煤層氣井高產水對排采產氣的影響及改進方案研究

陳瑞杰

（山西潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046200）

高河井田屬于山西潞安集團，主采煤層為 3#、15#煤層。在主采3#煤層氣井的過程當中，50多口排采井中有1/2因排采產水量高，導致排采產氣效果不佳。因此，潞安集團安排金源煤層氣開發公司來對高河井高產水的主要影響因素及相關的改進方案進行研究。

1 項目概況

高河井田3#煤層含氣量南北有別，東西不同。西部含氣量大于12m3/t，中部 8～12m3/t，東部小于8m3/t。從南到北由10～6m3/t，呈現逐漸降低趨勢。高河井田3號煤層厚5.15～8.44m，平均厚6.71m，煤層厚度條件總體上比較好。整體上來講，高河井煤層氣資源是比較豐富的，市場開發潛力和價值都非常巨大。從當前高河井的煤層氣開采情況來看，探井和試采井的排采產水量都非常之高，造成整個液面的下降困難，作業頻繁，排采產氣效果不佳。另外還會造成井底壓力高，開采設備維修頻繁，影響了開采工作的進行。需要對影響高河井產水的主要因素進行分析，并配套建立相應的改進方案，控制高產水井的數量，同時降低單井平均產水量。

2 煤層氣井高產水對排采產氣的影響

2.1 煤層氣排采的過程原理

煤層氣排采的過程原理主要是：解吸→擴散→滲流。從煤的內表面進行解吸，通過基質和微空隙進行擴散，在天然裂縫網絡中進行流動。其生產過程主要是通過圖1所示的三個階段。

圖1 煤層氣排采過程原理示意圖

如圖1中所示，排水降壓階段，主要是進行產水，通過數天時間后，氣體飽和度增加，井口開始進行產氣；穩定生產階段為高峰產氣階段，產水量減少；第三階段，排水作業繼續，產氣量下降。從生產過程可以看到，排水是煤層氣排采的關鍵環節，高產水會影響到煤層氣井的排采效率。

2.2 高河井煤層氣排采情況分析

從2012年1月至2016年1月，對高河井煤層氣排采產氣的相關數據資料統計分析，可以得到下面的結論。其高產水煤層氣井的標準為，單井平均日產水量6.5m3，單井日產水量超過40m3。具體特點：第一，平均日降液速度小于lm/d，高產水造成降液困難，沒有辦法實現對煤層的排水降壓的目標，煤層氣解吸效果比較差。第二，修井檢泵作業頻繁，達到了2.5月/次，同時這也造成了管柱磨損嚴重，設備維修頻繁。第三，產氣效果小于300m3/d，這嚴重降低了生產產氣效果。因此有必要對高產水的地質因素進行分析，并采取相應的改進方案。

3 高河煤層氣井高產水的主控因素

3.1 水文地質因素

高河煤層的直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，頂板砂巖厚度在0.00～20.10m，平均5.86m，因為巖性主要是中粒砂巖、細粒砂巖為主，造成了其水文地質條件比較復雜。井田北部因斷層、陷落柱的存在，使得含水層之間進行了導通聯系。圍巖含水層是其主要的水來源，導致高河煤層本身的含水性較弱。區塊由東向西構成供水→徑流→滯流完整水動力系統。平面上總體規律是東部的水動力活躍程度強于西部，區塊中部因為斷層存在差異，如圖2所示。

圖2 高河井水文地質單元劃分剖面圖

3.2 不同煤層及頂底板含水性特點

高河井主采煤層為3#、15#煤層。3#煤層直接頂板為泥質巖，局部為粉砂巖及砂巖。厚度穩定性差，結構松軟，吸水易軟化，強度較低。老頂為砂巖，厚度0.00～20.10m。從地質情況來看，其溶洞、溶孔比較發育，滲透性較好，水動力條件較好，地下水徑流強度大，對煤層供水較為充足，煤層產水量較大。從高河井以往的數據統計結果來看，3#煤層的單排與合排的產水量平均為29.95m3/d，屬于高產水層系。

4 高河井高產水的改進方案研究

技術攻關組針對高河井排采中高產水的具體工況，通過查找相關資料和同類型礦井的解決方案，綜合考慮設計了以下的改進方案。

4.1 采用井位部署避開水動力較強區的措施

水動力較強區會影響到井的產水量，從而導致產水量較大，降低產氣量。針對高河井來講，盡量選擇水動力較弱煤層氣保存較好的區域進行井位部署，從開始的部署階段就力爭減少高產水井的出現，可以有力降低高產水井的數量。

4.2 制定差異性的壓裂選層和壓裂工藝

高河井的主采煤層為 3#、15#煤層，根據不同煤層頂底板巖性差異及不同區域水動力條件差異，垂向上15#煤層、3#煤層壓裂方式各有不同。對于15#煤層來講，其煤層的厚度是比較大的，含氣量高，頂底板低含水，這時就需要調整原來的設計排量，適當增加2m3的設計排量，提高至8.5～9.5m3。同時也將砂比提高到12%，保障排采的順利進行。針對3#煤層的頂板含水灰巖具體情況，需要避開灰巖一定距離對其煤層的下部進行壓裂，還需要對壓裂規模和強度都進行調整，降低原來的設計排量至7.5～7m3，同時相應地降低砂比至8.5%左右，避免其與供水區溝通。

4.3 改進措施效果分析

高河井自從2016年1月將上述解決方案應用于新試采區的井位部署和壓裂實踐中以來，實踐效果良好，起到了控制新增高產水井的目的，對于解決高河井的實際生產情況起到了積極的作用。選擇1年以上的新試井來同以往沒有采用改進措施的老井組進行對比研究發現：新試井的平均單井日產水量為10.25m3/d，相對于老井的35.67m3/d，降低了25.42m3/d，單井產氣率逐步上升達到了95%，其修井周期也得到了延長，降低了生產成本。

5 結論

本論文主要是對山西潞安高河煤層氣井高產水問題進行了實踐的應用研究，針對高河井田的實際工況，分析了影響產水的主要因素，通過差異性的地質選層和壓裂工藝等措施來實現其改進方案的實施。實踐應用效果表明，改進方案從部署階段就減少了高產水井的出現，同時新試井的平均單井日產水量降低了25.42m3/d，單井產氣率逐步上升達到了95%。整體來講，試采效果良好，該改進方案是成功的，可以給同類型高產水井的排采產氣提供相應的參考。