沁水盆地樊莊區塊煤層氣直井排采特點

李夢溪 張 聰 張紹雄 石 斌 王立龍 崔新瑞

(華北油田煤層氣分公司,山西 048000)

沁水南部煤層氣田劃分為樊莊、潘莊、鄭莊3個區塊,總面積3630km2,煤層氣總資源量為4500億m3,是我國主要的煤層氣勘探開發較為成熟的區塊之一。其中樊莊區塊總含氣面積為398.23km2,煤層氣總資源量為1043億m3,已探明352.26億m3。目前主要開發為3#煤層煤層氣氣藏。

1 地質條件概況

1.1 3#煤層特征

煤層埋深為409～808m,受構造運動影響,整體呈現東部淺、西部深,北部深南部淺。3#煤層厚度大、分布穩定。厚度范圍在4.5～7.3m,平均厚度6.0m。本區煤層以原生結構煤為主,煤巖變質程度高 (Ro%＞3.0),為低孔、低滲儲層,煤層滲透率煤儲層。

1.2 構造特征

樊莊區塊位于固縣-晉城單斜帶。西部有寺頭正斷層,瑤溝正斷層帶、城后腰正斷層,邊緣斷層多N傾,內部斷層多S傾,斷距70～300m。東部發育NNE斷裂,大者有石門正斷層、府底正斷層,并與寺頭斷層斜交,斷距一般50～105m。在固縣地區發育NW向傾伏的鼻狀構造,可分為固縣鼻狀撓曲帶和布村-北留撓曲帶。沁水縣南發育城后腰向斜、東山向斜、南坪向斜等,均呈近 EW向延展。總體來說,樊莊區塊以中生代東西向、北東向褶皺為主,盆地中部北北東-北東向褶皺發育。

樊莊區塊內普遍發育一組或兩組內生割理,兩主煤層中內生割理密度較沁水盆地其它地區高,總體上煤層內生割理發育密度在下主煤層較高,上主煤層相對較低。由于該區內生割理密度越大,因此也較有利于煤層氣的解吸與擴散。

1.3 保存條件

樊莊區塊復向斜部位是煤層中水的匯聚滯流區,流速緩慢,水中的溶解氣不易大量散失;另外,向斜部位水的礦化度高,進一步減小了水對煤層氣的溶解度,對煤層氣起到一定的封堵作用。在復向斜構造中,游離氣向次級背斜集中,煤層氣富集在次級背斜核部。在正斷層的斷裂帶附近,水動力條件較強,運移帶走煤層氣,煤層氣不易保存,煤層氣井產能也較低。本區內部存在著4條重要的水文地質邊界,包括近EW向2條和NNE-NE向2條。其中3條邊界是由次級隆起形成的地下分水嶺,1條為南部煤層氣富集高產條件具有明顯影響的寺頭斷裂。

樊莊區塊3#煤層地下水等勢面 (圖1)整體展布格局為北高南低,西部有寺頭斷層阻擋,東部為煤層露頭區,地下水補給主要來自樊莊東部煤層露頭區,其被NW向分水嶺分割成兩個徑流區,形成分別向南北兩邊匯流之勢,對分水嶺南北兩側的煤層氣起到了很好的封存作用。而在樊莊區塊東部,由于地下水補給條件好,造成區塊東部地下水動力條件相對較強,含氣量較低。

圖1 樊莊區塊3#煤地下水等勢面圖

1.4 含氣量特征

在樊莊區塊內,3#煤煤頂海拔高低直接反映了煤儲層儲層壓力的高低,而儲層壓力高低則直接表達了煤儲層理論含氣量的高低,因此,3#煤煤頂海拔高低直接控制了煤層含氣量的大小。在構造高部位,儲層壓力低,理論含氣量低,構造低部位,儲層壓力高,理論含氣量高。斷層附近,由于斷層溝通了頂底板或奧陶系含水層,導致斷層附近水動力條件活躍,水會溶解部分甲烷氣體,且為煤層氣提供了良好的運移通道,甲烷氣體容易逸散,這兩方面原因可能導致斷層附近井產水量大,含氣量低。一般情況下煤頂海拔高于300m,按含氣量分為富集區,中等區和貧集區。富集區：位于整個樊莊區塊的中部,煤頂海拔小于300m,含氣量大于18m3/t,構造相對簡單,有小斷層發育,水動力條件弱。中等區：位于富集區東部,煤頂海拔300～350m,含氣量間于12～18m3/t,或背斜構造高部位,斷層附近,或斷槽內。貧瘠區：位于構造高部位,煤頂海拔大于350m,含氣量小于12m3/t,一般靠近煤層露頭附近,水動力活躍區帶,背斜構造高部位。

2 排采階段劃分

通過不斷的總結分析煤層氣井生產過程中井底流壓的變化,結合壓力節點試驗,研究人員深化了“雙駝峰曲線”理論,在其基礎上提出“單井開發曲線”,豐富了煤層氣生產理論。“單井開發曲線”反映了隨井底流壓變化過程中,地層壓力的變化趨勢和氣水兩相的產出規律 (圖2)。

根據解吸壓力、廢棄壓力和氣量自然上長段這三個關鍵指標,我們把單井生產歷史劃分為四大段五小段,分別定名為排水段、憋壓段、控壓段、高產穩產段和衰竭段。

圖2 排采階段劃分示意圖

2.1 排水段

壓裂液反排時,近井地帶壓開的縫發生變窄或閉合,使壓裂縫遠端液體無法返回,產生附加生產壓力,使得井筒靜液柱高度高于儲層壓力,新井投產后泵效接近100%。本階段產出液體為殘留壓裂液和壓裂釋放煤層孔隙水的混合液體。3#煤層的補給速度非常慢,壓裂液殘留壓力釋放后,產水量會自然下降。

單井生產壓力主要為壓裂液殘留壓力與井底流壓之間的壓差 (如溝通外來水,產水壓差為補給頭壓力與井底流壓之間壓差),即補給能力為定值,因此,累產水量與井底流壓呈現線性相關關系。累產水量值折射出壓降面積的大小。排水降壓過程中,有效應力逐漸增加 (圖3)。由于近井地帶導流能力強、壓降快,有效應力相對增加快,而煤巖的力學性質偏軟塑性,在有效應力增強作用下,局部煤巖沿脆弱結構面發生剪切變形,使滲流通道出現變窄、閉合現象,造成了產水能力的下降。

圖3 有效應力增加示意圖

另外,此階段內生產井發生停抽后,因地層產水能力強,將造成井底流壓回升,地層流體流速減緩,正在排出的壓裂煤粉沉淀,堵塞地層通道或造成卡泵。排水期如抽汲速度過快,近井地帶煤巖過早解吸產氣,在氣水兩相影響作用下,產水能力減弱,將無法形成有效的解吸面積。

2.2 憋壓控壓段

近井地帶壓裂裂縫導流能力強,壓降快,裂縫內煤巖容易解吸產氣。當其解吸時,大部分煤層尚未達到解吸壓力。

2.2.1 憋壓段

煤巖解吸的實質為煤基質表面釋放出的甲烷分子在濃度差的作用下,源源不斷的涌向微裂隙,而后進入大孔徑滲流通道內向井筒運移。氣體在擴散過程中遵循費克定律,在滲流過程中遵循達西定律。

隨煤巖解吸的繼續,解吸氣不斷運移到井筒中。解吸后采取憋壓排采時,當井筒中井底流壓上升到與近井地帶地層壓力相當時,煤基質表面達到氣體解吸與吸附動態平衡,甲烷氣體停止向裂縫擴散,此時地層通道中主要以水相達西流為主,壓力得以較快傳播,壓降范圍持續擴大。

圖4 賈敏效應圖示

解吸產氣初期,解吸氣泡由水流攜帶運移,停抽后水流流速降低,氣泡停滯,受毛管力作用的影響,再次運移時啟動阻力增大,產生賈敏效應,堵塞解吸通道和局部滲流通道 (圖4)。

解吸產氣初期,如排采強度大,可使近井地帶煤巖發生大量解吸,此時地層產水能力較強,滲流通道內將形成強混合氣水兩相流。因兩相流密度小,表面張力大,容易攜帶已沉積煤灰運移。當流體流速降低時,很容易造成煤粉和賈敏效應的復合堵塞,使地層產能損失嚴重。解吸產氣后,隨解吸面積的增加,供氣能力增強,氣相滲透率增大,產水量下降。此時應及時下調工作制度,延緩抽汲速度,降低單點解吸速率,防止水相滲透率急劇降低。如抽汲速度過快,近井地帶煤巖大量解吸,滲流通道內氣相增多,由于氣相壓縮性較大,同等有效應力作用下更容易使裂縫閉合,造成地層產能損失。

2.2.2 控壓段

憋壓排采時,水相滲透率降低小,解吸面積擴大較快,氣量供給能力逐漸增強。當工作制度下調到較低時,水流無法攜帶氣泡,產生氣堵水現象,造成日產水量下降 (圖5)。

圖5 樊莊區塊HY18-9井排采曲線

此時,近井地帶地層壓力主要由氣體壓力平衡,應緩慢放氣,使井底流壓逐漸下降,增大產水壓差,恢復地層產水能力。放氣過程中,排采曲線表現出“雙峰曲線”的第一峰和峰后平穩階段。

放氣過程必須控制套壓降落速率。如套壓降落速率太快,滲流通道內有效應力相對增加過快,會引起局部煤層微裂隙發生變窄或閉合,降低氣水兩相滲透率。放氣過程必須控制放氣速率。如放氣速率太快,氣水兩相流流速增加,攜灰能力增強,一但發生停抽,將造成嚴重的地層堵塞或卡泵現象。此階段內必須減少停抽時間。停抽后,井底壓力回升,兩相流流速減緩,滲流通道中容易產生賈敏效應或煤粉堵塞。

圖6 樊莊區塊G7-12井排采曲線

2.2.3 高產穩產段

隨排采時間的延長,煤基質收縮效應開始占據主導作用。煤巖體微裂縫網絡擴張,增大了基質暴露面積,加快了解吸速率。同時,氣體滑脫效應增大了解吸氣向割理、裂隙運移的速率。地層供氣能力增強,生產井套壓、氣量自然上長,排采曲線表現出“雙峰曲線”的第二峰上升階段。裂縫擴展后,部分孔隙束縛水或封閉水被釋放,表現出階段性的低水量產出 (圖6)。本階段屬于自噴產氣,主要受集輸壓力的影響。

2.2.4 衰竭段

當井控范圍內地層壓力降低至廢棄壓力時,大部分煤巖解吸完畢,產氣量自然下降。但由于塊狀煤巖解吸的緩慢性,局部煤巖仍保持解吸,生產井將保持低產量較長時間。

3 產氣產水特點

3.1 不同構造產水變化差異大

樊莊區塊產煤層氣直井產水量差異性大,構造、壓裂、排采強度是影響產水量的主要因素。在能夠穩定降流壓的排采強度條件下,斷層附近井產水量大,構造平緩部位井產水量小,一般達到平穩產氣階段,構造平穩處井日產水在0～3.5m3/天,平均0.9m3/天,而處于溝通導水層井平均日產水4～30m3/天,平均8.6m3/天。

3.2 不同排采階段產水差異大

圖7 樊莊區塊P2-5井產量與水質情況圖

排采初期產水量大,一般在2～45m3/天,平均在6m3/天,產氣后產水量迅速下降,穩產后產水量低,平均在2.3m3/天。

3.3 不同排采階段水質變化大

煤層氣井的煤粉產出具有明顯階段性 (圖7),投產初期和產氣初期由于鉆井和壓裂產生的煤灰在井筒附近,地層產出煤粉較多,抽吸擾動使得排出水中一般含較多煤粉;隨著水量的增加,排采穩定后,水質變好,含較少煤灰;當井底壓力下降至鄰近解吸壓力是,氣體開始解吸,氣水兩相流體相互作用促進流體通道中的煤灰排出,水質開始變差,含較多煤灰,該階段煤灰的產出與氣量的波動具有一定的正相關性,氣量增加,則煤灰增加;氣量、水量穩定后,煤灰的產出漸趨減少,穩產階段煤灰產出一般較少。另外在氣水變化階段,煤灰的產出還與排采的連續性有著密切關系,頻繁的啟停抽排設備容易造成煤粉擾動,水質變差。

圖8 樊莊區塊產氣量分布平面圖

3.4 單井產氣量差異大

構造和含氣量是影響產氣量的重要因素,樊莊區塊高產井分布高含氣區域,且分布在遠離斷層的區域 (大于200m)、一般位于褶曲構造的轉換部位,低產井分布于含氣量低 (＜15m3/t)的區域(圖 8)。

3.5 不同排采階段產氣變化

產氣第一峰來的快、產量高,產量迅速上升,但產氣量難以穩定,產量緩慢遞減,隨排采時間延長,降壓面積進一步擴大,產量穩步上升,呈“雙駝峰”曲線特征。

[1] 王憲花,盧霞,蔣衛東,等.沁水煤層氣田樊莊區塊煤層氣開發經濟評價 [J].天然氣工業,2004,24(5)：137-139.

[2] 魏俊之,楊勝來.油層物理學 [M].北京：石油工業出版社,2004：214-215.