大佛寺井田煤層氣井產能主控因素分析

郭燕珩，惠 鵬，陳小軍，陳育通

(1.陜西省煤層氣開發利用有限公司，陜西 西安 710065；2.陜西東田能源科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

大佛寺井田隸屬的彬長礦區是國家“十二五”“十三五”規劃建設的大型、特大型現代化礦井群的重點礦區，也是國家規劃確定的大型煤炭基地—黃隴基地的主力礦區，煤炭資源地質儲量和煤層氣資源量都非常豐富。同時，彬長礦區也是高瓦斯礦區[1-2]，隨著礦區各礦井的陸續投產，瓦斯超限事故時有發生，嚴重制約煤炭的正常、安全生產，瓦斯治理形勢比較嚴峻。在煤炭開采過程中，大量煤層瓦斯隨著井下抽放和礦井通風排放到空氣中，不僅浪費潔凈能源，而且污染生態環境。

自2009年開始，為減少大佛寺煤礦瓦斯災害，保護大氣環境，并充分利用煤層氣這一潔凈能源，陜西彬長新生能源有限公司在大佛寺井田進行一系列地面煤層氣開發試驗，截至2019年11月5日，大佛寺井田共計鉆井53口(組)，且選擇的井位均在瓦斯含量較高、煤層厚度大、構造相對簡單的區域內，符合煤層氣行業規律及礦區瓦斯富集規律，鉆井過程中未發現大的斷層等復雜地質情況。但產氣量變化較大，有的井產氣量較高，有的井排采1年都沒有產氣。為此，從本井田宏觀開發的2個比較大的方向進行研究，第一是從目前實施的直井和水平井2種井型的產氣情況來進行分析對比；第二是按照煤層氣開發的主控因素進行分析，針對不同的低產原因提出相應的增產措施，以期提高單井產氣量，為下一步井田瓦斯地面抽采及綜合利用穩步推進，盡快實現日產30萬m3的總體設計打下堅實基礎。

1 井田地質概況

大佛寺井田地處華北板塊鄂爾多斯盆地渭北隆起帶西部的彬長坳褶帶內，區塊總觀其構造形態為一波狀起伏的單斜構造，其上發育了一系列北東東向和北北西向的褶皺構造，二者相互交織，其中以北東東向褶皺為主，即安化向斜，如圖1所示。地層傾角平緩，一般3°～5°，最大17°～21°[3]。采掘過程及地面地震勘探發現斷層數條，斷層落差以5 m以下為主，構造總體較為簡單。侏羅系延安組為本區唯一含煤地層，其中4號煤為主采煤層，基本全區可采，煤層全厚0～19.42 m，平均11.65 m，屬特厚煤層，含氣量為1.00～5.57 m3/t，平均2.37 m3/t。煤田勘探階段鉆孔中有關煤層的描述均認為區內煤體未遭受強烈構造破壞，煤層為原生-碎裂結構[4]，宏觀煤巖類型主要為半暗煤與暗淡煤。2009年中煤科工集團西安研究院在大佛寺井下對4上、4號煤層又開展了透氣性系數測試，測得4上號煤層透氣性系數為0.051～2.560 m2/MPa·d，4號煤層透氣性系數為2.216～5.340 m2/MPa·d。從測試結果看，均反映該區煤層透氣性系數相對較高。

圖1 大佛寺井田構造示意Fig.1 Structure of Dafosi minefield

2 煤層氣井產能分級

按照煤層氣井產能可以把煤層氣井劃分為4個級別。

高產氣井：氣井的日產氣量>4 000 m3/d，穩產期一般相對較長，在4個月以上。

中產氣井：氣井的日產氣量在500～4 000 m3/d之間，穩產期較短或基本沒有穩產期，排水期較短。

低產氣井：氣井的日產氣量在100～500 m3/d之間，穩產時間很短，基本在產氣量達到產氣峰值之后就迅速下降。

不產氣井：由于投產時間較短，氣井還處于排水階段，未開始產氣，產氣量為零或投產時間較長，氣井只產水不產氣。

統計分析礦區43口井的資料，高產氣井9口，占22%；中產氣井22口，占52%；低產氣井5口，占9%；不產氣井7口，占17%。

3 煤層氣產能主控因素分析

3.1 井型對產量的影響

大佛寺井田垂直井鉆井技術在國內外都已相當成熟，區內大部分煤層氣井的實際井身質量、井徑擴大率表明直井井型在該區切實可行，能夠達到煤層氣鉆井工程技術的要求。同樣，該區水平井較好的成孔性、較高的煤層鉆遇率均體現了水平井鉆井技術在該區的較好適應性。根據現場鉆井施工以及各井后期產氣情況，認為以水平井井型為主、直井井型為輔的井型布置，原則上能夠滿足后續煤層氣鉆井的技術要求。

煤層主要受祁家背斜、師家店向斜及安化向斜控制，煤層氣的開發尤其以祁家背斜、師家店向斜為主，在這2個控制帶上布置的近端對接多分支水平井均取得了非常高的產氣量，DFS-C02多分支井最高日產氣量30 537 m3，累計產氣1 771萬m3；DFS-05多分支井最高日產氣量13 416 m3，累計產氣1 581萬m3；2017年完井的DFS-M68多分支井最高日產氣量10 854 m3，累計產氣339萬m3。并且DFS-02“V”型水平井最高日產氣16 582 m3，累計產氣841萬m3；DFS-C04“V”型水平井最高日產氣量4 408 m3，累計產氣355萬m3。

從2009年建產到2015年，大佛寺井田12口水平井組累計產氣量5 950萬m3，31口直井累計產氣量2 565萬m3，水平井組產能貢獻占43口井總產能的71%。

井下巷道在逐步開拓、煤炭開采范圍逐步在擴大，按照其他煤田煤層氣的普遍抽采特征來看，如果巷道開拓到水平井井眼附近時，會造成儲層泄壓不受控制，煤層的解吸機理破壞，無法形成正常的煤層氣解吸體系，產氣量迅速下降甚至不產氣[5]。但是DFS-02水平井、DFS-C04水平井、DFS-CO2水平井、DFS-05水平井、DFS-09水平井這一現象并不明顯。

3.2 構造對產量的影響

根據現場實際的煤層氣抽采情況并結合已知井下資料對比顯示，抽采情況受安化向斜、祁家背斜、師家店向斜控制較為明顯，尤其以祁家背斜控制為主產氣較好。

在井位布置上要考慮構造造成的影響，在井位確定后，井型的選定也要考慮構造情況，即使井型選定后如果確定了水平井，水平井的走向和分支角度的走向都要結合本區塊構造來合理確定，同時要考慮重力、壓力、應力這3個力的結合確定出合理的井眼軌跡[6]。

3.2.1 構造低部位或下傾部位對產氣量的影響

構造位置對井的供液能力和產氣能力有較大影響，表現出較明顯的“氣、水差異流向”趨勢。

位于構造高部位、大規模面積降壓區域中部的直井氣產量相對較高，位于構造低部位及開發區域邊緣的直井供液能力強，產水量較大，單井產氣量較低。以井田中部區域5口井(DFS-86井、DFS-84井、DFS-74井、DFS-73井、DFS-71井)煤層氣排采井為例，總體處于構造高部位的井產氣量相比低部位的較優，產水情況恰好相反，由構造高部位到構造低部位產氣時的沉沒度數值依次變大：87 m—117 m—126 m—131 m，如圖2所示。

圖2 大佛寺井田延安組4煤頂板構造等值線一Fig.2 Coal roof contour 1of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

位于構造上傾部位、主支末端上傾的近端對接多分支水平井產量較高，單井產氣一般超過5 000 m3/d，部分井超過10 000 m3/d；而位于構造下傾部位、主支末端下傾幅度大于30 m的近端對接多分支水平井，排采過程中排水降壓困難，單井產氣一般再難以達到5 000 m3/d以上，并且產氣量下降明顯，如圖3所示。以區內DFS-M85井為例(圖4)，該井就是典型的下傾走向，傾走向落差達40 m(DFS-M85-V井煤層厚度8 m左右)，呈比較典型的“凹”軌跡走向，因此，無法形成有效的降壓采氣通道。

圖3 大佛寺井田DFS-M85-V井生產曲線Fig.3 Production curve of DFS-M85-V well in Dafosi minefield

圖4 大佛寺井田延安組4號煤頂板構造等值線二Fig.4 Coal roof contour 2 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.2.2 斷層對煤層氣產量的影響

如圖5所示，此小范圍區域井位受此F6正斷層影響較大。同時煤層含氣量也受此斷層控制，斷層東西兩側含氣量變化明顯，斷層以西瓦斯含量極低；煤層厚度東西兩側變化較大，斷層以西4～5 m，斷層東側9～11 m；斷層最大斷距達到8 m，落差較大。因此，在布井時應充分考慮斷層和含氣量邊界控制線的雙重契合，斷層以西或者直接在斷層剖面上布井風險極大，這是導致DFS-149井、DFS-151井、DFS-153井無法產氣的主要原因。

圖5 大佛寺井田延安組4號煤頂板構造等值線三Fig.5 Coal roof contour 3 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.3 煤層含氣量對產量的影響

在大佛寺井田，煤層含氣量是煤層氣抽采比較敏感的因素，是影響產氣量的又一主控因素。在煤層氣開發過程中逐步驗證含氣量高的區域呈現高采氣量，含氣量較低的區域采氣效果并不理想，而實際測試DFS-132井4號煤含氣量為1.34 m3/t，DFS-152井4號煤含氣量為0.73 m3/t，含氣量實測值較預測值降幅較大。DFS-152井降幅雖然達到1.6倍系數，但是相比總體開發設計2.723倍的系數要較好。而DFS-132井比較降幅系數比較符合總體設計中的2.723倍的系數。因此，在以后的布井方案中，要參考和借鑒這2個含氣量系數，解讀出實際含氣量。

地面共實施6口煤層氣參數井，采集4上煤、4號煤共133件氣含量解吸樣品。氣含量測試結果顯示，4上煤層空氣干燥基氣含量為0.72～1.7 m3/t，平均1.75 m3/t；4號煤層空氣干燥基氣含量為0.73～3.65 m3/t，平均1.89 m3/t，見表1。

表1 地面煤層氣井氣含量測試結果統計Table 1 Gas content test results of surface coalbed methane wells

結果顯示井田煤層氣含量較低，但煤礦瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦，說明區內煤層氣含量不會太低。重慶煤科院也對該礦井下實測與地面進行對比，認為實際瓦斯含量要高于地勘時的含量[7]。經過對煤層瓦斯含量與煤層厚度之間的關系分析表現出微弱的正相關性，即隨著煤層厚度的總體增大，煤層氣含量有緩慢增大的趨勢，地面抽采井產量模擬也印證了厚煤區4號煤含氣量實際應在3～7 m3/t。

4 結論

(1)水平井井型對整體產能貢獻極大，12口水平井貢獻了71%的產能。在后期的開發中要加強水平井井型為主直井井型合理輔助的井型選擇原則。地質構造總體簡單，但小斷層的較為發育對于水平井井型在排采過程起到很好的裂隙溝通輔助作用，因此水平井抽采時容易形成解吸漏斗，產能高。

(2)在井田前期布井時要綜合考慮井型、構造及煤層含氣量對產量的影響，導致低產井的第一主控因素是布井方案。井型選擇不當以及地質因素(包括構造、煤層氣含量)考慮不全是造成低產井的主要因素之一，其損失往往無法彌補，只能加強后續排采，如果持續無法改善，只能做停產或封井處理。目前部署的井位大多是為大佛寺煤礦5～10 a的采掘面解放瓦斯，降低瓦斯濃度，大部分井位均部署在大佛寺井田5 a采掘規劃的邊緣地區，井位布置受到一定局限，同時受采動區影響較大，但從整體看后續潛力區開發前景仍然較大。