大佛寺井田煤层气井产能主控因素分析

郭燕珩，惠 鹏，陈小军，陈育通

(1.陕西省煤层气开发利用有限公司，陕西 西安 710065；2.陕西东田能源科技有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

大佛寺井田隶属的彬长矿区是国家“十二五”“十三五”规划建设的大型、特大型现代化矿井群的重点矿区，也是国家规划确定的大型煤炭基地—黄陇基地的主力矿区，煤炭资源地质储量和煤层气资源量都非常丰富。同时，彬长矿区也是高瓦斯矿区[1-2]，随着矿区各矿井的陆续投产，瓦斯超限事故时有发生，严重制约煤炭的正常、安全生产，瓦斯治理形势比较严峻。在煤炭开采过程中，大量煤层瓦斯随着井下抽放和矿井通风排放到空气中，不仅浪费洁净能源，而且污染生态环境。

自2009年开始，为减少大佛寺煤矿瓦斯灾害，保护大气环境，并充分利用煤层气这一洁净能源，陕西彬长新生能源有限公司在大佛寺井田进行一系列地面煤层气开发试验，截至2019年11月5日，大佛寺井田共计钻井53口(组)，且选择的井位均在瓦斯含量较高、煤层厚度大、构造相对简单的区域内，符合煤层气行业规律及矿区瓦斯富集规律，钻井过程中未发现大的断层等复杂地质情况。但产气量变化较大，有的井产气量较高，有的井排采1年都没有产气。为此，从本井田宏观开发的2个比较大的方向进行研究，第一是从目前实施的直井和水平井2种井型的产气情况来进行分析对比；第二是按照煤层气开发的主控因素进行分析，针对不同的低产原因提出相应的增产措施，以期提高单井产气量，为下一步井田瓦斯地面抽采及综合利用稳步推进，尽快实现日产30万m3的总体设计打下坚实基础。

1 井田地质概况

大佛寺井田地处华北板块鄂尔多斯盆地渭北隆起带西部的彬长坳褶带内，区块总观其构造形态为一波状起伏的单斜构造，其上发育了一系列北东东向和北北西向的褶皱构造，二者相互交织，其中以北东东向褶皱为主，即安化向斜，如图1所示。地层倾角平缓，一般3°～5°，最大17°～21°[3]。采掘过程及地面地震勘探发现断层数条，断层落差以5 m以下为主，构造总体较为简单。侏罗系延安组为本区唯一含煤地层，其中4号煤为主采煤层，基本全区可采，煤层全厚0～19.42 m，平均11.65 m，属特厚煤层，含气量为1.00～5.57 m3/t，平均2.37 m3/t。煤田勘探阶段钻孔中有关煤层的描述均认为区内煤体未遭受强烈构造破坏，煤层为原生-碎裂结构[4]，宏观煤岩类型主要为半暗煤与暗淡煤。2009年中煤科工集团西安研究院在大佛寺井下对4上、4号煤层又开展了透气性系数测试，测得4上号煤层透气性系数为0.051～2.560 m2/MPa·d，4号煤层透气性系数为2.216～5.340 m2/MPa·d。从测试结果看，均反映该区煤层透气性系数相对较高。

图1 大佛寺井田构造示意Fig.1 Structure of Dafosi minefield

2 煤层气井产能分级

按照煤层气井产能可以把煤层气井划分为4个级别。

高产气井：气井的日产气量>4 000 m3/d，稳产期一般相对较长，在4个月以上。

中产气井：气井的日产气量在500～4 000 m3/d之间，稳产期较短或基本没有稳产期，排水期较短。

低产气井：气井的日产气量在100～500 m3/d之间，稳产时间很短，基本在产气量达到产气峰值之后就迅速下降。

不产气井：由于投产时间较短，气井还处于排水阶段，未开始产气，产气量为零或投产时间较长，气井只产水不产气。

统计分析矿区43口井的资料，高产气井9口，占22%；中产气井22口，占52%；低产气井5口，占9%；不产气井7口，占17%。

3 煤层气产能主控因素分析

3.1 井型对产量的影响

大佛寺井田垂直井钻井技术在国内外都已相当成熟，区内大部分煤层气井的实际井身质量、井径扩大率表明直井井型在该区切实可行，能够达到煤层气钻井工程技术的要求。同样，该区水平井较好的成孔性、较高的煤层钻遇率均体现了水平井钻井技术在该区的较好适应性。根据现场钻井施工以及各井后期产气情况，认为以水平井井型为主、直井井型为辅的井型布置，原则上能够满足后续煤层气钻井的技术要求。

煤层主要受祁家背斜、师家店向斜及安化向斜控制，煤层气的开发尤其以祁家背斜、师家店向斜为主，在这2个控制带上布置的近端对接多分支水平井均取得了非常高的产气量，DFS-C02多分支井最高日产气量30 537 m3，累计产气1 771万m3；DFS-05多分支井最高日产气量13 416 m3，累计产气1 581万m3；2017年完井的DFS-M68多分支井最高日产气量10 854 m3，累计产气339万m3。并且DFS-02“V”型水平井最高日产气16 582 m3，累计产气841万m3；DFS-C04“V”型水平井最高日产气量4 408 m3，累计产气355万m3。

从2009年建产到2015年，大佛寺井田12口水平井组累计产气量5 950万m3，31口直井累计产气量2 565万m3，水平井组产能贡献占43口井总产能的71%。

井下巷道在逐步开拓、煤炭开采范围逐步在扩大，按照其他煤田煤层气的普遍抽采特征来看，如果巷道开拓到水平井井眼附近时，会造成储层泄压不受控制，煤层的解吸机理破坏，无法形成正常的煤层气解吸体系，产气量迅速下降甚至不产气[5]。但是DFS-02水平井、DFS-C04水平井、DFS-CO2水平井、DFS-05水平井、DFS-09水平井这一现象并不明显。

3.2 构造对产量的影响

根据现场实际的煤层气抽采情况并结合已知井下资料对比显示，抽采情况受安化向斜、祁家背斜、师家店向斜控制较为明显，尤其以祁家背斜控制为主产气较好。

在井位布置上要考虑构造造成的影响，在井位确定后，井型的选定也要考虑构造情况，即使井型选定后如果确定了水平井，水平井的走向和分支角度的走向都要结合本区块构造来合理确定，同时要考虑重力、压力、应力这3个力的结合确定出合理的井眼轨迹[6]。

3.2.1 构造低部位或下倾部位对产气量的影响

构造位置对井的供液能力和产气能力有较大影响，表现出较明显的“气、水差异流向”趋势。

位于构造高部位、大规模面积降压区域中部的直井气产量相对较高，位于构造低部位及开发区域边缘的直井供液能力强，产水量较大，单井产气量较低。以井田中部区域5口井(DFS-86井、DFS-84井、DFS-74井、DFS-73井、DFS-71井)煤层气排采井为例，总体处于构造高部位的井产气量相比低部位的较优，产水情况恰好相反，由构造高部位到构造低部位产气时的沉没度数值依次变大：87 m—117 m—126 m—131 m，如图2所示。

图2 大佛寺井田延安组4煤顶板构造等值线一Fig.2 Coal roof contour 1of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

位于构造上倾部位、主支末端上倾的近端对接多分支水平井产量较高，单井产气一般超过5 000 m3/d，部分井超过10 000 m3/d；而位于构造下倾部位、主支末端下倾幅度大于30 m的近端对接多分支水平井，排采过程中排水降压困难，单井产气一般再难以达到5 000 m3/d以上，并且产气量下降明显，如图3所示。以区内DFS-M85井为例(图4)，该井就是典型的下倾走向，倾走向落差达40 m(DFS-M85-V井煤层厚度8 m左右)，呈比较典型的“凹”轨迹走向，因此，无法形成有效的降压采气通道。

图3 大佛寺井田DFS-M85-V井生产曲线Fig.3 Production curve of DFS-M85-V well in Dafosi minefield

图4 大佛寺井田延安组4号煤顶板构造等值线二Fig.4 Coal roof contour 2 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.2.2 断层对煤层气产量的影响

如图5所示，此小范围区域井位受此F6正断层影响较大。同时煤层含气量也受此断层控制，断层东西两侧含气量变化明显，断层以西瓦斯含量极低；煤层厚度东西两侧变化较大，断层以西4～5 m，断层东侧9～11 m；断层最大断距达到8 m，落差较大。因此，在布井时应充分考虑断层和含气量边界控制线的双重契合，断层以西或者直接在断层剖面上布井风险极大，这是导致DFS-149井、DFS-151井、DFS-153井无法产气的主要原因。

图5 大佛寺井田延安组4号煤顶板构造等值线三Fig.5 Coal roof contour 3 of Yan ’an formation 4 coal in Dafosi minefield

3.3 煤层含气量对产量的影响

在大佛寺井田，煤层含气量是煤层气抽采比较敏感的因素，是影响产气量的又一主控因素。在煤层气开发过程中逐步验证含气量高的区域呈现高采气量，含气量较低的区域采气效果并不理想，而实际测试DFS-132井4号煤含气量为1.34 m3/t，DFS-152井4号煤含气量为0.73 m3/t，含气量实测值较预测值降幅较大。DFS-152井降幅虽然达到1.6倍系数，但是相比总体开发设计2.723倍的系数要较好。而DFS-132井比较降幅系数比较符合总体设计中的2.723倍的系数。因此，在以后的布井方案中，要参考和借鉴这2个含气量系数，解读出实际含气量。

地面共实施6口煤层气参数井，采集4上煤、4号煤共133件气含量解吸样品。气含量测试结果显示，4上煤层空气干燥基气含量为0.72～1.7 m3/t，平均1.75 m3/t；4号煤层空气干燥基气含量为0.73～3.65 m3/t，平均1.89 m3/t，见表1。

表1 地面煤层气井气含量测试结果统计Table 1 Gas content test results of surface coalbed methane wells

结果显示井田煤层气含量较低，但煤矿瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿，说明区内煤层气含量不会太低。重庆煤科院也对该矿井下实测与地面进行对比，认为实际瓦斯含量要高于地勘时的含量[7]。经过对煤层瓦斯含量与煤层厚度之间的关系分析表现出微弱的正相关性，即随着煤层厚度的总体增大，煤层气含量有缓慢增大的趋势，地面抽采井产量模拟也印证了厚煤区4号煤含气量实际应在3～7 m3/t。

4 结论

(1)水平井井型对整体产能贡献极大，12口水平井贡献了71%的产能。在后期的开发中要加强水平井井型为主直井井型合理辅助的井型选择原则。地质构造总体简单，但小断层的较为发育对于水平井井型在排采过程起到很好的裂隙沟通辅助作用，因此水平井抽采时容易形成解吸漏斗，产能高。

(2)在井田前期布井时要综合考虑井型、构造及煤层含气量对产量的影响，导致低产井的第一主控因素是布井方案。井型选择不当以及地质因素(包括构造、煤层气含量)考虑不全是造成低产井的主要因素之一，其损失往往无法弥补，只能加强后续排采，如果持续无法改善，只能做停产或封井处理。目前部署的井位大多是为大佛寺煤矿5～10 a的采掘面解放瓦斯，降低瓦斯浓度，大部分井位均部署在大佛寺井田5 a采掘规划的边缘地区，井位布置受到一定局限，同时受采动区影响较大，但从整体看后续潜力区开发前景仍然较大。