沁水盆地樊庄区块煤层气直井产能的地质控制机理研究

康志军

(山西省矿山调查测量队，山西 030027)

沁水盆地樊庄区块煤层气直井产能的地质控制机理研究

康志军

(山西省矿山调查测量队，山西 030027)

煤层气产能受地质条件及开采方式的影响，与煤储层渗透率、地下水流体势等因素有很大的相关性，煤的非均质性、含气性等因素导致煤层气产能区域差异十分明显。相邻煤层气井井控范围的重叠和联通对煤层气井产能的影响也较为突出。本文通过分析研究区的地质条件及生产特征，研究了监测区渗透率与地下水流体势、煤层气井产能与关键地质因素的关系，总结了关键地质因素对煤层气直井产能的控制机理。

煤层气 直井 地质控制机理

1 研究区地质条件与生产特征

1.1 地质条件

樊庄区块山西组含1～4号煤层，煤层气开发的主要煤层是3号煤层，3号煤层大部埋深介于500～700m之间，煤厚介于6～7m之间，原煤水分平均为1.11%。该区块位于寺头断层东侧，3号煤层褶曲轴向和断层走向呈现NNE向分布，受多期构造作用影像，次一级褶曲发育且方向多变，断层不发育，褶曲主要在NE和NW两个方向发育，集中于15°～45°和320°～338°，为两翼倾角较缓和的宽缓褶曲。野外观测可见数条正断层，但规模像对较小，露头区的节理构造现象较为明显，特别在距离构造转折端的部位节理密度明显加大且延伸较长。樊庄区块西部的寺头断层是明显的水文地质边界，该断层是导水、导气能力极差的封闭断裂。樊庄区块西北部地区是该区域地下水补给的主要来源地，水等势面总体呈现北高南低，东南最低的特点，区域内有多个“低洼”的汇水中心，良好的水力封闭为煤层气的富集创造了有利的条件。

1.2 生产特征

樊庄区块煤层气采用水力压裂直井原位开采，研究区可供分析的煤层气直井114口，井距300m左右，最大井距438m，最小井距234m，所有直井全部进行了水力压裂，12口井压裂过程出现故障，未完成压裂施工。

研究区煤层气井主要分为三个生产阶段，即水降压阶段、稳定生产阶段、产量下降阶段。

依据114口井的采排资料，主要依据平均产气量将该区域煤层气井划分为高、中、低产气井及产水井四种类型，其中高、中产气井称为Ⅰ类井，低产气井、产水井称为Ⅱ类井。各类井占比比例如图1所示。

图1 煤层气生产井产能分类表

2 煤层气直井产能的地质控制理论

煤层气井的产能受到煤储层地质条件、煤的非均质性、煤含气性能因素的影响，导致煤层气产能的区域差异较大。在同一区块，相邻煤层气井往往具有重叠的生产控制范围，相同的水动力系统，类似的煤储层渗透率、含气量、煤层结构、埋深等地质因素。通过研究地质因素对煤层气产能的控制原理，不但可以优化煤层气生产流程，提高资源利用效率，而且可以为煤层气生产理论提供技术依据。本文主要根据樊庄区块北部重点监测区域16口井的地质、排采资料研究煤层气产能的地质控制理论。

2.1 关键地质影响因素

地下水流体势与煤储层渗透率是影响直井产能的两个关键地质因素。研究区地下水流动性较弱，属于滞留型，区外地下水对产能的影响较弱，但相邻井筒间地下水流动性较为明显，地下水流体势对产能的影响较为突出；渗透率与煤层气井产能通常表现为正相关性，但受水动力条件的影响有时也表现为负相关。

2.1.1 监测区渗透率与地下水流体势基本特征

监测区煤储层渗透率表现为南低北高，北部顶板高程较低，受紧闭向斜发育影响，过渡结构煤层较为发育，煤储层渗透率较高。渗透率较高的区域地下水流体势较低，反之地下水流体势较高，表现出明显的负相关性。图2中ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK7、ZK8、ZK10属于I类井，ZK6、ZK9、ZK11、ZK12、ZK13、ZK14、ZK15、ZK16属于类Ⅱ井。

图2 渗透率与地下水流体势对比图

2.1.2 煤层气井产能特征及关键地质影响因素

I类井排水时间在150～200d左右，随着排水时间的延长产气量上升较快并稳定在500m3/d以上，在采排机制不变的条件下产水量迅速下降并始终维持在2m3/d以下，该区域地下水位高度普遍在680m以下，渗透率普遍大于5×10-3μm2。II类排水时间一般排水时间大于200d，产气量不稳定且普遍小于500m3/d，平均日排水量普遍维持在2m3/d以上，该区域地下水位高度普遍在680m以上，渗透率普遍小于5×10-3μm2。通过检验水中NaHCO3、NaCl的含量可以发现，排水主要以煤层水为主，岩层水含量较低，未发现明显的越流补给。

产水阶段地下水流体势低的区域地下水补给充分，排水时间较长，渗透率较高的区域有利于煤层水向井筒流动，提高了产水量，延长了排水时间；产气阶段排采效率直接受产水阶段排水降压效果的影响；排水降压效果则由地下水流体势与煤储层渗透率共同控制。不论是产水阶段还是产气阶段，排水时间和排水量与地下水流体势成负反比，与渗透率成正比，两者同时影响到排水降压效果，排水降压效果好的区域气体的解析与运移效率较高，产气量较大。

2.2 关键地质控制机理

综合以上研究可知，渗透率和地下水流体势综合影响产水阶段的排水降压效果，排水降压效果通过影响产气阶段的日产水量和产气量。

2.2.1 产水阶段的关键地质控制机理

在产水阶段相邻井筒间未联通，地下水单向流动，排水总体受原始地下水流体势的影响。地下水流体势低的区域，处于“低洼”处的井筒煤层含水量高且水源补给充足，导致排水时间较长，排水降压困难；地下水流体势高的区域，处于“凸起”处的井筒煤层含水量较低且水源补给较少，有利于排水降压，排水时间较短。同时地下水流体势与煤储层渗透率(图2)表现出明显的负相关性，进一步增大了排水时间与产水量之间的差异。

2.2.2 排水降压效果在产气阶段的控制机理

产气阶段煤储层以两相(气、水)流动为主，流体的流动性与流体的相对渗透率有关，流体饱和度越高，相对渗透率越高。处于“凸起”处的井筒，随着排水量的增加，周边含水量逐步降低，压力下降速率较快，随着解吸量的增加，煤储层含气饱和度快速上升，气相相对渗透率增大，对水相相对渗透率起到明显的抑制总用，有利于煤层气的采出。处于“低洼”处的井筒，周边煤层水的补给较为充分，导致煤层裂隙中水相流动十分明显，有利于煤层水的流动，煤储层压力释放较为困难，不利于煤层气的采出。

2.2.3 水、气分异对产能的影响

当煤层气井之间逐渐联通，相邻井间煤层气井泄流半径内含气饱和度不同，就会出现水、气分异现象，同时加剧井筒间的产能差异。两相流体的密度差异造成流体的分层，毛管力和贾敏效应促进流体的的相对流动。在该情况下，煤层水流向水相饱和度较高的区域，煤层气流向气相饱和度较高的区域，同时受重力影响水向下运动，气向上运动。在煤层气开采前裂隙中的水一般处于饱和状态，由于各井排水降压效果不同，引起各井泄流半径存在明显差异，当井间联通后含水饱和度差异导致水、气分异现象加剧，进一步增大了煤层气井产水量、产气量的差异。

2.2.4 其他地质控制

地下水流体势和煤储层渗透率是影响煤层气直井产能的两个关键地质因素，其他地质控制因素有临储压力比、煤储层含气量、埋深、煤体结构、构造特征等地质因素也影响到煤层气直井的产量。

临储压力比越大，表示煤储层压力只要有少量下降即有煤层气释放，煤储层压力比小则压力的降幅较大；含气量大有利于气井获得稳定上升的产量，含气量对产水量时间和产水量没有影响；埋深对产气量表现出明显的负相关，埋深越大产气量越小，但是在埋深小于500m的区块煤层气产量一般较小；煤体结构通过影响煤储层渗透率进而影响煤层气产量，当煤层处于弹性、弹塑性阶段时，煤体裂隙得到扩展，渗透率越大，处于破裂面破坏阶段时，煤体变形严重，割理消失，渗透率下降；区域地质构造的影响主要表现为褶曲构造对渗透率和煤储层含气性的影响、水文地质条件对排水的影响等。

3 小结

煤层气表现出明显的非均质性和含气性差异，同时煤储层的地质条件差异较大，工程条件不同，致使煤层气井产能差异十分明显，相邻煤层气井的水文动力系统、井控区的重叠范围等因素在开采中都会相互影响。本文通过分析研究区的地质条件及生成特征，研究了监测区渗透率与地下水流体势、煤层气井产能与关键地质因素的关系，总结了关键地质因素对煤层气直井产能的控制机理。

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(责任编辑 桑逢云)

Study on Geological Control Mechanism of CBM Vertical Well Productivity in FanZhuang Block of Qinshui Basin

KANG Zhijun

(Shanxi Provincial Mine Survey and Measurement Team, Shanxi 030027)

The CBM productivity is affected by the geological conditions and mining method, and has a large relevance to the permeability of coal reservoirs and the fluid potential of groundwater. The regional differences of CBM productivity are very significant because of some factors such as coal heterogeneity and gas-bearing property. In addition, the control ranges overlap and connection of adjacent CBM wells also have outstanding effects on CBM productivity. This paper analyzes the geological conditions and production characteristics in the study area, and studies the relation of the key geological factors with the permeability, fluid potential of groundwater and CBM well productivity in the monitoring region. Finally, the control mechanisms of CBM vertical well productivity by key geological factors are summarized.Keywords:CBM; vertical well; geological control mechanism

康志军，男，工程师，硕士研究生，现在从事地质勘查工作。