晋城地区煤层气井多层合采效果评价_杨建超.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. CBM Department of Shanxi Jincheng Anthracite Jinmei Group, Jincheng 048006, China; 3. Shanxi Lanyan Coalbed Methane Company Limited, Jincheng 048204, China Abstract The study of the multi-target seams drainage effect on coalbed methane wells has great value, including coal safe mining, underground gas control, determination of development technical indicators, single well produc- tion, rational division of development layer, efficient development of coalbed methane, and development of me- dium and long-term coalbed methane development planning. Taking Chengzhuang mine of Jincheng as an example, the sampling data of the extraction effect in the middle and late stages of development are compared with the original gas content of the adjacent wells to uate the extraction effect, and the main control factors affecting the drainage effect are analyzed by combining the geological data and the on-site drainage data. According to the com- prehensive analysis, it has been found that the No.15 coal seam has gas content lower than that of the No.3 and No.9 coal seams through surface coalbed methane extraction after several years. The analysis showed that the main influence factors for the rapid reduction of gas content of No.15 coal seam in Chengzhuang mining area include the coal gas content, permeability, liquid supply capacity, reservoir pressure in coal seam and producing measures, which provide a scientific basis for the prediction of remaining reserves. 煤层气井排采效果评价对于后期矿井瓦斯灾害治理和煤矿安全高效开采及指导煤层气开发具有十 Keywords coalbed methane; drainage effect; multi-layers drainage; coalbed methane content; permeability; Chengzhuang mine; Jincheng ChaoXing 第 6 期 杨建超等 晋城地区煤层气井多层合采效果评价 27 分重要的意义。国内外学者仅针对单煤层的地面煤 层气抽采效果进行了研究。据记载世界上第一个煤 层气地面抽采含气量降低检验项目是在 1990 年的 美国 Alabama 州 OakGrove 煤矿，针对采前预抽煤 层气项目共施工了 23 口井，经过 14 a 抽采后进行 煤层取心测试，评价煤层气井排采后煤层含气量变 化情况[1]。我国学者也开展了煤层气含量及产能的 相关研究，王晓梅等[2]、张亚蒲等[3]、闫岩[4]利用储 层模拟软件进行产能预测，预测煤层含气量随时间 的变化情况。晋城无烟煤矿业集团有限责任公司与 中煤科工集团西安研究院有限公司合作，“十一五” 期间在山西寺河煤矿北区施工了 3 口煤层气检验 井，“十二五”期间在寺河煤矿东五盘区和西二盘区 共施工了 22 口检验井， 对其进行了取心和煤层剩余 气含量分析，摸清了寺河煤矿 3 号煤层经过地面排 采 3 a、57 a 后的煤层含气量变化特征[2-3]。目前， 关于煤层气排采产气效果的研究主要集中在利用检 验井与数值模拟等方法开展煤层气抽采效果评价， 而针对多年煤层气合层排采后的抽采效果评价的研 究却鲜有报道。山西晋城地区经过多年的地面煤层 气排采，取得了比较丰硕的成果，笔者以晋城成庄 矿区为例，利用排采效果检验井所测剩余气含量与 邻近参数井原始含气量进行对比分析，评价研究区 煤层气井抽采效果，并从资源丰度、渗透率、供液 能力、储层压力、排采制度等方面分析影响合层排 采产气效果的主要原因，为该区域后期煤层气井合 层排采的优化及有利区优选提供依据。 1 成庄矿区地质概况与煤层气井排采现状 1.1 煤储层地质概况 成庄矿区位于沁水盆地复式向斜南斜坡的上斜 坡东翼，地层平缓，构造简单，煤层气资源量大、 含气量高，煤层埋深较浅[7]，为煤层气开发有利区。 但区块内各煤层气井产量差异大、分布不均匀，总 体认为井田西部产气效果好，北东部较差，具有明 显的地域差异分布特征[8]。 成庄矿区地层自东向西出露有奥陶系、 石炭系、 二叠系、三叠系、第四系等地层。主要含煤地层为 石炭系上统–二叠系下统太原组及二叠系下统山西 组，太原组发育 9 号煤和 15 号煤，山西组发育 3 号 煤。3 煤埋深 242.50498.63 m，9 煤埋深 301.59 553.56 m，15 煤埋深 338.39586.09 m。研究区内煤 变质程度高，以高变质无烟煤为主，煤镜质体反射 率 Rmax为 3.04.0。3、9、15 号煤煤岩成分以亮 煤为主，暗煤次之，宏观煤岩类型以半亮煤为主， 光亮煤、暗淡煤次之。显微煤岩组成以均质和基质 镜质体为主，惰质组含量较低，未见壳质组。煤岩 显微组分中镜质组体积分数较高，一般为 59.3 96.8， 平均88.1， 惰质组体积分数为3.224.5， 平均 11.9。煤层以低中灰–中灰煤为主，3 号煤灰分 质量分数为 10.6922.90，平均 15.20；9 号煤灰 分质量分数为 7.3236.78，平均 18.06；15 号煤 灰分质量分数为 11.5438.85，平均 20.80。3 号 煤平均含气量 9.59 m3/t，9 号煤平均含气量 12.35 m3/t， 15 号煤平均含气量 16.59 m3/t。区内 3、9、15 号煤多 为原生结构煤，且裂隙发育规整。通过注入/压降测试 3号煤渗透率为0.2124.6410–3 μm2， 多数在110–3 μm2 左右， 15 号煤渗透率整体较高但差异显著， 为0.03 6.9510–3 μm2，平均 2.5410–3 μm2。整体认为，成 庄矿区煤层埋深较浅，煤变质程度高，镜质组含量 较高，灰分含量中等，部分偏高，含气量较高，原 生结构煤发育，渗透率较高。 1.2 成庄矿区煤层气井排采现状 成庄矿区北五盘区和南四盘区累计有 154 口煤 层气开发井， 这些井均采用 3915 号煤层合层排采 的方式， 从 2010 年底至 2018-05-19 地面煤层气累计 产量达 3.10108 m3， 单井平均产气 2312 220 m3/d，平 均 580 m3/d，最高单井产气为 14 400 m3/d。研究区 受采动区部分气体散失等因素影响，总体产气效果 较差，同时受层间和层内干扰影响局部层位未有效 降低煤层含气量。8 a 开发过程中，成庄矿区单井产 水量为 059.5 m3/d，个别气井不产水，累计产水量达 92 万 m3，整体上单井产水量较高，一般在 7 m3/d。 在排采期间，煤层气排采井套压为 0.081.25 MPa， 平均 0.27 MPa，较国内其他区域偏低，大部分气井 在近 8 a 的排采期间，套压基本上都能维持在 0.18 0.20 MPa，较为稳定，保证了气井的稳产。 2 排采效果评价 成庄矿区已经过多年地面煤层气排采，为了了 解地面各煤层气井合层排采效果，2018 年晋煤无烟 煤矿业集团有限责任公司联合中煤科工集团西安研 究院有限公司，在成庄矿区施工了 3 口抽采效果检 验井图 1，其中，CZJY-01 井距 CZ-02 井 126 m， CZJY-02 井距 CZ-09 井 80 m，CZJY-03 井距 CZ-21 井 150 m，并取心实测剩余气含量表 1。 由表 1 可知，经过 8 a 抽采后，检验井所测剩 余气含量与开发前施工的邻近参数井原始含气量相 比， 3 个煤层含气量变化情况为 3 号煤降低了 13， 9 号煤降低了 15，15 号煤降低了 45。15 号煤含 ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 47 卷 注参数井右侧为 3 号煤气含量，m3/t。 图 1 晋城成庄矿检验井分布图 Fig.1 Distribution of test wells in Chengzhuang mine of Jincheng 气量降低较快。从各层产气量和煤层气井总产气量 计算公式[9]可以看出，在产气面积相同的情况下， 产气量大小取决于煤层厚度和含气量降低量，从 表 1 可以看出，3 号煤煤层厚度是 15 号的 1.41.9 倍，而 15 号煤含气量降低量是 3 号煤的 2123 倍。 3 排采效果影响因素分析 3.1 渗透率 煤层气井高产必须具备两个条件 ① 具有丰富 的煤层气资源，尤其是煤层含气量；② 具有煤层气 运移的有效流动通道。通过对比 3 层煤的原始含气 量发现，随着深度的增加，下部的煤层含气量高于 上部的煤层， 从表 1 可以看出 3 煤煤层厚度是 15 煤 的 1.41.9 倍，15 煤原始含气量是 3 号煤的 1.51.9 倍，由于矿区面积相同，3 号煤和 15 号煤煤层气资 源量整体差异不大。因此，初步分析认为，导致 15 号煤含气量降低较快的因素不是煤层气资源量，而 是渗透率的差异。渗透率高低影响煤层气产出的难 易程度，通常情况下随着深度的增加，储层压力增 加，渗透率降低，但是成庄矿区通过注入/压降试井 测得 3号煤层的渗透率较低， 渗透率为0.2124.64 10–3 μm2，多数为 110–3 μm2，15 号煤层的渗透率 为0.03 6.9510–3 μm2，平均 2.5410–3 μm2[10-11]。 表 1 成庄矿区 3 口检验井剩余气含量及排采效果 Table 1 Residual gas content and drainage effect of three test wells in Chengzhuang mining area 参数井 检验井 井号 煤层号 煤厚/m 原始含气量/m3t-1 井号 检验井实测剩余含气量/m3t-1 含气量降低值/m3t-1 检验井煤层含 气量降低率/ 3 6.21 14.32 14.25 0.07 0.5 9 1.12 4.35 3.78 0.57 13 CZ-02 15 4.14 20.92 CZJY-01 12.29 8.63 41 3 6.13 13.44 12.73 0.71 5 9 0.88 16.34 13.41 2.93 18 CZ-09 15 4.38 24.96 CZJY-03 10.56 14.4 58 3 6.55 12.24 8.33 3.91 32 9 1.32 18.38 15.74 2.64 14 CZ-21 15 3.4 22.34 CZJY-05 14.05 8.29 37 煤层的渗透性与煤体结构密切相关， 一般认为， 原生结构煤和碎裂煤是煤层气开发比较理想的煤体 结构类型；而碎粒煤和糜棱煤由于煤体破碎，裂隙 形态破坏，煤层渗透性差，而被视为非渗透性煤层。 根据区域煤层气地质资料分析，区内 3、9、15 号煤 层多为原生结构，其中，3 号煤底部有一层近 1 m 厚的构造煤，且 3 号煤煤岩成分主要以亮煤和暗煤 为主， 亮煤孔隙结构可以代表 3 号煤层的孔隙特征， 3 号煤层中极微孔最发育，大孔次之[12]，而 15 号煤 煤体结构完整，为原生结构煤，且煤变质程度较 3 号煤高，宏观煤岩成分以亮煤和镜煤为主，镜煤裂 隙发育，微孔和过渡孔较为发育，大孔次之。由此 推测，煤体结构和煤岩成分差异是造成 3 号煤与 15 号煤差异的因素之一。另一方面，水力压裂停泵后， 通过压力传感器可实时记录停泵后的压力，停泵后 压力降低的快慢在一定程度上反映了煤层内裂隙的 发育程度，从压裂曲线图 2图 3可以看出，压裂 结束后，在相同时间内，915 号煤压力较 3 号煤降 ChaoXing 第 6 期 杨建超等 晋城地区煤层气井多层合采效果评价 29 低快，间接证实了 3 号煤储层渗透率较低。由于 3 号煤和 15 号煤渗透率的差异， 导致了在同一排采时 间内，15 号煤产水量较大，压力传递速率较快，煤 层甲烷解吸也较快， 从而导致 15 号煤层含气量降低 较快。在上部储层渗透率小于下部储层的情况下， 煤层气合层排采影响各分层产能均衡产出能力，在 合层排采时应该缓慢降低动液面，减缓渗透率较弱 煤层的储层伤害， 避免高渗透率煤层产能受到抑制。 图 2 晋城成庄矿 CZ-21 井 159 号煤层压裂施工曲线 Fig.2 Fracturing curves of No.159 coal seam in well CZ-21 in Chengzhuang mine of Jincheng 图 3 晋城成庄矿 CZ-21 井 3 号煤层压裂施工曲线 Fig.3 Fracturing curves of No.3 coal seam in well CZ-21 in Chengzhuang mine of Jincheng 3.2 供液量 煤层顶底板的性质决定了压裂裂缝的扩展，主 要取决于岩性、厚度及岩石力学性质。成庄矿区 3 号煤层顶板大部分为泥岩、粉砂岩，厚度在 4 m 左 右，盖层较薄，底板主要为泥岩，有时发生相变， 变为粉砂岩，厚度大部分在 2 m 左右；15 号煤的顶 板主要为 K2灰岩，厚度较大，含水性较强，底板主 要为泥岩。根据晋城和淮南等地压裂监测显示，当 煤层顶板为脆性岩层时，煤层气井压裂过程中，压 裂裂缝高度一般可以贯穿其顶底板数十米至十几 米，超过煤层厚度数倍。同时据资料显示，3 号煤 距离 K2灰岩 93.10128.40 m，9 号煤距离 K2灰岩 46.4683.50 m，15 号煤距离 K2灰岩 4.4544.5 m， 因此，在进行 3915 号煤合层排采时[13-15]，由于 3 号煤和 15 号煤煤层顶底板岩性及距离 K2灰岩的差 别较大， 导致了在水力压裂时有可能 15 号煤的裂缝 突破顶板造成压力传播[13,16-20]，最终造成在其他排 采条件相同的情况下，储层供液能力产生差别，致 使储层压力传播范围产生差异，从而引起产气量不 同，使得含气量降低幅度产生差异。因此，当上部 煤层开始产气时，井筒液面高度大于下部煤层，而 下部煤层供液能力又强于上部煤层，这种情况不建 议合层排采，而应该进行单层排采。 3.3 储层压力 储层压力反映了地层能量的大小，成庄矿区 15 号煤储层压力较 3 号煤层的压力低，相差较大，通 常情况下，储层压力与埋深成正相关关系，随着埋 深的增加，储层压力增大，但是据资料显示 3 号煤的 储层压力为4.30 MPa，压力梯度为0.84 MPa/hm，15 号 煤储层压力为1.77 MPa，压力梯度为0.277 MPa/hm[7]， ChaoXing 30 煤田地质与勘探 第 47 卷 因此，当 3 层煤合层排采时，共用一个井筒，在相同 的井底压力条件下，若强行抽水，势必造成高压煤 层吐砂吐粉，导致煤粉堵塞孔裂隙，对煤层造成不 可逆损伤，从而影响了压降漏斗的传播，最终影响 产气量[21-22]。由此，针对研究区不同储层压力差异， 不建议合层排采。 3.4 排采制度 随着成庄煤矿 3 层煤合层排采的进行，井筒液 面不断降低，3 号煤层首先进入两相流阶段，此时 3 号煤层供水不断下降， 导致 15 号煤层提前进入两相 流阶段， 与此同时井筒井底压力低于 15 号煤层临界 解吸压力，致使 15 号煤层开始产气，在这个过程中 将发生严重的速敏效应，造成 3 号煤层产生过多的 气体，出现了煤层吐砂吐粉现象[23]，从而使其裂隙 通道受阻，大大降低了采收率，最终导致 3 号煤层 提前结束产气，因此，出现 15 号煤层含气量降低较 快，3 号煤层降低较慢[24-25]。在这种情况下应该在 上部煤层达到排采条件下优先排采上部煤层，缓慢 降低动液面，至上部煤层压降漏斗收缩到合适条件 时再进行合层排采[26]。 4 结 论 a. 晋城地区成庄矿区3915号煤经过8 a的合 层排采，3 号煤含气量降低了 13，9 号煤降低了 15，15 号煤降低了 45，总体而言，15 号煤含气 量降低最快。 b. 研究区合层排采导致 15 号煤含气量降低较 快的主要原因是15 号煤渗透率比 3 号煤大，产水 量大，压力传递速率较快，甲烷解吸量也较多；15 号煤的顶板为脆性岩层，可能导致在压裂过程中， 裂缝导通 K2灰岩进行长效缝扩散，降压波及面积 大，致使供液能力增强；由于 3 号煤层储层压力较 大，排采时，排采水倒灌入下分层，若强行抽水， 导致高压储层吐砂吐粉，造成不可逆损伤，影响了 产气量；在排采过程中，排采强度过大导致 3 号煤 层产生速敏现象，产生吐砂吐粉堵塞裂隙通道。 c. 鉴于本次研究区检验井数量少，且其分布范 围跨度大，参数测试数据少，如 3 号煤和 15 号煤的 试井测试仅各有 1 口井数据，研究区合层排采效果 有待进一步实践验证。 参考文献 [1] AYOUB J，COLSON L，HINKEL J，et al. 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