常村煤礦煤層氣井產水/產氣曲線類型及其成因分析

馮緒興，倪小明，郝少偉，譚學斌，吳垚壘

(1.山西潞安金源煤層氣開發有限責任公司，山西 長治 046299；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

煤層氣井的產水/產氣曲線形態是煤儲層資源潛力高低、圍巖補給水多少、排采工作制度合理與否的綜合反映。國內煤層氣研究者基于儲層特征、壓裂效果、排采制度合理性等，研究了煤層氣井的排采曲線類型。一些研究者基于煤儲層滲透率對排采過程中壓力傳播的影響，把煤層氣井的產氣曲線分為“增-減-增”“增-減”“增-增”“增-減-猛增”等四種典型類型，這種分類方法僅對產氣曲線進行了劃分，未考慮圍巖水補給差異對壓力傳播的影響[1]。一些研究者從排采不合理性導致的支撐劑返吐、煤粉產出等角度，把產氣曲線分為衰減型、波動擴壓型、穩步上升型等，但未對排采合理井的產氣曲線進行總結分類[2-3]。還有一些研究者根據排采過程中產水量變化，將排采曲線分為單峰型、雙峰型、平穩上升型等，但對于如何影響產氣未進行較深入分析[4-6]。一些研究者從儲層原始滲透率、動力和壓裂效果等方面分析了造成單峰快速上升、單峰穩定上升、雙峰后低和雙峰后高排采曲線類型的原因，對制定相應的排采工作制度具有重要的指導意義[7-9]。

前人的研究均未把產水曲線和產氣曲線組合進行分析，導致分析結果相對片面。為了更加準確劃分煤層氣井產水/產氣曲線類型，并分析其成因，本文以潞安礦區常村煤礦的33口煤層氣井的排采資料為基礎，根據波動性指數大小劃分產水+產氣曲線類型，并從資源潛力、圍巖補給水情況、排采工作制度等方面分析其成因，為相似地質儲層條件下合理排采工作制度研究奠定基礎。

1 地質概況

潞安礦區位于沁水盆地的東部邊緣中段，隸屬華北地層區山西地層分區寧武-臨汾小區。構造形態為一走向NNE～SN向西緩傾的單斜構造。礦區發育的地層由老到新有震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，三疊系、古近紀、新近紀、第四系。石炭系太原組和二疊系山西組為該區主要含煤地層，其中，3#煤層、15#煤層厚度大、分布廣，全區穩定，為該區主要目的煤層。本次研究對象為潞安礦區常村煤礦的33口煤層氣井，開發的目標煤層為3#煤層。3#煤層含氣量一般為7.50～15.35 m3/t，煤層埋深一般為550～700 m，煤體結構以碎裂-碎粒煤為主，儲層壓力梯度一般為0.20～0.40 MPa/hm，常村煤礦3#煤層底板等高線見圖1。

圖1 常村煤礦3#煤層底板等高線Fig.1 Floor contour of No.3 coal seam inChangcun coal mine

2 煤層氣直井產水/產氣曲線類型劃分

2.1 排采階段劃分

煤層氣井的排采曲線是氣井生產過程中日產水量、日產氣量、井底流壓、套壓、動液面等生產參數隨排采時間變化的曲線。其中日產水量、日產氣量曲是煤層氣井產能的最直接表現。根據煤層氣井排采過程中流態的變化及控制管理需要，煤層氣井的排采階段可劃分為以下幾個階段。

1) 單相流階段。這一階段中，僅有水的產出；通過調整動液面的下降速度來控制日產水量。

2) 控套壓產液階段。當井底壓力降低到煤層氣解吸壓力以下時，煤層中的氣體發生解吸產出，套壓開始出現并逐漸上升；為了讓相對遠端的水能繼續流動，通過調整套壓控制近井筒地帶產氣速度。

4) 穩產階段。當幾次提產后，地層日解吸氣量逐漸趨于平穩。

5) 產氣衰減階段。隨著排采的繼續進行，氣體需要運移的距離越來越長，日解吸氣量逐漸減小。

本文中的33口煤層氣井目前均未進入產氣衰減階段，因此僅根據前4個排采階段的日產水量、日產氣量情況進行分析。

2.2 排采曲線類型劃分及曲線特征

煤層氣井排采時，遵循“連續、緩慢、穩定”的生產特點。 為了較準確地劃分煤層氣井的排采曲線類型，以排采1年為界限，分析這段生產時間以來日產水量、日產氣量的最大值和最小值的差值與該段時間平均值的比值來判斷其波動性，即波動性指數，見式(1)。

μ=(VMAX-VMIN)/VAVG

(1)

式中：VMAX、VMIN、VAVG為排采計算時間段內生產參數的最大值、最小值、平均值；μ為排采計算時間段內生產參數的波動性指數，無因次。

楊慎認為十二生肖是“天地自然之理”，并非人為所能編造出來的，他還主張：日中的雞之所以出現在傍晚的“酉”時，而月中的兔之所以出現在清晨的“卯”時，是因為“日月陰陽互藏其宅”。何謂“日月陰陽互藏其宅”？按《淮南子·天文訓》所云：“積陽之熱氣生火，火氣之精者為日；積陰之寒氣為水，水氣之精者為月。”由于日為陽、月為陰，金雞因是日中之物，故應屬陽；而玉兔是月中之物，則應屬陰。但屬“陽”的金雞出現在“太陰之精”的月亮初升的“酉”時，而屬“陰”的玉兔出現在太陽之精的日初升之“卯”時，所以說是“日月陰陽互藏其宅”。

根據這一定義，對33口煤層氣井的日產水量波動指數、日產氣量波動指數分別計算。以10%為界限，確定出排采曲線類型，劃分方案見表1。

表1 排采曲線類型劃分方案Table 1 Classification scheme of drainage andproduction curve type

根據劃分方案及33口煤層氣井的產水/產氣曲線特征，劃分出五種典型的產水+產氣組合類型，即：單峰產水+穩定產氣型、雙峰產水+雙峰產氣型、雙峰產水+穩定產氣型、穩定產水+單峰產氣型、穩定產水+穩定產氣型，見圖2。

圖2 典型產水/產氣曲線類型劃分Fig.2 Classification of typical water/gas production curve types

典型產水/產氣曲線組合類型特征見表2。

表2 典型產水/產氣曲線組合類型曲線特征Table 2 Typical curve characteristics of water/gas production curve combination type

3 不同排采曲線類型成因分析

3.1 資源產氣潛力對排采曲線類型的影響

煤層氣資源豐度、儲層壓力梯度、滲透率等參數對煤層氣產氣潛力具有重要影響[10]。產氣潛力指數可以用來表征煤儲層產氣能力大小。本次根據文獻[10]的資源產氣潛力評價方法進行評價，計算見式(2)。

δ=HVK0pS

(2)

式中：δ為產氣潛力指數；H為煤層厚度，m；V為儲層含氣量，m3/t；K0為改造后儲層滲透率，10-3μm2；p為儲層壓力，MPa；S為煤體結構因子。

根據卡門公式，滲透率與孔隙度之間關系見式(3)。

(3)

式中：C為柯茲尼常數；S為比表面積，cm2/g；φ為孔隙度；k為煤儲層滲透率，mD。

通過現場經驗數據統計分析可知：C/S2的均值為8.410 5×10-7cm2，本次取該數值進行計算。通過密度和自然伽馬測井計算出相應層段平均地層孔隙度，再根據式(3)計算出滲透率。煤層含氣量通過排采時臨界解吸壓力、蘭氏體積和蘭氏壓力計算得出；煤層厚度由測井解釋得出，進而求出煤層氣資源豐度；儲層壓力由排采時初始動液面獲得；根據每口井的關鍵參數，計算出33口煤層氣井產氣潛力指數，等值線見圖3。

產氣潛力指數越高，煤層氣井的產氣量越高。分析33口煤層氣井的產氣潛力指數計算結果發現，該區煤層氣井產氣潛力指數為0.130～0.003。根據潛力指數大小劃分為：潛力指數>0.08為較大；0.08>潛力指數>0.02為一般；潛力指數<0.02為較小。

由圖3可知，CC-03、CC-05、CC-09等煤層氣井附近產氣潛力指數大，在產氣曲線上多表現為穩定產氣；CC-13、CC-18、CC-26等煤層氣井附近產氣潛力指數一般，該類井在產氣曲線上多表現為穩定產氣，但日產氣量低于潛力指數大的日產氣量；CC-06、CC-20、CC-31等煤層氣井附近產氣潛力指數小，屬于產氣潛力較差地區，該類井在產氣曲線上多表現為單峰產氣。

圖3 常村煤礦33口煤層氣井產氣潛力指數Fig.3 Gas production potential index of 33 CBM wells in Changcun coal mine

資源產氣潛力對典型產水/產氣曲線類型的影響見表3。

由表3可知，排采時動液面降速相同時，儲層壓力梯度和滲透率的大小對排采時煤層中壓力傳遞速度影響較大。單峰產水+穩定產氣型和雙峰產水+穩定產氣型的煤層氣井的儲層壓力梯度和滲透率相對較大，排采時能基本保證煤層中壓力傳遞的有效性；其他三種類型的煤層氣井，當儲層壓力梯度和滲透率較小時，排采時煤層中壓力傳遞速度較慢。開始產氣時，提產速度相對較慢，穩定產氣量相對較小。

表3 資源產氣潛力對典型產水/產氣曲線類型的影響Table 3 Influence of gas production potential on typical water/gas production curve types

3.2 圍巖水補給對排采曲線類型的影響

煤層氣井的排采是在三維空間進行的，排采時圍巖水是否會向煤層補給以及補給量的多少決定了煤層中水壓傳遞的有效性。圍巖水補給量的多少主要受含水層厚度、含水層能否突破隔水層等因素控制。圍巖含水層能否突破隔水層向煤層補給，即含水層與煤層的最大壓差是否大于隔水層的突破壓力。 為此，實驗室進行了有效孔隙度與突破壓力實驗，擬合得出有效孔隙度與突破壓力的關系見式(4)。

Pa=13.076e-1.997φ，R2=0.926 3

(4)

結合密度測井曲線和自然伽馬測井曲線計算巖層孔隙度，見式(5)～式(7)。

ρ=Vma×ρma+Vsh×ρsh+φ×ρw

(5)

I=Vma×Ima+Vsh×Ish+φ×Iw

(6)

1=Vma+Vsh+φ

(7)

考慮泥質含量的巖石孔隙度大小可以由所在巖層對應的密度測井和自然伽馬測井響應值表示，見式(8)。

(8)

式中：ρ、I分別為巖石對密度、自然伽瑪的測井響應值；ρma、ρsh、ρw分別為巖石骨架、泥質、孔隙水對密度測井的響應參數；Ima、Ish、Iw分別為巖石骨架、泥質、孔隙水對自然伽瑪的測井響應參數；Vma、Vsh分別為巖石骨架、泥質的體積含量；φ為巖石孔隙度。

根據33口煤層氣井測井巖性解釋并結合鉆井取芯資料，得出研究區煤層頂板砂巖含水層厚度。利用測井曲線計算出孔隙度，結合式(4)，求得隔水層的突破壓力，分別繪制等值線如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可看出，CC-01、CC-27等煤層氣井附近含水層厚度較大，層厚10 m左右；CC-04、CC-06等煤層氣井附近含水層厚度一般，層厚6 m左右；其余各煤層氣井含水層厚度較小，含水層厚度為1～3 m。CC-02、CC-18、CC-32等煤層氣井附近隔水層突破壓力較大，為9～13 MPa；CC-07、CC-15、CC-21等煤層氣井附近隔水層突破壓力中等，為5～8 MPa；CC-03、CC-06、CC-20等煤層氣井附近隔水層突破壓力較小，為0.5～4 MPa。結合儲層壓力和含水層厚度，可知：CC-03、CC-05、CC-07等煤層氣井附近圍巖水補給量相對較少；CC-10、CC-18、CC-28等煤層氣井所在區塊圍巖水補給量中等；CC-31、CC-21等煤層氣井所在區域圍巖水補給量相對較大。研究區塊圍巖水補給量整體呈現為由北至南逐漸減少。

圖4 常村煤礦3#煤層頂板砂巖厚度Fig.4 Thickness of sandstone in roof of No.3 coalseam in Changcun coal mine

從表4可以看出，雙峰產水+雙峰產氣型和雙峰產水+穩定產氣型的煤層氣井排采時圍巖水幾乎不補給煤層，對煤層內壓力傳播影響小。其他三種類型曲線均存在圍巖水補給煤層的情況，圍巖水對煤層的補給一定程度上抑制了煤層內壓力傳播的有效性和傳播速度，最終影響著產氣時間和日產氣量。

表4 圍巖水補給量等因素對產水/產氣影響分析結果Table 4 Analysis results of influence of surrounding rock supply and other factors on water/gas production

3.3 排采工作制度對排采曲線的影響

排采工作制度尤其是單相水流階段的降液速度和提產階段的提產速度對煤層氣井的產水/產氣具有重要影響[11-13]。對五種典型排采曲線在單相水流階段和提產階段對產水/產氣曲線影響進行分析，見表5。

從表5可以看出，降液速度不穩定、提產速度過快會影響煤層內水壓傳遞的有效性和距離，最終影響產氣的穩定性。整個排采過程保持流動通道的暢通性是穩定產氣的重要保障。

表5 排采工作制度對產水/產氣影響分析結果Table 5 Analysis results of influence of drainage and production system on water/gas production

4 結 論

1) 根據排采過程中不同產水/產氣曲線形態及波動性將常村煤礦33口煤層氣井的曲線類型劃分為：單峰產水+穩定產氣型、雙峰產水+雙峰產氣型、雙峰產水+穩定產氣型、穩定產水+雙峰產氣型、穩定產水+穩定產氣型等5種典型組合類型。

2) 產水/產氣曲線類型是資源潛力指數、圍巖水補給情況、排采工作制度等共同作用的結果。當煤層氣資源潛力較好時，容易出現穩定產氣型；圍巖水幾乎不補給煤層時，容易出現雙峰產水型；圍巖水對煤層補給較大時，容易出現單峰產水或穩定產水類型。降液速度不穩定、提產速度過快會影響煤層內水壓傳遞的有效性和距離，容易出現單峰或雙峰產氣類型。

3) 當有越流補給且煤層的滲透率與圍巖的滲透率具有可比性時，應該加大排采強度，盡量快速實現從有越流補給到無越流補給是提高煤層壓力傳播有效性的關鍵。有越流補給且煤層滲透性較差時，盡量控制動液面平穩下降，延長單相水流階段排采時間，盡可能增加水壓傳播距離；無越流補給且煤層滲透性較差時，盡量延長低產階段的排采時間是延長水壓傳播距離進而提高累積產氣量的關鍵。無越流補給且煤層滲透性較好時，可以適當加快排采速度，降低排采成本。