煤層暴露對煤層氣井產氣效果的影響

汪萬紅

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054)

我國煤礦區煤層群普遍發育。目前，在我國多煤層發育地區進行煤層氣勘探開發，普遍采用分層壓裂、合層排采工藝技術，該技術可有效降低煤層氣開發成本、提高煤層氣井產能。但結果顯示多數效果不甚理想，未產生1+1≥2的產氣效果。在合層排采過程中，為使煤層氣井達到最好的產氣效果，井筒內液面要不斷下降，不可避免會使上部煤層暴露。煤層暴露是否會影響煤層氣井的產氣效果？針對上述問題，筆者基于平頂山礦區首山一礦煤層氣勘探開發工程實踐，探討分析了煤層暴露對煤層氣井產氣效果的影響，以期為平頂山礦區及類似煤礦區煤層氣的合層開發提供參考和借鑒。

1 基本概況

平頂山礦區首山一礦位于平頂山市的東北方向，距平頂山市約25 km，面積約36 km2。礦區構造簡單，主體構造為一軸向320°的寬緩背斜，地層走向一般為290°～320°，傾角一般變化在8°～20°之間，斷層不甚發育。首山一礦全區可采煤層共兩層，分別為二疊系下統山西組的二1煤層和下石盒子組的四2煤層，也是煤礦采掘設計的主采煤層。四2煤層位于下石盒子組，煤厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，四2煤層空氣干燥基含氣量為3.74～5.53 m3/t；二1煤層位于山西組下部，煤厚為2.76～10.22 m，一般5.00～7.00 m，平均6.15 m，上距四2煤層平均距離170 m。二1煤層空氣干燥基含氣量為2.86～3.85 m3/t。

為了提前解決煤礦開采中的瓦斯隱患，前期在首山一礦實施了1組地面瓦斯抽采試驗井組，由5口煤層氣直井組成，分別為01、02、03、04、05井，呈正方形井網布置，井間距200 m×200 m。各井均采用二開井身結構、套管射孔完井、水力加砂壓裂、有桿泵排水采氣工藝，對主采煤層四2、二1煤層進行分層壓裂、合層排采。結果顯示合層排采效果不理想，單井最大日產氣量為586 m3，平均日產氣量為41～350 m3。煤層氣井排采效果具體情況見表1。后期由于5口井產氣量低，日常維護費用大，各井已停止排采。

表1 首山一礦煤層氣井排采效果

2 合層排采產氣特征

排采是煤層氣勘探開發工程的歸結點，是煤層氣開發的重要環節之一，客觀地反映了煤層氣井的產氣特征及效果。排采工作的好壞，直接關系到煤層氣開發的成敗。下面以首山一礦01井為例說明其合層排采產氣特征。01井上部四2煤層深度為631.18～633.48 m，厚度為2.30 m，下部二1煤層深度為811.43～816.80 m，厚度為5.37 m，上距四2煤層177.95 m。01井液面深度與日產氣量的關系如圖1所示。

圖1 01井液面深度與日產氣量的關系圖

合層排采必須兩層煤都產氣才有意義。01井上部四2煤層隨著排采開始會首先產氣，下部二1煤層上距四2煤層177.95 m，換算成流體壓力約為1.78 MPa。而根據實測含氣量、等溫吸附結果計算二1煤層臨界解吸壓力是0.40～0.46 MPa，小于煤層間距對應的流體壓力1.78 MPa。所以為使01井四2、二1煤層共同產氣，必須使井筒內液面降至四2煤層以下。故該井合層排采必須暴露上部四2煤層。

由圖1可知，01井排采過程根據產氣量變化情況可劃分為兩個時期：從排采開始到產氣量快速增加到最大值階段；產氣量從最大值快速降低階段。第1階段，排采開始井筒內液面由202.57 m開始下降，井底流壓隨之降低，當液面降至488.58 m，達到四2煤層臨界解吸壓力1.457 MPa時，四2煤層開始產氣。液面繼續下降，四2煤層產氣量快速增加，當液面降至四2煤層附近，產氣量達到最大值。第2階段，液面降至四2煤層以下，四2煤層暴露，產氣量快速減少，之后液面繼續下降但產氣量沒有得到恢復，最終產氣效果不佳。

隨著煤儲層壓降漏斗的不斷擴展，煤層氣井產量應持續增加或趨于穩定，但 01井四2煤層暴露后的產氣情況卻恰恰相反。分析認為，四2煤層暴露可能是該井產氣量快速下降的原因。

3 煤層暴露對產氣的影響

本文從首山一礦煤儲層特征出發，結合01井實際排采過程，分析煤層暴露對煤層氣井產氣的影響。

平頂山礦區由于先后受到中岳、懷遠、加里東、印支、燕山和喜山六期地質構造運動影響，煤層破壞嚴重，其煤層孔隙、裂隙比較發育。首山一礦四2煤層以碎裂煤為主，次為碎粒煤，煤體松軟。四2煤層煤巖特征見表2，由表2可以看出，四2煤層煤巖具有煤體強度低、滲透率低、應力敏感性強的特點。

表2 四2煤層煤巖特征

眾所周知，煤層氣的產出包括解吸、擴散和滲流3個相互銜接連續的過程。煤層氣主要以吸附狀態儲存在煤的孔隙中，通過地面煤層氣井的排水降壓，煤層氣從煤基質表面解吸，并從孔隙擴散、滲流至煤層氣井筒，最終產出地面。煤層氣的擴散滲流通道順暢，煤儲層滲透性好，產氣量才會高。煤層氣井排采過程中煤儲層滲透率動態變化特征主要受有效應力效應和煤基質收縮效應共同控制。有效應力效應占主導地位時，儲層壓降越大，滲透率降低量越大；煤基質收縮效應占主導地位時，儲層壓降越大，滲透率增加量越大。

首山一礦01井排采按照穩定、緩慢的排采控制原則，排采過程中總體上液面下降速度<10 m/d，見圖1。排采開始，液面緩慢下降，儲層壓力隨之降低，為水的單相流動階段。當儲層壓力降至上部四2煤層臨界解吸壓力后，一定數量的煤層氣從煤基質表面解吸形成孤立、互相不連接的氣泡，四2煤層開始產氣。隨著液面繼續下降，四2煤層儲層壓力進一步下降，更多數量的煤層氣解吸，氣泡間相互連接進而形成連續的流線，氣相開始流動，形成氣液兩相流，水相對滲透率逐漸降低，氣相對滲透率逐漸增加，產氣量逐漸增加到最大值。為使該井四2、二1煤層共同產氣，液面必須降至四2煤層以下，使四2煤層暴露。四2煤層為碎裂煤和碎粒煤，煤巖抵抗形變能力弱，裂隙壓縮/膨脹系數大，滲透率應力敏感性強，有效應力效應占主導地位。四2煤層暴露后，四2煤層儲層壓降最大，其滲透率降低量也最大。井筒附近氣水兩相流態在短期內急劇轉換，近井地帶形成液相低滲區，使地層水難以排出，壓降漏斗擴展困難。四2煤層缺少流體支撐其產氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產氣通道被壓實破壞，滲透率下降，導致四2煤層產氣量快速下降。之后液面繼續下降但產氣量沒有得到恢復，最終產氣效果不佳。

4 結論及建議

(1)首山一礦5口煤層氣井合層排采產氣效果不理想。四2煤層暴露造成了產氣量快速下降和最終產氣效果不佳。

(2)首山一礦四2、二1煤層間距較大，為使四2、二1煤層達到合層排采的效果，排采過程中必須暴露上部四2煤層。四2煤層為碎裂煤和碎粒煤，滲透率應力敏感性強，有效應力效應占主導地位。當四2煤層暴露后，四2煤層儲層壓降最大，其滲透率降低量也最大。近井地帶形成液相低滲區，使地層水難以排出，壓降漏斗擴展困難。四2煤層缺少流體支撐其產氣通道后，在上覆巖層壓力作用下產氣通道被壓實破壞，導致四2煤層產氣量快速下降。

(3)綜合考慮上述因素，筆者對平頂山礦區及類似煤礦區煤層氣合層開發提出了以下建議：四2、二1煤層間距較大，在現有技術條件下不建議進行合層開發；可先對下部二1煤層進行開發，后封堵二1煤層，再對四2煤層進行開發；四2煤體強度低、應力敏感性強，排采過程中應避免暴露煤層。