沁水煤層氣田樊莊區塊產能影響因素分析

孟慶春 左銀卿 魏 強 周 崔麗華

(中國石油華北油田勘探開發研究院, 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, 日產氣穩定在2000～2700m3/d 之間, 最高達5800m3/d。2006 年規模投產轉入生產排采階段。同時, 按照產能建設方案, 在樊莊區塊采用了水平井開采。

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

1 煤層氣儲層條件對煤層氣產能的影響

影響煤層氣生產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、沉積環境、構造應力以及水動力條件等。采用Eclipse 數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能影響較大, 各參數對煤層氣井的產量的影響見表1。

表1 數值模擬分析煤層產氣量影響因素

煤層厚度、含氣量對煤層氣產能的影響顯而易見, 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能的影響

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

結合煤層氣井供液能力數學模型, 在同等壓裂改造、地質條件相當的情況下, 在煤層厚度、供給半徑、氣井半徑、含氣性、流體特性等參數基本相當的條件下影響產氣的主要因素, 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 地質構造對單井產能影響

3．1 背斜構造初始產氣可能早, 但產氣量不高,產水量也不太大

(1) 初始產氣時間

統計樊莊區塊不同構造產氣時間, 在固縣背斜、玉溪西背斜的排采產氣井的初始產氣時間在15～130 天, 由于后期投產井大部分沒有放氣, 因而, 統計了其起套壓時間, 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) 產水/產氣量

樊莊區塊不同構造產水/產氣量的統計數據表明, 背斜部位井一般產水量在1．9～3．8m3/d, 平均日產水量2．7m3, 累計產水150～370m3, 開始產氣, 平均日產氣量500m3/d。圖1 顯示, 背斜部位的井的日產氣/累計產氣量不高。

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, 初始產氣時間較短。在背斜圈閉部位的煤層氣井, 降壓容易, 產氣量峰值到達時間早, 產水量少。由于與其他構造部位聯系較少, 致使產氣周期短、產氣量少, 玉溪西背斜的氣井生產情況即是如此。

圖1 樊莊區塊產氣分布圖

3．2 背斜翼部是產氣的有利部位

位于背斜翼部的生產井, 儲層受力均勻, 頂底板比較完好, 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氣區。

樊莊區塊構造翼部排采井的產氣/產水統計,與背斜構造不同處表現為產氣量高于前者, 一般為3．9～5．9m3/d, 平均為4．5m3/d, 累計產氣量也高于前者。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, 排采井可能產水量大、產氣量較小或不產氣。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, 造成產氣晚、產水量大、產氣量小。

(1) 由地震及井分層所建立的層面構造, 區塊內部構造結構比較復雜, 存在若干個小規模的背斜、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, 深部主要表現為以中奧陶統灰巖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, 排采井可能產水量大、產氣量較小或不產氣。統計斷層附近的目前生產井的生產情況, 數據變化受地質構造的控制, 向斜構造的較低部位的煤層氣井, 大部分井產水量在10m3以上, 見套壓時間相對晚, 產氣量小(或排采2 年時間還沒產氣) ;

(2) 由于處于同一區塊的煤層處于同一水動力壓力系統, 構造低部位水體大、壓降慢, 壓力短期內難以達到解吸壓力, 因此產氣晚、產水量大, 產氣量小。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, 產水量大, 壓降漏斗卻小, 產氣量峰值達到時間晚。所以, 在構造低部位平均單井日產水量超過10m3/d 的居多, 甚至達到55m3/d。樊莊區塊斷層附近和構造低部位氣井產量統計結果, 平均日產水量14．7m3, 累計產氣量很少。

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域、提高煤層氣井產量基礎。

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展, 隨著樊莊區塊多分支水平井的陸續投產, 從目前排采現狀暴露的問題分析, 研究地質構造是多分支水平井鉆井成功、大幅度提高產量的關鍵。

(1) 水平井產量與水平井所處構造位置及鉆遇斷層發育程度有關

目前生產的水平井5 口井的日產氣量在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 顯示了部分生產井與構造的關系, 隨著生產時間的延長, 暴露出的問題會更明顯。

表2 樊莊區塊部分水平井產量統計

例如FZP02 - 3 井是目前多分支水平井排采時間較長、產氣量較高的一口井, 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,目前產氣5 萬m3/天, 累計產氣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, 有可能產水量大, 傾斜地層可能使生產井的產氣時間滯后, 但是否影響產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出。

圖2 FZP02- 3 井煤層結構

(2) 水平井產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,該井生產中排水降壓困難, 該井目前累計產水18455m3, 未見產氣, 套壓為0, 平均日產水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, 可能產氣時間滯后,但產氣量的影響程度相對小的多 (表3) 。

表3 水平井分支走向統計表

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

水平井水平段延伸方向與主裂縫發育方向垂直或存在一定角度優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- 樊莊區塊以NE65 - 85°、NW20 - 50°方位裂縫最發育, 排采井水平段延伸方向與兩組裂縫成正交狀態, 即水平分支走向為北北東和北北西的水平井大都產氣情況比較好。

從以上分析不難理解, 目前樊莊區塊水平井產氣情況也與構造位置高低相關, 傾斜地層可能使生產井的產氣時間滯后, 但是否影響產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, 優選多分支水平井井位及鉆井軌跡也是非常關鍵的環節。2008 年新采集的二維地震資料解釋結果認為鄭莊區塊煤層條件比樊莊區塊更復雜, 所以為順利完成15 億m3產能建設, 更應在仔細研究現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, 軟煤表現為數值降低和增大, 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效果不同, 使得有的井可以高產, 有的井產量不理想, 因此, 在后面的投產直井中, 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, 因此投產井優化射孔方案關系著單井的排采效果。

實際排采資料統計, 產氣穩定、產氣量高 (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出煤粉,例如華溪4- 10、蒲1 - 10 等井, 一段時間后產出煤粉量減少, 但產氣量增加。統計目前低產的煤層氣井, 除因產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, 適當采取增產措施, 仍有可能提高產氣量。因此, 關注排采初期煤粉灰的產出是煤層氣井穩定生產的關鍵環節, 是減少因煤粉灰(砂) 堵塞檢泵的一個手段。例如蒲2- 4 井, 該井曾持續一段時間排出少量的煤粉灰, 初期也有部分煤粉灰產出, 排出總量不大, 產氣量在1000m3/d左右, 實行水力解堵后, 產氣量達到2400m3/d,半年時間穩產在2000m3/d 以上, 并在以后的生產過程中, 仍不時有煤粉產出, 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, 目前日產氣600m3左右, 套壓0．42MPa, 產氣有上升趨勢。但是在水力解堵后排采過程初期多次停抽, 影響正常生產, 可能仍有堵塞存在。因此, 對影響煤層氣排采的產量變化的煤粉的控制監測也需要逐漸展開。

圖5 測井剖面

5 初步結論與建議

(1) 樊莊區塊煤層氣產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, 樊莊區塊產氣量高 (上升) 井一般位于構造的翼部, 低產井位于背斜構造高 (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) 隨著對樊莊區塊構造、高產規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方式, 對即將實施的鄭莊區塊9 億m3產能建設及今后沁南地區規模開發具有指導意義。

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