水文地質條件對煤層氣U型井的排采影響分析

牛國斌 馬 凱 趙宇星

(寧夏回族自治區煤炭地質調查院，寧夏 750001)

煤層氣能否產出或者高產，其影響因素較多，但人為因素較大的是科學、合理的排采制度，而排采制度的制定需要充分了解水文地質條件，根據水文地質條件和煤層氣的賦存特征，結合二者之間存在的內在聯系和相互作用，從排采設備選擇、排采強度、煤粉對泵效的影響等方面入手，從而達到“穩、準、持續”的生產目標。因此，研究水文地質條件對煤層氣生產具有十分重要的意義，尤其是對勘探開發新區，水文地質條件的研究要先行，以免影響排采設備的選型和排采制度的制定。本文通過分析石嘴山礦區首次實施的一組U型排采試驗井的生產特征，結合本地區水文地質特征，重點研究了產水量與產氣量的關系、產水來源、水化學特征等，并提出了建設性的建議。分析結果認為本地區6號煤層屬于中等偏低產水特征的煤層氣儲層，水文地質條件對煤層氣生產具有積極促進作用。

1 水文地質特征

圖1 勘探線水文地質剖面示意圖

2 U型井基本概況

工程井采用三開井身結構，二開水泥固井至著陸點，三開φ152.4mm孔徑鉆至對接連通點后100m處終孔，采用下入玻璃鋼篩管的方式完井，未進行壓裂工藝的儲層改造。水平段長度超過800m，在厚度為11m的煤層中行進，垂深在 760～785m之間，全井自著陸后井斜角穩定在 87°～89°之間，軌跡平滑順暢。生產直井處于水平井的遠端，采用二開結構，二開水泥固井至目標煤層頂板。整個U型井鉆遇了第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ含水層，鉆井過程中未有井漏、井涌水現象，完井后對二開進行了石油套管固井，固井測井質量良好。

3 水文地質條件對U型井排采的影響分析

3.1 U型井產水特征

U型排采中的產水主要來自兩個方面，一是鉆井工程中進入地層的工程用水，二是水平井井筒周圍地層中賦存的自由水。本文統計了整個U型井鉆井過程中的工程用水量，統計結果表明，水平井施工期間進入地層的工程用水約為305m3，排采直井施工期間進入的工程用水約為5m3，累積整個U型井中儲存有310 m3的工程用水。從工程用水消耗量的過程來看，進入煤層后的水平井鉆進過程中消耗量最大，占比為89.5%。

采用5型抽油機和管式泵，經過111天的排采試驗，液面日降幅10～30kPa，累計產水量為535m3，日產水量為0.065～11.02m3，平均為4.77m3，說明該井屬于中等偏低產水類型(圖2)。分析發現，日產水量對應的單位補給量為0.008～1.09L/s·m，平均為0.287L/s·m，是煤層所處的第Ⅵ含水層的單位涌水量的近20倍，說明產水量主要來自井筒周圍的工程用水。煤的水分含量在0.75%～1.19%，說明煤層本身含水量很小。

圖2 U型井日產水量特征圖

3.2 對煤層含氣性的影響

煤層氣是一種賦存在煤基質上受壓的氣體，其解吸-吸附過程需要一定的能量，這個能量的動力來源就是儲層壓力，而靜水壓力對儲層壓力的貢獻最大。從煤層氣的賦存原理來看，生、儲、運三個關鍵環節均脫離不開儲層壓力，儲層上部較大的水頭或者較高壓力的承壓水有利于煤層氣的吸附，也是煤層氣高含氣性的必要條件。石嘴山礦區地下水補給來源主要接受大氣降水和黃河微量補給，地層對水的滲透性較差，地下水流動緩慢，加之礦區整體屬于一寬緩的向斜軸，抑制了地下水的流動和排出，起到了封存煤層氣的作用。經研究發現，本區煤層的含氣性高低與上部水頭高度大小有正相關關系，說明本地區水文地質條件對煤層氣的賦存有促進作用。

3.3 對U型井排水降壓的影響

煤層氣的產出必須要通過排水降壓措施，在改變儲層壓力的過程中打破解吸-吸附狀態，使煤層氣從煤基質表面脫離，然后在儲層壓力和濃度差的驅動下運移出井筒。在煤層氣含氣性相同的情況下，水文地質條件對煤層氣排水降壓的影響結果大體上有三種，一是補給量較大，井筒周圍水源補給量遠遠大于產水量，液面無法下降，煤層氣得不到有效解吸，導致產量較低或者不產氣；二是補給量適中， 產水量略大于補給量， 井內有足夠的液柱高度，這種情況下多屬于高產井；三是補給量極小，補給量遠遠弱于產水量，井內流體動力不足，煤層氣解吸影響傳導半徑有限，這種情況多屬于低產井。

根據以往鉆穿煤系地層的水文鉆孔資料顯示，本區地下水多為承壓水，目標煤層頂板水頭高度在50～750m，該U型井所處地段水頭較高，約為680m。本次U型井的初始液面高度為490m，其偏差原因是近年來礦區采煤活動和地下水超采造成的水位下降所致。該井的排采過程表明，本地區目標煤層儲層壓力5MPa左右，臨界解吸壓力較高，排水降壓效果較明顯，穩產量超過5000m3/d，井底流壓保持在3.7MPa左右，井內動力充足，生產潛力較大。在該井的排采試驗過程中，排采強度稍微加強后，煤粉產出率也隨之增加，尤其是在提產過程中特別明顯，對泵效的影響較大。

3.4 對本區煤層氣工作的建議

綜合石嘴山礦區水文地質條件和U型井排采試驗結果，本區塊煤層勘探開發工作要重點做好以下幾方面。一是要加大水文地質條件更深一步的研究，充分把握排采井所處位置的富水特征，制定有針對性的排采制度。二是進一步開展煤層氣地質條件的研究認識，尤其是含氣規律及影響因素、煤層產狀變化特點等；三是要加大對生產井型的論證選擇工作，在不同地質條件的地段要盡量布置經濟高效的井型；四是做好施工過程中目標煤層頂板以上含水層的固井工作，尤其是上石盒子組含水層一旦與井筒連通，給排水降壓會帶來較大的困難；五是水平井軌跡要保持順暢，不給留下積水、沉渣的低洼地段；六是要做好提產階段的煤粉預防工作，建議在加裝氣錨的同時加長慮水管；七是要研究斷層性質的控氣效應，并探索過斷裂的鉆井工藝，成井后高產的可能性較大。