貴州織納煤田文家壩區塊煤層氣地質特征及開發工藝研究

鄭鵬宇 向剛 趙凌云

摘? 要：貴州文家壩區塊煤層氣資源豐富，為了能夠提高文家壩區塊煤層氣勘探開發效果，探索出一套適合織納煤田煤層氣勘探開發工藝。以文家壩區塊煤儲層為研究對象，分析其地質特征，煤儲層具有高含氣量、高含氣飽和度、高孔隙度、低—中等滲透率、儲層壓力欠壓—正常的特征。在此基礎上對開發工藝進行研究。一是井型工藝采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主；二是煤儲層改造工藝采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯作分層壓裂”，依據煤層氣井周邊導水斷層情況和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規模和范圍；三是排采工藝采用多煤層區多層合采方式。依據主產層優選指數，組合指數，產能貢獻指數3個參數，運用“三步法”對產層組合進行優選，排采過程劃分為7個階段，以實現煤層氣高產、穩產。

關鍵詞：文家壩 煤層氣 地質特征 開發工藝 研究

前言

織納煤田文家壩區塊是貴州地區首個提交煤層氣探明儲量并獲得煤層氣采礦許可的區塊，也是國內學者普遍認可的貴州地區煤層氣高產區塊，區塊內已提交煤層氣探明地質儲量64.08億m?，具有重大煤層氣開發價值及現實意義[1]。本文重點分析文家壩區塊煤層氣煤儲層特征及開發工藝，為后期織納煤田煤層氣勘探開發工作提供指導依據。

1、區塊地質概況

文家壩區塊位于織納煤田織金礦區阿弓向斜，處于黔西弧東翼近內緣。發育地層由老至新為二疊系中統茅口組、二疊系上統峨眉山玄武巖組、龍潭組、長興組、三疊系下統飛仙關組、永寧鎮組及第四系，煤層主要分布于上二疊區段龍潭組，煤變質程度較高。構造形態為一弧形不對稱向斜，地層走向總體呈NE—SW向，區塊被4條近EW向的橫斷層切割成4段，分布張維背斜、三塘向斜、后寨背斜、阿弓向斜等20余個褶曲，構造復雜程度為中等類型，如圖1所示。

區域地表水系屬長江流域烏江水系，為碳酸鹽巖中的裂隙溶洞水、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙溶洞水及碎屑巖中的基巖裂隙水及第四系孔隙水四類，大氣降水作為區域內含水層的主要補給來源。含煤龍潭組含裂隙水，泉流量小于0.50l/s，富水性弱。上覆飛仙關一段與下伏峨眉山玄武巖組均為相對隔水層，有利于煤層氣資源賦存[2]。

2、煤層特征

2.1 煤層發育特征

文家壩礦區塊龍潭組發育煤層30層～33層，含煤總厚13.32m～33.58m，含煤系數8.6%。厚度較大且穩定的全區可采煤為6號、7號、16號、23號、27號、30號煤層，可采煤層總厚度7.17m～25.93m，可采煤層為薄-中厚煤層。主要目的煤層為16號、23號、27號、30號煤層。

2.2 煤層埋深

煤層埋深是影響煤層含氣量的重要因素，煤層氣含氣量通常隨著煤層埋深的增大呈先上升后下降的函數關系。區塊主要目的煤層埋深范圍多分布在200m～800m，是煤層氣商業性開發最有利的埋深范圍。16號煤層平均埋深301.3m，23號煤層平均埋深344.5m，27號煤層平均埋深366.6m，30號煤層平均埋深384.2m。

3、煤層氣儲層特征

3.1 煤層含氣性

區塊目的煤層煤層氣含氣量介于8.12 m?/t～21.83m?/t。可采煤層含氣為甲烷、重烴、氮氣、二氧化碳，甲烷含量最高，現場解吸甲烷濃度介于88.82%～94.61%，如表1所列。空氣干燥基蘭氏體積為25.28～31.20 m?/t，蘭氏壓力為1.27～2.00 MPa，且表現出隨蘭氏體積增大，蘭氏壓力升高，氣體解吸難度增大的特點。各目的煤層均表現出較強的吸附能力[3-4]。

3.2 孔裂隙特征

目的煤樣孔隙度主要分布在5.66%-8.00%，有效孔隙度主要分布在0.83%-1.51%，殘余孔隙度主要分布在4.83%-6.68%。煤樣的滲透率分布在0.36-0.96×10-3μｍ之間，均小于1.0×10-3μｍ，滲透率較好，飽水孔隙度分布在5.66%～8.00%。從微、中孔發育程度來看，16號、23號、30號、27號煤層發育程度依次變差；從大孔發育程度來看，16號煤樣大孔發育最好、占比高，其次為23號和27號，30號煤大孔發育程度最差，如圖2所示。

3.3 煤儲層壓力及溫度

主要目的煤層的儲層壓力介于1.84 ～6.86 MPa，壓力梯度為0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主應力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主應力壓力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤層屬于中等應力區，煤儲層試井壓力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，儲層壓力系數為0.34～1.40，平均0.86。根據勘查鉆孔測井結果，區塊內恒溫帶溫度為15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如圖3所示。

3.3 煤儲層壓力及溫度

主要目的煤層的儲層壓力介于1.84 ～6.86 MPa，壓力梯度為0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主應力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主應力壓力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤層屬于中等應力區，煤儲層試井壓力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，儲層壓力系數為0.34～1.40，平均0.86。根據勘查鉆孔測井結果，區塊內恒溫帶溫度為15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如圖3所示。

4、區塊煤層氣開發工藝

4.1 井型工藝

煤層氣井型選擇需考慮煤體結構，煤巖變質程度，地應力，煤儲層地質特征，地形交通條件，施工設備等多種因素。貴州文家壩區塊主要以原生結構煤為主，煤體結構相對完整，屬于高煤階煤。具有高含氣量，高含氣飽和度，高孔隙度，低-中等滲透率，儲層壓力欠壓-正常特征，地形以高山地貌為主，地表條件復雜，目標煤層多[5-6]。因此煤層氣開發采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主，如圖4所示。

（1） 直井

區塊煤層氣屬于高階煤層氣，高階煤層氣直井產氣量隨著鏡質體反射率（R0）的增大而增加，當R0大于3.8%時，直井產氣量好，實現高效開發。反之，產氣量小。因此R0=3.8%可作為是否作為直井開發的重要參考指標。結合煤層特點及埋深，對于埋深淺部采用直井開發。文1-1井采用直井開發，最高日產氣量3155m?/d，累計產氣量超過100萬m?。

（2）叢式井

區塊為土石丘陵溝壑地貌，地形支離破碎，地表條件復雜，目標煤層多，薄-中厚煤層，叢式井是文家壩區塊主要開發井型。文叢1井組采用叢式井布置，累計開發煤層厚度11.6m，其中文叢1-2井最高日產氣量6000m?/d，達到高產效果，實現了區塊煤層氣開發重大突破。

（3） 水平井

對于煤體結構不完整，煤儲層滲透率較高，煤層構造較為簡單，單一煤層厚度大于2m以上煤層采用水平井開發方式。W1-1H 井水平井段于16號煤層中鉆進，采用水平井段主支下篩管完井，側鉆分支裸眼完井。排采過程中，自井口油套環空持續注水，依靠注入水的流動將煤粉攜帶至地面，對16號煤層產生激蕩增滲效果。排采17d后套壓顯現，日產氣量快速升高至2000m?/d，表現出良好的高產潛力[7]。

4.2 煤儲層改造工藝

基于文家壩煤層龍潭組煤系薄—中厚煤層群發育，煤系富水性弱特點，煤儲層改造采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯作分層壓裂”改造工藝。儲層改造依據煤層氣井周邊導水斷層情況和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規模和范圍。當煤層氣井周邊150 m內無導水斷層或叢式井組各井壓裂煤層靶點距離超過250 m時，應適當提高壓裂改造規模，以增大水力壓裂改造范圍，提高井控資源量及資源采收率。如 W1-1 井各煤層均采用了高液量、高砂量的改造方式，每米煤層所注入的壓裂液量介于 238～286 m?，支撐劑量介于 13.0～15.6 m?。對于可能受導水斷層影響的煤層氣井或叢式井組上部壓裂煤層靶點平面距離較小時，需適度控制壓裂改造規模，避免壓裂所產生的人工裂縫與導水斷層溝通或叢式井組內發生井間竄流[8]。

4.3 排采工藝

依據區塊目的煤層多特點，多煤層區多層合采是最佳開發方式，而多層合采開發的關鍵，是產層如何優化組合，最大限度降低層間干擾，提高合采兼容性。為此，在文家壩區塊煤層氣排采中以氣井產能方程為基礎，提出主產層優選指數、組合指數、產能貢獻指數3個參數，耦合主產層優選、產層組合與產層組優選3個步驟，如圖5所示。結合煤體結構、儲壓梯度差、產氣貢獻3個參數“一票否決” 約束，建立“三步法”的產層組優化選擇方法，以實現復雜巖性組合條件下的煤層氣合采產層組優選。將排采劃分為7個階段（試抽、控（流）壓排液、緩慢降（流）壓、控（套）壓產氣、降（流）壓提產、控（套）壓穩產、產氣衰減，以提高排采效果。

5、結語

（1）文家壩區塊地質構造復雜程度中等、富弱水性，儲藏條件好。煤儲層具有高含氣量、高含氣飽和度、高孔隙度、低—中等滲透率、儲層壓力欠壓—正常的特征。以薄-中厚煤層為主，目的煤層為16號、23號、27號、30號，具備有利儲層開發條件。

（2）井型工藝采用直井單井、叢式井組原位開采與多分支水平井連續注水激勵卸壓開采方式，以叢式井井型為主。煤儲層改造工藝采用“活性水+煤層組電纜傳輸射孔橋塞聯作分層壓裂”，依據煤層氣井周邊導水斷層情況和各井壓裂煤層靶向點距離確定壓裂改造規模和范圍。排采工藝采用多煤層區多層合采方式，將排采過程劃分為7個階段，以實現煤層氣高產、穩產。

參考文獻：

[1]趙福平， 孫釗， 桑樹勛等。 貴州省煤層氣勘探開發進展及“十四五”開發戰略[J]。 天然氣工業， 2022，42（6）： 65-75。

[2]孟美辰， 王運海， 袁航等。 織金區塊煤層氣井產氣量影響因素分析[J]。 煤炭科學技術， 2019， 47（04）： 187-192。

[3]高玉巧， 郭濤， 何希鵬等。 貴州省織金地區煤層氣多層合采層位優選[J]。 石油實驗地質， 2021， 43（02）： 227-232+241。

[4]向文鑫， 桑樹勛， 吳章利等。 貴州省煤層氣規劃區塊煤儲層特征與有利區優選[J]。 煤田地質與勘探， 2022， 50（03）： 156-164。

[5]高德利， 畢延森， 鮮保安。 中國煤層氣高效開發井型與鉆完井技術進展[J]。 天然氣工業， 2022， 42（06）： 1-18。

[6]徐曉乾， 孟應芳， 段正鵬等。 貴州省煤層氣（瓦斯）開發適用性技術分析[J]。 煤田地質與勘探， 2019， 47（06）： 8-13。

[7]李伯堯， 王洪亮， 印中華， 龍志平， 朱智超。 織金煤層氣淺層大位移水平井鉆完井技術[J]。 石油鉆采工藝， 2019， 41（4）： 430-434。

[8]陳暢然，周效志，趙福平，孟海濤等。薄-中厚煤層群煤層氣井高產的地質與工程協同控制技術—以貴州織金文家壩區塊為例[J]。天然氣工業，2023，43（01），55-64。

（作者單位：自然資源部復雜構造區非常規天然氣評價與開發重點實驗室 、貴州省油氣勘查開發工程研究院）