柿莊南區塊開發工藝與生產動態分析

盧國軍 張亞飛 周來誠

(1.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016；2.中聯煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

1 概述

柿莊南區塊整體構造簡單，3號煤層平均埋深750m，平均煤層厚度5.95m，平均含氣量13.5m3/t，臨界解吸壓力達到1.36MPa，具有較好的開發生產效果。然而，由于煤儲層非均質性較強，如煤體結構、含氣量、含氣飽和度、臨界解吸壓力及滲透率等分布不均，同一區塊不同區域煤儲層物性差別較大，采用的開發工藝技術不同，管理方式亦不同，故分為不同采區(圖1)。本文主要對比4區和5區的煤層氣開發工藝。

圖1 柿莊南區塊分區圖

4區3號煤層以原生煤為主，煤層分布穩定且傾角較小，埋深450～570m，原煤含氣量12～26m3/t,儲層滲透率0.01～5.51mD，煤層氣井型以U型連通水平井為主，篩管完井。5區斷層較為發育，3號煤層以碎裂煤為主，埋深600～1100m，原煤含氣量13～20m3/t,儲層滲透率0.004～1.01mD，煤層氣井型以直井、定向井為主，儲層改造方式為活性水壓裂。

2.開發生產工藝

2.1 鉆井工藝

4區鉆井采用空氣鉆與水基鉆井液相結合，一開采用空氣鉆井，鉆具組合為φ311.2mm潛孔錘+φ173mmDC+φ114mmDP，采用大氣量鉆進，及時清除井底巖屑，鉆速較水基鉆井液快4～5倍。二開鉆具組合為φ215.9mm潛孔錘或φ215.9mmPDC+φ165mm無磁鉆鋌+φ127mmDP，鉆井液為清水+0.5%的純堿液，可以清除Ca2+離子，防止鉆井液結垢，保護鉆井液性能，提高鉆進效率，鉆速為2.5～4m/h。三開鉆具組合為φ155.6mmPDC+SLH90無磁鉆鋌+φ85.7DP，鉆井液為高黏低固相水基鉆井液(0.5%大分子聚合物HP)，提高懸浮攜帶能力，控制井壁穩定，防止水化膨脹,減小對煤儲層損害。

5區鉆井采用水基鉆井液，一般使用水文井鉆機和小型石油鉆機(如TSJ-1000鉆機、TSJ-2000鉆機、GZ-2000鉆機)，以清水鉆井液為循環介質進行常規鉆井作業。一開鉆具組合為φ311.2mm牙輪+φ168mmDC+φ127mmDP，二開鉆具組合為φ215.9mmPDC+φ168mmDC+φ127mmDP。該區3號煤層黏土礦物含量為9.2%，使用清水鉆井液引起黏土礦物水化膨脹，造成井壁失穩，井徑擴大率大于20%的井達28.7%。分析表明(圖2)，鉆井井徑擴大率越大，煤層氣井產氣量越低，井徑擴大率小于25%的煤層氣井產氣量較高。

圖2 柿莊南區塊井徑擴大率與產氣量關系

5區直井和U型井建井周期均比4區時間長，但近兩年差距逐漸縮小。鉆井過程中，5區非生產時間超過生產時間的井占19.9%，4區非生產時間超過生產時間的井占12.8%。生產時間中，5區和4區鉆井各作業項目中純鉆時間比例分別66.37%和52%，4區輔助鉆井時間比例較大，為19%；非生產時間中，5區鉆井停待時間所占比例達到84.66%，4區鉆井修理時間比例較大，為17%。分析表明(圖3)，鉆井液浸泡時間越大，煤層氣井產氣量越低，浸泡時間小于150h的煤層氣井產氣量較高。

圖3 柿莊南區塊鉆井液浸泡時間與產氣量關系

2.2 完井工藝

4區和5區直井均采用射孔壓裂完井，壓裂液為活性水+2%KCL，支撐劑為石英砂(圓度不低于0.8，球度不低于0.8)，施工排量不高于8m3/min。4區U型井采用直井玻璃鋼套管和定向井篩管完井，U型井水平段裸眼完井，采用PE篩管保護儲層穩定，防止井壁坍塌，產氣量較高，平均產氣量3129m3/d，最高單井產氣量達到14400m3/d。

5區直井壓裂時間與投產時間間隔小于60d的井僅占10.8%，平均單井產量為437m3/d；4區直井壓裂與投產時間間隔小于60d的占91.5%，平均單井產量為1422 m3/d(圖4)。壓裂液浸泡時間對產氣量影響較大，壓裂液浸泡時間越長，煤層氣井產能越低，浸泡時間小于60d的煤層氣井產氣量較高。文獻資料表明，壓后盡早返排投產可以在保證入井支撐劑不回流的前提下，充分利用壓裂裂縫初期具有高導流能力，而裂縫閉合后初期導流能力迅速下降約50%。

2.3 排采工藝

(1)煤層氣井口袋較小，沉砂空間有限，不利于排水降壓和單井產氣量的提升4區和5區煤層氣井均采用梁式泵進行排水降壓，泵的吸入口位置在煤層底板以下的排采井分別占90.3%和52.6%(表1)。5區排采井口袋相對較小，煤粉、壓裂砂在排采初期返排較多，容易造成砂埋，該區產氣井比例57.2%，平均泵效17.7%。4區排采井泵入口處裝有氣錨，產氣井比例71.1%，平均泵效26.5%。

圖4 柿莊南區塊煤層氣井返排時間間隔情況

分析表明，同等條件下，泵吸入口位置在煤層頂板以上的煤層氣井平均產氣量較低，上產速度較慢。排水降壓中后期，優化泵吸入口位置至煤層底板以下可以有效提升單井產氣量，措施成功率達到80.3%以上，平均單井產氣量增加266m3/d。

表1 柿莊南區塊4區和5區煤層氣井井下工藝對比

(2)連續精細化排采是高產穩產的前提

煤儲層產能釋放的過程是通過排水降壓啟動甲烷解吸，甲烷解吸造成煤基質收縮，促使滲透率逐漸改善，加快擴大降壓范圍，進一步激發解吸。引導煤儲層產能釋放的過程需要精細化控制兩個重要條件，一個是排采強度的控制，一個是排采連續性的維持。

4區排采動力為電網，動力較為穩定可靠，排采時率高達97.6%；5區多采用氣動機和發電機，受環境影響大，穩定性差，排采時率為75.8%。該區煤層氣井排采不連續，井底壓力反復波動，使裂縫閉合，煤粉堵塞運移通道，導致減產或停產。

通過對地質條件相似、鉆完井工藝相同煤層氣井分析，發現排采時效與產氣量之間具有較明顯的正相關關系(圖5)，排采時率超過90%時，產氣量上升明顯。

圖5 柿莊南區塊產氣量與生產時率關系圖

2.4 生產現狀分析

(1)開發工藝的差異造成開發效果的差異

5區煤層氣井排采一年以內的井占6%，排采三年以上井占68%，排采一年以內產氣井占50%，該區排采井壓裂后返排不及時，儲層改造效果較差，沒有實現連續穩控排采，平均產氣量較低；4區煤層氣井排采一年以內的井占27%，排采一年以內產氣井85%。該區排采井返排及時，實現連續穩控精細，平均產氣量較高。隨排采時間的推移，5區井日產氣量呈現出逐漸上漲的趨勢，但產氣量上升并不明顯，且五年以上排采井的日產氣量略有降低，而4區五年以上排采井的日產氣量較高(圖6)。可以看出，4區開發工藝整體較為合理，排采井見氣時間短，單井產氣量高，開發效果相對較好。

圖6 柿莊南區塊煤層氣井不同排采階段平均產氣量情況

(2)井底流壓普遍高于4區排采井，是5區排采井產氣量較低的另一個重要原因

分析發現，5區排采井平均井底流壓為1.18MPa，4區的平均井底流壓為0.58MPa(圖7)。 4區五年以上排采井的井底流壓為0.07MPa，遠遠低于5區五年以上井的井底流壓。而其累計產水量更是高達5區五年以上排采井的四倍之多，排采的連續性差和有效排采時間短是出現這種現象的主要原因。

圖7 柿莊南區塊煤層氣井不同排采階段井底流壓情況

(3)5區有效排采時間短，累計產水量低，排水降壓不充分

5區排采井平均累計產水量為3556m3，4區平均累計產水量為15579m3(圖8)；一年以內排采井，5區和4區的累計產水量相當，兩年以上排采井，4區的累計產水量遠大于5區， 排采時間越長，差距越大。

4區電網供電，排采井運行率高，5區采用發電機、氣動機作為動力源，設備穩定性較差，有效排采時間短，是累計產水量低的原因之一。 5區89.2%的煤層氣井壓裂液返排時間大于60天，導致部分裂縫閉合，有效滲透率降低，是累計產水量低的原因之二。

圖8 柿莊南區塊煤層氣井不同排采時間井累計產水量

3 結論

(1)4區煤層埋深較淺，含氣量較高，鉆完井工藝合理，鉆井時效高，儲層傷害小，排采工藝滿足精細化排采需求，取得了較好的開發效果。

(2)5區斷層相對發育，煤體結構破碎，鉆完井周期較長，有效排采時間短，排水降壓不充分，具有較大的上產潛力。