本文關(guān)鍵詞：基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)能控制地質(zhì)因素研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第22卷第5期2011

年10月天然氣地球科學(xué)NATURAL　GAS　GEOSCIENCEVol.22No.5Oct.　2011

非常規(guī)天然氣

基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部

煤層氣井產(chǎn)能控制地質(zhì)因素研究

張培河,劉鈺輝,王正喜,劉娜娜

(中煤科工集團(tuán)西安研究院,陜西西安710054)

摘要:產(chǎn)量是儲(chǔ)層的反映,產(chǎn)量分析是認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層最有效的方法。研究煤層氣產(chǎn)能控制因素,可為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)選區(qū)、井位部署及開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。熱點(diǎn)地區(qū),初步實(shí)現(xiàn)了煤層氣產(chǎn)業(yè)化,地面垂直井產(chǎn)氣量一般在2000～53,但不同地區(qū)甚至同一地區(qū)的不同氣井產(chǎn)氣量有所差別。,結(jié)合煤層氣地質(zhì)條件,、氣含量、滲透率及水文地質(zhì)條件。,種主要控制因素的有效組合。

關(guān)鍵詞:煤層氣井;;;中圖分類號(hào):　　　文章編號(hào):167221926(2011)0520909206,,王正喜,等.基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)能控制地質(zhì),2011,22(5):9092914.

0　引言

沁水盆地南部是我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度最高的地區(qū),煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累了大量的測(cè)試和生產(chǎn)數(shù)據(jù),是煤層氣理論研究、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的寶貴資源。該區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目的是獲取煤層氣資源和解決煤礦安全生產(chǎn)的瓦斯問(wèn)題,產(chǎn)氣量是煤層氣開(kāi)發(fā)的主要控制和考核指標(biāo)。分析煤層氣井產(chǎn)量差異,研究氣井產(chǎn)能控制因素,可以更精細(xì)地認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層,有效地指導(dǎo)煤層氣開(kāi)發(fā)選區(qū)、井網(wǎng)部署和開(kāi)發(fā)工程施工。因此,煤層氣井的產(chǎn)氣量控制因素的研究非常重要。

在沁水盆地南部煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,進(jìn)行了大量的測(cè)試和研究工作,積累了豐富的測(cè)試及生產(chǎn)資料,為煤層氣井分析和產(chǎn)量控制因素的研究提供了條件。目前還沒(méi)有系統(tǒng)的基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的煤層氣井產(chǎn)能控制因素的研究。煤層氣井產(chǎn)氣量控制因素較多,包括地質(zhì)因素、開(kāi)發(fā)技術(shù)、生產(chǎn)管理等。

其中,地質(zhì)因素是影響氣井產(chǎn)能的內(nèi)在因素[1],而開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)發(fā)工程、生產(chǎn)管理是基于地質(zhì)因素基礎(chǔ)上

的人為因素。在目前沁水盆地南部大規(guī)模的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,各開(kāi)發(fā)單位采取的施工方案差別并不顯著[2],人為因素的影響基本一致。因此本文重點(diǎn)考慮地質(zhì)因素本身對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響。

沁水盆地南部不同地區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)方式不同,煤層氣井的生產(chǎn)時(shí)間也不一致,而且氣井的產(chǎn)氣穩(wěn)定程度不一,氣井產(chǎn)量的對(duì)比分析有一定的難度。為使研究更具針對(duì)性,筆者只采用達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)氣的地面垂直井生產(chǎn)數(shù)據(jù),在不同產(chǎn)氣量氣井對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,探討影響煤層氣井產(chǎn)量的控制地質(zhì)因素,以期對(duì)今后煤層氣勘探開(kāi)發(fā)選區(qū)、井位部署及開(kāi)發(fā)工程施工提供借鑒。

1　煤層氣地質(zhì)條件及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1　煤層氣地質(zhì)條件

沁水盆地南部構(gòu)造簡(jiǎn)單,發(fā)育寬緩的褶皺,斷層

收稿日期:2011206216;修回日期:20112082021

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目(編號(hào):2011ZX05040);國(guó)家“973”項(xiàng)目“高豐度煤層氣富集機(jī)制及提高開(kāi)采

(編號(hào):2009CB2196)聯(lián)合資助.效率基礎(chǔ)研究”

作者簡(jiǎn)介:張培河(19692),男,山東膠南人,研究員,主要從事煤層氣資源評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)技術(shù)研究.E2mail:zhangpeihe@cctegxian.com.

稀少,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。山西組3號(hào)煤層和太原組15號(hào)煤層是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)煤層。3號(hào)煤層厚為2.3～7.37m,一般為5～6m,頂板主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,底板主要為粉砂巖和泥巖;15號(hào)煤層距3號(hào)煤層90m左右,厚為1.1～6.25m,一般為3m左右,煤層直接頂板是泥巖或含鈣質(zhì)泥巖,頂板主要為灰?guī)r,底板為泥巖或鋁土質(zhì)泥巖。煤層埋深為0～1200m,多在300～1000m左右。煤層氣含量較高,為3.74～35.13m3/t,平均為13.7m3/t。注入/壓降試井測(cè)試煤層滲透率多在1.0×10-3μm2左右。1.2　煤層氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

井。不同開(kāi)發(fā)方式的氣井產(chǎn)量差別較大,羽狀水平井產(chǎn)量最高,單井產(chǎn)量平均都在20000m3/d以上,最高

達(dá)90000m3/d。對(duì)地面垂直井和叢式井而言,在同一地區(qū),這2種方式的氣井產(chǎn)量基本一致;不同地區(qū)甚至同一地區(qū)的氣井產(chǎn)氣量差別較大,低者產(chǎn)量數(shù)百方甚至不產(chǎn)氣,高者產(chǎn)量超過(guò)10000m3/d。從地域上看,潘莊區(qū)塊煤層氣產(chǎn)氣效果最好,產(chǎn)氣量一般在2000～5000m3/d之間,最高可達(dá)14000m3/d,套壓較高,一般在0.4MPa左右,在潘莊南部、寺河礦北部的部分氣井存在自噴現(xiàn)象,不需要排水降壓就可直接產(chǎn)氣;鄭莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣相對(duì)較差,氣井產(chǎn)氣效果差別較大,煤層氣井產(chǎn)量一般在500～1000m3/d左右;樊莊區(qū)塊、般在800～1500m3/d沁水盆地南部是我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的最熱點(diǎn)地區(qū),自1994年晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)公司在潘莊區(qū)塊進(jìn)行煤層氣勘探以來(lái),該區(qū)一直處于不間斷的勘探開(kāi)發(fā)狀態(tài),在2005年以后達(dá)到高潮,中聯(lián)煤層氣公司、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司、美國(guó)格瑞克公司、亞美發(fā)。到目前為止,3,形成潘莊、潘河、區(qū),,2,是。沁水盆地南部煤層氣研,氣井產(chǎn)能受煤構(gòu)造部位、煤層厚度、埋深、氣含量、滲透率、水文地質(zhì)條件等因素影響。不同地區(qū)煤層氣地質(zhì)、儲(chǔ)層條件對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1　不同區(qū)塊煤層氣地質(zhì)、儲(chǔ)層條件及產(chǎn)氣量對(duì)比

地質(zhì)及儲(chǔ)層條件構(gòu)造條件

3號(hào)煤埋深/m3號(hào)煤厚度/m3號(hào)煤氣含量/(m3/t)3號(hào)煤滲透率/(×10-3μm2)

柿莊區(qū)塊簡(jiǎn)單

500～7005～6.511～170.9～3.18

樊莊區(qū)塊較簡(jiǎn)單

400～6505.5～610～250.2～0.8

成莊區(qū)塊較簡(jiǎn)單

300～6005.5～6.57～130.6～1.2

潘莊區(qū)塊簡(jiǎn)單

300～4506～6.514～272～3.6

鄭莊區(qū)塊簡(jiǎn)單

600～10005～616～230.5～2.9

水文地質(zhì)條件氣井產(chǎn)氣量/(m3/d)

弱逕流區(qū)

800～1500

弱逕流區(qū)

800～1500

逕流區(qū)

800～1500

滯流區(qū)

2000～5000

滯流區(qū)

500～1000

2.1　構(gòu)造發(fā)育及分布2.1.1　褶皺

煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資料顯示,褶皺對(duì)煤層氣井的產(chǎn)量有一定影響。中聯(lián)公司在潘河地區(qū)進(jìn)行的煤層氣勘探開(kāi)發(fā),在背斜、向斜的不同部位,不同產(chǎn)量級(jí)別的氣井均有分布,各種產(chǎn)量井在背斜、向斜上的分布沒(méi)有明顯的比例優(yōu)勢(shì),煤層氣井的產(chǎn)能分布與構(gòu)造相互關(guān)系不十分顯著,但在背斜軸部,高產(chǎn)井的比例高[3],向斜和褶皺翼部的高產(chǎn)井比例分別為75%

和59%,背斜軸部的煤層氣井全為高產(chǎn)井(表2)。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在樊莊區(qū)塊進(jìn)行的煤層氣開(kāi)發(fā)也基本上表現(xiàn)為相同的產(chǎn)氣特征,在背斜區(qū)和

褶皺翼部高產(chǎn)氣井的比例高,樊莊區(qū)塊蒲池地區(qū)ZK11、ZK8、ZK5、ZK7等井靠近背斜軸部(圖1),產(chǎn)氣量高,多在2500m3/d以上,最高可達(dá)4700m3/d,而且產(chǎn)水量小,多小于0.5m3/d;ZK3井、ZK4井靠近向斜軸部,氣井產(chǎn)氣量較低,多在100m3/d左右。陳振宏等[3]對(duì)樊莊區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)狀況的分析認(rèn)為,背斜區(qū)高產(chǎn)氣井比例高,為42.9%,向斜區(qū)

表2　不同構(gòu)造位置區(qū)的氣井產(chǎn)氣狀況[4]

構(gòu)造位置總井?dāng)?shù)/口高產(chǎn)井?dāng)?shù)/口中低產(chǎn)井?dāng)?shù)/口高產(chǎn)井比例/%背斜向斜翼部

111217

11910

037

1007559

的高產(chǎn)氣井比例低,僅為6.7%[4]。由此看來(lái),在其他地質(zhì)條件基本一致的情況下,構(gòu)造高點(diǎn)區(qū)域是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)選區(qū)及井位部署的主要位置。2.1.2　斷層

斷層是影響煤層氣勘探開(kāi)發(fā)部署及氣井產(chǎn)能的重要地質(zhì)因素。斷層對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響表現(xiàn)為:①斷層在局部范圍內(nèi)使煤層厚度或煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,如煤層變薄、煤層滲透率降低等;②斷層會(huì)導(dǎo)通鄰近

含水層,導(dǎo)致煤層氣開(kāi)發(fā)氣井產(chǎn)水量大,降壓困難等;③斷層使其附近的煤層氣逸散,氣含量降低;④斷層

使煤層氣開(kāi)發(fā)氣井間形成隔離屏障,阻斷氣井之間的有效聯(lián)系,使氣井之間不能有效聯(lián)通,降低開(kāi)發(fā)效果;⑤斷層會(huì)增加煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的鉆井、固井、壓裂作業(yè)的工程難度,工程施工對(duì)煤儲(chǔ)層的污染可能更大。這些表現(xiàn)都會(huì)導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量降低,因此斷層對(duì)

煤層氣井的產(chǎn)量影響是比較顯著的。

圖1　蒲池地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)氣井分布特征

　　樊莊區(qū)塊早期的煤層氣勘探試驗(yàn),實(shí)施了一個(gè)

由6口井構(gòu)成的煤層氣試驗(yàn)井組(圖1),5口井的產(chǎn)氣效果較好,產(chǎn)氣量一般在3000m3/d左右,最高達(dá)到8000m3/d,產(chǎn)水量一般為2～4m3/d。JZ5井產(chǎn)氣效果差,產(chǎn)氣量在300～600m3/d左右,產(chǎn)水量為20～40m3/d。產(chǎn)氣效果差的JZ5井附近發(fā)育一條小斷層,該斷層的存在使得附近區(qū)域的氣含量降低,同時(shí)也成為氣井排采的封閉邊界;另外,該井的產(chǎn)水量較其他井高,推測(cè)該斷層可能導(dǎo)通鄰近富水性相對(duì)較強(qiáng)的地層。2.2　煤層厚度

厚度變化不大,因此煤層厚度對(duì)氣井產(chǎn)能的影響不

突出,煤層厚度和產(chǎn)氣量的相關(guān)性不顯著

。

煤層厚度對(duì)氣井產(chǎn)量影響顯著,煤層厚度越大,向井筒滲流匯聚的煤層氣就越充足,煤層氣井產(chǎn)氣量就越高。對(duì)沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)量與目標(biāo)煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),隨著煤層厚度的增大,煤層氣井產(chǎn)量有增加的趨勢(shì)(圖2)。由于該區(qū)煤層穩(wěn)定,

圖2　煤層厚度與氣井產(chǎn)氣量關(guān)系

2.3　煤層埋深

煤層氣理論研究和勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)踐表明,深度是影響煤層氣井產(chǎn)量的重要因素之一。煤層氣開(kāi)發(fā)

目標(biāo)煤層埋藏越淺,則地應(yīng)力低、滲透率高,排水降壓容易,氣井產(chǎn)量就越高。

沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)氣量與煤層埋藏深度關(guān)系較密切(圖3)。鄭莊區(qū)塊煤層氣勘探井的目標(biāo)煤層埋藏都比較深(超過(guò)1000m),氣井產(chǎn)量較低,多為500～1000m3/d。潘莊區(qū)塊煤層埋藏淺,在300～600m左右,煤層氣井產(chǎn)量效果普遍較好,晉

一。我國(guó)主要煤田的煤層滲透率普遍較低,這是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí),煤層氣勘探開(kāi)發(fā)注入/壓降試井測(cè)試的煤層滲透率與美國(guó)相比差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這是制約我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要地質(zhì)因素。

沁水盆地南部注入/壓降試井測(cè)試區(qū)域廣,數(shù)據(jù)量大。注入/壓降試井實(shí)測(cè)的煤層滲透率變化大,為(0.01～3.61)×10-3μm2,多在1×10-3μm2左右[5]。滲透率數(shù)據(jù)與煤層氣井產(chǎn)氣量對(duì)比分析可以看出,煤層滲透率高的地區(qū),氣井產(chǎn)量也相對(duì)較高(圖5,圖6)。潘莊區(qū)塊試井測(cè)試煤層滲透率為(0.63～3.61)×10-3μm2,煤層氣開(kāi)發(fā)效果最好,氣井穩(wěn)定產(chǎn)量多在2000～5000m3/d左右;成莊一帶測(cè)試煤層滲透率為0.63×10-32,煤層氣井產(chǎn)量略低,多在800～1500m3/(0.07)-32,不同氣井之,最好的氣井平均產(chǎn)氣量在4

左右,最高超過(guò)7000m3/d。

煤集團(tuán)實(shí)施的潘莊井組部分氣井排采時(shí)間超過(guò)15a,產(chǎn)氣效果仍然較好,在2000m3/d左右;目前晉煤集團(tuán)在該區(qū)實(shí)施的煤層氣開(kāi)發(fā)工程中,氣井產(chǎn)量一般在3000～5000m3/d之間,且有多口氣井存在自噴現(xiàn)象,產(chǎn)氣效果非常理想;中聯(lián)煤層氣公司在潘河地區(qū)進(jìn)行的煤層氣開(kāi)發(fā)示范工程,進(jìn)行了40口井的勘探試驗(yàn),目前單井平均產(chǎn)氣量超過(guò)3000m3/d,產(chǎn)氣量超過(guò)4000m3/d的氣井有12口[4],占?xì)饩倲?shù)的30%

。

圖3　煤層埋藏深度與氣井產(chǎn)氣量關(guān)系2.4　煤層氣含量

煤層氣理論研究及勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)踐表明,氣含量是決定煤層氣豐度高低的關(guān)鍵參數(shù),是影響煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制因素。

沁水盆地南部煤層氣測(cè)試及生產(chǎn)資料分析表明,含氣量對(duì)于氣井產(chǎn)氣量的影響較顯著(圖4)。氣含量較高的區(qū)域,煤層氣井產(chǎn)量較高。潘莊區(qū)塊煤層氣含量高,氣井產(chǎn)量高,單井平均產(chǎn)量多在3000～5000m3/d之間,最高超過(guò)10000m3/d;潘莊區(qū)塊寺河西區(qū)目前煤層氣開(kāi)發(fā)區(qū)域氣含量較高,為12～15m3/t,氣井產(chǎn)量較高,單井產(chǎn)量多在3000m3/d以上;寺河?xùn)|區(qū)含氣量較低,一般為8～10m3/t,氣井產(chǎn)量較低,一般為800～1000m3/d;成莊井田煤層氣含量低,為7～14m3/t,氣井產(chǎn)量也低,一般在800～1500m3/d左右。2.5　煤層滲透率

滲透率是煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制參數(shù)之

2.6　水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件不僅對(duì)煤層氣保存具有重要作用,而且是煤儲(chǔ)層壓力和煤層滲透性的重要影響因素。同時(shí),由于煤層氣的產(chǎn)出是通過(guò)排水降壓來(lái)實(shí)

圖6　煤層氣井產(chǎn)氣量等值線

現(xiàn)的,因此水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)作業(yè)影響顯著,進(jìn)而對(duì)氣井產(chǎn)能產(chǎn)生影響。

沁水盆地南部水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,含水層富水性弱,含水層之間水力聯(lián)系弱。煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)踐表明,該區(qū)氣井產(chǎn)水量普遍較小,但以15號(hào)煤層作為開(kāi)采目標(biāo)煤層的氣井產(chǎn)水量相對(duì)較高。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在煤層氣試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)不同目標(biāo)煤層的產(chǎn)氣、產(chǎn)水情況進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明,以3號(hào)煤層為獨(dú)立目標(biāo)煤層進(jìn)行排采試驗(yàn),氣井產(chǎn)水量多在2m3/d以下,產(chǎn)氣量高,多超過(guò)3000m3/d;3號(hào)煤層、15號(hào)煤層合采或15號(hào)煤層單獨(dú)排采的

在煤層埋深淺、滲透性較好情況下,煤層氣井的產(chǎn)氣量較高,如潘莊區(qū)塊。

3　地質(zhì)因素綜合分析

煤層氣井的產(chǎn)氣狀況受多種因素的制約,通過(guò)對(duì)沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)氣狀況的分析和解剖認(rèn)為,引起該區(qū)氣井產(chǎn)能差別的主要因素是:煤層厚度、氣含量、煤層滲透率、煤層埋深、構(gòu)造的發(fā)育及分布狀況、水文地質(zhì)條件等,在同一地區(qū)不同氣井間產(chǎn)氣量的差別可非常清楚地反映這一特性。但煤層氣井的產(chǎn)氣狀況并非單一因素控制,成莊井田煤層埋藏也比較淺,一般在300～600m左右,滲透率也相對(duì)較高,但煤層氣保存條件略差,氣含量低,致使氣井產(chǎn)氣量不高,一般在800～

1500m3/d之間。由此說(shuō)明,單一因素的影響在某一地區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)所起的作用也許是至關(guān)重要的,但對(duì)多數(shù)地區(qū)來(lái)說(shuō),煤層氣井的產(chǎn)氣狀況取決于各種主要控制因素的綜合反映[6]。潘莊地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤層埋藏淺、厚度大、氣含量高、滲透性好,各項(xiàng)煤層氣地質(zhì)因素都比較有利,因此煤層氣井產(chǎn)量高,煤層氣開(kāi)發(fā)潛力大。鄭莊地區(qū)煤層厚度大、氣含量高,水文地質(zhì)條件較

氣井產(chǎn)水量高,一般在3～5m3/d左右,最高可超過(guò)50m3/d,而且產(chǎn)氣量低,一般為300～500m3/d。

分析原因是,15號(hào)煤層頂板主要為K2灰?guī)r,K2灰?guī)r水對(duì)15號(hào)煤層具有一定補(bǔ)給作用。

水文地質(zhì)條件影響還表現(xiàn)為:通過(guò)控制煤層氣含量、滲透率等地質(zhì)因素進(jìn)而控制氣井產(chǎn)氣量。對(duì)沁水盆地南部水文地質(zhì)條件的研究表明,地下水主要表現(xiàn)為自盆地周緣向盆地內(nèi)部徑流,在潘莊、鄭莊等地區(qū)地下水的滯流區(qū)或緩慢徑流區(qū),受地下水的側(cè)向封堵作用,這些地區(qū)的煤層氣含量較高。因此,

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