沁水盆地南部煤層氣排采特征及產(chǎn)氣規(guī)律

沁水盆地南部煤層氣排采特征及產(chǎn)氣規(guī)律

沁南煤礦氣田是中國(guó)第一個(gè)開(kāi)發(fā)的大型煤礦氣田。經(jīng)過(guò)多年的努力,目前已進(jìn)入產(chǎn)量迅速上升階段,2012年地面產(chǎn)量突破20億m3。但開(kāi)發(fā)也面臨一些問(wèn)題,主要是對(duì)煤層氣的生產(chǎn)規(guī)律和產(chǎn)能主控因素認(rèn)識(shí)不夠深入,對(duì)產(chǎn)氣潛力和開(kāi)發(fā)前景估計(jì)不準(zhǔn),影響開(kāi)發(fā)決策。鑒于此,在認(rèn)真消化、分析沁南幾百口煤層氣井排采生產(chǎn)資料基礎(chǔ)上,深入總結(jié)了沁南煤層氣的產(chǎn)出機(jī)理和產(chǎn)能特征,并對(duì)影響煤層氣產(chǎn)能的地質(zhì)、工程和管理主控因素進(jìn)行了認(rèn)真的梳理,并針對(duì)性提出了一些具體的上產(chǎn)措施建議,為沁水煤層氣田的高效經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。1見(jiàn)氣時(shí)間及井距(1)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),氣、水產(chǎn)量平面分布差異大。煤儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,造成氣井的氣、水產(chǎn)量在平面上差異很大,而且往往相鄰的井之間,氣水產(chǎn)量仍表現(xiàn)出極大的差異。這是由于煤儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,煤巖性質(zhì)、割理裂隙的發(fā)育情況、壓裂效果的好壞影響著單井的排采效果。(2)直井見(jiàn)氣時(shí)間1~9月,達(dá)產(chǎn)時(shí)間為6~18月。圖1、圖2為沁南樊莊、成莊、鄭莊區(qū)塊直井的見(jiàn)氣時(shí)間和達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的時(shí)間?？梢钥闯?成莊區(qū)塊滲透率最高,投產(chǎn)井有約一半在1個(gè)月內(nèi)見(jiàn)氣,樊莊一般在3~4個(gè)月見(jiàn)氣,而鄭莊多在6~9個(gè)月見(jiàn)氣。而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的時(shí)間一般在12~18個(gè)月,其中12個(gè)月內(nèi)達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的約占42%左右。(3)中、高產(chǎn)氣井具有一定的穩(wěn)產(chǎn)期,部分井有遞減跡象。樊莊區(qū)塊2006年開(kāi)始規(guī)模建產(chǎn),中、高產(chǎn)氣量直井目前穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)約4年,且仍在穩(wěn)產(chǎn)(圖3)。而在成莊等高產(chǎn)區(qū),由于煤層滲透率高,目前有部分井出現(xiàn)遞減跡象(圖4),需繼續(xù)深入研究其產(chǎn)氣規(guī)律。(4)面積降壓區(qū)內(nèi)煤層氣井見(jiàn)氣時(shí)間短,產(chǎn)氣效果好。沁南成莊區(qū)塊井距300m、鄭村200m(靠近煤礦區(qū),小井距快采),井距合理,井網(wǎng)完善,開(kāi)發(fā)效果好,平均產(chǎn)量在2000m3/t以上;樊莊區(qū)塊由于前期保礦權(quán)原因,井距多在300~350m或更大,部分地區(qū)井網(wǎng)不完善,產(chǎn)氣效果一般。2010年在樊莊井網(wǎng)不完善區(qū)域加密了10口井,井距由原來(lái)的平均353m縮小為200~250m,加密后,加密井與鄰井有20口由于壓裂或面積降壓產(chǎn)生了溝通、干擾,目前20口井單井平均日產(chǎn)氣1667m3/d(加密前1100m3/d)。2井底流體特征結(jié)果煤層氣產(chǎn)出包括三個(gè)過(guò)程:煤基質(zhì)孔隙的表面解吸,通過(guò)基質(zhì)和微孔隙擴(kuò)散到裂隙中、以達(dá)西滲流方式通過(guò)裂隙流向井筒運(yùn)移,對(duì)應(yīng)甲烷氣體在煤層中的流動(dòng),井底流體相態(tài)及流動(dòng)特征也經(jīng)歷三個(gè)階段的變化:飽和水單相流、非穩(wěn)態(tài)流與氣水兩相流。影響煤層氣產(chǎn)能的因素眾多,總的來(lái)說(shuō),主要是地質(zhì)、工程改造和排采控制三個(gè)方面的因素,具體來(lái)說(shuō)主要包括:含氣量、滲透率、構(gòu)造條件、煤層厚度、壓裂規(guī)模、壓裂裂縫形態(tài)、近井筒滲流條件、排采制度、生產(chǎn)壓差、煤粉運(yùn)移等。2.1地質(zhì)因素2.1.1單井區(qū)域含氣量含氣量的大小直接影響產(chǎn)氣量的大小和見(jiàn)氣時(shí)間。樊莊區(qū)塊東部樊莊井區(qū)處于水動(dòng)力活躍區(qū),煤層含氣量一般低于12m3/t,直井平均產(chǎn)量不足500m3/d;中部蒲池、固縣井區(qū)煤層含氣量一般高于20m3/t,平均單井產(chǎn)量超過(guò)1500m3/d,最高可達(dá)5000~6000m3/d。而陷落柱及斷層附近也會(huì)由于氣體的逸散作用導(dǎo)致含氣量低,產(chǎn)氣量也低(見(jiàn)表1)。如鄭莊晉試X井組靠近陷落柱,含氣量只有10~15m3/t,單井產(chǎn)量只有140~800m3/d,而相鄰的區(qū)塊含氣量在20m3/t以上,單井產(chǎn)量可達(dá)2000m3/d以上。根據(jù)樊莊區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)含氣量數(shù)據(jù)與等溫吸附曲線(xiàn),可獲得單井煤層氣的吸附飽和度,如圖5,其中固縣井區(qū)最高,多數(shù)在50%~90%之間,而樊莊井區(qū)最低,在8.2%~43.8%,平均僅為24.8%,其他幾個(gè)井區(qū)介于這兩個(gè)井區(qū)之間。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,單井平均日產(chǎn)氣量與氣體吸附飽和度呈正相關(guān)關(guān)系,吸附飽和度越高,煤層氣見(jiàn)氣越早,平均日產(chǎn)氣量也越高。2.1.2地層滲透率隨埋深的變化煤層氣儲(chǔ)層滲透率大小是影響排采特征的重要因素,影響著產(chǎn)氣量的峰值及產(chǎn)氣曲線(xiàn)的形狀,圖6為模擬的沁南地區(qū)日產(chǎn)氣量與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn),從圖中可以看出,隨著滲透率從小到大,日產(chǎn)氣量曲線(xiàn)從平緩逐漸向單峰曲線(xiàn)形狀過(guò)渡,滲透率為2md方案曲線(xiàn)峰值很高,達(dá)到5000m3/d,達(dá)到峰值后下降速度也很快。滲透率隨埋深的增加成指數(shù)形式下降,目前沁南地區(qū)潘莊地區(qū)煤層氣埋深淺,平均400m左右,測(cè)試滲透率0.6~2md,平均1.3md,排采井平均日產(chǎn)氣量可達(dá)3000m3/d以上;而樊莊區(qū)塊平均埋深625m,平均滲透率0.46md,排采井平均日產(chǎn)氣1500~2000m3/d;鄭莊區(qū)塊煤層埋深754m,目前排采井平均日產(chǎn)氣500~1000m3/d。由此可見(jiàn),煤層氣產(chǎn)氣量與埋深(滲透率)具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,埋深越大,滲透率越低,煤層氣產(chǎn)氣量越低。2.1.3地下水集輸區(qū)采氣量煤層氣井氣、水產(chǎn)量與煤層構(gòu)造關(guān)系密切,在同一構(gòu)造單元內(nèi),高部位的井一般高產(chǎn)氣,低部位的井處于地下水匯集區(qū),產(chǎn)水量大。主要原因一方面由于局部高部位處于張性應(yīng)力環(huán)境,儲(chǔ)層物性較好,使得煤層氣更容易解吸,出氣快,產(chǎn)量高,另一方面是由于“氣、水差異流向”規(guī)律,氣往高處走,水往低處流造成的。2.2壓裂重建要素壓裂對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響主要體現(xiàn)在壓裂規(guī)模和裂縫形態(tài)上,具體表現(xiàn)在壓裂規(guī)模越大,產(chǎn)氣效果越好,而裂縫形態(tài)對(duì)產(chǎn)能的影響比較復(fù)雜。2.2.1加砂量對(duì)產(chǎn)氣量影響總液量對(duì)產(chǎn)氣效果的影響如圖7所示,由于產(chǎn)氣受多因素控制,兩者之間相關(guān)性并不是很高,但仍存在明顯的趨勢(shì)顯示,即隨著壓裂總液量的增加,產(chǎn)氣量有上升趨勢(shì),表明較大的施工規(guī)模有助于壓開(kāi)更長(zhǎng)更寬的裂縫,溝通更多的天然裂縫,因此在成本允許的范圍內(nèi),應(yīng)適當(dāng)增大施工的規(guī)模。加砂量對(duì)產(chǎn)氣效果影響如圖8所示,當(dāng)加砂量40m3以下時(shí),多數(shù)井產(chǎn)量在1000m3/d以下,加砂量達(dá)到40m3以上后高產(chǎn)井?dāng)?shù)量增加較明顯。其中,7口井施工失敗,導(dǎo)致加砂量嚴(yán)重不足,少于30m3,造成后期產(chǎn)氣量很差,日產(chǎn)量100~200m3/d。這是由于總加砂量的增加有利于增加支撐縫長(zhǎng)和縫寬,提高支撐劑充填層的導(dǎo)流能力,增加煤層氣井的降壓范圍,提高煤層氣產(chǎn)量。2.2.2采動(dòng)覆巖中縫內(nèi)凈壓力確定煤儲(chǔ)層具有特殊的雙重孔隙結(jié)構(gòu),天然割理、裂隙多方位發(fā)育,非均質(zhì)性強(qiáng),煤層濾失大,壓裂過(guò)程中易形成復(fù)雜的人工裂縫,多裂縫發(fā)育,不易形成長(zhǎng)縫。實(shí)際上,在沁南地區(qū)的多個(gè)煤礦進(jìn)行了壓裂裂縫的井下挖掘和觀(guān)測(cè),結(jié)果表明多裂縫形態(tài)復(fù)雜,有支撐劑充填的裂縫多分布在井筒附近30~40m的范圍內(nèi),此種裂縫情況下模擬計(jì)算單井日產(chǎn)氣應(yīng)在1200~1300m3/d,與目前井的表現(xiàn)是一致的。同時(shí)通過(guò)壓裂凈壓力擬合可以獲得人工裂縫的復(fù)雜程度,我們發(fā)現(xiàn),壓裂過(guò)程中縫內(nèi)凈壓力越高,波動(dòng)幅度越大,表明裂縫復(fù)雜程度越高,相應(yīng)產(chǎn)氣效果也差(如圖9、圖10),主要是由于多裂縫的爭(zhēng)奪,導(dǎo)致主裂縫延伸明顯不足,改造范圍局限在井筒附近,壓降、解吸范圍小?？傊?由于煤層的低滲以及天然裂縫發(fā)育特征,煤巖壓裂時(shí)既要保持裂縫有一定的縱向延伸長(zhǎng)度,又要在橫向上溝通更多的天然割理裂縫,增加改造的體積。根據(jù)天然裂縫發(fā)育的情況,采用不同的壓裂規(guī)模和施工工藝:(1)天然裂縫不發(fā)育區(qū),應(yīng)以造長(zhǎng)縫為主,優(yōu)化裂縫形態(tài)控制工藝,在控制規(guī)模的基礎(chǔ)上降低復(fù)雜裂縫產(chǎn)生的幾率。目前現(xiàn)場(chǎng)控制多裂縫的工藝主要包括變排量施工工藝、定向射孔壓裂或水力噴射壓裂施工工藝等。(2)天然裂縫發(fā)育程度高的地區(qū),應(yīng)增加壓裂改造規(guī)模,盡量多溝通天然裂縫,形成較大范圍的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。2.3工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)氣的影響排采對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:(1)排采初期降液速度的影響。煤儲(chǔ)層滲透率低,應(yīng)力敏感性很強(qiáng),排水初期速度過(guò)快會(huì)造成煤層的毀滅性傷害,應(yīng)合理控制排采速度;(2)見(jiàn)氣初期的控制。見(jiàn)氣后水相滲透率迅速降至很低,若放氣速度過(guò)快,則會(huì)大大降低排水效率,影響壓降、解吸范圍的繼續(xù)擴(kuò)大;(3)排采連續(xù)性的影響。煤巖強(qiáng)度低,壓裂、作業(yè)施工中會(huì)造成煤粉脫落,停留在滲流通道,連續(xù)的排采過(guò)程可將煤粉攜帶出地層,排出井口,而一旦排采中斷或不連續(xù),則煤粉就會(huì)發(fā)生沉降,堵塞滲流通道,造成傷害,如圖12,該井地質(zhì)條件好,但由于多種原因多次排采中斷,產(chǎn)氣效果很差。煤巖的特征決定了其排采應(yīng)該分段進(jìn)行控制,具體控制如下。2.3.1煤層滲透率該階段排采控制原則是:一方面,要保證較低的降液速度,保證近井地帶煤層滲透率不因應(yīng)力敏感效應(yīng)而大幅下降,造成不可逆?zhèn)?另一方面,又要保證較大的生產(chǎn)壓差以獲得較高的產(chǎn)水量,提高排采的效率,根據(jù)沁南實(shí)際的排采經(jīng)驗(yàn),合理的排采速度應(yīng)保證日降液速度不大于5m/d。2.3.2速流動(dòng)氣體攜帶大量煤粉造成堵塞由于相態(tài)、流態(tài)變動(dòng)時(shí)期,本階段是最難于控制。見(jiàn)氣后,氣水相滲此消彼長(zhǎng),水相滲透率快速下降,產(chǎn)水量迅速降低,高速流動(dòng)的氣體攜帶大量煤粉更易造成堵塞。此階段控制要點(diǎn)是:勤觀(guān)察,盡早發(fā)現(xiàn)到達(dá)臨界液面、解吸見(jiàn)氣的預(yù)兆,見(jiàn)氣后應(yīng)及時(shí)連續(xù)下調(diào)工作制度,使井底壓力趨于穩(wěn)定生產(chǎn),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取臨界解吸液面以下50~100m作為長(zhǎng)期排采的深度較好,同時(shí)應(yīng)控制氣產(chǎn)量,保持水相滲透率盡量多排水,放氣速度要慢,防止氣體突然爆發(fā)攜帶大量煤粉噴出,造成近井地帶和泵筒堵塞。2.3.3產(chǎn)氣階段地層水大部分已排出,產(chǎn)水穩(wěn)定在很低的水平,主要產(chǎn)氣,該階段只需保持穩(wěn)定的井底流壓生產(chǎn)即可。3氣氣水分導(dǎo)質(zhì)控制(1)沁南煤層氣非均質(zhì)性強(qiáng),氣水產(chǎn)量平面差異大,面積降壓區(qū)產(chǎn)氣效果好,直井見(jiàn)氣時(shí)間1~9個(gè)月,達(dá)產(chǎn)時(shí)間為6~18個(gè)月,中、高產(chǎn)氣井具有較長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)