本文關鍵詞：基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)能控制地質因素研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第22卷第5期2011

年10月天然氣地球科學NATURAL　GAS　GEOSCIENCEVol.22No.5Oct.　2011

非常規(guī)天然氣

基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部

煤層氣井產(chǎn)能控制地質因素研究

張培河,劉鈺輝,王正喜,劉娜娜

(中煤科工集團西安研究院,陜西西安710054)

摘要:產(chǎn)量是儲層的反映,產(chǎn)量分析是認識儲層最有效的方法。研究煤層氣產(chǎn)能控制因素,可為煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)、井位部署及開發(fā)工程設計提供依據(jù)。熱點地區(qū),初步實現(xiàn)了煤層氣產(chǎn)業(yè)化,地面垂直井產(chǎn)氣量一般在2000～53,但不同地區(qū)甚至同一地區(qū)的不同氣井產(chǎn)氣量有所差別。,結合煤層氣地質條件,、氣含量、滲透率及水文地質條件。,種主要控制因素的有效組合。

關鍵詞:煤層氣井;;;中圖分類號:　　　文章編號:167221926(2011)0520909206,,王正喜,等.基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)能控制地質,2011,22(5):9092914.

0　引言

沁水盆地南部是我國煤層氣勘探開發(fā)程度最高的地區(qū),煤層氣勘探開發(fā)過程中積累了大量的測試和生產(chǎn)數(shù)據(jù),是煤層氣理論研究、開發(fā)設計的寶貴資源。該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的主要目的是獲取煤層氣資源和解決煤礦安全生產(chǎn)的瓦斯問題,產(chǎn)氣量是煤層氣開發(fā)的主要控制和考核指標。分析煤層氣井產(chǎn)量差異,研究氣井產(chǎn)能控制因素,可以更精細地認識儲層,有效地指導煤層氣開發(fā)選區(qū)、井網(wǎng)部署和開發(fā)工程施工。因此,煤層氣井的產(chǎn)氣量控制因素的研究非常重要。

在沁水盆地南部煤層氣勘探開發(fā)過程中,進行了大量的測試和研究工作,積累了豐富的測試及生產(chǎn)資料,為煤層氣井分析和產(chǎn)量控制因素的研究提供了條件。目前還沒有系統(tǒng)的基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析的煤層氣井產(chǎn)能控制因素的研究。煤層氣井產(chǎn)氣量控制因素較多,包括地質因素、開發(fā)技術、生產(chǎn)管理等。

其中,地質因素是影響氣井產(chǎn)能的內在因素[1],而開發(fā)技術、開發(fā)工程、生產(chǎn)管理是基于地質因素基礎上

的人為因素。在目前沁水盆地南部大規(guī)模的開發(fā)過程中,各開發(fā)單位采取的施工方案差別并不顯著[2],人為因素的影響基本一致。因此本文重點考慮地質因素本身對煤層氣井產(chǎn)能的影響。

沁水盆地南部不同地區(qū)的煤層氣開發(fā)方式不同,煤層氣井的生產(chǎn)時間也不一致,而且氣井的產(chǎn)氣穩(wěn)定程度不一,氣井產(chǎn)量的對比分析有一定的難度。為使研究更具針對性,筆者只采用達到穩(wěn)定產(chǎn)氣的地面垂直井生產(chǎn)數(shù)據(jù),在不同產(chǎn)氣量氣井對比分析的基礎上,探討影響煤層氣井產(chǎn)量的控制地質因素,以期對今后煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)、井位部署及開發(fā)工程施工提供借鑒。

1　煤層氣地質條件及開發(fā)現(xiàn)狀

1.1　煤層氣地質條件

沁水盆地南部構造簡單,發(fā)育寬緩的褶皺,斷層

收稿日期:2011206216;修回日期:20112082021

基金項目:國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項目(編號:2011ZX05040);國家“973”項目“高豐度煤層氣富集機制及提高開采

(編號:2009CB2196)聯(lián)合資助.效率基礎研究”

作者簡介:張培河(19692),男,山東膠南人,研究員,主要從事煤層氣資源評價及開發(fā)技術研究.E2mail:zhangpeihe@cctegxian.com.

稀少,水文地質條件簡單。山西組3號煤層和太原組15號煤層是煤層氣勘探開發(fā)的主要目標煤層。3號煤層厚為2.3～7.37m,一般為5～6m,頂板主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖,底板主要為粉砂巖和泥巖;15號煤層距3號煤層90m左右,厚為1.1～6.25m,一般為3m左右,煤層直接頂板是泥巖或含鈣質泥巖,頂板主要為灰?guī)r,底板為泥巖或鋁土質泥巖。煤層埋深為0～1200m,多在300～1000m左右。煤層氣含量較高,為3.74～35.13m3/t,平均為13.7m3/t。注入/壓降試井測試煤層滲透率多在1.0×10-3μm2左右。1.2　煤層氣開發(fā)現(xiàn)狀

井。不同開發(fā)方式的氣井產(chǎn)量差別較大,羽狀水平井產(chǎn)量最高,單井產(chǎn)量平均都在20000m3/d以上,最高

達90000m3/d。對地面垂直井和叢式井而言,在同一地區(qū),這2種方式的氣井產(chǎn)量基本一致;不同地區(qū)甚至同一地區(qū)的氣井產(chǎn)氣量差別較大,低者產(chǎn)量數(shù)百方甚至不產(chǎn)氣,高者產(chǎn)量超過10000m3/d。從地域上看,潘莊區(qū)塊煤層氣產(chǎn)氣效果最好,產(chǎn)氣量一般在2000～5000m3/d之間,最高可達14000m3/d,套壓較高,一般在0.4MPa左右,在潘莊南部、寺河礦北部的部分氣井存在自噴現(xiàn)象,不需要排水降壓就可直接產(chǎn)氣;鄭莊區(qū)塊煤層氣井產(chǎn)氣相對較差,氣井產(chǎn)氣效果差別較大,煤層氣井產(chǎn)量一般在500～1000m3/d左右;樊莊區(qū)塊、般在800～1500m3/d沁水盆地南部是我國煤層氣勘探開發(fā)的最熱點地區(qū),自1994年晉城無煙煤礦業(yè)集團公司在潘莊區(qū)塊進行煤層氣勘探以來,該區(qū)一直處于不間斷的勘探開發(fā)狀態(tài),在2005年以后達到高潮,中聯(lián)煤層氣公司、中國石油天然氣集團公司、美國格瑞克公司、亞美發(fā)。到目前為止,3,形成潘莊、潘河、區(qū),,2,是。沁水盆地南部煤層氣研,氣井產(chǎn)能受煤構造部位、煤層厚度、埋深、氣含量、滲透率、水文地質條件等因素影響。不同地區(qū)煤層氣地質、儲層條件對比情況見表1。

表1　不同區(qū)塊煤層氣地質、儲層條件及產(chǎn)氣量對比

地質及儲層條件構造條件

3號煤埋深/m3號煤厚度/m3號煤氣含量/(m3/t)3號煤滲透率/(×10-3μm2)

柿莊區(qū)塊簡單

500～7005～6.511～170.9～3.18

樊莊區(qū)塊較簡單

400～6505.5～610～250.2～0.8

成莊區(qū)塊較簡單

300～6005.5～6.57～130.6～1.2

潘莊區(qū)塊簡單

300～4506～6.514～272～3.6

鄭莊區(qū)塊簡單

600～10005～616～230.5～2.9

水文地質條件氣井產(chǎn)氣量/(m3/d)

弱逕流區(qū)

800～1500

弱逕流區(qū)

800～1500

逕流區(qū)

800～1500

滯流區(qū)

2000～5000

滯流區(qū)

500～1000

2.1　構造發(fā)育及分布2.1.1　褶皺

煤層氣勘探開發(fā)資料顯示,褶皺對煤層氣井的產(chǎn)量有一定影響。中聯(lián)公司在潘河地區(qū)進行的煤層氣勘探開發(fā),在背斜、向斜的不同部位,不同產(chǎn)量級別的氣井均有分布,各種產(chǎn)量井在背斜、向斜上的分布沒有明顯的比例優(yōu)勢,煤層氣井的產(chǎn)能分布與構造相互關系不十分顯著,但在背斜軸部,高產(chǎn)井的比例高[3],向斜和褶皺翼部的高產(chǎn)井比例分別為75%

和59%,背斜軸部的煤層氣井全為高產(chǎn)井(表2)。中國石油天然氣集團公司在樊莊區(qū)塊進行的煤層氣開發(fā)也基本上表現(xiàn)為相同的產(chǎn)氣特征,在背斜區(qū)和

褶皺翼部高產(chǎn)氣井的比例高,樊莊區(qū)塊蒲池地區(qū)ZK11、ZK8、ZK5、ZK7等井靠近背斜軸部(圖1),產(chǎn)氣量高,多在2500m3/d以上,最高可達4700m3/d,而且產(chǎn)水量小,多小于0.5m3/d;ZK3井、ZK4井靠近向斜軸部,氣井產(chǎn)氣量較低,多在100m3/d左右。陳振宏等[3]對樊莊區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)狀況的分析認為,背斜區(qū)高產(chǎn)氣井比例高,為42.9%,向斜區(qū)

表2　不同構造位置區(qū)的氣井產(chǎn)氣狀況[4]

構造位置總井數(shù)/口高產(chǎn)井數(shù)/口中低產(chǎn)井數(shù)/口高產(chǎn)井比例/%背斜向斜翼部

111217

11910

037

1007559

的高產(chǎn)氣井比例低,僅為6.7%[4]。由此看來,在其他地質條件基本一致的情況下,構造高點區(qū)域是煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)及井位部署的主要位置。2.1.2　斷層

斷層是影響煤層氣勘探開發(fā)部署及氣井產(chǎn)能的重要地質因素。斷層對煤層氣開發(fā)的影響表現(xiàn)為:①斷層在局部范圍內使煤層厚度或煤體結構發(fā)生變化,如煤層變薄、煤層滲透率降低等;②斷層會導通鄰近

含水層,導致煤層氣開發(fā)氣井產(chǎn)水量大,降壓困難等;③斷層使其附近的煤層氣逸散,氣含量降低;④斷層

使煤層氣開發(fā)氣井間形成隔離屏障,阻斷氣井之間的有效聯(lián)系,使氣井之間不能有效聯(lián)通,降低開發(fā)效果;⑤斷層會增加煤層氣開發(fā)過程中的鉆井、固井、壓裂作業(yè)的工程難度,工程施工對煤儲層的污染可能更大。這些表現(xiàn)都會導致氣井產(chǎn)氣量降低,因此斷層對

煤層氣井的產(chǎn)量影響是比較顯著的。

圖1　蒲池地區(qū)煤層氣開發(fā)氣井分布特征

　　樊莊區(qū)塊早期的煤層氣勘探試驗,實施了一個

由6口井構成的煤層氣試驗井組(圖1),5口井的產(chǎn)氣效果較好,產(chǎn)氣量一般在3000m3/d左右,最高達到8000m3/d,產(chǎn)水量一般為2～4m3/d。JZ5井產(chǎn)氣效果差,產(chǎn)氣量在300～600m3/d左右,產(chǎn)水量為20～40m3/d。產(chǎn)氣效果差的JZ5井附近發(fā)育一條小斷層,該斷層的存在使得附近區(qū)域的氣含量降低,同時也成為氣井排采的封閉邊界;另外,該井的產(chǎn)水量較其他井高,推測該斷層可能導通鄰近富水性相對較強的地層。2.2　煤層厚度

厚度變化不大,因此煤層厚度對氣井產(chǎn)能的影響不

突出,煤層厚度和產(chǎn)氣量的相關性不顯著

。

煤層厚度對氣井產(chǎn)量影響顯著,煤層厚度越大,向井筒滲流匯聚的煤層氣就越充足,煤層氣井產(chǎn)氣量就越高。對沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)量與目標煤層厚度進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),隨著煤層厚度的增大,煤層氣井產(chǎn)量有增加的趨勢(圖2)。由于該區(qū)煤層穩(wěn)定,

圖2　煤層厚度與氣井產(chǎn)氣量關系

2.3　煤層埋深

煤層氣理論研究和勘探開發(fā)的實踐表明,深度是影響煤層氣井產(chǎn)量的重要因素之一。煤層氣開發(fā)

目標煤層埋藏越淺,則地應力低、滲透率高,排水降壓容易,氣井產(chǎn)量就越高。

沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)氣量與煤層埋藏深度關系較密切(圖3)。鄭莊區(qū)塊煤層氣勘探井的目標煤層埋藏都比較深(超過1000m),氣井產(chǎn)量較低,多為500～1000m3/d。潘莊區(qū)塊煤層埋藏淺,在300～600m左右,煤層氣井產(chǎn)量效果普遍較好,晉

一。我國主要煤田的煤層滲透率普遍較低,這是一個不爭的事實,煤層氣勘探開發(fā)注入/壓降試井測試的煤層滲透率與美國相比差2～3個數(shù)量級。這是制約我國煤層氣勘探開發(fā)的主要地質因素。

沁水盆地南部注入/壓降試井測試區(qū)域廣,數(shù)據(jù)量大。注入/壓降試井實測的煤層滲透率變化大,為(0.01～3.61)×10-3μm2,多在1×10-3μm2左右[5]。滲透率數(shù)據(jù)與煤層氣井產(chǎn)氣量對比分析可以看出,煤層滲透率高的地區(qū),氣井產(chǎn)量也相對較高(圖5,圖6)。潘莊區(qū)塊試井測試煤層滲透率為(0.63～3.61)×10-3μm2,煤層氣開發(fā)效果最好,氣井穩(wěn)定產(chǎn)量多在2000～5000m3/d左右;成莊一帶測試煤層滲透率為0.63×10-32,煤層氣井產(chǎn)量略低,多在800～1500m3/(0.07)-32,不同氣井之,最好的氣井平均產(chǎn)氣量在4

左右,最高超過7000m3/d。

煤集團實施的潘莊井組部分氣井排采時間超過15a,產(chǎn)氣效果仍然較好,在2000m3/d左右;目前晉煤集團在該區(qū)實施的煤層氣開發(fā)工程中,氣井產(chǎn)量一般在3000～5000m3/d之間,且有多口氣井存在自噴現(xiàn)象,產(chǎn)氣效果非常理想;中聯(lián)煤層氣公司在潘河地區(qū)進行的煤層氣開發(fā)示范工程,進行了40口井的勘探試驗,目前單井平均產(chǎn)氣量超過3000m3/d,產(chǎn)氣量超過4000m3/d的氣井有12口[4],占氣井總數(shù)的30%

。

圖3　煤層埋藏深度與氣井產(chǎn)氣量關系2.4　煤層氣含量

煤層氣理論研究及勘探開發(fā)的實踐表明,氣含量是決定煤層氣豐度高低的關鍵參數(shù),是影響煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制因素。

沁水盆地南部煤層氣測試及生產(chǎn)資料分析表明,含氣量對于氣井產(chǎn)氣量的影響較顯著(圖4)。氣含量較高的區(qū)域,煤層氣井產(chǎn)量較高。潘莊區(qū)塊煤層氣含量高,氣井產(chǎn)量高,單井平均產(chǎn)量多在3000～5000m3/d之間,最高超過10000m3/d;潘莊區(qū)塊寺河西區(qū)目前煤層氣開發(fā)區(qū)域氣含量較高,為12～15m3/t,氣井產(chǎn)量較高,單井產(chǎn)量多在3000m3/d以上;寺河東區(qū)含氣量較低,一般為8～10m3/t,氣井產(chǎn)量較低,一般為800～1000m3/d;成莊井田煤層氣含量低,為7～14m3/t,氣井產(chǎn)量也低,一般在800～1500m3/d左右。2.5　煤層滲透率

滲透率是煤層氣富集高產(chǎn)的主要控制參數(shù)之

2.6　水文地質條件

水文地質條件不僅對煤層氣保存具有重要作用,而且是煤儲層壓力和煤層滲透性的重要影響因素。同時,由于煤層氣的產(chǎn)出是通過排水降壓來實

圖6　煤層氣井產(chǎn)氣量等值線

現(xiàn)的,因此水文地質條件對煤層氣開發(fā)作業(yè)影響顯著,進而對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生影響。

沁水盆地南部水文地質條件簡單,含水層富水性弱,含水層之間水力聯(lián)系弱。煤層氣勘探開發(fā)的實踐表明,該區(qū)氣井產(chǎn)水量普遍較小,但以15號煤層作為開采目標煤層的氣井產(chǎn)水量相對較高。中國石油天然氣集團公司在煤層氣試驗過程中,對不同目標煤層的產(chǎn)氣、產(chǎn)水情況進行了試驗,結果表明,以3號煤層為獨立目標煤層進行排采試驗,氣井產(chǎn)水量多在2m3/d以下,產(chǎn)氣量高,多超過3000m3/d;3號煤層、15號煤層合采或15號煤層單獨排采的

在煤層埋深淺、滲透性較好情況下,煤層氣井的產(chǎn)氣量較高,如潘莊區(qū)塊。

3　地質因素綜合分析

煤層氣井的產(chǎn)氣狀況受多種因素的制約,通過對沁水盆地南部煤層氣井產(chǎn)氣狀況的分析和解剖認為,引起該區(qū)氣井產(chǎn)能差別的主要因素是:煤層厚度、氣含量、煤層滲透率、煤層埋深、構造的發(fā)育及分布狀況、水文地質條件等,在同一地區(qū)不同氣井間產(chǎn)氣量的差別可非常清楚地反映這一特性。但煤層氣井的產(chǎn)氣狀況并非單一因素控制,成莊井田煤層埋藏也比較淺,一般在300～600m左右,滲透率也相對較高,但煤層氣保存條件略差,氣含量低,致使氣井產(chǎn)氣量不高,一般在800～

1500m3/d之間。由此說明,單一因素的影響在某一地區(qū)的煤層氣開發(fā)所起的作用也許是至關重要的,但對多數(shù)地區(qū)來說,煤層氣井的產(chǎn)氣狀況取決于各種主要控制因素的綜合反映[6]。潘莊地區(qū)構造簡單,煤層埋藏淺、厚度大、氣含量高、滲透性好,各項煤層氣地質因素都比較有利,因此煤層氣井產(chǎn)量高,煤層氣開發(fā)潛力大。鄭莊地區(qū)煤層厚度大、氣含量高,水文地質條件較

氣井產(chǎn)水量高,一般在3～5m3/d左右,最高可超過50m3/d,而且產(chǎn)氣量低,一般為300～500m3/d。

分析原因是,15號煤層頂板主要為K2灰?guī)r,K2灰?guī)r水對15號煤層具有一定補給作用。

水文地質條件影響還表現(xiàn)為:通過控制煤層氣含量、滲透率等地質因素進而控制氣井產(chǎn)氣量。對沁水盆地南部水文地質條件的研究表明,地下水主要表現(xiàn)為自盆地周緣向盆地內部徑流,在潘莊、鄭莊等地區(qū)地下水的滯流區(qū)或緩慢徑流區(qū),受地下水的側向封堵作用,這些地區(qū)的煤層氣含量較高。因此,

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