水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣U型井的排采影響分析

牛國(guó)斌 馬 凱 趙宇星

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 750001)

煤層氣能否產(chǎn)出或者高產(chǎn)，其影響因素較多，但人為因素較大的是科學(xué)、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(zhì)條件，根據(jù)水文地質(zhì)條件和煤層氣的賦存特征，結(jié)合二者之間存在的內(nèi)在聯(lián)系和相互作用，從排采設(shè)備選擇、排采強(qiáng)度、煤粉對(duì)泵效的影響等方面入手，從而達(dá)到“穩(wěn)、準(zhǔn)、持續(xù)”的生產(chǎn)目標(biāo)。因此，研究水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣生產(chǎn)具有十分重要的意義，尤其是對(duì)勘探開(kāi)發(fā)新區(qū)，水文地質(zhì)條件的研究要先行，以免影響排采設(shè)備的選型和排采制度的制定。本文通過(guò)分析石嘴山礦區(qū)首次實(shí)施的一組U型排采試驗(yàn)井的生產(chǎn)特征，結(jié)合本地區(qū)水文地質(zhì)特征，重點(diǎn)研究了產(chǎn)水量與產(chǎn)氣量的關(guān)系、產(chǎn)水來(lái)源、水化學(xué)特征等，并提出了建設(shè)性的建議。分析結(jié)果認(rèn)為本地區(qū)6號(hào)煤層屬于中等偏低產(chǎn)水特征的煤層氣儲(chǔ)層，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣生產(chǎn)具有積極促進(jìn)作用。

1 水文地質(zhì)特征

圖1 勘探線(xiàn)水文地質(zhì)剖面示意圖

2 U型井基本概況

工程井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，二開(kāi)水泥固井至著陸點(diǎn)，三開(kāi)φ152.4mm孔徑鉆至對(duì)接連通點(diǎn)后100m處終孔，采用下入玻璃鋼篩管的方式完井，未進(jìn)行壓裂工藝的儲(chǔ)層改造。水平段長(zhǎng)度超過(guò)800m，在厚度為11m的煤層中行進(jìn)，垂深在 760～785m之間，全井自著陸后井斜角穩(wěn)定在 87°～89°之間，軌跡平滑順暢。生產(chǎn)直井處于水平井的遠(yuǎn)端，采用二開(kāi)結(jié)構(gòu)，二開(kāi)水泥固井至目標(biāo)煤層頂板。整個(gè)U型井鉆遇了第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ含水層，鉆井過(guò)程中未有井漏、井涌水現(xiàn)象，完井后對(duì)二開(kāi)進(jìn)行了石油套管固井，固井測(cè)井質(zhì)量良好。

3 水文地質(zhì)條件對(duì)U型井排采的影響分析

3.1 U型井產(chǎn)水特征

U型排采中的產(chǎn)水主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一是鉆井工程中進(jìn)入地層的工程用水，二是水平井井筒周?chē)貙又匈x存的自由水。本文統(tǒng)計(jì)了整個(gè)U型井鉆井過(guò)程中的工程用水量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，水平井施工期間進(jìn)入地層的工程用水約為305m3，排采直井施工期間進(jìn)入的工程用水約為5m3，累積整個(gè)U型井中儲(chǔ)存有310 m3的工程用水。從工程用水消耗量的過(guò)程來(lái)看，進(jìn)入煤層后的水平井鉆進(jìn)過(guò)程中消耗量最大，占比為89.5%。

采用5型抽油機(jī)和管式泵，經(jīng)過(guò)111天的排采試驗(yàn)，液面日降幅10～30kPa，累計(jì)產(chǎn)水量為535m3，日產(chǎn)水量為0.065～11.02m3，平均為4.77m3，說(shuō)明該井屬于中等偏低產(chǎn)水類(lèi)型(圖2)。分析發(fā)現(xiàn)，日產(chǎn)水量對(duì)應(yīng)的單位補(bǔ)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(shuō)明產(chǎn)水量主要來(lái)自井筒周?chē)墓こ逃盟Ｃ旱乃趾吭?.75%～1.19%，說(shuō)明煤層本身含水量很小。

圖2 U型井日產(chǎn)水量特征圖

3.2 對(duì)煤層含氣性的影響

煤層氣是一種賦存在煤基質(zhì)上受壓的氣體，其解吸-吸附過(guò)程需要一定的能量，這個(gè)能量的動(dòng)力來(lái)源就是儲(chǔ)層壓力，而靜水壓力對(duì)儲(chǔ)層壓力的貢獻(xiàn)最大。從煤層氣的賦存原理來(lái)看，生、儲(chǔ)、運(yùn)三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)均脫離不開(kāi)儲(chǔ)層壓力，儲(chǔ)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(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要接受大氣降水和黃河微量補(bǔ)給，地層對(duì)水的滲透性較差，地下水流動(dòng)緩慢，加之礦區(qū)整體屬于一寬緩的向斜軸，抑制了地下水的流動(dòng)和排出，起到了封存煤層氣的作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，本區(qū)煤層的含氣性高低與上部水頭高度大小有正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明本地區(qū)水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的賦存有促進(jìn)作用。

3.3 對(duì)U型井排水降壓的影響

煤層氣的產(chǎn)出必須要通過(guò)排水降壓措施，在改變儲(chǔ)層壓力的過(guò)程中打破解吸-吸附狀態(tài)，使煤層氣從煤基質(zhì)表面脫離，然后在儲(chǔ)層壓力和濃度差的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)移出井筒。在煤層氣含氣性相同的情況下，水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣排水降壓的影響結(jié)果大體上有三種，一是補(bǔ)給量較大，井筒周?chē)囱a(bǔ)給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)水量，液面無(wú)法下降，煤層氣得不到有效解吸，導(dǎo)致產(chǎn)量較低或者不產(chǎn)氣；二是補(bǔ)給量適中， 產(chǎn)水量略大于補(bǔ)給量， 井內(nèi)有足夠的液柱高度，這種情況下多屬于高產(chǎn)井；三是補(bǔ)給量極小，補(bǔ)給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于產(chǎn)水量，井內(nèi)流體動(dòng)力不足，煤層氣解吸影響傳導(dǎo)半徑有限，這種情況多屬于低產(chǎn)井。

根據(jù)以往鉆穿煤系地層的水文鉆孔資料顯示，本區(qū)地下水多為承壓水，目標(biāo)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(lái)礦區(qū)采煤活動(dòng)和地下水超采造成的水位下降所致。該井的排采過(guò)程表明，本地區(qū)目標(biāo)煤層儲(chǔ)層壓力5MPa左右，臨界解吸壓力較高，排水降壓效果較明顯，穩(wěn)產(chǎn)量超過(guò)5000m3/d，井底流壓保持在3.7MPa左右，井內(nèi)動(dòng)力充足，生產(chǎn)潛力較大。在該井的排采試驗(yàn)過(guò)程中，排采強(qiáng)度稍微加強(qiáng)后，煤粉產(chǎn)出率也隨之增加，尤其是在提產(chǎn)過(guò)程中特別明顯，對(duì)泵效的影響較大。

3.4 對(duì)本區(qū)煤層氣工作的建議

綜合石嘴山礦區(qū)水文地質(zhì)條件和U型井排采試驗(yàn)結(jié)果，本區(qū)塊煤層勘探開(kāi)發(fā)工作要重點(diǎn)做好以下幾方面。一是要加大水文地質(zhì)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(duì)性的排采制度。二是進(jìn)一步開(kāi)展煤層氣地質(zhì)條件的研究認(rèn)識(shí)，尤其是含氣規(guī)律及影響因素、煤層產(chǎn)狀變化特點(diǎn)等；三是要加大對(duì)生產(chǎn)井型的論證選擇工作，在不同地質(zhì)條件的地段要盡量布置經(jīng)濟(jì)高效的井型；四是做好施工過(guò)程中目標(biāo)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(huì)帶來(lái)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(chǎn)階段的煤粉預(yù)防工作，建議在加裝氣錨的同時(shí)加長(zhǎng)慮水管；七是要研究斷層性質(zhì)的控氣效應(yīng)，并探索過(guò)斷裂的鉆井工藝，成井后高產(chǎn)的可能性較大。