煤层气井排采扰动下局部水动力场对排采的动态影响

2018-08-27张兆民史国平廉永彪

山东国土资源 2018年9期

张兆民，史国平，廉永彪

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东省煤炭资源数字化工程技术研究中心，山东济南 250100；2.山东省国土测绘院，山东济南 250102；3.山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250014)

0 引言

煤层受上覆地层载荷的作用，煤层气多处于承压的原生沉积水环境中。煤层气的形成、运移、富集以至于煤层气的资源评价、排采等各个方面都与地下水及区域水文地质条件密切相关[1-2]。

煤层表现为含水、弱含水和不含水等特性，煤层水处于一定封闭条件下的煤岩储层中，煤层水压力的高低直接体现了煤岩储层原始压力的高低[3]，在边缘地带近地表处可能会受地表淡水的影响，但原始状态下煤层水流动十分缓慢，一般为滞流状态，煤层气排采是对地下原始水动力场的扰动，在排采井周围形成局部水动力场。

我国某煤层气田在排采过程中煤层气井排采动态表现出复杂性和多样性，科学合理地解释复杂多样的排采动态，对于找出产气量、产水量等煤层气开采重要参数的变化规律，具有十分重要的意义。

1 排采扰动下局部水动力场的分类

煤层气储层压力的大小受大地构造位置、地质构造演化、初始地应力、水文地质条件、生气阶段、埋深、含气量等多种因素的影响。在开放的前提下，煤层气储层压力通常以压力水头与静水压力梯度之积来衡量，地下水水头高度是表征煤层气储层压力大小的最直接数据。一般来说水头越高，储层压力就会越大。煤层气储层压力的变化可导致吸附状态的煤层气解吸、运移、再富集。在煤系地层中，由于各个煤层与主要含水层间没有明显的水力联系，常常构成不同的水动力系统，煤层气储层压力主要由储层自身的直接充水含水层的水头高度来测量[4-5]。

煤层气产出过程表明，煤岩储层压力低于临界解吸压力是煤层气解吸产出的关键[6-7]，所以有效地降低煤岩储层压力对于煤层气的解析产出具有至关重要的作用。对于煤层气储层而言，有效地释放出煤层气储层中的水是降低煤层气储层压力从而促使煤层气解吸排出最直接有效的手段。

煤层气储层与周边围岩中含水层的不同组合关系，会对煤层气储层的排水降压产生不同的影响。按照煤层气储层与含水层(或隔水层)的组合关系可以分为3种不同情况：①煤层顶底板或其中之一为含水层，其间没有稳定的隔水层存在；②煤层的顶底板为隔水层，但断裂切割后可以沟通其上部或底部含水层的联系；③煤层的顶板和底板均为隔水层，上覆和下伏地层中的含水层在自然状态和煤层气开采时均不会与煤层联通。不同的组合类型在煤储层排水降压的过程中会对局部地下水动力条件产生不同的影响，形成不同的水动力场样式。而在局部地区煤储层出露于地表，地表淡水的补给也会对煤储层的排水降压产生影响，进而对局部地下水动力场产生影响。对于煤层顶底板或其中之一为含水层的情况，煤储层排水降压的过程中，从煤储层中排出的水会迅速被含水层中的水补充，从而使排出的水部分为无效排水，造成无效扰动，该文不再进行论述。

按照地下水的流动状态、区域构造发育状态、煤储层的排水降压过程并结合煤储层与含水层(隔水层)的组合关系综合进行分析，煤层气储层排水降压过程中将出现以下3种局部水动力场样式：一是有效扰动型局部水动力场；二是含水层水入侵型局部水动力场；三是地表淡水入侵型局部水动力场。

1.1 有效扰动型局部水动力场

当煤层的顶底板均为隔水层，其上覆和下伏地层之中的含水层在自然状态下和煤层气排采过程中均不会与煤储层沟通时，则煤层气井排出的水全部为煤层之中的水，称之为有效排水。在这种情况下，煤层水的排出会对原始地下水动力场产生有效的扰动，在地下形成压降漏斗，并形成新的地下水动力场，称之为有效扰动型局部水动力场(图1)。

煤层气储层的压力随着煤层中水的不断排出逐渐下降，当煤储层的压力低于煤层气的临界解吸压力时，煤层气就会从煤层中解吸出来。由于有效扰动型局部水动力场排出的水全部为煤层之中的水即为有效排水，因此在这种局部地下水动力场中最有利于降低煤储层中的储层压力，最有利于煤层气发生解吸排出。

图1 有效扰动型排水示意图

1.2 含水层水入侵型局部水动力场

在煤系形成以后长期地质历史时期中，由于复杂的构造活动影响，煤系地层及其围岩的地质条件往往会发生一系列变化。在构造活动中所产生的不同的地质条件对局部地下水动力场的形成会产生较大的影响，进而影响煤层气的解吸。其中影响较大的情况主要有断层和含水层天窗2种。当含水层天窗或断层均具有导水性，能沟通含水层与煤层气储层时，在煤层气钻井排水降压过程中会形成含水层水入侵型局部水动力场(图2)。

对于导水断层而言，地下水所携带煤储层中气体也可能会随着地下水运动至断层处而逸散。对于具有不导水断裂构造的地区，地下水多以静水压力和重力驱动的方式流动，在地层深部地区，通过地下水压力传递作用，使煤层气吸附于煤层中，从而形成煤层气相对富集区，煤层气含量较高[7-10]。

图2 含水层水入侵型排水示意图

1.3 地表淡水入侵型局部水动力场

对于单斜或者不对称的向斜，当存在一定的压力差时，煤层气会从高压力区向低压力区进行渗流，致使压力降低从而煤层气发生解吸，这也是煤层露头及浅部成为煤层气逸散带的原因。但在浅部及煤储层露头地区，煤层气储层及含水层的割理、裂隙通常发育较好，地表淡水和大气降水可能会沿着这些裂隙与割理侵入煤层和含水层。入侵的淡水会影响煤储层及含水层中的水动力条件，对原始的地下水动力场造成扰动。由于地表淡水的补给，煤储层及含水层中地下水顺层会由浅部向深部运动，这时煤储层中向上扩散的气体会被封堵，煤层气将在局部地区聚集[11]。在对煤储层进行排水降压时，从煤储层中排出的水会与地表补给的淡水在地下某一地区达到动态平衡，从而使排出的水部分为无效排水，并不会降低煤储层中的压力。此时排水降压所形成的局部地下水动力场称之为地表淡水入侵型局部水动力场(图3)。

图3 地表淡水入侵型排水示意图

2 局部水动力场对排采动态的控制作用分析

该文以位于沉积盆地边缘地带的某煤层气田为研究对象，主要的煤层气生产层位有1#煤、2#煤和3#煤三层，结合该煤层气田在排采过程中煤层气井排采动态特征，具体分析以上3种水动力场对煤层气井排采动态的控制作用。

2.1 有效扰动型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用

该文选取某煤层气田5口位于有效扰动局部水动力场的生产井，来分析有效扰动型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用[12-13]。5口典型井位置见图4。其中1，3号井生产层位为1#，2#号煤层，2,4,5号井生产层位为1#,2#,3#号煤层。

图4 有效扰动型局部水动力场典型井位图

根据区域地质条件调查研究，5口井所在地区构造活动相对较弱，地质条件比较简单，生产层位距区内主要的含水层较远，无断层、构造天窗沟通煤层与含水层以及边浅部淡水补给的情况，在煤层气的排采过程所形成的水动力场为有效扰动型局部水动力场。

5口生产井的初始见气时间、初始累计产水量以及稳定产气后典型日产水量的情况见表1。5口井平均见气时间为11.6天，平均累计产水量18.196m3，平均典型日产水量4.08m3。由此可知：生产井的初始见气时间较早，初始累计产水量和稳定产气后典型日产水量均较少。这说明，在有效扰动型局部水动力场的影响下，地下水的水动力条件较弱，流动性较差，煤层气井排出的水为有效排水，因此煤储层压力降低至临界解吸压力所用时间短，初始见气时间短，在见气后的稳定生产阶段生产井的典型日产水量也较少。

表1 有效扰动型局部水动力场典型井统计

注：初始见气时间为从煤层气井开抽后到出现15d以上较连续产气量之前的单一排水阶段的延续时间；初始累计产水量为从煤层气井开抽后到初始见气时间之间煤层气井的累计产水量；典型日产水量为煤层气井在气水同产阶段动液面较稳定期间的平均日产水量。

2.2 含水层水入侵型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用

选取我国中部某煤层气田中的2口位于含水层水入侵型局部水动力场的生产井来分析含水层水入侵型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用[14-15]。

2口典型井位置见图5。其中6号井生产层位初期为2#,3#号煤层;后期改为1#,2#号煤层;7号井生产层位初期为3#号煤层;后期改为1#,2#号煤层。

根据区域地质条件的调查研究可知，这2口井所在的地区构造较发育，受断层作用的影响，且3#煤层与下伏灰岩含水层相距较近，可能会在局部滑动构造作用下形成沟通灰岩含水层与3#煤层的构造天窗，在煤层气的排采过程中所形成的水动力场为含水层水入侵型局部水动力场。

图5 含水层水入侵型局部水动力场典型井位图

2口生产井的初始见气时间、初始累计产水量以及稳定产气后典型日产水量的情况见表2。2口井平均见气时间为406d，平均累计产水量3071.59m3，平均典型日产水量12.5m3。由此可知，生产井的初始见气时间长、初始累计产水量大，在改变生产层位之前稳定产气后典型日产水量也相对较多，但是当改变生产层位，封掉3#煤后，稳定产气后典型日产水量明显减少。这表明，在含水层水入侵型局部水动力场的影响下，地下水的水动力条件较强，流动性较好，煤层气井排出的水有一部分为含水层中的水，即无效排水，因此储层压力降低至煤层气的临界解吸压力所用时间较长，见气前排出的水量多，煤层气发生解吸作用较晚，初始见气时间长，在见气后的稳定生产阶段生产井的典型日产水量也较多，而当阻断含水层水补给煤层水的通道后，再次达到稳定生产阶段后生产井的典型日产水量较改变层位前明显减少。

表2 含水层水入侵型局部水动力场典型井统计

2.3 地表淡水入侵型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用

选取我国中部某煤层气田中的3口位于地表淡水入侵型局部水动力场的生产井来分析地表淡水入侵型局部水动力场对煤层气井排采动态的控制作用。3口生产井位置见图6，其中3口井的生产层位均为1#、2#号煤层。

图6 地表淡水入侵型局部水动力场典型井位图

根据区域地质条件的调查研究可知[16-19]，这3口井所在的地区构造活动相对较弱，地质条件比较简单，生产层位距区内主要的含水层较远，无断层、构造天窗沟通煤层与含水层的情况，但是从区域上来看，这3口井位于研究区内的主要汇水部位，而且煤层水水头相对较低，较容易发生大气降水及地表水补给煤层水的现象，在煤层气的排采过程中所形成的水动力场为地表淡水入侵型局部水动力场。

3口典型井的初始见气时间、初始累计产水量以及稳定产气后典型日产水量的情况见表3。3口井平均见气时间为151d，平均累计产水量401m3，平均典型日产水量10m3。由此可知：3口生产井的初始见气时间较长、初始累计产水量和稳定产气后典型日产水量较大。这说明，在地表淡水入侵型局部水动力场的影响下，地下水的水动力条件较强，流动性较好，煤层气井排出的水既有有效排水又有无效排水，因此储层压力降低至煤层气的临界解吸压力所用时间较长，见气前排出的水量相对多，煤层气发生解吸作用较晚，初始见气时间长，在见气后的稳定生产阶段生产井的典型日产水量也较多。