新疆阜康白楊河礦區煤層氣井排采產水特征研究

胡振鵬 王 琪 吳 恒

(新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830000)

白楊河礦區是新疆第一個規模開發的煤層氣項目，其開發模式為39號、41號、42號煤層聯合開采，各煤層通過水力加砂壓裂的方式進行儲層改造。煤層埋深為700～1200m范圍，資源豐度達到 7.80～10.72×108m3/km2，按照煤層氣資源豐度劃分標準(低資源豐度：<0.5×108m3/km2、中等資源豐度：0.5×108～1.5×108m3/km2、高資源豐度：>1.5×108m3/km2)，屬于高資源豐度煤層氣藏(見表1)。

表1 白楊河礦區煤層氣儲量豐度表

高資源豐度為白楊河礦區煤層氣井的高產和穩產提供了較好的煤層氣資源基礎。但是通過排水降壓后發現，白楊河礦區東區和中、西區產水差異很大。產氣后東區煤層氣井產量普遍能維持穩定產氣狀態(圖1)；中、西區50%以上的煤層氣井產氣量在達到產氣高峰后快速降低(圖2)。

圖1 白楊河礦區東部FS-X1井排采曲線

圖2 白楊河礦區中部FS-X4井排采曲線

在其他地質條件相似，鉆井、壓裂、排采手段相同的情況下，東區和中、西區煤層氣井產氣量持續時間的巨大差異說明高產水影響了產氣的持續性。因此針對白楊河礦區煤層氣井產水特征進行研究分析，找到中、西部產水較大區域導致產氣量不穩定的原因，對白楊河礦區后續煤層氣井的開發具有重要的指導意義。

1 地質概況

1.1 開發煤層及其特征

白楊河礦區為一傾角為45°～53°的單斜構造，開發煤層為八道灣組下段(J1b1)39號、41號和42號煤，其中41號煤層與39號煤層夾40號薄煤層(表2)；開發煤層淺部火燒，在礦區北部形成了一條近東西向的燒變巖帶。

39號煤的頂板巖性為泥質砂巖、砂質泥巖、泥巖及砂巖，其中以泥巖和砂質泥巖為主，泥巖和砂質泥巖厚度在10～27m之間，平均為14.14m，全區分布連續穩定。

41號煤頂板以泥巖為主，局部可見砂質泥巖。厚度在8m～23m之間，平均厚度為15.38m。底板巖性主要為泥巖為主。一般厚度在8m～18m之間，平均厚度12.25m，全區分布連續穩定。

42號煤頂底板以泥巖為主，其次是砂質泥巖。頂板巖性主要為泥巖。厚度在9m～32m之間，平均厚度為15.88m。底板巖性主要為泥巖為主。一般厚度在6m～34m之間，平均厚度14m，全區分布連續穩定。

表2 示范區煤層特征一覽表

1.2 開發煤層水動力條件

白楊河礦區主力煤系地層含水層巖性以中、粗砂巖、砂礫巖及煤層為主，含水層和隔水層以互層形式組成，煤層之間由粉砂巖、泥巖等隔水層隔離。總體上含水層組富水性弱，透水性差，為弱含水層組。由于單斜構造的影響，火燒區水對礦區淺部煤層的影響較大，中、深部煤層影響較小。

地下水的水化學場也進一步驗證了上述地下水流場特征。根據鉆井抽水試驗及排采生產井的水樣化驗數據顯示，白楊河礦區地下水水質類型為HCO3-K++Na+型，沿煤層傾向，除異常點外，隨著煤層埋深的增加，礦化度顯著增加(表3)。

表3 白楊河礦區不同區域水質化驗主要離子統計值

礦區礦化度分布特征反映了淺部煤層地下水接受補給，水徑流交替條件好，不利于煤層氣的開發。中、深部煤層徑流緩慢甚至呈滯流狀態，礦化度顯著增高(圖3)。這種滯流狀態為中、深部煤層氣井排水降壓，形成較大范圍的降壓漏斗，提供了可能。

圖3 白楊河礦區儲層水礦化度等值線圖

2 白楊河礦區排采產水特征

排采生產顯示白楊河礦區中、西部區域煤層氣井單井日產水量明顯大于東部。按照排采降壓階段、憋套壓階段、產氣階段進行劃分，各階段單井平均產水量、最高產水量如表4所示。

表4 白楊河礦區不同區域不同排采階段日產水統計表

統計數據顯示，東部區域產水的特征為排水降壓階段產水量較大，隨著排采的進行，見套后產水量逐步下降，產氣后產水量顯著下降。分析認為該區域煤儲層本身含水小，前期產水大的原因主要是受水力壓裂施工的影響(單井三層煤壓裂用水約2500～3000m3)，并且產氣后煤儲層水的過流通道變小,進一步降低了單井產水量。

中、西部區域產水的特征為排水降壓階段產水量較大，隨著排采的進行，見套后產水量下降，但始終穩定在一個較高的水平。分析認為該區域煤儲層本身富水性強或者有較強的補給源對煤層進行補給。產氣后煤儲層水的過流通道變小,部分降低了單井產水量。

3 排采產水對排采壓力傳遞的影響

在煤層氣排采過程中，排采產水的差異會影響到排采時壓力傳播變化規律。根據達西滲流定律可知，在煤儲層滲透性和過流面積一定的情況下，產水大會使排采壓差消耗在近井地帶，導致滲流半徑小，不利于排采降壓漏斗的擴展。

3.1 壓力傳遞對頂底板產水的影響

白楊河礦區主力開發煤層總體上富水性弱，透水性差，為弱含水層組。煤層氣井的部署也避開了示范區淺部煤層(埋深700m以淺)水徑流交替條件好的不利開發區域，整體上有利于排采過程排采壓力的傳遞。東部井排采產水小、產氣連續穩定就很好的印證了這一地質情況。

但中、西部區域產水較大。考慮到煤層氣井排采時，隨著井筒內液面的下降，在近井筒煤層段內及煤層與頂、底板形成了壓力差。當排采壓力下降到一定值后，煤層頂、底板含水就能突破圍巖阻力源源不斷的進入煤層，使排采井產水顯著變大這一特點；在白楊河礦區中部區域施工的一口新井中進行頂板壓力傳遞驗證試驗。

鉆探施工新井距離排采井平距180m，鉆井施工至主力開發煤層39號煤層頂板30～40m時出現泥漿嚴重漏失和不返漿現象。白楊河礦區未排采前鉆井施工未出現漏失現象，這說明中、西部煤層氣井通過排水降壓后，壓力沿頂板進行了傳遞，通過降壓漏斗曲線特性進行反推，當排采井井筒壓力接近零時，推斷頂板影響帶為80～120m。這已經超過了主力煤層之上隔水層的厚度。說明含水層與煤層之間雖然有泥巖、砂質泥巖等隔水巖層隔擋，但排采壓力的傳遞導致含水層中的水能突破隔擋層對煤層形成補給，顯著的增加了排采井的產水量。

若排采時雖然煤層頂、底板一定距離有含水層，但含水層與煤層之間隔水性比較好，即使煤層壓力下降到最低，含水層也無法突破隔擋層進入到煤層，此種情況下排采時只需排采煤層中的水，有利于降壓漏斗的擴展和高產井的形成。這樣的煤層結構稱為層狀巖層。對比白楊河礦區東部井產水及產氣特征，認為東部區域屬于這種情況。

3.2 排采產水對煤層降壓邊界的影響

白楊河礦區煤層含氣飽和度均為欠飽和狀態，一般情況下，煤層氣大量吸附在煤炭表面，煤層及頂底板游離氣很少。煤層氣井的產氣主要依靠壓力沿煤層的橫向傳遞，增加煤層的解吸范圍來獲取。

白楊河礦區煤層滲透性屬于中低滲煤層，煤層的過水能力有限。根據達西滲流定理，當地質條件和工程改造手段限制了煤層的滲透性、滲流面積和煤層與井筒的最大壓差時，煤層滲流半徑會與排采產水量呈反比關系。即當煤層氣井產水較大，特別是圍巖含水層中水的補給較大時，地層與井筒的壓差會被消耗在近井范圍，從而顯著的影響沿煤層方向的降壓邊界，導致煤層解吸范圍有限。這是白楊河礦區中、西部煤層氣排采井始終保持高產水量，但產氣量達到第一個高峰就快速下降，甚至只產水不產氣的根本原因。

4 結論與建議

(1)阜康白楊河礦區中、西部煤層井排采過程中產水較大，產氣量在見套后快速上升，達到高峰后快速下降。分析認為這是由于在排采降壓過程中，煤層頂板對煤層產水補給明顯，導致沿煤層方向地層與井筒的壓差在近井地帶迅速消耗，難以在煤層形成半徑足夠大的煤層氣解吸降壓漏斗。

(2)阜康白楊河礦區東部煤層井排采過程中產水快速下降，這有利于排采壓力沿煤層傳遞，形成大的煤層解吸區，有利于形成高產和穩產。

(3)針對白楊河礦區中、西部煤層井頂板含水層補給的影響，可以考慮通過工程手段封堵產層頂、底板，隔斷煤層頂、底板補水,促進煤層氣排采降壓漏斗的擴展和井間干擾的形成，以達到實現較高的產氣量的目的。同時，降低單井產水量，還減少了排采能耗和排采設備的磨損，降低了排采生產成本。