山西省壽陽區塊南燕竹采氣區煤層氣井產水分異特征分析

摘要：為研究壽陽區塊南燕竹采氣區產水分異原因，對采氣區15#煤構造特征、水動力條件及壓裂特征進行了分析。研究發現南燕竹采氣區受構造條件及區域水動力條件的影響，地層水由北部構造及水頭相對高點向南部流動，在南部形成地層水的“滯留區”，而煤巖本身低機械強度、高泊松比，加上區內構造煤的發育，導致壓裂裂縫呈“工”型在頂底板處延展，這些壓裂裂縫與天然裂縫溝通了頂底板附近的含水層，從而在空間上造成南部煤層氣井產水量明顯高于北部。針對采氣區煤層氣井產水分異及發育構造煤的特點，建議對南北煤層氣井分區調整排采設備及措施，進行差異化排采以實現區域整體降壓，同時采用小井眼側鉆技術，在15#煤層中進行多方位、多分支的側向鉆井，增加煤層有效裂縫的溝通范圍，提高單井產氣量。

關鍵詞：南燕竹采氣區；構造特征；水動力條件；壓裂特征；差異化排采；小井眼側鉆

引言

煤層氣井生產是排水降壓的過程，開采前期主要產水，液面穩定連續地降低，煤層壓力降到臨界解吸壓力以下，煤層氣解吸、擴散、滲流，并運移至井筒產出[1，2]。地層水作為壓力的載體，不僅對煤儲層裂縫起到了支撐作用，同時也將壓降傳遞至裂縫遠端。然而在同一個區塊，單井產氣量往往與產水量呈負相關，煤層氣井的排采以培育低產水高產氣井為目標，井間產水量差異則是重點關注的內容[3]。筆者基于壽陽區塊南燕竹采氣區15#煤的構造條件、水動力特征以及壓裂特征，對其與煤層氣井產水量的關系進行了分析，并針對煤層氣井產水分異及發育構造煤的特點，對排采工藝及增產措施提出了改進建議。

1 采氣區概況

壽陽區塊南燕竹采氣區位于山西省晉中市境內，總體呈走向東西、向南傾斜的單斜構造，局部發育不同方向的次一級褶皺，煤層氣勘探開發的主要目的層為太原組15#煤。截止2017年底，南燕竹采氣區共64口井投入生產，單井連續排采19-1049天，平均743天。單井日均產水0.62-86.63m3/d，平均17.10m3/d。其中，采氣區南部有20口連續排采600天以上的井日均產水突破20m3/d，液體產出量遠遠大于壓裂注入量，表明該區域煤層氣井的產水出現明顯的外源補給，并在空間上產生了分異。

2 產水分異影響因素

2.1 褶皺構造

背斜構造由于其張力作用，裂隙較發育，煤儲層中水的流動趨勢類似于地下水流動的“補給區”。而向斜構造由于壓實作用，裂隙不發育，在排水采氣過程中，接受來自翼部儲層中水的補給，排水強度最大，產水量高，壓降漏斗卻很小[4，5]。

南燕竹采氣區15#煤整體呈向南西方向傾斜的單斜構造，采氣區北部為長軸約1km的背斜，向南地層傾角變大。目前生產井主要分布在隆起背斜的核部及南翼，東南部煤層氣井投產不足3個月?？傮w來看，日均產水量大于20m3/d的高產水井主要集中在背斜的南翼（圖1），表明褶皺構造的相對高點處由于地勢高且裂隙發育，不利于地層水的聚集、保存，即使接收含水層的補給，也沒有形成地層水“滯留區”，而是向構造低點運移，從而造成煤層氣井產水量在構造部位上的分異。

2.2 地層水動力

區域水動力條件對煤層水的產出起著重要作用[6，7]，采氣區內15#煤試井滲透率在0.01mD以下，煤層水流動性較差，且煤層本身含水性低，故煤層氣井的初始水頭也反映了15#煤上覆含水層的水動力特征。將南燕竹采氣區內煤層氣井動液面深度（即液面與井口的距離），以海平面為基準面，換算出各井點初始水頭及液柱高度：

（1）

式中：h-初始水頭，m；GL-井口海拔，m；D0-井點初始動液面深度，m；H0-井點初始液柱高度，m；Z-煤層頂板埋深，m。

煤層氣井初始水頭北部高、南部低（圖2），表明地層水呈現由北向南的流動趨勢，而煤層氣井初始液柱高度均在140m以上且南部液柱相對更高，表明該區域相對處于地層水聚集區。煤層氣井的排采破壞了區域原始水動力場，排采初期由于煤層處于承壓狀態，產水差別不大，隨著排采的進行，地層水經井筒排出地表的同時，也由采氣區北部向南部流動，從而在空間上造成采氣區南部煤層氣井地層水補給量高于北部。

圖1 南燕竹采氣區15#煤底板構造圖

圖2 采氣區煤層氣井初始水頭等值線圖

2.3 壓裂溝通含水層

南燕竹采氣區周邊煤礦的生產表明，本區域15#煤層本身含水性差，煤層氣井通過井筒附近的天然裂縫及壓裂裂縫，與頂板灰巖及砂巖含水層溝通，從而獲得大量地層水的補給。

采氣區15#壓裂曲線以波浪形為主（圖3），表明15#煤的裂縫形態復雜且延伸不長，主要以短而寬的裂縫形態為主，而這種裂縫的形成與煤層的力學性質有關[8-10]。煤巖抗張強度低，壓裂時易破裂，而其相對較高泊松使得煤巖在壓裂過程中易產生形變，支撐劑難以有效保持壓裂裂縫的延展，因此煤巖更易形成短寬裂縫。此外，采氣區15#煤形成過程中受構造作用影響明顯，碎裂煤及碎粒煤非常發育，導致壓裂過程中壓裂液及支撐劑與煤粉混合堵塞天然裂縫，導致近井筒地帶的憋壓。煤層與頂底板的交界處存在一個弱面，弱面上下巖層的力學性質存在明顯差異，將在層間形成較大的應力差，在弱面處造成一個低應力區[11，12]。壓裂裂縫垂向延伸至弱面時，將沿弱面處的低應力區延伸，形成“工”型縫（圖4），最終可能與頂底板附近含水層（灰巖巖溶裂隙水、砂巖裂隙水）溝通，而煤儲層中有效裂縫減少。

圖3 ZL-051井壓裂施工曲線 圖4 “工”型壓裂裂縫示意圖

3 生產建議

目前采氣區北部煤層氣井已進入產氣階段，而南部煤層氣井尚未開始產氣，南北煤層氣井的產水差異導致煤層氣井難以形成大面積的解吸。為實現區塊15#煤的整體壓降，建議對采氣井進行差異化排采及套管開窗側鉆，以提高煤層氣井的產氣能力。

3.1 差異化排采

目前南燕竹采氣區煤層氣井多采用“56mm管式泵+抽油機”，南部高產水井抽油機工作負荷較大。由于地層水由北部流向南部進入“滯留區”，加大南部煤層氣井的排采強度，實際上也為北部煤層氣井分擔了排水降壓的任務，因此南部產水量在20～40m3/d的井應更換70mm的管式泵，對產水量突破40m3/d的井則采用螺桿泵，增加南部煤層氣井的排采強度。同時，對于北部動液面較低、產水量小的煤層氣井，更換44或38mm的泵，并調低沖次，降低排采強度。通過排采強度差異化，使得單井的壓降傳遞更遠，從而最終形成區域整體降壓。

3.2 小井眼側鉆

小井眼側鉆技術在常規油氣開發應用廣泛，可以解決儲層近井筒污染、提高油氣采收率[13，14]。針對南燕竹采氣區構造煤發育的特點，為避免水力壓裂造成壓裂液、煤粉混合造成裂縫堵塞，可采用小井眼側鉆技術。在煤層氣15#煤頂板處套管開窗后，對15#煤進行多方位、多分支、單支80-100m的水力噴射鉆井，這些小井眼作為“主裂縫”，與煤儲層中的天然裂隙聯通，形成大面積裂縫系統，可大大增加煤層中有效裂縫的溝通范圍，有助于在煤層排水降壓過程形成大面積的解吸，進而提高單井產氣量。

4 結論

1）南燕竹采氣區15#煤北部為背斜核部，向南地層傾角變大，而且煤層氣井初始水頭北部高、南部低，因此地層水由北向南的流動，在采氣區南部形成地層水“滯留區”，地層水在空間上產生分異。

2）采氣區15#煤中碎裂煤及碎粒煤等構造煤非常發育，加上煤巖低機械強度、高泊松比，壓裂裂縫呈“工”型集中在近井筒地帶，煤層中有效裂縫少，這些壓裂裂縫溝通了頂底板附近的含水層，造成采氣區北部煤層氣井產水量明顯低于南部。

3）針對采氣區南北部煤層氣井產能的差異，建議對泵型進行更換，加大南部高產水井的排采強度的同時，降低北部煤層氣井的排采強度，通過差異化排采，實現區域整體降壓。同時，利用小井眼側鉆技術，在15#煤層中進行多方位、多分支的側向鉆井，增加煤層有效裂縫的溝通范圍，提高單井產氣量。

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作者簡介：胡奇（1988-），男，湖北省長陽縣人，碩士。