煤层气分压合排技术适应条件分析：以陕西吴堡矿区为例_汪万红.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY CBM wells; separate layer fracturing and multi-layer drainage 煤层群在中国主要的煤层气富集地区普遍发育， 如鄂尔多斯盆地、沁水盆地等。目前，在中国多煤层 发育地区进行煤层气勘探开发，普遍采用分层压裂、 合层排采工艺技术，i亥技术可有效降低煤层气开发成 本、提高煤层气井产能。但分压合排过程中，由于不 同煤层的储层特征有差异，存在层间干扰，往往造成 煤层气井产气效果不甚理想［I）。 陕西吴堡矿区不仅赋存着丰富的煤炭资源，而且 蕴藏着丰富的煤层气资、源。本文以陕西吴堡矿区为 收稿日期2013-07-10 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05040-003 例，通过分析区内主力煤层（Sl、Tl）分压合排的影响 因素，探讨煤层分压合排的可行性，以期对多煤层地 区煤层气的勘探开发提供帮助。 1 矿区基本情况 吴堡矿区位于陕西省东北部，榆林市东南部，黄 河中游之西滨。矿区南北长约26km ，东西宽2.8～ 5.6 km，总面积约93.1km2。含煤地层为二叠系下统 山西组（Pis）和石炭系上统太原组（C3 t），主采煤层是二 作者简介汪万红l982一），男，陕西周至人，硕士，工程师，从事煤与煤层气地质及开发研究工作 ChaoXing 第4期汪万红等煤层气分压合排技术适应条件分析 37 叠系下统山西组的SI煤层和石炭系上统太原组的Tl 煤层。SI、Tl煤层平均厚度分别为2.73m和6.03m, 二者间距平均为73m。这两层煤为矿区煤层气资源 勘探开发的主力煤层（2］。 2 分压合排的影晌因素及可行性分析 众所周知，煤层气井的排采实际上是排水降压采 气的过程。两层煤分压合排，将“共享”一个井筒，排 采过程压力传递的速度对产气速度影响最大［3］。当两 煤层压力传递速度比较接近，才可以获得良好的产气 效果；如果两层煤压力传递速度差别较大，产气速度 不一致，会造成某一层煤产气很少甚至不产气，失去 了分压合排的意义。分压合排过程中，压力传递速度 受储层压力梯度、渗透率、煤层顶底板岩石特征和水 文地质条件等因素影响。 2.1 煤储层压力梯度 煤储层压力梯度是储层压力与煤层埋深的综合 反映，从某种程度上反映了地层能量的大小。吴堡矿 区煤层气资源勘探测试结果显示（表1S 1煤储层压 力梯度为（8.49～10.80）10-3MPa/m; Tl煤储层压力梯 度为（8.16～10.45）10-3MPa/m。二者压力梯度差别不 大，均属正常压力储层。 2.2 煤储层渗透率 煤储层的渗透率是反映煤层中气、水等流体渗透 性的重要参数，决定煤层气的运移和产出。吴堡矿区 煤层气资惊勘探测试结果显示（表ISI煤层渗透率 为0.16～10.72mD; Tl煤层渗透率为0.1l9.87 mD。 一者的原始储层渗透率相当，在一个数量级别上。 表1吴堡矿区Sl和Tl煤层测试结果统计表 Table I Statistical results of coal seams SI and Tl in Wubu mining area 煤层井在J煤层埋深储层压力储层压力梯度渗透率／mD Im /MP a /10 3MPam-1 802 837 8.26 9.87 0.38 03 781 6.52 8.49 0.97 SI 05 425 4.43 10.80 2.41 06 936 8.07 8.77 0.16 08 948 8.47 9.07 10.72 304 1039 10.83 10.45 0.15 802 919 8.14 9.07 0.11 03 860 6.87 8.16 0.31 Tl 05 504 5.06 10.40 0.68 06 1013 9.10 9.42 。17 08 1017 9.05 9.04 9.87 2.3 煤层顶底板岩石特征 吴堡矿区Sl、Tl煤层顶底板岩性特征见表2。 Sl煤层的顶底板和Tl煤层的底板均为泥岩，岩性相 似；而Tl煤层的直接顶板是K2灰岩，K2灰岩是划 分太原组下部和中部地层以及相邻煤层对比的重要 标志层，属于石炭系上统太原组碳酸盐岩在裂隙承压 水含水层。 表2吴堡矿区St和Tl煤层顶底板岩性特征表 Table 2 Roof and floor characteristics of coal seams SI and Tl in Wubu mining area 煤层 编号 煤层顶板岩性 顶系 与夫 层饭 煤底 ιt s1 山石 板 底 层 煤 SI 主要为粉砂质泥岩、泥质主要为泥岩，少 明显接触 粉砂岩，少量中砂岩量合炭泥岩 主要为泥岩．局 灰岩、泥灰岩和生物碎灰岩明显接触 部为灰岩 Tl 2.4 水文地质条件 水文地质条件对分压合排的影响主要体现在煤 层供液能力的差别上。与吴堡矿区SI、Tl煤层有联 系的含水层分别是二叠系下统山西组砂岩裂隙承压 水含水层、石炭系上统太原组灰岩榕隙及砂岩裂隙承 压水含水层（4］。根据吴堡矿区煤层气资源勘探报告， 二者水文地质特征差异明显 二叠系下统山西组砂岩 裂隙承压水含水层为细一粗粒砂岩（厚8.90～35.92时， 涌水量14.69～29.8lm3/d，单位涌水量0.00114 0.004 5 L/sm），其供液能力弱；石炭系上统太原组 灰岩溶隙及砂岩裂隙承压水含水层主要以灰岩梅隙 含水层（厚20～35m）为主，彤、岩裂隙含7j层次之．涌 水量94.52～264.21m3/d，单位涌水量0.0142～ 0.033 8 L/sm），其供液能力强。 2.5 分压合排的可行性分析 要分析吴堡矿区SI、Tl煤层分压合排的可行性， 需从分压合排过程中影响压力传边的储层压力梯度、 渗透率、煤层顶底板岩石特征和水文地质条件等因素 着手，并对煤层气井排采过程进行分析。 吴堡矿区煤层气资源勘探测试结果显示SI煤 储层压力为4.43～8.47MPa，压力梯度为（8.49～ 10.8010 3MPa/m; Tl煤储层压力为5.06～10.83MPa、 压力梯度为（8.16～I0.45）I0-3MPa/m。两者均属正常 压力储层，压力体系差别不大，在其他条件相同的情 况下，对分压合排的影响不大。 SI煤层渗透率为01610.72 mD; Tl煤层渗透 率为0门～9.8 7mD。a者的原始储层渗透率相当，在 一个数量级别上因此，在其他条件相同的情况下， 对分压合排的影响不大。 因中国煤层普遍渗透率偏低，故国内煤层气勘探 开发常采用水力加砂压裂增产措施，吴堡矿区SI煤 ChaoXing 38 煤田地质与勘探第42卷 层顶底板均以泥岩为主，厚度较大，封盖能力强，水 力压裂时压裂缝很难突破煤层顶底板，裂缝将仅在煤 层中延伸，且与之有密切关系的二叠系下统山西组砂 岩裂隙承压水含水层供液能力弱，故不影响分压合排 效果；Tl煤层底板为泥岩，封盖能力强，不影响分压 合排的效果，而其直接顶板为K2灰岩，属于石炭系 上统太原组碳酸盐岩溶裂隙承压水含水层，其供被能 力强，因此在水力压裂时，压裂缝很容易延伸到煤层 顶板，沟通含水层，分压合排时产水量大，煤层中压 力传递速度差异明显，存在层间干扰，会影响分压合 排的效果。 煤层气井的排采是煤层气勘探开发工程的归结 点，客观地反映了分压合排的效果，故也可从排采过程 分析分压合排的可行性c根据吴堡矿区煤层气资源勘探 测试结果，理论计算得到SI煤层临界解吸压力平均为 2.26 MPa, Tl煤层平均为2.24MPa，两者相差不大。 按照稳定、缓慢、合理的排采控制原则，吴堡矿 区煤层气井在不同的排采阶段采用不同的降压速度， 总体上液面下降速度小于10mid。排采初期，随着井 筒内液面下降，压力降低，处于上部的SI煤层将首 先达到临界解吸压力，发生解吸。这时，虽然气体己 解吸，但还不能形成流线，仅仅阻碍水的流动，此阶 段为非饱和水阶段。排采继续进行，液面稳定下降， SI煤层气体开始大量解吸，进入两相流阶段，而Tl 煤层还未产气。此时，为使Tl煤层产气，达到SI 和Tl煤层分压合排的效果，必须继续降低被面，使 压力降到lTl煤层的临界解吸压力以下。但由于Tl 煤层直接顶板K2灰岩供液能力强，且随着液面不断 降低，煤储层压力和井底流压压差增大，煤层气井产 水量增大。若按照前期的排采强度进行排采，液面将 很难下降，Tl煤层将无法产气；若增大排采强度， 可使液面降低，达到Tl煤层的临界解吸压力以下， 但势必使SI煤层的气产量上升太快，引起吐砂、吐 粉事故，最终堵塞SI煤层的裂隙通道，采收率严重 下降，最终失去分压合排的意义。 综合考虑上述因素，笔者认为虽然吴堡矿区别、 Tl煤层压力梯度和渗透率差别不大，但是其煤层顶 底板岩石特征和水文地质条件有明显差异，分压合排 过程中存在层间干扰，会影响分斥合排的效果。因此， 在现有技术条件下不适合对吴堡矿区Si、Tl煤层采 用分压合排技术。 3 现场排采效果 2007年，榆林榆神能源有限责任公司在吴堡矿 区施工煤层气生产试验井6口，均为直井，其中02、 05、ll、12井的排采方式为SI、Tl煤层分压合排， 10井为SI煤层单层排采，09井为Tl煤层单层排采。 6口井自2009年10月开始排采，累积排采约380d。 结果显示（图I），采用SI、Tl煤层分压合排的4口煤 层气井排采效果不好，甚至不如SI煤层单层排采的 效果其产气量小，平均日产气348.37旷；产水量 大，平均日产水68.93旷。同时，现场排采过程中发 现，单压单排SI煤层的煤层气井产水量小，液面容 易控制，产气稳定，效果好；而分压合排的煤层气井， 当上部的SI煤层产气后，进入SI煤层和Tl煤层合 排时，产水量大，液面难以控制，产气量很不稳定， 产气效果不好。这进一步验证了理论分析的可靠性。 200r 口-t丑j口产；）（ 1 I 000 半丑J口产气 824.63 160 800 王也、El 却 126.43 600 扩制捂飞 n r 00 459.23 400口 王J卡 4tl 179川1 [[Jll 2吉1 II o oJ00 02 05 II 12 10 09 井号 图l吴堡矿区煤层气井排采效果 Fig. I Drainage result of CBM wells in Wubu mining area 4结论 a.吴堡矿区SI、Tl煤层压力梯度和渗透率差别 不大，但其煤层顶底板岩石特征和水文地质条件有差 异，分压合排过程中存在层间干扰，会影响分压合排 的效果。因此，在现有技术条件下不适合对吴堡矿区 别、Tl煤层采用分压合排技术。 b.现场煤层气勘探试验井的排采效果显示，本 区SI、Tl煤层采用分压合排的4口煤层气井，其排 采效果均不好，未产生“＋I2”的产气效果，甚至不 如SI煤层单层排采的效果。这进一步验证了理论分 析的可靠性。 参考文献 川孟艳军，汤达祯，许浩，等煤层气开发中的层问矛盾问题 以柳林地区为例［巧煤阻地质与勘探，2013,413 29 33. [2］汪万红，郑玉柱，陕西省吴堡矿区煤层气井产层组合研究[JJ. 煤田地质与勘探，2012,405 31-33. 3］倪小明，苏现波，李广生．樊庄地区3＃和15＃煤层合层排采的 可行性研究［J］.天然气地球科学，2010,211 144一149. 4］高春华，张鹏晖，张俊峰，等．吴堡矿区首采地段水文地质特 1正及矿床充水条件分析（J］.中国煤炭地质，2010,225 36-44 ChaoXing