煤层暴露对煤层气井产气效果的影响

汪万红

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054)

我国煤矿区煤层群普遍发育。目前，在我国多煤层发育地区进行煤层气勘探开发，普遍采用分层压裂、合层排采工艺技术，该技术可有效降低煤层气开发成本、提高煤层气井产能。但结果显示多数效果不甚理想，未产生1+1≥2的产气效果。在合层排采过程中，为使煤层气井达到最好的产气效果，井筒内液面要不断下降，不可避免会使上部煤层暴露。煤层暴露是否会影响煤层气井的产气效果？针对上述问题，笔者基于平顶山矿区首山一矿煤层气勘探开发工程实践，探讨分析了煤层暴露对煤层气井产气效果的影响，以期为平顶山矿区及类似煤矿区煤层气的合层开发提供参考和借鉴。

1 基本概况

平顶山矿区首山一矿位于平顶山市的东北方向，距平顶山市约25 km，面积约36 km2。矿区构造简单，主体构造为一轴向320°的宽缓背斜，地层走向一般为290°～320°，倾角一般变化在8°～20°之间，断层不甚发育。首山一矿全区可采煤层共两层，分别为二叠系下统山西组的二1煤层和下石盒子组的四2煤层，也是煤矿采掘设计的主采煤层。四2煤层位于下石盒子组，煤厚0.90～5.15 m，平均2.64 m，四2煤层空气干燥基含气量为3.74～5.53 m3/t；二1煤层位于山西组下部，煤厚为2.76～10.22 m，一般5.00～7.00 m，平均6.15 m，上距四2煤层平均距离170 m。二1煤层空气干燥基含气量为2.86～3.85 m3/t。

为了提前解决煤矿开采中的瓦斯隐患，前期在首山一矿实施了1组地面瓦斯抽采试验井组，由5口煤层气直井组成，分别为01、02、03、04、05井，呈正方形井网布置，井间距200 m×200 m。各井均采用二开井身结构、套管射孔完井、水力加砂压裂、有杆泵排水采气工艺，对主采煤层四2、二1煤层进行分层压裂、合层排采。结果显示合层排采效果不理想，单井最大日产气量为586 m3，平均日产气量为41～350 m3。煤层气井排采效果具体情况见表1。后期由于5口井产气量低，日常维护费用大，各井已停止排采。

表1 首山一矿煤层气井排采效果

2 合层排采产气特征

排采是煤层气勘探开发工程的归结点，是煤层气开发的重要环节之一，客观地反映了煤层气井的产气特征及效果。排采工作的好坏，直接关系到煤层气开发的成败。下面以首山一矿01井为例说明其合层排采产气特征。01井上部四2煤层深度为631.18～633.48 m，厚度为2.30 m，下部二1煤层深度为811.43～816.80 m，厚度为5.37 m，上距四2煤层177.95 m。01井液面深度与日产气量的关系如图1所示。

图1 01井液面深度与日产气量的关系图

合层排采必须两层煤都产气才有意义。01井上部四2煤层随着排采开始会首先产气，下部二1煤层上距四2煤层177.95 m，换算成流体压力约为1.78 MPa。而根据实测含气量、等温吸附结果计算二1煤层临界解吸压力是0.40～0.46 MPa，小于煤层间距对应的流体压力1.78 MPa。所以为使01井四2、二1煤层共同产气，必须使井筒内液面降至四2煤层以下。故该井合层排采必须暴露上部四2煤层。

由图1可知，01井排采过程根据产气量变化情况可划分为两个时期：从排采开始到产气量快速增加到最大值阶段；产气量从最大值快速降低阶段。第1阶段，排采开始井筒内液面由202.57 m开始下降，井底流压随之降低，当液面降至488.58 m，达到四2煤层临界解吸压力1.457 MPa时，四2煤层开始产气。液面继续下降，四2煤层产气量快速增加，当液面降至四2煤层附近，产气量达到最大值。第2阶段，液面降至四2煤层以下，四2煤层暴露，产气量快速减少，之后液面继续下降但产气量没有得到恢复，最终产气效果不佳。

随着煤储层压降漏斗的不断扩展，煤层气井产量应持续增加或趋于稳定，但 01井四2煤层暴露后的产气情况却恰恰相反。分析认为，四2煤层暴露可能是该井产气量快速下降的原因。

3 煤层暴露对产气的影响

本文从首山一矿煤储层特征出发，结合01井实际排采过程，分析煤层暴露对煤层气井产气的影响。

平顶山矿区由于先后受到中岳、怀远、加里东、印支、燕山和喜山六期地质构造运动影响，煤层破坏严重，其煤层孔隙、裂隙比较发育。首山一矿四2煤层以碎裂煤为主，次为碎粒煤，煤体松软。四2煤层煤岩特征见表2，由表2可以看出，四2煤层煤岩具有煤体强度低、渗透率低、应力敏感性强的特点。

表2 四2煤层煤岩特征

众所周知，煤层气的产出包括解吸、扩散和渗流3个相互衔接连续的过程。煤层气主要以吸附状态储存在煤的孔隙中，通过地面煤层气井的排水降压，煤层气从煤基质表面解吸，并从孔隙扩散、渗流至煤层气井筒，最终产出地面。煤层气的扩散渗流通道顺畅，煤储层渗透性好，产气量才会高。煤层气井排采过程中煤储层渗透率动态变化特征主要受有效应力效应和煤基质收缩效应共同控制。有效应力效应占主导地位时，储层压降越大，渗透率降低量越大；煤基质收缩效应占主导地位时，储层压降越大，渗透率增加量越大。

首山一矿01井排采按照稳定、缓慢的排采控制原则，排采过程中总体上液面下降速度<10 m/d，见图1。排采开始，液面缓慢下降，储层压力随之降低，为水的单相流动阶段。当储层压力降至上部四2煤层临界解吸压力后，一定数量的煤层气从煤基质表面解吸形成孤立、互相不连接的气泡，四2煤层开始产气。随着液面继续下降，四2煤层储层压力进一步下降，更多数量的煤层气解吸，气泡间相互连接进而形成连续的流线，气相开始流动，形成气液两相流，水相对渗透率逐渐降低，气相对渗透率逐渐增加，产气量逐渐增加到最大值。为使该井四2、二1煤层共同产气，液面必须降至四2煤层以下，使四2煤层暴露。四2煤层为碎裂煤和碎粒煤，煤岩抵抗形变能力弱，裂隙压缩/膨胀系数大，渗透率应力敏感性强，有效应力效应占主导地位。四2煤层暴露后，四2煤层储层压降最大，其渗透率降低量也最大。井筒附近气水两相流态在短期内急剧转换，近井地带形成液相低渗区，使地层水难以排出，压降漏斗扩展困难。四2煤层缺少流体支撑其产气通道后，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，渗透率下降，导致四2煤层产气量快速下降。之后液面继续下降但产气量没有得到恢复，最终产气效果不佳。

4 结论及建议

(1)首山一矿5口煤层气井合层排采产气效果不理想。四2煤层暴露造成了产气量快速下降和最终产气效果不佳。

(2)首山一矿四2、二1煤层间距较大，为使四2、二1煤层达到合层排采的效果，排采过程中必须暴露上部四2煤层。四2煤层为碎裂煤和碎粒煤，渗透率应力敏感性强，有效应力效应占主导地位。当四2煤层暴露后，四2煤层储层压降最大，其渗透率降低量也最大。近井地带形成液相低渗区，使地层水难以排出，压降漏斗扩展困难。四2煤层缺少流体支撑其产气通道后，在上覆岩层压力作用下产气通道被压实破坏，导致四2煤层产气量快速下降。

(3)综合考虑上述因素，笔者对平顶山矿区及类似煤矿区煤层气合层开发提出了以下建议：四2、二1煤层间距较大，在现有技术条件下不建议进行合层开发；可先对下部二1煤层进行开发，后封堵二1煤层，再对四2煤层进行开发；四2煤体强度低、应力敏感性强，排采过程中应避免暴露煤层。