煤层气井高产水对排采产气的影响及改进方案研究

陈瑞杰

（山西潞安金源煤层气开发有限责任公司，山西 长治 046200）

高河井田属于山西潞安集团，主采煤层为 3#、15#煤层。在主采3#煤层气井的过程当中，50多口排采井中有1/2因排采产水量高，导致排采产气效果不佳。因此，潞安集团安排金源煤层气开发公司来对高河井高产水的主要影响因素及相关的改进方案进行研究。

1 项目概况

高河井田3#煤层含气量南北有别，东西不同。西部含气量大于12m3/t，中部 8～12m3/t，东部小于8m3/t。从南到北由10～6m3/t，呈现逐渐降低趋势。高河井田3号煤层厚5.15～8.44m，平均厚6.71m，煤层厚度条件总体上比较好。整体上来讲，高河井煤层气资源是比较丰富的，市场开发潜力和价值都非常巨大。从当前高河井的煤层气开采情况来看，探井和试采井的排采产水量都非常之高，造成整个液面的下降困难，作业频繁，排采产气效果不佳。另外还会造成井底压力高，开采设备维修频繁，影响了开采工作的进行。需要对影响高河井产水的主要因素进行分析，并配套建立相应的改进方案，控制高产水井的数量，同时降低单井平均产水量。

2 煤层气井高产水对排采产气的影响

2.1 煤层气排采的过程原理

煤层气排采的过程原理主要是：解吸→扩散→渗流。从煤的内表面进行解吸，通过基质和微空隙进行扩散，在天然裂缝网络中进行流动。其生产过程主要是通过图1所示的三个阶段。

图1 煤层气排采过程原理示意图

如图1中所示，排水降压阶段，主要是进行产水，通过数天时间后，气体饱和度增加，井口开始进行产气；稳定生产阶段为高峰产气阶段，产水量减少；第三阶段，排水作业继续，产气量下降。从生产过程可以看到，排水是煤层气排采的关键环节，高产水会影响到煤层气井的排采效率。

2.2 高河井煤层气排采情况分析

从2012年1月至2016年1月，对高河井煤层气排采产气的相关数据资料统计分析，可以得到下面的结论。其高产水煤层气井的标准为，单井平均日产水量6.5m3，单井日产水量超过40m3。具体特点：第一，平均日降液速度小于lm/d，高产水造成降液困难，没有办法实现对煤层的排水降压的目标，煤层气解吸效果比较差。第二，修井检泵作业频繁，达到了2.5月/次，同时这也造成了管柱磨损严重，设备维修频繁。第三，产气效果小于300m3/d，这严重降低了生产产气效果。因此有必要对高产水的地质因素进行分析，并采取相应的改进方案。

3 高河煤层气井高产水的主控因素

3.1 水文地质因素

高河煤层的直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层，顶板砂岩厚度在0.00～20.10m，平均5.86m，因为岩性主要是中粒砂岩、细粒砂岩为主，造成了其水文地质条件比较复杂。井田北部因断层、陷落柱的存在，使得含水层之间进行了导通联系。围岩含水层是其主要的水来源，导致高河煤层本身的含水性较弱。区块由东向西构成供水→径流→滞流完整水动力系统。平面上总体规律是东部的水动力活跃程度强于西部，区块中部因为断层存在差异，如图2所示。

图2 高河井水文地质单元划分剖面图

3.2 不同煤层及顶底板含水性特点

高河井主采煤层为3#、15#煤层。3#煤层直接顶板为泥质岩，局部为粉砂岩及砂岩。厚度稳定性差，结构松软，吸水易软化，强度较低。老顶为砂岩，厚度0.00～20.10m。从地质情况来看，其溶洞、溶孔比较发育，渗透性较好，水动力条件较好，地下水径流强度大，对煤层供水较为充足，煤层产水量较大。从高河井以往的数据统计结果来看，3#煤层的单排与合排的产水量平均为29.95m3/d，属于高产水层系。

4 高河井高产水的改进方案研究

技术攻关组针对高河井排采中高产水的具体工况，通过查找相关资料和同类型矿井的解决方案，综合考虑设计了以下的改进方案。

4.1 采用井位部署避开水动力较强区的措施

水动力较强区会影响到井的产水量，从而导致产水量较大，降低产气量。针对高河井来讲，尽量选择水动力较弱煤层气保存较好的区域进行井位部署，从开始的部署阶段就力争减少高产水井的出现，可以有力降低高产水井的数量。

4.2 制定差异性的压裂选层和压裂工艺

高河井的主采煤层为 3#、15#煤层，根据不同煤层顶底板岩性差异及不同区域水动力条件差异，垂向上15#煤层、3#煤层压裂方式各有不同。对于15#煤层来讲，其煤层的厚度是比较大的，含气量高，顶底板低含水，这时就需要调整原来的设计排量，适当增加2m3的设计排量，提高至8.5～9.5m3。同时也将砂比提高到12%，保障排采的顺利进行。针对3#煤层的顶板含水灰岩具体情况，需要避开灰岩一定距离对其煤层的下部进行压裂，还需要对压裂规模和强度都进行调整，降低原来的设计排量至7.5～7m3，同时相应地降低砂比至8.5%左右，避免其与供水区沟通。

4.3 改进措施效果分析

高河井自从2016年1月将上述解决方案应用于新试采区的井位部署和压裂实践中以来，实践效果良好，起到了控制新增高产水井的目的，对于解决高河井的实际生产情况起到了积极的作用。选择1年以上的新试井来同以往没有采用改进措施的老井组进行对比研究发现：新试井的平均单井日产水量为10.25m3/d，相对于老井的35.67m3/d，降低了25.42m3/d，单井产气率逐步上升达到了95%，其修井周期也得到了延长，降低了生产成本。

5 结论

本论文主要是对山西潞安高河煤层气井高产水问题进行了实践的应用研究，针对高河井田的实际工况，分析了影响产水的主要因素，通过差异性的地质选层和压裂工艺等措施来实现其改进方案的实施。实践应用效果表明，改进方案从部署阶段就减少了高产水井的出现，同时新试井的平均单井日产水量降低了25.42m3/d，单井产气率逐步上升达到了95%。整体来讲，试采效果良好，该改进方案是成功的，可以给同类型高产水井的排采产气提供相应的参考。