chǎn)氣量計(jì)算FS-X井相應(yīng)降壓范圍參與解析的煤層體積。

由上圖可知，在排采制度“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”的前提下，阜康白楊河地區(qū)煤層解析體積與井底流壓降幅可近視為線性關(guān)系，因此可以通過(guò)見(jiàn)套后3～5個(gè)月排采產(chǎn)氣情況利用表1和圖2推測(cè)出該井任意流壓下穩(wěn)產(chǎn)后的單井產(chǎn)量。

表1 FS-X井解吸體積動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì)表

圖2 FS-X井解吸體積動(dòng)態(tài)變化圖Figure 2 Well FS-X desorption volume dynamic variation chart

3 結(jié)論

阜康地區(qū)由于水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，富水性弱，煤層含氣量分布規(guī)律穩(wěn)定，因此滲透性是影響排采降壓漏斗形成的主控因素，煤層解析體積與井底流壓降幅呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系。在其他區(qū)域可能略有不同，但通過(guò)上述方法可以得出煤層解析體積與井底流壓降幅的變化趨勢(shì)，通過(guò)初期排采大致預(yù)測(cè)后期產(chǎn)量。這對(duì)于后期排采工作的優(yōu)化以及對(duì)前期地質(zhì)選區(qū)，鉆井、壓裂開(kāi)發(fā)工程評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)性的意義。

[1]孔令曉，王彬.煤層氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法及對(duì)比[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，(8).

[2]趙金，張遂安.煤層氣井底流壓生產(chǎn)動(dòng)態(tài)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2013，(4).

[3]萬(wàn)玉金，曹雯.煤層氣單井產(chǎn)量影響因素分析[J].天然氣工業(yè)，2005，25(1):124-126.

[4]王生維，王峰明，等.新疆阜康白楊河礦區(qū)急傾斜煤層的煤層氣開(kāi)發(fā)井型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(9):1914-1918.

[5]李長(zhǎng)寶，黃瑞峰.煤屑瓦斯擴(kuò)散理論研究與展望[J].中州煤炭，2016，(6):22-25,29.

CBM Drainage Impacting Factors and Single Well Output Prediction in FukangBaiyanghe Mine Area, Xinjiang

Yong Xiaojian

(Xinjiang Uygur Autonomous Region Coal Geological Integrated Exploration Institute, Urumqi, Xinjiang 830009)

The CBM exploitation can be partitioned into three stages including: geological, mining area selection assessment; subsequent drilling, fracturing and exploitation engineering; and then drainage. In new CBM exploitation regions, since no way to correctly, effectively establish CBM analytical model, thus to assess new region’s “dessert area” and prophase geological, project construction works often need a long time drainage, then through effect analysis can only come to a conclusion. The time usually needs 1 to 3 years (different blocks have slightly different), thus not advantageous to CBM exploitation. Based on CBM drainage research and production process in the Fukang Baiyanghe mine area, Xinjiang analyzed the main control factors. Using the “finite element” idea to simplify isothermal adsorption curve and CBM effective drainage pressure drop funnel curve, carried out computation of CBM single well drainage effective pressure drop range in the area, as well as single well output prediction and comparison.

Fukang Baiyanghe mine area; CBM exploitation; CBM single well output prediction; isothermal adsorption curve; pressure drop funnel

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.08

1674-1803(2017)06-0045-03

雍曉艱(1965—)，本科，高級(jí)工程師，主要從事煤田普查與勘探等相關(guān)工程和研究工作。

2017-04-06

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責(zé)任編輯：宋博輦