煤層氣排采井高產(chǎn)水原因分析

王 力 胡秋萍 譚東領(lǐng) 王春東 鄧志宇 王利娜

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

煤層氣排采井高產(chǎn)水原因分析

王 力 胡秋萍 譚東領(lǐng) 王春東 鄧志宇 王利娜

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

以沁南盆地柿莊煤層氣田典型井A1水平井3號煤高產(chǎn)水排采特征入手，提出針對煤層氣高產(chǎn)水原因的分析方法，通過該井區(qū)水文地質(zhì)特征研究、構(gòu)造落實、工程原因分析、單井測井解釋、小層對比等資料綜合分析，查明了該井高產(chǎn)水原因，總結(jié)了柿莊煤層氣田高產(chǎn)水井3號煤附近砂巖發(fā)育且砂巖橫向連續(xù)性較好的巖性組合分布規(guī)律，指出了斷層及儲層改造縫高控制是導(dǎo)致高產(chǎn)水的根本原因，為煤層氣單井差異化壓裂設(shè)計施工及排采管理奠定了研究基礎(chǔ)。

煤層氣 高產(chǎn)水原因 柿莊 沁南盆地

1 引言

沁南柿莊區(qū)塊3號煤具有高階煤煤儲層的典型特征，煤層孔隙度一般在5%～15%之間，滲透率變化范圍為0.03～0.96mD，為典型的低孔低滲儲層，在此條件下，煤層產(chǎn)出水理論上應(yīng)該是微乎其微。但該區(qū)塊煤層氣井實際生產(chǎn)過程中，高產(chǎn)水井作為一類地質(zhì)異常井一直出現(xiàn)在日常的研究分析工作中，其具體表現(xiàn)為產(chǎn)出水源不清，產(chǎn)水量大，液面下降困難，產(chǎn)氣量低或不產(chǎn)氣，為現(xiàn)場工作帶來極大困難。

針對上述問題，筆者以該區(qū)塊典型井A1水平井為出發(fā)點，通過該井區(qū)水文地質(zhì)特征研究、構(gòu)造落實、工程原因分析、單井測井解釋、小層對比等資料綜合分析，查明了A1水平井井3號煤高產(chǎn)水原因及高產(chǎn)水井煤層圍巖巖性組合規(guī)律，期望能為該區(qū)煤層氣儲層改造及排采優(yōu)化提供某些依據(jù)。

2 A1水平井概況

A1井設(shè)計井型為U型水平連通井，洞穴井由于鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重漏失，堵漏失敗而報廢，且洞穴井鄰近區(qū)域無井位調(diào)整可能，最終對該井設(shè)計進(jìn)行了變更，由U型水平連通井變更為L型單支水平井。該井3號煤埋深714.94m，水平段長1192.11m，煤層鉆遇率89.92%，水平段以段長100m左右為間隔原則共壓裂7段。

2012年4月26日該井開始排采作業(yè)，2015年5月20日停止生產(chǎn)，累計產(chǎn)水12342m3，受井眼軌跡及產(chǎn)出水量大的影響，該井先后更換使用4種泵型進(jìn)行排采，分別為：管式泵+抽油機-螺桿泵-水力活塞泵，最大產(chǎn)水量達(dá)61.4m3/d(圖1)。目前，該井受井眼軌跡限制，國內(nèi)排采設(shè)備已無法滿足該井排水降壓的要求，處于關(guān)停狀態(tài)。

圖1 A1井排采曲線圖

3 低產(chǎn)原因分析

3.1 井區(qū)構(gòu)造落實

該井區(qū)二維地震結(jié)果表明，水平段鉆遇過程中存在鉆遇斷層的可能，但該斷層僅受一條測線控制，無法精確判斷斷層的平面位置及斷層發(fā)育規(guī)模的大小。通過井區(qū)連井地層對比發(fā)現(xiàn)：該井區(qū)南北向煤系地層厚度發(fā)育正常，標(biāo)志層特征明顯，符合井區(qū)地層發(fā)育規(guī)律；東西向煤系地層厚度發(fā)育正常，但山西組地層產(chǎn)狀出現(xiàn)明顯變化，兩井距(250m)之間目的煤層落差達(dá)115m，與該區(qū)西北傾構(gòu)造及區(qū)域地層沉積規(guī)律特征明顯不符，推測該井區(qū)附近發(fā)育斷層。

結(jié)合A1井完鉆井眼實鉆軌跡圖(圖2)分析，該井水平鉆鉆井過程中于井深1523m鉆穿煤層，此時閉合距為915.42m，與二維地震勘探結(jié)果A1井距斷層距離接近一致，證實了地震勘探結(jié)果的準(zhǔn)確度及A1井井鉆遇該斷層的事實。同時，地質(zhì)導(dǎo)向數(shù)據(jù)顯示該井鉆穿煤層35m后沿煤層頂板再次進(jìn)入煤層，且鉆進(jìn)過程未出現(xiàn)明顯復(fù)雜井況，說明該井區(qū)斷層規(guī)模較小，結(jié)合實鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)最終落實該斷層的落差約8m。

3.2 工程施工結(jié)果評價

對比A1井鄰井壓裂施工曲線發(fā)現(xiàn)，A1井鄰井壓裂施工規(guī)模相近，施工過程中壓力平穩(wěn)，處于10～15MPa之間，無明顯憋壓及濾失情況出現(xiàn)。

圖2 A1井實鉆井眼軌跡圖

通過計算，A1井目的層破裂壓力及正常加砂套壓為18～20MPa，該井七段壓裂施工過程中，由于現(xiàn)場施工過程采取恒定地面砂濃度，降低氮氣排量的方式來實現(xiàn)井底砂濃度的階梯式提高，加砂過程中壓力范圍波動均保持在15～23MPa正常范圍內(nèi)，除第6段施工過程中套壓一直維持在8～11MPa之間遠(yuǎn)低于正常加砂壓力級別外，其余6段施工過程中均無異常情況出現(xiàn)。造成第6段施工過程中加砂壓力持續(xù)偏低的原因，排除受斷層影響，具體原因可能為第6段所處地層屬低應(yīng)力區(qū)域或地層天然裂隙發(fā)育所致，由此可能導(dǎo)致縫高失控，壓力偏低，從而溝通煤層附近含水層段。

3.3 產(chǎn)出水水源分析

由于該井產(chǎn)出水量大且持續(xù)時間長，排采三個階段前后分別更換使用44泵、56泵、螺桿泵進(jìn)行生產(chǎn)均無法有效降低井筒液面，說明該井區(qū)地層水動力條件活躍，供給充足。

從鄰井A2、A3、A1井的礦化度和氯離子濃度變化來看(圖3、圖4)，僅A2井的礦化度和氯離子變化緩慢，A3、A1井排采水礦化度及氯離子含量迅速變低，鉆井及壓裂過程導(dǎo)致礦化度及成分發(fā)生變化的影響被快速消除，證實了A1井存在外來水源大量補給，產(chǎn)出水為非煤層水。

圖3 A1井礦化度變化趨勢圖

圖4 A1井氯離子度變化趨勢圖

圖5 A1井區(qū)水頭高度等值線圖

考慮到水頭高度可近似表征儲層壓力大小及地下水動力強弱的意義，在開展水層識別及解釋前首先對該井區(qū)范圍內(nèi)已投產(chǎn)井投產(chǎn)前動液面高度進(jìn)行統(tǒng)計，篩選出完井至投產(chǎn)時間間隔相近的井進(jìn)行平面成圖，圖中水頭高度平面上具有以239～449m分布范圍為主，449～660m范圍內(nèi)呈片狀分布，局部出現(xiàn)異常(強補給區(qū))的規(guī)律(圖5)；其次，考慮到累計產(chǎn)水量可近似表征地下水補給強度的意義，人為劃分以投產(chǎn)300天為界，使用300天內(nèi)累計產(chǎn)水量除去壓裂施工總液量對已投產(chǎn)井進(jìn)行統(tǒng)計處理、成圖，圖中累計產(chǎn)水量具有區(qū)塊北部呈鞍部形態(tài)分布(東西兩側(cè)為強補給區(qū)，中部介于東西兩側(cè)之間)、中部至中部以南區(qū)域補給強度逐漸降低的趨勢(圖6)。

圖6 A1井區(qū)累計產(chǎn)水量等值線圖

為保證水層識別及水層解釋的準(zhǔn)確性，水層識別解釋過程從水頭高度及累計產(chǎn)水所具有的平面規(guī)律出發(fā)，結(jié)合該區(qū)塊下石盒子組、山西組、太原組屬同一構(gòu)造背景控制下沉積形成的老地層，且該區(qū)塊東部井區(qū)構(gòu)造趨勢總體以西北傾的單斜構(gòu)造為主，總體構(gòu)造簡單，最終選取A1井高產(chǎn)水區(qū)域及鄰區(qū)低產(chǎn)水區(qū)域井進(jìn)行單井測井資料處理解釋、連井小層進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：

(1)高產(chǎn)水區(qū)山西組自上而下發(fā)育9套砂巖，低產(chǎn)水區(qū)山西組自上而下發(fā)育10套砂巖，編號自上而下分別為1～10；

(2)高產(chǎn)水區(qū)煤層附近發(fā)育三套(7、8、9號)橫向連續(xù)好、泥質(zhì)含量低、物性條件好的砂巖層，距煤層較遠(yuǎn)的7號砂巖離目的煤層27.9m；

(3)低產(chǎn)水區(qū)與高產(chǎn)水區(qū)砂巖發(fā)育特征明顯不同，低產(chǎn)水區(qū)表現(xiàn)為山西組頂部砂巖發(fā)育，1、2、3號砂體橫向連續(xù)性好，泥質(zhì)含量較低，整體物性條件好的特征，而山西組中部及中下部砂體發(fā)育較差，表現(xiàn)為橫向連續(xù)性差，泥質(zhì)含量高、物性較差的特征。

通過利用深淺側(cè)向電阻率曲線在含水層出現(xiàn)負(fù)差值的特征，綜合測井解釋物性結(jié)果及其他曲線響應(yīng)特征值，結(jié)合區(qū)塊內(nèi)水文資料綜合分析，確定A1井區(qū)高產(chǎn)水區(qū)域7、8、9號為含水層。

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(責(zé)任編輯 韓甲業(yè))

Analysis on the Reasons of High Yield Water in CBM Drainage Well

WANG Li，HU Qiuping，TAN Dongling, WANG Chundong，DENG Zhiyu, WANG Lina

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

Based on the characteristics of high water production in No.3 Coal Seam attached to the typical horizontal well A1 in Shizhuang CBM gas field of Southern Qinshui Basin, the paper proposes the analytical method for CBM wells which has high water, production. Through comprehensive analysis of the methodologies of hydrogeology, structural implementation, reason analysis of engineering, interpretation of single well logging and substratum correlation of the well zone, it finds out the reasons for the high water production of the well, and sums up the law of sandstone development, structure-lithology combination and better lateral continuity nearby No.3 coal seam in Shizhuang CBM gas field. It points out that the control of the fault and fracture height control in the course of reservoir stimulation is the root cause of the high water production. The finding lays a foundation for the study of the differential fracturing design, construction and drainage management.

Coalbed methane; cause for high production of water; Shizhuang; Southern Qinshui Basin

國家科技重大專項(2011ZX05060)

王力，男，工程師，從事煤層氣地質(zhì)綜合研究工作。