五陽礦區煤層氣井開發效果分析

李思齊

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046205）

0 引 言

我國具有豐富的煤層氣資源，其中埋深2 000 m 以淺的地質資源儲量為36.8 萬億m3[1]。對煤層氣的開發，不僅能夠提高能源的利用率，而且可以減少溫室氣體排放、防治煤礦瓦斯災害。隨著技術發展，煤層氣地面開發逐漸成為一種重要的開發方式，我國眾多學者也對煤層氣井開發技術進行了大量研究。

張文勇等[2]基于斷裂力學理論，系統分析了煤層氣井液氮伴注壓裂的增產機制，發現壓裂后能有效提高地層能量，提高臨界解吸壓力，縮短煤層氣井排采見氣周期。張亞蒲等[3]對于煤層氣井的增產改造措施進行了總結，分析了水力壓裂改造技術、煤中多元氣體驅替技術和定向羽狀水平鉆井技術的適用性。李瑩等[4]從地質、工程一體化的角度，結合地質條件，并從工程因素出發，剖析高產井與地質因素的耦合關系，揭示地質、排采及工程3 個方面影響下的低效井成因，并針對性提出相應的改造措施。季長江等[5]為探究沁水盆地南部趙莊區塊松軟低滲煤層煤層氣井低產原因，采用液氮吸附、掃描電鏡及X 衍射等手段，對目的煤層的孔—裂隙發育特征、黏土礦物組成等進行分析。慕甜等[6]以撈砂煤粉為研究對象，通過控制不同相流控制煤粉產出，開展多相流條件下不同粒徑煤粉啟動—運移試驗模擬，系統研究了煤層氣井中多相流條件下煤粉啟動—運移規律。劉江等[7]基于貴州六盤水地區以往煤層氣勘查與試采工作，分析該區二疊系龍潭組煤層氣地質條件和煤儲層特征，對比分析兩口煤層氣井合層排采管控制度及其效果。趙國飛等[8]構建了煤層氣區塊生產潛力評價指標體系，確定了評價參數權重，建立了區間值灰色關聯度煤層氣區塊優選模型。劉磊[9]闡述了液氮伴注技術提高煤層臨界解吸壓力機理和CO2驅替煤層甲烷機理并進行了工業性試驗，提高了煤層氣井的開發效果。

綜上所述，前人對煤層氣井的開發進行了多種研究，但是對不同工藝下煤層氣井的開發效果缺乏系統的研究。本文以五陽礦區煤層氣井為例，從壓裂方式、壓裂工藝、加砂方式3 個方面對不同工藝下煤層氣井的開發效果進行了分析。

1 礦區概況

五陽礦區位于五陽井田西部，地處襄垣縣境內，位于文王山正斷層和西川正斷層之間。除南北邊界斷層（文王山北正斷層和西川正斷層） 外，還發育有王家莊正斷層、小黃莊正斷層、大黃莊正斷層、太平背斜、天倉向斜、五陽背斜構造形跡，它們的走向均大體平行呈NEE 向，表現為塹—壘相間的構造組合，北部還發育有走向呈NNW 向的次級褶曲；陷落柱主要集中在天倉向斜軸兩側；地層傾角變化較大，一般小于10°，整體上構造復雜。煤層埋深呈現東高西低，埋深500 ～600 m，平均埋深560 m；3 號煤層厚度5 ～7.6 m，平均6.4 m，煤層結構簡單，南北較厚，厚度變化不大，屬穩定型煤層。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖，且該區煤層頂底板均為非滲透性泥巖，封蓋條件好利于煤層氣藏保存。礦區目前產氣井共94 口。

2 不同壓裂方式下產氣效果

早期施工的煤層氣井采用活性水、液氮伴注、氮氣泡沫、胍膠4 種壓裂方式，其中活性水壓裂井數為 8 口，分別為 1-6、1-7、1-9、1-10、1-11、1-23、1-29；液氮伴注壓裂井數為7 口，分別為1-18、 1-19、 1-24、 1-25、 1-30、 1-31、 1-32；氮氣泡沫壓裂井數為5 口，分別為1-22、1-27、1-28、1-33、1-34；胍膠壓裂井數為3 口，分別為1-20、1-21、1-26。將不同壓裂方式下產氣量劃分為4 個等級：產氣量>1 000 m3/d、產氣量500～1 000 m3/d、產氣量100 ～500 m3/d、產氣量<100 m3/d。不同壓裂方式下煤層氣井產氣量所占比例如圖1 所示。

圖1 不同壓裂方式下產氣量占比分布Fig.1 Gas production proportion distribution under different fracturing modes

從圖1 中可以看出，活性水壓裂方式中，產氣量在1 000 m3/d 以上的井數占比37.5%，所占比例最多；液氮伴注壓裂方式產氣量主要集中在<100 m3/d，井數占比71.4%；氮氣泡沫壓裂方式產氣量主要集中在100 ～500 m3/d，井數占比達到80%；胍膠壓裂方式產氣量占比較為均勻，但產氣量不高。氮氣泡沫和胍膠壓裂方式產氣量沒有在1 000 m3/d 以上的。從以上分析中可以看出，活性水、液氮伴注、氮氣泡沫、胍膠4 種壓裂方式中，采用活性水壓裂的煤層氣井效果較好。

3 不同壓裂工藝下產氣效果

在后續生產過程中，試驗了同步壓裂和單獨壓裂下煤層氣井的產氣效果，除壓裂工藝外，其他條件均相同。其中1-83、1-84、1-75 號井同步壓裂，其周圍1-74、1-76、1-82、1-85 號井單獨壓裂，各井產氣量及產氣量占比見表1 和圖2 所示。

表1 同步壓裂與單獨壓裂井產氣量Table 1 Gas production from simultaneous fracturing and separate fracturing gas

圖2 不同壓裂工藝產氣量占比Fig.2 Gas production ratios of different fracturing processes

從表1 和圖2 中可以看出，同步壓裂方式煤層氣井產氣量主要集中在500 ～1 000 m3/d，3 口井中只有1 口井產氣量低于500 m3/d，為304 m3/d，井數占比33.3%；單獨壓裂方式煤層氣井產氣量主要集中在100 ～500 m3/d，4 口井中只有1 口井產氣量高于500 m3/d，為536 m3/d，井數占比25%。同步壓裂方式煤層氣井最高產氣量為831 m3/d，高于單獨壓裂的536 m3/d；同步壓裂方式煤層氣井產氣量最低產氣量為304 m3/d，高于單獨壓裂的196 m3/d；同步壓裂方式煤層氣井平均產氣量為592 m3/d，高于單獨壓裂的368 m3/d。

從以上分析中可以看出，采用同步壓裂方式壓裂的煤層井產氣效果要優于單獨壓裂方式，這是由于同步壓裂有助于改善煤層整體滲透率，增透效果與單獨壓裂相比更好。

4 不同加砂工藝下產氣效果

加砂工藝有常規加砂、二次加砂和段塞加砂，五陽礦區試驗了各方式下的產氣效果，除加砂方式外，其他均相同。二次加砂井號為1-92、1-93，段塞加砂井號為1-90、1-91，普通加砂井號為1-77、1-78。各加砂方式煤層氣井產氣量見表2。

表2 各加砂方式煤層氣井產氣量Table 2 Gas production of coalbed methane with each sand addition method

采用普通加砂、二次加砂、段塞加砂時，煤層氣井最高產氣量分別為308、387、447 m3/d，最低產氣量分別為272、347、408 m3/d。圖3 為不同加砂方式煤層氣井平均產量，從圖3 中可以看出，與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂煤層氣井產氣量效果較好，分析認為二次加砂和段塞加砂方式與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂方式支撐距離遠、鋪砂濃度高，增加了人工裂縫，為煤層氣的產出提供了通道。在三種加砂方式中，段塞加砂煤層氣產出效果最好。

圖3 不同加砂方式煤層氣井平均產量Fig.3 Average production of CBMwells with different sanding methods

5 結 論

（1） 采用活性水、液氮伴注、氮氣泡沫壓裂方式時，煤層氣井產出量分別集中在>1 000 m3/d、<100 m3/d 和100 ～500 m3/d，胍膠壓裂方式產氣量占比分布比較均勻，但產氣量不高，4 種壓裂方式中活性水壓裂方式產氣效果最好。

（2） 采用同步壓裂方式壓裂的煤層井產氣效果要優于單獨壓裂方式，同步壓裂有助于改善煤層整體滲透率，增透效果與單獨壓裂相比更好。

（3） 與普通加砂方式相比，二次加砂和段塞加砂方式支撐距離遠、鋪砂濃度高，增加了人工裂縫，為煤層氣的產出提供了通道，3 種加砂方式中段塞加砂方式煤層氣井產出效果最好。