柳林地区煤层气开采动态及单井产量主控因素分析_刘云亮.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Apr. 2016 收稿日期 2015-03-10 基金项目 国家自然科学基金青年项目（41402144）；国家科技重大专项课题（2011ZX05040-003） Foundation item National Natural Science Foundation of China（41402144）； National Science and Technology Major Projects（2011ZX05040-003） 作者简介 刘云亮（1989），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，从事煤层气地质研究工作. E-mail437263587 引用格式 刘云亮，张培河. 柳林地区煤层气开采动态及单井产量主控因素分析［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（2）34-38. LIU Yunliang，ZHANG Peihe. Analysis on production dynamic and main controlling factors of single coalbed methane （CBM） well in Liulin area［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（2）34-38. 文章编号 1001-1986（2016）02-0034-05 柳林地区煤层气开采动态及单井产量主控因素分析 刘云亮，张培河 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 柳林地区是我国煤层气勘探开发的热点地区之一，初步实现了煤层气商业化开发。根据柳 林地区煤层气井生产数据，对气井产气动态进行了分析，按产量大小进行了气井统计，中产气井 比例较高，为 42.9％，高产气井占 28.6％，低和极低产气井比例为 28.5％。分析煤层气井排采曲线 特征，总结归纳气井的产气模式有单峰式、高峰-稳定式和低峰-高峰-稳定式三类。从影响煤层气 产能的构造、气含量、渗透率、煤层厚度、煤层埋深、水文地质条件等地质因素入手，分析了各 地质因素对气井产能的影响，并建立各类因素与煤层气井产能的关系。研究认为柳林地区煤层 气井的高产条件并非受单一因素的控制，而是主要取决于多种有利地质主控因素的有机匹配、共 同作用的结果。 关 键 词柳林地区；煤层气井；开采动态；控制因素 中图分类号P618.13 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.02.007 Analysis on production dynamic and main controlling factors of single coalbed methane （CBM） well in Liulin area LIU Yunliang， ZHANG Peihe （Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xian 710077， China） Abstract Liulin area is one of the hot places of CBM exploration and development in China， and preliminarily realized the commercial CBM development. Based on the CBM well production data of Liulin area， the gas dy- namic of CBM wells was analyzed， and according to the output the gas wells statistics were made， the proportion of the middle production wells is high， accounting for 42.9％， the high gas production wells is 28.6％， and the low and very low gas production wells is 28.5％. Analysis of the CBM wells drainage curve， three types of CBM wells production modes were summed up， they are single peak， peak- stable and low-peak - peak - stable. From the influence of the structure， gas content， permeability， thickness of coal seam， coal seam depth， hydrogeologi- cal conditions and other geological factors on CBM wells production capacity， the influence of various geologi- cal factors on gas wells productivity was analyzed， and the relationship among various factors and the produc- tivity of CBM wells was set up Studies suggested that the high yield of CBM wells in Liulin area is not con- trolled by a single factor， but depends on the advantageously match of a variety of main controlling factors and combined action. Key words Liulin area； CBM well； production perance； controlling factor 柳林煤层气区块位于鄂尔多斯盆地东缘中段， 赋存着丰富的煤层气资源，是我国目前煤层气勘探 开发的热点地区之一，也是国内开展煤层气勘探活 动最早的地区之一［1］，自 20 世纪 90 年代初开始进 行煤层气的勘探开发试验， 至今有二十多年的历史， 煤层气勘探主要采用地面垂直井方式。 单井产气量高低是煤层气开发的核心指标，分 析煤层气井产量差异性，研究气井产能控制因素， 必须通过开发动态分析不断深化研究煤储层特征与 局部构造发育特征、精细地刻画煤储层，以指导该 区方案调整及选区评价，为优化井型、井网、井距 部署等工程施工设计奠定基础。 ChaoXing 第 2 期 刘云亮等 柳林地区煤层气开采动态及单井产量主控因素分析 35 煤层气井产气量受地质因素、开发技术、生产 管理等因素控制。其中，地质因素是影响气井产能 的内在因素［2］，而开发技术和生产管理对煤层气产 能的制约，是基于地质因素基础上的人为因素。本 文重点考虑地质因素本身对煤层气井产能的影响， 以期对后续煤层气勘探开发选区、井位部署及开发 工程施工提供借鉴。 1 煤层气地质条件 柳林地区位于河东煤田中段离柳矿区西部，区 域构造上位于鄂尔多斯盆地东缘，处在晋西挠褶带 离石鼻状构造上。区内构造简单，总体为一向西或 向西南倾斜的单斜构造，局部被断层切割成次一级 低幅度小褶曲或断块圈闭。 二叠系下统山西组和石炭系上统太原组为该区 主要含煤地层［3］， 共含煤14层， 煤层埋深200～1 000 m， 煤层平均厚度为 12.70 m； 可采煤层平均厚度 10.49 m， 煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、灰岩为主。煤层气开 发目的层为山西组 34 号、5 号煤层和太原组 89 号煤层。 34 号煤层厚度 0.04～6.05 m， 平均 2.81 m； 5 号煤层厚 0～5.04 m，平均厚为 2.70 m。89 号煤 层厚度 0.79～10.30 m，平均 5.11 m。 煤层埋深总体呈现由东北向西南逐渐加深的趋 势，主要开发目的层埋深多在 300～1 000 m，目前煤 层气开发区埋深多处于 800 m 以浅，对煤层气勘探 开发比较有利。 2 产气动态分析 地面直井是柳林区块煤层气勘探开发的主要井 型，直井单井产气量一般在 500～3 000 m3/d，最高 达 7 050 m3/d；产水量一般在 2～20 m3/d，最高超过 300 m3/d。 按照产气量大小将煤层气井进行分类（表 1）， 统计结果显示，极低产气井占 11.4％；低产气井占 17.1％，中产气井占 42.9％，高产气井占 28.6％。 表 1 柳林地区煤层气直井产量分类及统计 Table 1 Pr oduction classification and statistics of vertical CBM wells in Liulin area 气井分类 产气量/（m3d-1） 气井比例/％ 数量/口 高产气井 ＞2 000 28.6 10 中产气井 1 000～2 000 42.9 15 低产气井 500～1 000 17.1 6 极低产气井 ＜500 11.4 4 高产气井多具有产气早、产气量稳定的特征。 如 LL1 井（图 1），该井目的层为 3、4、5、89 号煤 层，在排采较短的时间内便开始产气，随着气井排 采，气井产气量迅速升高，最高到 3 050 m3/d，稳定 产气量为 2 600 m3/d 左右，产水量一般在 0～3 m3/d， 最高产水量为 3 m3/d。 图 1 LL1 井开采曲线 Fig.1 Production curve of well LL1 中产气井多具有产气早、 初期产气量高、 中后期 产气量不断下降到稳定状态的特征。 如 LL2 井（图 2）， 开发目的层为 34 和 5 号煤层， 排采开始不长时间开 始产气，初期日产水量较大，产气量一般 800 m3/d 左右，最高达 1 304.7 m3/d。 图 2 LL2 井开采曲线 Fig.2 Production curve of well LL2 低和极低产气井多具有产水量大、产气量持续 低值的特征。如 LL3 井，该井开发目的层为 89 和 34、5 号煤层，排采约 220 d 后开始产气，气井持 续产水，产气量一直维持在 100 m3/d 左右（图 3），初 步分析是由该井产气层沟通外源水所致。 图 3 LL3 井开采曲线 Fig.3 Production curve of well LL3 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 44 卷 3 煤层气井生产模式 对柳林地区煤层气井的生产特征进行分析， 根 据气井排采曲线特征，将其归纳为产气单峰式、高 峰-稳定式和低峰-高峰-稳定式三种开采曲线特征 模式。 模式Ⅰ单峰式 这种模式的显著特点是排采 初期只产水不产气，开始产气后产气量迅速增加， 到达峰值之后产气量又快速递减，递减速度快，稳 产期短，如位于柳林区块南部的 LL4 井（图 4）。该 类煤层气井煤层含气饱和度总体偏低，属于低渗透 或欠饱和煤层气藏，当排水降压使压力降低到临界 解吸压力以下时，煤层才开始产气，故排采初期不 产气。 图 4 LL4 井开采曲线（单峰式煤层气井产气模式） Fig.4 Gas production curve of well LL4 （gas production mode single peak CBM well） 模式Ⅱ 高峰-稳定式 这种模式的主要特点是 稳产时间长，产气量达到峰值后会持续一段时间后 开始递减，递减速度较平缓，如 LL5 井（图 5）。该 类煤层气井的含气量较高，一般大于 10 m3/d，煤层 厚度适中，埋藏深度小于 1 000 m，且渗透性好。总 体上，地质和储层条件对煤层气的富集比较有利。 图 5 LL5 井开采曲线（高峰-稳定式煤层气井产气模式） Fig.5 gas production curve of well LL5（ gas production mode peak - stable ） 模式Ⅲ低峰-高峰-稳定式 这类曲线的显著 特点是先经过一个短暂的低峰值，再迅速进入另一 个个稳产期较长的高峰值，如 LL6 井（图 6）。产气 量较高，说明煤层气地质条件对煤层气的富集和生 产比较有利，基本地质条件类似于模式Ⅱ，但是气 井产气量达到第一达峰值后迅速递减，这是由于排 采不稳定，关井检泵或是开发目的层调层引起的。 图 6 LL6 井开采曲线（低峰-高峰-稳定式煤层气井产气 模式） Fig.6 Gas production curve of well LL6 （gas production mode low-peak - peak - stable） 4 气井产能主控地质因素分析 地质因素是决定煤层气富集及产出的关键，是 影响气井产能的内在因素，研究发现柳林地区煤层 气井产量受构造部位、含气量、渗透率、煤层厚度、 煤层埋深、水文地质条件等因素的影响。 4.1 构造条件 柳林地区构造简单，总体为一单斜构造，地层 产状平缓，倾角为 5左右，在鼻状构造的背景上， 发育有起伏微弱的次级小褶曲。区内断层不发育， 仅在研究区北部发育有由聚财塔南北正断层组成的 地堑及其派生的小断层［1-2］。 在单斜构造背景下，褶皱和挠曲普遍发育，控 制着煤层气赋存的地质条件。单斜易形成水封堵气 藏，煤层气有利保存区带是近供水区和承压区，水 充填于孔、裂隙中，形成水体压力圈闭，而背、向 斜发育区上下煤层的含气量存在较大差异［1，4］。这种 相对简单但局部构造较为发育的单斜构造有利于煤 层气的富集与保存。 裂缝在柳林鼻状构造中广泛发育，这对煤层气 的赋存也存在一定的影响。裂缝对煤层气的直接影 响主要体现在保存和运移两个方面，一方面是裂缝 提供了煤层气所需的贮存空间，另一方面，裂缝为 煤层气的产出和运移提供了通道。柳林鼻状构造范 围内地表出露的裂缝基本上没有被充填， 其中仍不 少裂缝的表面上有方解石膜和铁锈膜（地下流体的 迹痕），因此这些裂缝绝大多数在地下保持没有被水 洗刷，煤层气保存条件良好，具有贮存地下流体或 煤层气的能力［2，7］。总体上，区块内地质构造简单， ChaoXing 第 2 期 刘云亮等 柳林地区煤层气开采动态及单井产量主控因素分析 37 构造特征对煤层气开发非常有利。 4.2 含气量 煤层含气量是影响煤层气富集高产的主要控制 因素之一。煤层气勘探表明，区块内主要煤层的含 气量普遍较高，气含量一般 6～12 m3/t，单从含气量 因素考虑，研究区为煤层气开发有利区。 柳林地区主要煤层的含气量分布总体上表现为 南高北低的变化趋势［8］。一般情况下高产气井多位 于含气量较高的地区，但是煤层含气量与煤层气井 日产气量并不呈简单的正相关关系。南部地区煤层 渗透率低、埋藏较深是造成该区产气量偏低的重要 原因。高产井 FL-EP1 位于北部含气量高值区，但 低产井 FL-EP2 的含气量也达到了 6.83 m3/t， 说明煤 层气井的产能不是受单一因素直接控制，而是受多 种因素共同影响。 4.3 渗透率 渗透率是煤层气富集高产的主要控制参数之 一。注入/压降试井测试表明，柳林地区 34 和 5 号 煤层的渗透率均呈现南高北低的特点［9］。其中，34 号煤层渗透率为（0.02～3.44）10-3 μm2， 5 号煤层渗透 率为（0.02～2.26）10-3 μm2。高产井 LL7 的渗透率为 3.4410-3 μm2，明显大于中产井 LL2 和低产井 LL3 的渗透率， 其中低产井 LL3 井的渗透率最低。 因此， 与煤层气井产量对比分析可以看出，渗透率高的地 区，气井产量也相对较高（图 7）。区内北部煤层渗透 率为（0.64～2.0）10-3 μm2，直井产气量 1 000～ 2 000 m3/d；南部渗透率较低，一般（0.06～0.5） 10-3μm2， 直井产气量多在 100～800 m3/d。 图 7 试井测试渗透率与直井产气量关系 Fig.7 Relationship between permeability and vertical well gas production in well testing 4.4 煤层厚度 煤层厚度对气井产量影响显著， 煤层厚度越大， 向井筒渗流汇聚的煤层气就越充足，煤层气井产气 量就越高。结合柳林地区气井生产资料对煤层气井 产量与开发目的层厚度进行统计发现，随着煤层厚 度的增大煤层气井产量也增加（图 8）。如高产井如 LL7 的煤层厚度为 7.5 m，而低产井 LL3 的煤层厚 度仅为 2 m。柳林地区煤层总体分布稳定，变化趋 势明显，煤层普遍较厚，为煤层气井的高产提供充 足的气源。 图 8 煤层厚度与直井产气量关系 Fig.8 Relationship between coal seam thickness and vertical well gas production 4.5 煤层埋深 煤层埋深是影响煤层气井产量的重要因素之 一。柳林地区煤层气井产量与煤层埋藏深度关系比 较密切（图 9）。该区煤层埋深多在 200～1 000 m，在 东部、北部区域埋深较浅，一般在 400～600 m，气 井产量较高，多在 1 000～1 800 m3/d，如高产井 FL- EP1 埋深 487 m，气井产量 1 157.3 m3/d，典型的低产 井 FL-EP2，煤层埋深 1049 m，气井产量仅 123 m3/d。 在南部和西南区域，埋深较大，多为 800～1 000 m， 埋深加大引起煤储层压力变大，降低了煤储层渗透 率，对煤层气开发不利，气井产量相对较低，多为 100～800 m3/d。 图 9 煤层埋深与直井气产量关系图 Fig.9 Relationship between coal seam depth and well gas production 4.6 水文地质条件 水文地质条件不仅对煤层气保存具有重要作 用，而且是煤储层压力和煤层渗透性的重要影响因 素。由于煤层气的产出是通过排水降压来实现的， ChaoXing 38 煤田地质与勘探 第 44 卷 因此水文地质条件对煤层气开发作业影响显著，进 而对气井产能产生影响。另外，水文地质条件通过 影响煤层气含量与渗透率等地质因素进而控制气井 产气量。 柳林地区水文地质条件简单，为一西倾的宽缓 单斜蓄水构造，区域含水层含水性较弱。围岩含水 层是柳林地区煤层水的主要来源，它的强弱决定了 煤层的含水程度，研究区 8 号煤层的含水性、水活 跃程度和产水量均大于 4、5 号煤层［10-11］。总的来 说，太原组煤层富水性强、含水饱和度偏高、储层 压力较大，排水降压相对比较困难，不利于煤层气 的开发。 5 结 论 a. 柳林地区构造简单， 含煤层数多， 厚度较大， 埋藏浅，含气量较高，渗透率及储层压力较高，煤 层气地质及储层条件较优越。 b. 根据柳林地区煤层气井生产数据，对气井产 气动态进行了分析，按照产气量将煤层气井进行分 类，中产气井比例较高，为 42.9％，高产气井占 28.6％，低和极低产气井比例为占 28.5％。 c. 将柳林地区煤层气井的生产特征归纳为产 气曲线单峰式、 高峰-稳定式和低峰-高峰-稳定式三 种生产模式，三种煤层气井产气特征主要受煤层气 地质条件的影响。 d. 柳林地区的气井产能主要受含气量、渗透 率、煤层埋深、煤层厚度、水文地质条件等多种因 素的影响，煤层气井产能一般都受多种地质因素的 控制，单一地质因素对气井产能的影响较小。 参考文献 ［1］ 杨锡禄. 煤层气勘探开发进展［J］. 煤田地质与勘探，1997， 24（1）29-32. 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