寺河西区煤层气垂直井分层压裂合层排采的研究

武玺（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048204）

寺河西区煤层气垂直井分层压裂合层排采的研究

武玺
（山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城048204）

结合沁水盆地晋城寺河矿区潘庄区块的煤层气勘探开发经验，得出在煤层顶底板围岩性质、煤储层供液能力差异、压力梯度、煤层间隔距离、原始渗透率及压裂后渗透率等因素在符合特定条件的情况下，3号煤层与15号煤层本身的供液能力是衡量某一个具体区块进行合层排采的可行性的主要因素。合层排采的最适宜时期为15号煤层的补给或者径流区在与3号煤层内部的滞流区发生重叠的时期；合层排采的不适宜时期为15号煤层内部的滞流区与3号煤层内部的径流区和滞流区发生重叠的时期。

分层压裂；合层排采；垂直井

沁水盆地是我国目前实现局部大规模煤层气开发的主要地区。在山西省沁水盆地南部的煤层多层分布区域进行煤层气抽采，煤层气垂直井分层压裂合层排采的勘探开发方案是提高单口井产量、延长气井寿命，降低煤层气基础建设成本和经济效益最大化的有效应对方案。区内稳定发育的主要煤层有3号煤层、9号煤层和15号煤层，其中3号和15号煤层最稳定。寺河西区已完成的煤层气井组中，多数都钻开3号和15号两个主力煤层，主要有4种排采组合方式：3号煤层和15号煤层合层排采；单独排采3号煤层；单独排采15号煤层；先单独排采3号煤层，后单独排采15号煤层。

根据潘庄区块多年以来压裂施工和排采试验所取得的宝贵经验，煤层气生产垂直井的压裂改造宜采用套管完井-射孔-压裂的技术方案，以及先压裂15号煤层再压裂3号煤层的施工方案。在煤层间距小于60 m时，两个压裂目的煤层可以合层压裂；在煤层间距大于60 m以上时，需要对煤层进行分层压裂，即对下部煤层压裂后填砂再重复施工程序进行二次压裂。井网呈片状批量投入运行进行片化、区块化整体抽排。

合层排采的对象为寺河西区的3号煤层与15号煤层，传递压力的速率属于实施排采时对气体产生速率最大的影响因素，其对合层排采的可行性具有很大的影响。影响合层排采的主要因素有：煤储层的储层渗透率及其压力梯度；3号煤层与15号煤层的上下围岩的岩性特点；水力压裂后的渗透率；地下水的流动特征。

1　寺河西区3号煤层和15号煤层储层压力梯度的主要特征

在分析开发资料的基础上得到此区块一些煤层气井中的储层具体压力梯度，潘庄地区部分煤层气垂直井储层主要参数，如表1所示。

表1　潘庄地区部分煤层气垂直井储层主要参数

从表1可知，3号与15号煤层具有相近的储层压力梯度，不改变其他条件，就不会过多影响合层排采。因此，从储层压力梯度角度考虑，该区较适合合层排采。

2　寺河西区3号煤层和15号煤层顶底板岩性

与煤层的实际抗张强度相比较，岩性的实际抗张强度多于其5倍数值；15号煤层的具体顶板抗张强度多于煤层的实际抗张强度的5倍数值，其具体底板的抗张强度基本上与煤层的实际抗张强度的3倍数值相等。通过多次的现场试验可知，在底板岩性的实际抗张强度多于5倍煤层的实际抗张强度的时候，水力压裂对于上围岩与下围岩的约束难以克服与打破[1-3]。但由于有些顶底板泥岩或炭质泥岩较薄，在进行压裂时，可能突破上下泥岩的限制。

为了解煤层顶底板岩性对煤层气抽采的具体影响，选取两口煤层气井钻井资料进行分析。

根据表2、表3可知，SY-1井的3号煤层顶板为泥岩，厚度2.37 m，含水性弱，渗透性差，隔水性良好；3号煤层底板为泥岩，厚度0.99 m，含水性弱，渗透性差，隔水性良好；15号煤层的伪顶板为泥岩，厚度1 m，含水性弱，渗透性差，直接顶板为石灰岩，厚度9.63 m，含水性中，渗透性中，隔水性较差；15号煤层底板为铝土泥岩，含水性弱，渗透性差，隔水性良好。SY-2井的3号煤层顶板为砂质泥岩，厚度0.68 m，含水性弱，渗透性差，隔水性良好；3号煤层底板为砂质泥岩，厚度1.59 m，含水性弱，渗透性差，隔水性良好；15号煤层顶板为泥岩，厚度1.04 m，含水性弱，渗透性中，隔水性较差；15号煤层底板为泥岩，厚度3.57 m，含水性弱，渗透性差，隔水性良好。

表2　SY-1井主要煤层及顶板、底板解释分析表

表3　SY-2井主要煤层及顶板、底板解释分析表

排采初期，SY-1井和SY-2井皆采用了分层压裂合层排采方式进行排采生产，SY-1井在合层排采期间，排水量达到了70 m3/d，产气量0 m3/d，液面无法下降；SY-2井合层排采期间，排水量仅为5 m3/d，产气量5 000 m3/d。由于SY-1的15号煤层顶板隔水性差，导致顶板水大量涌入排采井筒，所以该井不适合合层排采。由于SY-1井的15号煤层直接顶为石灰岩、含水量较大且隔水性较差，对SY-1井的排采产生了极大的层间干扰。针对这种情况，对SY-1井的15号煤层进行了封堵，封堵结束后，SY-1井液面得到了较快下降，产水量降为1 m3/d，产气量2 500 m3/d～4 000 m3/d。SY-2由于3号煤和15号煤的顶底板围岩隔水性良好适合合层排采。

综合上述实验可以印证，由于有些煤层气井煤层顶底板泥岩或炭质泥岩较薄，在进行压裂时，就有可能突破上下泥岩的限制，从而与石灰岩沟通，并对排采液面产生严重的层间干扰，造成液面无法下降，导致煤层气井无法产气。

3　3号煤层和15号煤层原始储层渗透率和水力压裂后渗透率

表4、表5分别是研究区部分煤层井3号煤层和15号煤层原始储层渗透率测试一览表和水力压裂后渗透率一览表。

表4　研究区部分煤层气井3号煤层和15号煤层原始储层渗透率测试一览表

表5　研究区部分煤层气井水力压裂后渗透率测试一览表

由表4和表5可知，基本能够在相同的数量级别基础上对煤的水力压裂以后及最初储层的渗透率进行分析，在具体实施合层排采的时候，传播压力的速率不会受到渗透率的太多影响。只是在具体分析水力压裂以后的实际渗透率大小的基础上可以判断，此区块满足合层排采条件，合层排采的操作具有可行性。

4　寺河西区3号煤层和15号煤层地下水的流动特征

在进行排采时，水流体系肯定会受到一些扰动，从而改变排水解吸降压的最终结果。传递压力的速率也取决于排采井受到的地下水的补给强度，所以此因素具有关键的作用。在研究地下水自身动力原理的基础上得出：总水头=压力头+高程头。高程头即为海平面与驱动流体发生运动的实际压力头之间的垂直距离，能够通过对煤层底板进行标高的方式获得。根据试井资料分析获得的储层压力计算出压力头的具体数值，经过分析后得出两个煤层地下水流势基本相同。

在对寺河西区的3号煤层以及15号煤层能否有效实施合层排采的可行性进行探索时，应该认真研究煤层气井实施排采的全部阶段，即饱和水单相流、非饱和水以及两相流3个阶段。以下就在研究此3个阶段的基础上，结合生产实验数据，对潘庄区块3号煤层以及15号煤层能否有效实施合层排采进行探索。

在3号煤层和15号煤层均处于径流区时，在合层排采实施的过程中，首先步入两相流时期的即为3号煤层，其地表层的液体供应水平不断下降，也就是水相的具体相对渗透率下降较多。如果这时排采还按照以前的强度，那么液面就可能会下降，并下降至低于15号煤层的实际临界解吸压力，然而，这样就一定会造成3号煤层在极短时间内产生过多气体，导致吐粉或吐砂现象，从而使其裂隙通道受阻，降低采收率；假如此时减少排采的强度，那么吐粉或吐砂现象不会发生，然而却较难降低液面，从而导致合层排采的操作无意义。所以，对于合层排采而言，这些地区并不合适此操作的实施。

在中部的较大部分的研究地区内，滞流区即为3号煤层，其具有很强的液体供应能力。径流区为15号煤层，其具有很弱的液体供应能力。在此区域内实施合层排采，步入两相流时期以后，3号煤层就会在极短时间内较多的降低其液体供应能力，而这时15号煤层还在饱和水时期，具有很弱的液体供应能力。所以，如采用合适的排采强度，不但能够保证液面比较平稳的降低，同时也不会较多地破坏3号煤层的储层与生产气体的总量。所以，对于合层排采而言，此地区比较合适实施合层排采操作。

在实施研究的全部区域的东下部地区中的3号煤层径流区与15号煤层滞流区重合时，一般情况下，15号煤层地层供液能力比3号煤层强，但其临界解吸压力与储层压力之间差值比3号煤层差值大，这就会造成3号煤层先解吸，解吸后15号煤层液面将降低困难。该区域不适合合层排采。

寺河西区3号煤层和15号煤层地层供液能力、临界解吸压力与储层压力差值等的差距较小，结合现场的生产数据进行综合分析，寺河西区大部分区域适合合层排采，合层排采的煤层气井产气量比单排3号煤层的气井产气量多1 500 m3/d～2 000 m3/d，比单排15号煤层的气井产气量多2 500 m3/d～3 000 m3/d。但在少部分地区，由于围岩的封闭性差或者3号煤层滞流区与15号煤层滞流区重叠，导致排采时降液困难，3号煤层很难解吸，产水量巨大而无法产气，在封闭15号煤层后反而会有极大改善。因此，合层排采的选择需要根据地质资料和现场钻井数据详加判断，需要对每一小块区域进行分析判断方能抉择，具有一定的风险。

5　结束语

结合沁水盆地晋城寺河矿西区的煤层气勘探开发经验，得出在煤层顶底板围岩性质、煤储层供液能力差异、压力梯度、煤层间隔距离、原始渗透率及压裂后渗透率等因素在符合特定条件的情况下，3号煤层与15号煤层本身的供液能力是衡量某一个具体区块进行合层排采的可行性的主要因素，得出结论为：a.合层排采的最适宜时期即为15号煤层的补给或者径流区在与3号煤层内部的滞流区发生重叠的时期。b.合层排采的不适宜时期即为15号煤层内部的滞流区与3号煤层内部的径流区和滞流区发生重叠的时期。

[1]倪小明，苏现波，李广生.樊庄地区3号和15号煤层合层排采的可行性研究[J].天然气地球科学，2010，21（1）：144-169.

[2]苏现波，陈江峰，孙俊民，等.煤层气地质学与勘探开发[M].北京：科学出版社，2001.

[3]姚宇平，周世宁.含瓦斯煤的力学性质[J].中国矿业大学学报，1988（1）：1-7.

（编辑：武晓平）

Design of Separate Layer Fracturing and Combined Layer Discharge and Mining in CBM Vertical Well in Sihe Mine

WU Xi
（Shanxi Lanyan Coalbed Methane Co.，Ltd.，Jincheng 048204，China）

Based on the exploration and development of coalbed methane（CBM）in Panzhuang Section of Sihe Mine of Qinshui Basin，the study concludes the surrounding rock features of coal seam roof-floor，difference of fluid supply capacity，pressure gradient，distance between seams，original permeability，permeability after fracturing，and other factors of coal reservoir.In accord with certain conditions，the fluid supply capacity of No.3 and No.15 seam is one of major factors to evaluate the feasibility of discharge and mining of combined layers in a specific section.It is most suitable for the combined layer discharge and mining when the supply or runoff area of No.15 seam overlaps with the stagnant area of No.3 seam.But it is not suitable when the stagnant area of No.15 seam overlaps with the supply or runoff area of No.3 seam.

fracturing of separate layers；discharge and mining of combined layers；vertical well

TD84

A

1672-5050（2016）02-0075-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.024

2015-12-23

武玺（1983-），男，山西晋城人，工程硕士，助理工程师，从事煤层气地面开发工作。