贵州织纳煤田文家坝区块煤层气地质特征及开发工艺研究

郑鹏宇 向刚 赵凌云

摘  要：贵州文家坝区块煤层气资源丰富，为了能够提高文家坝区块煤层气勘探开发效果，探索出一套适合织纳煤田煤层气勘探开发工艺。以文家坝区块煤储层为研究对象，分析其地质特征，煤储层具有高含气量、高含气饱和度、高孔隙度、低—中等渗透率、储层压力欠压—正常的特征。在此基础上对开发工艺进行研究。一是井型工艺采用直井单井、丛式井组原位开采与多分支水平井连续注水激励卸压开采方式，以丛式井井型为主；二是煤储层改造工艺采用“活性水+煤层组电缆传输射孔桥塞联作分层压裂”，依据煤层气井周边导水断层情况和各井压裂煤层靶向点距离确定压裂改造规模和范围；三是排采工艺采用多煤层区多层合采方式。依据主产层优选指数，组合指数，产能贡献指数3个参数，运用“三步法”对产层组合进行优选，排采过程划分为7个阶段，以实现煤层气高产、稳产。

关键词：文家坝 煤层气 地质特征 开发工艺 研究

前言

织纳煤田文家坝区块是贵州地区首个提交煤层气探明储量并获得煤层气采矿许可的区块，也是国内学者普遍认可的贵州地区煤层气高产区块，区块内已提交煤层气探明地质储量64.08亿m?，具有重大煤层气开发价值及现实意义[1]。本文重点分析文家坝区块煤层气煤储层特征及开发工艺，为后期织纳煤田煤层气勘探开发工作提供指导依据。

1、区块地质概况

文家坝区块位于织纳煤田织金矿区阿弓向斜，处于黔西弧东翼近内缘。发育地层由老至新为二叠系中统茅口组、二叠系上统峨眉山玄武岩组、龙潭组、长兴组、三叠系下统飞仙关组、永宁镇组及第四系，煤层主要分布于上二叠区段龙潭组，煤变质程度较高。构造形态为一弧形不对称向斜，地层走向总体呈NE—SW向，区块被4条近EW向的横断层切割成4段，分布张维背斜、三塘向斜、后寨背斜、阿弓向斜等20余个褶曲，构造复杂程度为中等类型，如图1所示。

区域地表水系属长江流域乌江水系，为碳酸盐岩中的裂隙溶洞水、碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙溶洞水及碎屑岩中的基岩裂隙水及第四系孔隙水四类，大气降水作为区域内含水层的主要补给来源。含煤龙潭组含裂隙水，泉流量小于0.50l/s，富水性弱。上覆飞仙关一段与下伏峨眉山玄武岩组均为相对隔水层，有利于煤层气资源赋存[2]。

2、煤层特征

2.1 煤层发育特征

文家坝矿区块龙潭组发育煤层30层～33层，含煤总厚13.32m～33.58m，含煤系数8.6%。厚度较大且稳定的全区可采煤为6号、7号、16号、23号、27号、30号煤层，可采煤层总厚度7.17m～25.93m，可采煤层为薄-中厚煤层。主要目的煤层为16号、23号、27号、30号煤层。

2.2 煤层埋深

煤层埋深是影响煤层含气量的重要因素，煤层气含气量通常随着煤层埋深的增大呈先上升后下降的函数关系。区块主要目的煤层埋深范围多分布在200m～800m，是煤层气商业性开发最有利的埋深范围。16号煤层平均埋深301.3m，23号煤层平均埋深344.5m，27号煤层平均埋深366.6m，30号煤层平均埋深384.2m。

3、煤层气储层特征

3.1 煤层含气性

区块目的煤层煤层气含气量介于8.12 m?/t～21.83m?/t。可采煤层含气为甲烷、重烃、氮气、二氧化碳，甲烷含量最高，现场解吸甲烷浓度介于88.82%～94.61%，如表1所列。空气干燥基兰氏体积为25.28～31.20 m?/t，蘭氏压力为1.27～2.00 MPa，且表现出随兰氏体积增大，兰氏压力升高，气体解吸难度增大的特点。各目的煤层均表现出较强的吸附能力[3-4]。

3.2 孔裂隙特征

目的煤样孔隙度主要分布在5.66%-8.00%，有效孔隙度主要分布在0.83%-1.51%，残余孔隙度主要分布在4.83%-6.68%。煤样的渗透率分布在0.36-0.96×10-3μｍ之间，均小于1.0×10-3μｍ，渗透率较好，饱水孔隙度分布在5.66%～8.00%。从微、中孔发育程度来看，16号、23号、30号、27号煤层发育程度依次变差；从大孔发育程度来看，16号煤样大孔发育最好、占比高，其次为23号和27号，30号煤大孔发育程度最差，如图2所示。

3.3 煤储层压力及温度

主要目的煤层的储层压力介于1.84 ～6.86 MPa，压力梯度为0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主应力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主应力压力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤层属于中等应力区，煤储层试井压力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，储层压力系数为0.34～1.40，平均0.86。根据勘查钻孔测井结果，区块内恒温带温度为15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如图3所示。

3.3 煤储层压力及温度

主要目的煤层的储层压力介于1.84 ～6.86 MPa，压力梯度为0.77 MPa /100m～1.11 MPa /100m；最小主应力介于6.17 ～17.56 MPa，最小主应力压力梯度介于1.93 MPa /100m～3.64 MPa /100m。目的煤层属于中等应力区，煤储层试井压力0.99～12.35 MPa，平均4.98 MPa，储层压力系数为0.34～1.40，平均0.86。根据勘查钻孔测井结果，区块内恒温带温度为15.12℃～22.62℃，平均18.27℃，如图3所示。

4、区块煤层气开发工艺

4.1 井型工艺

煤层气井型选择需考虑煤体结构，煤岩变质程度，地应力，煤储层地质特征，地形交通条件，施工设备等多种因素。贵州文家坝区块主要以原生结构煤为主，煤体结构相对完整，属于高煤阶煤。具有高含气量，高含气饱和度，高孔隙度，低-中等渗透率，储层压力欠压-正常特征，地形以高山地貌为主，地表条件复杂，目标煤层多[5-6]。因此煤层气开发采用直井单井、丛式井组原位开采与多分支水平井连续注水激励卸压开采方式，以丛式井井型为主，如图4所示。

（1） 直井

区块煤层气属于高阶煤层气，高阶煤层气直井产气量随着镜质体反射率（R0）的增大而增加，当R0大于3.8%时，直井产气量好，实现高效开发。反之，产气量小。因此R0=3.8%可作为是否作为直井开发的重要参考指标。结合煤层特点及埋深，对于埋深浅部采用直井开发。文1-1井采用直井开发，最高日产气量3155m?/d，累计产气量超过100万m?。

（2）丛式井

区块为土石丘陵沟壑地貌，地形支离破碎，地表条件复杂，目标煤层多，薄-中厚煤层，丛式井是文家坝区块主要开发井型。文丛1井组采用丛式井布置，累计开发煤层厚度11.6m，其中文丛1-2井最高日产气量6000m?/d，达到高产效果，实现了区块煤层气开发重大突破。

（3） 水平井

对于煤体结构不完整，煤储层渗透率较高，煤层构造较为简单，单一煤层厚度大于2m以上煤层采用水平井开发方式。W1-1H 井水平井段于16号煤层中钻进，采用水平井段主支下筛管完井，侧钻分支裸眼完井。排采过程中，自井口油套环空持续注水，依靠注入水的流动将煤粉携带至地面，对16号煤层产生激荡增渗效果。排采17d后套压显现，日产气量快速升高至2000m?/d，表现出良好的高产潜力[7]。

4.2 煤储层改造工艺

基于文家坝煤层龙潭组煤系薄—中厚煤层群发育，煤系富水性弱特点，煤储层改造采用“活性水+煤层组电缆传输射孔桥塞联作分层压裂”改造工艺。储层改造依据煤层气井周边导水断层情况和各井压裂煤层靶向点距离确定压裂改造规模和范围。当煤层气井周边150 m内无导水断层或丛式井组各井压裂煤层靶点距离超过250 m时，应适当提高压裂改造规模，以增大水力压裂改造范围，提高井控资源量及资源采收率。如 W1-1 井各煤层均采用了高液量、高砂量的改造方式，每米煤层所注入的压裂液量介于 238～286 m?，支撑剂量介于 13.0～15.6 m?。对于可能受导水断层影响的煤层气井或丛式井组上部压裂煤层靶点平面距离较小时，需适度控制压裂改造规模，避免压裂所产生的人工裂缝与导水断层沟通或丛式井组内发生井间窜流[8]。

4.3 排采工藝

依据区块目的煤层多特点，多煤层区多层合采是最佳开发方式，而多层合采开发的关键，是产层如何优化组合，最大限度降低层间干扰，提高合采兼容性。为此，在文家坝区块煤层气排采中以气井产能方程为基础，提出主产层优选指数、组合指数、产能贡献指数3个参数，耦合主产层优选、产层组合与产层组优选3个步骤，如图5所示。结合煤体结构、储压梯度差、产气贡献3个参数“一票否决” 约束，建立“三步法”的产层组优化选择方法，以实现复杂岩性组合条件下的煤层气合采产层组优选。将排采划分为7个阶段（试抽、控（流）压排液、缓慢降（流）压、控（套）压产气、降（流）压提产、控（套）压稳产、产气衰减，以提高排采效果。

5、结语

（1）文家坝区块地质构造复杂程度中等、富弱水性，储藏条件好。煤储层具有高含气量、高含气饱和度、高孔隙度、低—中等渗透率、储层压力欠压—正常的特征。以薄-中厚煤层为主，目的煤层为16号、23号、27号、30号，具备有利储层开发条件。

（2）井型工艺采用直井单井、丛式井组原位开采与多分支水平井连续注水激励卸压开采方式，以丛式井井型为主。煤储层改造工艺采用“活性水+煤层组电缆传输射孔桥塞联作分层压裂”，依据煤层气井周边导水断层情况和各井压裂煤层靶向点距离确定压裂改造规模和范围。排采工艺采用多煤层区多层合采方式，将排采过程划分为7个阶段，以实现煤层气高产、稳产。

参考文献：

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[2]孟美辰， 王运海， 袁航等。 织金区块煤层气井产气量影响因素分析[J]。 煤炭科学技术， 2019， 47（04）： 187-192。

[3]高玉巧， 郭涛， 何希鹏等。 贵州省织金地区煤层气多层合采层位优选[J]。 石油实验地质， 2021， 43（02）： 227-232+241。

[4]向文鑫， 桑树勋， 吴章利等。 贵州省煤层气规划区块煤储层特征与有利区优选[J]。 煤田地质与勘探， 2022， 50（03）： 156-164。

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[6]徐晓乾， 孟应芳， 段正鹏等。 贵州省煤层气（瓦斯）开发适用性技术分析[J]。 煤田地质与勘探， 2019， 47（06）： 8-13。

[7]李伯尧， 王洪亮， 印中华， 龙志平， 朱智超。 织金煤层气浅层大位移水平井钻完井技术[J]。 石油钻采工艺， 2019， 41（4）： 430-434。

[8]陈畅然，周效志，赵福平，孟海涛等。薄-中厚煤层群煤层气井高产的地质与工程协同控制技术—以贵州织金文家坝区块为例[J]。天然气工业，2023，43（01），55-64。

（作者单位：自然资源部复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室 、贵州省油气勘查开发工程研究院）