山西省寿阳区块南燕竹采气区煤层气井产水分异特征分析

摘要：为研究寿阳区块南燕竹采气区产水分异原因，对采气区15#煤构造特征、水动力条件及压裂特征进行了分析。研究发现南燕竹采气区受构造条件及区域水动力条件的影响，地层水由北部构造及水头相对高点向南部流动，在南部形成地层水的“滞留区”，而煤岩本身低机械强度、高泊松比，加上区内构造煤的发育，导致压裂裂缝呈“工”型在顶底板处延展，这些压裂裂缝与天然裂缝沟通了顶底板附近的含水层，从而在空间上造成南部煤层气井产水量明显高于北部。针对采气区煤层气井产水分异及发育构造煤的特点，建议对南北煤层气井分区调整排采设备及措施，进行差异化排采以实现区域整体降压，同时采用小井眼侧钻技术，在15#煤层中进行多方位、多分支的侧向钻井，增加煤层有效裂缝的沟通范围，提高单井产气量。

关键词：南燕竹采气区；构造特征；水动力条件；压裂特征；差异化排采；小井眼侧钻

引言

煤层气井生产是排水降压的过程，开采前期主要产水，液面稳定连续地降低，煤层压力降到临界解吸压力以下，煤层气解吸、扩散、渗流，并运移至井筒产出[1，2]。地层水作为压力的载体，不仅对煤储层裂缝起到了支撑作用，同时也将压降传递至裂缝远端。然而在同一个区块，单井产气量往往与产水量呈负相关，煤层气井的排采以培育低产水高产气井为目标，井间产水量差异则是重点关注的内容[3]。笔者基于寿阳区块南燕竹采气区15#煤的构造条件、水动力特征以及压裂特征，对其与煤层气井产水量的关系进行了分析，并针对煤层气井产水分异及发育构造煤的特点，对排采工艺及增产措施提出了改进建议。

1 采气区概况

寿阳区块南燕竹采气区位于山西省晋中市境内，总体呈走向东西、向南倾斜的单斜构造，局部发育不同方向的次一级褶皱，煤层气勘探开发的主要目的层为太原组15#煤。截止2017年底，南燕竹采气区共64口井投入生产，单井连续排采19-1049天，平均743天。单井日均产水0.62-86.63m3/d，平均17.10m3/d。其中，采气区南部有20口连续排采600天以上的井日均产水突破20m3/d，液体产出量远远大于压裂注入量，表明该区域煤层气井的产水出现明显的外源补给，并在空间上产生了分异。

2 产水分异影响因素

2.1 褶皱构造

背斜构造由于其张力作用，裂隙较发育，煤储层中水的流动趋势类似于地下水流动的“补给区”。而向斜构造由于压实作用，裂隙不发育，在排水采气过程中，接受来自翼部储层中水的补给，排水强度最大，产水量高，压降漏斗却很小[4，5]。

南燕竹采气区15#煤整体呈向南西方向倾斜的单斜构造，采气区北部为长轴约1km的背斜，向南地层倾角变大。目前生产井主要分布在隆起背斜的核部及南翼，东南部煤层气井投产不足3个月。总体来看，日均产水量大于20m3/d的高产水井主要集中在背斜的南翼（图1），表明褶皱构造的相对高点处由于地势高且裂隙发育，不利于地层水的聚集、保存，即使接收含水层的补给，也没有形成地层水“滞留区”，而是向构造低点运移，从而造成煤层气井产水量在构造部位上的分异。

2.2 地层水动力

区域水动力条件对煤层水的产出起着重要作用[6，7]，采气区内15#煤试井渗透率在0.01mD以下，煤层水流动性较差，且煤层本身含水性低，故煤层气井的初始水头也反映了15#煤上覆含水层的水动力特征。将南燕竹采气区内煤层气井动液面深度（即液面与井口的距离），以海平面为基准面，换算出各井点初始水头及液柱高度：

（1）

式中：h-初始水头，m；GL-井口海拔，m；D0-井点初始动液面深度，m；H0-井点初始液柱高度，m；Z-煤层顶板埋深，m。

煤层气井初始水头北部高、南部低（图2），表明地层水呈现由北向南的流动趋势，而煤层气井初始液柱高度均在140m以上且南部液柱相对更高，表明该区域相对处于地层水聚集区。煤层气井的排采破坏了区域原始水动力场，排采初期由于煤层处于承压状态，产水差别不大，随着排采的进行，地层水经井筒排出地表的同时，也由采气区北部向南部流动，从而在空间上造成采气区南部煤层气井地层水补给量高于北部。

图1 南燕竹采气区15#煤底板构造图

图2 采气区煤层气井初始水头等值线图

2.3 压裂沟通含水层

南燕竹采气区周边煤矿的生产表明，本区域15#煤层本身含水性差，煤层气井通过井筒附近的天然裂缝及压裂裂缝，与顶板灰岩及砂岩含水层沟通，从而获得大量地层水的补给。

采气区15#压裂曲线以波浪形为主（图3），表明15#煤的裂缝形态复杂且延伸不长，主要以短而宽的裂缝形态为主，而这种裂缝的形成与煤层的力学性质有关[8-10]。煤岩抗张强度低，压裂时易破裂，而其相对较高泊松使得煤岩在压裂过程中易产生形变，支撑剂难以有效保持压裂裂缝的延展，因此煤岩更易形成短宽裂缝。此外，采气区15#煤形成过程中受构造作用影响明显，碎裂煤及碎粒煤非常发育，导致压裂过程中压裂液及支撑剂与煤粉混合堵塞天然裂缝，导致近井筒地带的憋压。煤层与顶底板的交界处存在一个弱面，弱面上下岩层的力学性质存在明显差异，将在层间形成较大的应力差，在弱面处造成一个低应力区[11，12]。压裂裂缝垂向延伸至弱面时，将沿弱面处的低应力区延伸，形成“工”型缝（图4），最终可能与顶底板附近含水层（灰岩岩溶裂隙水、砂岩裂隙水）沟通，而煤储层中有效裂缝减少。

图3 ZL-051井压裂施工曲线 图4 “工”型压裂裂缝示意图

3 生产建议

目前采气区北部煤层气井已进入产气阶段，而南部煤层气井尚未开始产气，南北煤层气井的产水差异导致煤层气井难以形成大面積的解吸。为实现区块15#煤的整体压降，建议对采气井进行差异化排采及套管开窗侧钻，以提高煤层气井的产气能力。

3.1 差异化排采

目前南燕竹采气区煤层气井多采用“56mm管式泵+抽油机”，南部高产水井抽油机工作负荷较大。由于地层水由北部流向南部进入“滞留区”，加大南部煤层气井的排采强度，实际上也为北部煤层气井分担了排水降压的任务，因此南部产水量在20～40m3/d的井应更换70mm的管式泵，对产水量突破40m3/d的井则采用螺杆泵，增加南部煤层气井的排采强度。同时，对于北部动液面较低、产水量小的煤层气井，更换44或38mm的泵，并调低冲次，降低排采强度。通过排采强度差异化，使得单井的压降传递更远，从而最终形成区域整体降压。

3.2 小井眼侧钻

小井眼侧钻技术在常规油气开发应用广泛，可以解决储层近井筒污染、提高油气采收率[13，14]。针对南燕竹采气区构造煤发育的特点，为避免水力压裂造成压裂液、煤粉混合造成裂缝堵塞，可采用小井眼侧钻技术。在煤层气15#煤顶板处套管开窗后，对15#煤进行多方位、多分支、单支80-100m的水力喷射钻井，这些小井眼作为“主裂缝”，与煤储层中的天然裂隙联通，形成大面积裂缝系统，可大大增加煤层中有效裂缝的沟通范围，有助于在煤层排水降压过程形成大面积的解吸，进而提高单井产气量。

4 结论

1）南燕竹采气区15#煤北部为背斜核部，向南地层倾角变大，而且煤层气井初始水头北部高、南部低，因此地层水由北向南的流动，在采气区南部形成地层水“滞留区”，地层水在空间上产生分异。

2）采气区15#煤中碎裂煤及碎粒煤等构造煤非常发育，加上煤岩低机械强度、高泊松比，压裂裂缝呈“工”型集中在近井筒地带，煤层中有效裂缝少，这些压裂裂缝沟通了顶底板附近的含水层，造成采气区北部煤层气井产水量明显低于南部。

3）针对采气区南北部煤层气井产能的差异，建议对泵型进行更换，加大南部高产水井的排采强度的同时，降低北部煤层气井的排采强度，通过差异化排采，实现区域整体降压。同时，利用小井眼侧钻技术，在15#煤层中进行多方位、多分支的侧向钻井，增加煤层有效裂缝的沟通范围，提高单井产气量。

参考文献：

[1]刘新福，綦耀光，胡爱梅，等.单相水流动煤层气井流入动态分析[J].岩石力学与工程学报.2011，30（5）：960-966.

[2]傅雪海，李升，于景邨，等.煤层气井排采过程中煤储层水系统的动态监测[J].煤炭学报.2014，39（1）：26-31.

[3]康永尚，陈晶，张兵，等.沁水盆地寿阳勘探区煤层气井排采水源层判识[J].煤炭学报.2016，41（9）：2263-2272.

[4]王力，胡秋萍，谭东领，等.煤层气排采井高产水原因分析[J].中国煤层气.2017，14（02）：13-16.

[5]刘世奇，桑树勋，Jingsheng M.A.，等.沁水盆地南部高阶煤储层气水产出过程分析[J].煤炭科学技术.2017，45（9）：1-6，24.

[6]叶建平，武强，王子和.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J].煤炭学报.2001，26（5）：459-462.

[7]刘洪林，李景明，王红岩，等.水动力对煤层气成藏的差异性研究[J].天然气工业.2006，26（3）：35-37.

[8]韩金轩，杨兆中，王会来，等.煤储层压裂液滤失计算模型[J]. 煤炭学报.2014（S2）：441-446.

[9]曲冠政，曲占庆，岳艳如.压裂施工曲线诊断方法[J].科学技术与工程.2013，13（5）：1281-1284，1288.

[10]陈添，汪志明，杨刚.煤岩T型缝压裂实验及压力曲线分析[J]. 特种油气藏.2013，20（3）：123-126.

[11]黄浩勇，韩忠英，王光磊，等.压裂中顶底板对缝高控制作用的数值模拟研究[J].科学技术与工程.2015，15（6）：181-184，209.

[12]周龙刚.煤层气井水力压裂对煤炭生产的影响-以晋城寺河矿为例[D].中国矿业大学，2014.

[13]欧阳勇，周文军，黄占盈，等.苏里格气田Ф139.7mm套管开窗侧钻水平井技术[C].中国四川成都：2017.

[14]沈园园，朱宽亮，王在明，等.南堡潜山油气藏小井眼开窗侧钻技术[J].石油钻采工艺.2016，38（05）：573-576.

作者簡介：胡奇（1988-），男，湖北省长阳县人，硕士。