大寧-吉縣區塊深層煤層氣井酸化壓裂產氣效果影響因素分析

李曙光，王紅娜，徐博瑞，甄懷賓，王成旺，袁 樸

(1.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；2.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；3.中油油氣勘探軟件國家工程研究中心有限公司，北京 100080)

煤層氣井產能影響因素分析對于煤層氣高效開發具有重要指導意義[1]，其本質是求取地質、工程、排采、質量與管理等參數對煤層氣產量影響的權重，進而得到煤層氣井產能的主控因素[2-3]。黨楓等學者[4-9]對煤層氣井產能影響因素進行了研究。許婷等[10]采用模糊數學方法對準噶爾盆地準南和準東煤田進行了煤層氣勘探目標優選。王紅偉等[11]對大寧-吉縣地區午城試驗井組進行煤層氣試采效果評價及影響因素分析。聶志宏等[2]研究了大寧-吉縣區塊深層煤層氣生產特征及開發對策。趙欣等[12]采用灰色關聯法探究了鄂爾多斯盆地東緣三區塊煤層氣井產能主控因素及開發策略。王丹等[13]運用單因素一票否決法和灰色關聯評價法進行了臨汾區塊煤層氣產能地質影響因素分析及有利勘探區帶優選。李宇等[3]將灰色關聯法、嫡權法和屬性層次分析法相結合，求取山西沁水盆地煤層氣壓裂后產量影響因素組合權重來提高計算結果的可靠性。

然而，目前煤層氣井產能影響因素分析方面所取得成果大多針對淺層煤層氣以及水力壓裂氣井，少見有關深層煤層氣體積酸壓氣井方面的研究。與淺層氣相比，深層煤層氣在溫壓系統、地應力狀態、煤巖力學性質、儲層物性、煤質特征、含氣性、吸附能力等方面存在較大差異[14-15]，進而對氣井產能造成不同程度的影響。酸化壓裂[16]是在高于地層破裂壓力下將酸液注入地層，通過酸液對巖石膠結物或地層孔隙裂縫內堵塞物等溶解和溶蝕作用，恢復或提高地層孔隙和裂縫的滲透性。酸化壓裂與水力壓裂原理不同，改造后的滲流機制與增產效果也差異顯著。以大寧-吉縣上石炭統本溪組8 號煤深層煤層氣體積酸壓氣井為研究對象，采用灰色關聯方法進行酸壓后產能影響因素分析，從而為酸壓方案優化設計提供參考依據，為深層煤層氣開發提供生產建議和施工指導。

1 區塊概況

1.1 地質概況

大寧-吉縣區塊位于晉西撓褶帶南端與伊陜斜坡東南緣，行政上隸屬于山西省永和、大寧、吉縣和隰縣以及陜西省延川、延長和宜川縣[17]。主要含煤地層為二疊系太原組和山西組，上石炭統本溪組。本溪組8 號煤埋深大于1 500 m 的區域面積2 334 km2，面積大、煤層厚、分布廣、煤質好、資源富集，是由淺層向深層轉變最現實的規模接替層，具備整裝開發的地質條件。

1) 構造特征

大寧-吉縣區塊橫跨伊陜斜坡和晉西撓褶帶，呈“一隆一凹兩斜坡”構造格局[2]，即中部桃園背斜帶、東部凹陷帶、東部明珠斜坡帶和西部斜坡帶。8 號煤層頂界構造趨勢為南東高北西低的單斜，地層平緩，構造簡單，斷層不發育。

2) 8 號煤埋深及煤厚特征

8 號煤層埋深1 865～2 520 m，主體埋深2 000～2 400 m，主要受地貌影響，自東向西，地層深度呈先增后減的變化趨勢。埋深大于1 500 m 的區域煤層厚度4～12 m，主體厚度8～10 m，平均7.8 m。

3) 水文地質特征

區內西部主干河流黃河發育，其他河流均屬黃河二級水系。8 號煤層水屬于承壓水區，水文地質條件簡單，水動力條件較弱，有利于煤層氣成藏和保存。地層水礦化度高，以CaCl2水型為主。

4) 煤層含氣性

8 號煤層含氣量為18～26 m3/t，平均23.88 m3/t；含氣飽和度96.12%～100%，平均98.06%；具有“高含氣、高飽和、局部賦存少量游離氣”的特征資源豐度達2.276 9×104m3/km2，具備良好的資源潛力。

5) 臨界解吸壓力

據估算，深層煤層平均臨界解吸壓力18.7 MPa，實際臨儲比0.73～1.00，平均0.93。主力煤層具有臨界解吸壓力高、煤層氣容易解吸的特點。

6) 煤巖特征

深層8 號煤層煤巖組分以亮煤為主、鏡煤次之。煤層熱演化程度高，鏡質體反射率在1.95%～3.09%，平均2.6%。煤體結構以原生結構煤為主。煤層裂隙發育，且多被方解石、滑石、高嶺土等可溶礦物填充；裂隙類型主要為張性裂隙、剪性裂隙和原生裂隙，如圖1 所示。

圖1 深層8 號煤裂隙發育照片Fig.1 Development of cleats and fissures in the deep No.8 coal seam

7) 煤層物性

8 號煤層煤樣測試孔隙率0.49%～6.11%，平均2.92%；巖心分析及注入壓降測試表明，基質滲透率僅(0.03～0.05)×10-3μm2，滲透性較淺煤層差，近似頁巖(孔隙率5%，滲透率小于0.01×10-3μm2)。

8 號煤層低孔低滲儲層物性，決定了必須采取增產措施才能達到工業氣流標準。優選煤層構造平緩，斷層不發育，煤層連續穩定厚度大(大于6 m)，含氣量高(大于18 m3/t)，且有取心井的井區進行生產試驗。

1.2 工程概況及排采特征

深層8 號煤儲層物性差，常規壓裂改造難以實現有效開發，針對深層8 號 煤層煤體結構較好、煤巖抗壓強度較高、裂隙發育等特點，在借鑒頁巖氣壓裂[18-21]的基礎上提出了針對深層8 號煤儲層的體積壓裂思路；同時針對深層煤巖填充物遇酸液后反應劇烈、酸化后抗壓強度降幅大(表1)、滲透率顯著改善(表2)的特點，提出了“體積酸壓”思路。采用“大排量、大液量、低酸量”的工藝技術，在前置液初期大排量注入酸液，對割理、裂隙填充物進行溶蝕，降低煤巖強度，促進復雜裂縫的產生，配合“低傷害、耐酸、免配液、返排液重復利用的清潔壓裂液”體系對儲層進行體積改造。

表1 10%鹽酸浸泡前后煤巖抗壓強度變化Table 1 Changes of coal compressive strength before and after soaking in 10% hydrochloric acid

表2 10%鹽酸浸泡前后煤巖氣測滲透率對比Table 2 Comparison of measured permeability of coal and gas before and after soaking in 10% hydrochloric acid

目前經初步試采已取得較好的產氣效果。試驗區投產9 口井。平均單井產氣量3 303 m3/d，平均解吸壓力18.7 MPa，目前平均井底流壓5.7 MPa，平均套壓3.8 MPa，平均產氣量2 780 m3/d，目前已進入穩產期。與淺煤層相比，深層煤層氣開采具有見氣快、產量高、壓力高、儲層供氣能力強等特點，展現出較好的穩產能力，典型井排采曲線如圖2 所示。

圖2 典型井排采曲線Fig.2 Typical well drainage curves

1) 整體見套壓快，上產時間短，初期產量高

試采井表現出見套壓時間短、上產速度快，初期產量高的特征。其中，5 口井投產即見套壓，最常見套壓時間42 d，日產氣量上升至1 500 m3持續時間1～70 d，3 口井歷史穩定日產氣超過4 000 m3。

2) 臨界解吸壓力、臨儲比高，深淺層差異大

東部淺層臨界解吸壓力7.5 MPa，臨儲比0.7；深層煤層平均臨界解吸壓力高達18.7 MPa，臨儲比普遍0.9 以上，煤層氣排采井平均壓降0.07 MPa 時煤層即開始解吸，排采井開始產氣。

3) 含氣飽和度高，局部富集游離氣

深層煤層受溫度與壓力雙重控制，具備吸附飽和原地游離氣賦存的優勢條件。淺層煤層氣含氣飽和度平均值為45%，平均見套壓時間為9 個月。深層煤層氣井含氣飽和度81.7%～99.9%，部分井可達127%，試采井平均見套壓時間僅11 d。

4) 見氣后產量上升速度快，日產水量較小

見氣后1～2 個月日產氣量上升至2 000 m3，產氣后日產水量普遍小于2 m3。

2 基于灰色關聯分析的產能評價方法

灰色系統理論由我國著名學者鄧聚龍教授于1982 年提出。灰色關聯分析是灰色系統理論的一個分支，其基本思想是根據參考數列和若干個比較數列的幾何形狀相似程度來判斷其聯系是否緊密，反映曲線間的關聯程度[22]。因此，可用此方法來分析各因素對煤層氣井產能的影響程度。

根據煤層氣“排水-降壓-解吸-滲流-產出”的產氣機理[23-24]，煤層氣產出的先決條件是降壓解吸，煤層氣通過排水降低井底流壓及近井地帶煤儲層壓力，當儲層壓力降到臨界解吸壓力以下時，煤層氣開始解吸，當井底流壓降到臨界產氣流壓時，開始大量產氣，因此，壓力對煤層氣產能具有至關重要的影響。結合大寧區塊試驗井生產情況，從兩方面綜合判斷單井生產能力，一是將相同提產階段時的流壓降幅定義為提產能力，第二是將穩定產氣量時候的流壓與產氣量的乘積定義為穩產能力[25]，穩產能力與提產時候流壓降幅的比值定義為反映深層煤層氣井產氣能力的產能系數。將產能系數作為參考數列能夠消除只考慮產氣量造成的與實際產氣效果之間的偏差。

2.1 評價指標體系建立

經文獻調研[8-9,11,26-27]以及試采效果評價，煤層氣產能影響因素主要考慮地質、酸壓和排采3 個方面。

儲層地質條件對煤層氣的賦存、運移、富集以及開采難易程度起到決定性作用，包括高程、構造曲率、儲層壓力、臨界解吸壓力[28]、臨儲比、儲層有效厚度、含氣量[29]、測井特征參數(井徑擴大率、聲波時差AC、自然伽馬GR、密度DEN、陣列感應電阻率M2RX、孔隙率POR、泥質含量SH)。其中，高程和構造曲率用于表征局部微幅構造[30]。臨儲比定義為煤儲層的臨界解吸壓力與原始儲層壓力的比值，臨儲比越高，煤儲層能量釋放越容易[3]。煤層氣井井徑擴大會導致鉆井液進入煤層從而損害儲層，并且影響后期壓裂施工及產氣；也會使壓裂液不能及時返排，對儲層造成傷害，從而影響采氣效果。

酸化壓裂施工參數會影響到水力裂縫的形態、導流能力和儲層改造體積SRV，其主要因素包括停泵壓力、酸液用量、清潔液量及加液強度、總液量、總砂量、平均砂比、每米加砂強度、施工排量、前置液占壓裂液的比值以及微地震監測裂縫破裂面積。酸化措施主要用氨基磺酸和鹽酸兩種，為換算方便，將酸液用量用氫離子摩爾濃度×相對反應時間來表征。壓裂措施中，清潔液用作攜砂液和頂替液，清潔液量加液強度即清潔液量與煤儲層有效厚度的比值。壓裂液的主要作用是在煤層內形成具有一定導流能力的支撐裂縫，液量越高，越有利于裂縫的起裂和延伸[12]，從而獲得較理想的SRV 區。

排采制度方面主要考慮日產1 000 m3提升至1 500 m3的井底流壓降和見氣前產水指數對煤層氣產能的影響。據統計，試采井穩產期平均產量在1 000～2 000 m3/d，井底流壓降能夠間接反映煤儲層的穩產能力，壓降越低，氣井產能越高。見氣前產水指數定義為見氣前單位儲層厚度產水量與生產壓差的比值。由于儲層孔滲極低，酸壓裂縫為主要滲流通道，見氣前產水指數代表儲層的供液能力，間接反映了有效裂縫尺寸和有效滲流范圍。該值越大，表明有效改造范圍越大，裂縫導流能力越強，氣井控制半徑大，產能較好。

為了消除不同參數單位的影響，采用歸一化方法將測井特征參數進行無量綱化處理。計算公式如下：

式中：Z′為 無量綱化的測井特征參數；Zj為第j口井的測井特征參數；p為總井數；為p口井測井特征參數的平均值。

2.2 灰色關聯法評價步驟

灰色關聯分析具體步驟[22]如下：

第一步：確定分析數列，即參考數列和比較數列。前者即反映系統行為的特征參數，后者即影響系統行為的因素組成數據序列。

參考數列(又稱母序列)為：

比較數列(又稱子序列)為：

第二步：變量的無量綱化。由于系統中各因素的數據可能因量綱不同，不便于比較或在比較時難以得到正確的結論。因此，在進行灰色關聯度分析時，一般都要進行數據的無量綱化處理。主要有初值化和均值化2 種處理方法。

第三步：計算關聯系數。關聯程度實質上是曲線間幾何形狀的差別程度，可將曲線間差值作為關聯程度的衡量尺度。各參考序列與比較序列在各個時刻(即曲線中的各點)(n=k)的關聯系數γ0i(k)可由下式計算：

式中：ξ ∈(0,1)，為分辨系數，ξ越小，分辨力越大，通常取ξ=0.5；γ(x0,xi)為x0與xi的灰色關聯度，簡記為γ0i；k點關聯系數γ(x0(k),xi(k))簡記為γ0i(k)。

第四步：計算關聯度。關聯系數是比較數列與參考數列在各個時刻(即曲線中的各點)的關聯程度值，其數值不止一個，而信息過于分散不便于進行整體性比較。因此，通過求取各個時刻(即曲線中的各點)的關聯系數平均值，作為比較數列與參考數列間關聯程度，其計算公式如下：

第五步，關聯度排序。將m個子序列對同一母序列的關聯度按大小順序排列，組成關聯序，記為 {X}，其反映了對于母序列來說各子序列的“優劣”關系。如果γ01＞γ02，則稱{X1}對于同一母序列{X0}優于{X2}，即參考數列{X0}與比較數列{X1}更相似。

3 煤層氣井酸壓后產能敏感性分析

3.1 評價結果

從試采井中選取大寧-吉縣區塊試驗區中數據較全的井7 口定向為研究對象(圖3)，將煤層氣井的產能系數作為參考數列，28 種產能影響因素作為比較數列進行灰色關聯度計算(表3)，結果見表4 和表5。

表4 煤層氣井酸壓后產能灰色關聯度及排序Table 4 Grey correlation degree and ranking of CBM well productivity after acid fracturing

表5 煤層氣井酸壓后產能影響因素排序Table 5 Sequence of factors affecting productivity of coalbed methane wells after acid fracturing

圖3 8 號煤頂板構造及分析井位置Fig.3 Location map of analysis wells

表3 試驗井的地質、工程和生產參數Table 3 Geological,engineering and production parameters of test wells

從表4-表5 可知：酸壓施工因素對該區塊煤層氣井產氣效果影響最為明顯，其次是地質因素，而排采因素的影響相對較弱。這是由低孔低滲的儲層特征與試采生產階段所決定的。由于儲層物性極差，氣井產能主要由酸壓裂縫溝通滲流通道來貢獻；投產初期，設備運行狀況良好、停產關井率低，排采連續穩定。

3.2 酸壓施工因素的影響

酸壓工程因素中，每米加砂強度、總砂量和酸液用量的關聯度較高，說明酸化后要及時用足夠的支撐劑充填裂縫防止裂縫閉合；酸液用量足夠高，能溶解更多的方解石等填隙物，增加改造體積，提高氣井產能。地面微地震監測裂縫破裂面積代表了酸壓改造的范圍，與產能密切相關。其他施工參數，如施工排量、總液量、清潔液量、清潔液量加液強度以及前置液占壓裂液的比值都與產能關聯性較好。深8 號煤層煤巖堅固系數較高，在1.52～1.58，近似頁巖，但煤的原生裂隙較為發育，巖石力學實驗產生了多條縱向劈裂裂縫和剪切滑移裂縫，體積壓裂易形成具有較高導流能力的復雜縫網，促進了氣井產能的釋放。平均砂比對產能影響較小，這主要因為煤層裂隙發育，結合酸液對抗壓強度的降低作用，壓裂易形成復雜縫網，同時壓裂液黏度低，裂縫寬度較窄，支撐劑進入困難，對遠端裂縫支撐效果較差，在較低的平均砂比條件下，天然裂隙的張開和酸液對方解石溶蝕雙重作用形成的具備一定導流能力不整合裂縫可能是主要的產氣貢獻通道，整體表現為砂比對生產效果影響不明顯。停泵壓力對產能影響較弱，停泵壓力反映了儲層最小主應力，由于目前試驗井數較少，試驗井組范圍內地應力場分布穩定，儲層最小主應力變化不大。然而，8 號煤層的有效改造對施工規模要求高，間接提高了開發成本；用酸量過高對壓裂設備、套管、井口挑戰較大，施工連續性和安全性無法有效保障，影響工藝效果。因此，酸壓施工參數的優化十分必要。

針對存在問題，提出大規模有效改造思路，一是提高加砂規模，二是采用低密度支撐劑，三是優化支撐劑粒徑組合，優選低粒徑支撐劑，通過上述方式提高支撐劑運移距離和對微小裂縫的支撐，提升水力裂縫的支撐長度，擴大解吸半徑。

3.3 地質因素的影響

地質因素中，氣井產能系數對電阻率最為敏感，電阻率間接反映煤層含氣性。因此，可以通過陣列感應測井和泥質含量來篩選地質有利區。測井解釋泥質含量的關聯度較高，膠結物含量較高時，酸液作用范圍較大，酸壓增產效果顯著。儲層有效厚度對產能的影響較大，厚煤區資源量高，可改造體積大，穩產上產能力強，對產能有促進作用。試采氣井本溪組8 號煤的儲層壓力較高，為19.7～22.2 MPa，臨儲比為0.9～1.0，臨界解吸壓力高，易解吸，對氣井產能有正面影響。局部微幅構造高部位含氣高，在構造抬升過程中，受溫度、壓力平衡影響，吸附量逐步增大，達到近飽和狀態，構造高部位比低部位含氣量高2～3 m3/t，且含氣飽和度接近100%。然而，氣井產氣量差異大，與含氣量規律不一致，因此，高程和微構造曲率不是影響產氣效果的主控因素。其他地質參數如井徑擴大率、孔隙率等參數對氣井產能的影響則相對較弱。根據灰色關聯分析結果可將陣列感應電阻率和泥質含量作為重點參數融入該區的地質工程甜點評價指標中，支撐地質工程有利區劃分。

3.4 排采因素的影響

排采因素中，見氣前產水指數與氣井產能的關聯性最緊密。見氣前產水指數間接反映了有效裂縫導流能力和有效滲流范圍；由于煤層含氣量高，開井很快見氣，上產快，初期日產氣量由1 000 m3提升至1 500 m3時的井底流壓降也間接反映了有效的泄壓范圍。見套壓前階段，多排水，將小粒徑的粉末隨水流排出，有效疏通煤層，以較低的速度控制井底流壓緩慢下降，使壓降漏斗更平緩，達到在單相流階段大面積降壓的目的；在初始產氣階段，降低流速，進一步擴大解吸面積，最大增產速度不超過200 m3/d，到1 000～1 500 m3穩定；產氣上升階段，通過降低產水量，控制產氣速度，盡量減少速敏效應對煤層的傷害，最大增產速度不超過200 m3/d，階梯狀提產。

4 結論

a.大寧-吉縣區塊上石炭統本溪組8 號煤層，酸壓后對氣井產能影響的敏感因素為：酸壓施工＞地質條件＞排采制度；其中，砂量、酸量、見氣前產水指數、泥質含量和陣列感應電阻率是氣井產能的主控因素。

b.地質因素中，氣井產能對陣列感應電阻率和泥質含量較為敏感，可將其作為重要指標進而篩選出有利區。

c.壓裂工藝因素是影響研究區深層煤層氣井酸壓后產能的主要因素，而砂量、酸量、施工排量、總液量、監測裂縫破裂面積、清潔液用量等參數相關性較高，分析得知，有效裂縫的范圍才是深層煤層氣增產的關鍵，建議提高套管鋼級、施工排量和壓裂液黏度，增大壓裂施工的造縫范圍；增加支撐劑用量和采用低密度、多粒徑組合模式，提高支撐劑運移距離與有效支撐裂縫長度。

d.見氣前產水指數對生產效果有一定影響，在見套壓前階段，合理控制流壓下降幅度，多排水，控制排水和產氣提升速度，以保證深層煤層氣平穩連續地產出。