煤體結構對煤層氣井產能的影響及其對策

趙家攀 張永琪 張 帥 王海霖 皮紅彬 熊建平

(1.華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 454000)

煤體結構對煤層氣井產能的影響及其對策

趙家攀1張永琪1張 帥2王海霖1皮紅彬1熊建平1

(1.華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 454000)

基于沁水盆地南部樊莊區塊煤層氣井地質與排采資料，探討煤體結構差異對煤層氣井產能的影響。煤的孔裂隙系統、力學性質的差異對煤層氣井開發的各環節有重大影響，這導致相應煤層氣井的產能有較大差異。隨煤體破壞程度的增加，井徑擴徑現象凸現，這增加了后期一系列工藝的難度。以原生結構煤和碎裂結構煤為主的煤儲層，復合改造和多尺度支撐劑的應用可提升煤儲層長期導流能力；以碎裂-糜棱結構煤為主的煤儲層，其開發的核心是對煤儲層進行卸壓改造和保護層開采，以改善煤儲層的導流能力。

煤體結構 煤層氣井產能 導流能力

1 地質概況

沁水盆地南部樊莊區塊位于山西省沁南縣中東部。構造上以燕山期北北東向、近南北向和喜馬拉雅期形成的北西向褶曲為主，屬于沁水盆地東南部晉城斜坡帶區、整體呈東南高，西北低的特征。目前煤層氣井主采3號煤層、厚度3～7m，埋深400～800m；煤體結構以原生結構煤為主，局部發育有構造煤。

2 煤層氣井產氣量

依據文獻[4]的分類，煤體結構按破壞程度可劃分為原生結構煤、碎裂結構煤、碎粒結構煤和糜棱結構煤。根據區塊內煤層氣井3號煤層鉆井取樣照片可知，不同煤體結構煤樣的幾何形態差異較大。原生結構煤通常為柱狀；碎裂結構煤為較大的塊狀；在機械擾動的情況下、碎粒結構煤和糜棱結構煤的區分難度非常大，通常為小塊狀和粉末狀的集合，本文統稱為碎粒-糜棱結構煤。為了便于研究，故將該區3號煤的煤體結構劃分為原生結構煤(Ⅰ)、碎裂結構煤(Ⅱ)和碎粒-糜棱結構煤(Ⅲ)。表1為區塊不同煤體結構下煤層氣井的產氣量數據。

3 煤層氣井產氣量差異的原因

煤層氣井產能受諸多因素影響，包括煤儲層含氣量、煤體結構差異、煤質、滲透性能等地質因素，以及鉆井質量、射孔效果、壓裂改造效果、排采制度等工程因素。資源量是開采基礎，煤儲層滲透性對產能的影響至關重要。鉆井、固井、壓裂等一系列工藝為了直接或間接提高煤儲層的滲透性。

表1 煤層氣井基本參數

3.1 孔裂隙特征

煤是具有雙重孔隙結構特征的多孔介質。孔-裂隙的大小、形態、分布狀況、連通程度等都直接影響著煤層氣的產出。同時，構造變形作用使得煤的孔裂隙特征發生顯著的變化。原生結構煤內生裂隙發育，具有顯著的定向性，受到的構造作用影響小，外生裂隙和構造裂隙不發育，只有孔隙和割理結合處滲透能力有一定程度地提升；煤體具有層理結構，無明顯破裂面；大中孔含量少。構造破壞作用使煤體形成不規則的微米級顆粒和一定數量的構造裂隙，顆粒的相互交疊支撐形成不規則的微裂隙和一定數量的孔隙，這些微裂隙、孔隙、顯微構造裂隙彼此相通，滲透性明顯增大；有顯著的破裂面形成。隨變形程度繼續增大，微米級顆粒的棱角被切割形成大小不等的碎粒狀，甚至是粉狀，裂隙系統遭到破壞，連通性急劇下降；但微孔含量急劇增加，其富集性明顯增強；同時孔隙結構的復雜程度隨著煤體破壞程度的增加而增加。

3.2 工程因素

3.2.1 鉆井液和壓裂液污染

選取以原生結構煤、碎裂結構煤、碎粒-糜棱結構煤為主的三口煤層氣井，依據0.5m煤層厚度為間隔的測井響應曲線可知：井徑與煤體破壞程度正相關。原生結構煤的井徑在250～350mm之間(圖1-a)，碎粒-糜棱結構煤的井徑在450～500mm之間(圖1-c)，碎裂結構煤的井徑在兩者之間。在圖1-b，煤層整體為碎裂結構煤，井徑先減小后增大，可能是受鉆進速度影響所致。通常，鉆進速度越快，井徑越小。在圖1-c中，夾矸段(891.5～892.5m)的井徑小于煤巖段，是由于夾矸的硬度明顯高于煤巖段所致。

在煤層氣井鉆進過程中，擴徑現象多因煤儲層坍塌變粗，這導致了鉆井液浸入煤儲層，造成近井地帶儲層污染嚴重。此外，擴徑會增加后期固井、完井工藝的難度，不利于水泥漿返排，形成大小不等的水泥環，增加了射孔的難度，使得壓裂液經過射孔段時摩阻顯著增大，影響壓裂效果及煤層氣井產能。

煤層氣井壓裂后，進行壓裂液返排。由于存在濾失現象，一部分壓裂液會殘留在煤層中，堵塞孔裂隙，增加解吸甲烷運移的難度。

圖1 不同煤體結構煤的井徑

圖2 壓裂施工曲線

3.2.2 儲層改造效果

煤層氣開發的儲層具有“三低”特點，而合理的儲層改造是增大煤儲層滲透性的關鍵。圖2顯示，以原生結構和碎裂結構為主的煤儲層，由于煤巖具有一定的脆性，壓裂曲線可看到明顯的破裂壓力(一級破裂面起破)(圖2-a)，以碎粒-糜棱結構為主的煤儲層，無明顯破裂壓力(圖2-b)。隨著排量和砂比增加，以原生結構和碎裂結構為主的煤儲層，裂縫繼續向儲層擴展，當裂縫被壓裂液充滿且有效支撐后，煤體可能沿著次級弱面繼續起裂，裂縫進一步擴展和延伸；而以碎粒-糜棱結構為主的煤儲層卻出現砂堵現象，由于其裂隙系統幾乎完全遭到破壞，煤顆粒彼此充填導致壓裂無法形成有效的裂縫。

4 不同煤體結構下煤層氣開發的對策

煤體結構差異主要體現在孔-裂隙系統和吸附性能等方面。裂隙擴展度及密度主要影響儲層滲透性，而吸附性在一定程度上可反映煤儲層的資源量，煤體結構可為儲層改造方案的優化和排采制度的調整提供參考。儲層資源量是開采基礎。合理的壓裂是增加儲層滲透性的關鍵，恰當的排采是提高煤層氣井產量的保障。

4.1 鉆井方面

鉆井是煤層氣開發中非常重要的環節。鉆井質量直接影響井壁的穩定性，間接影響固井質量、儲層傷害程度、儲層改造效果、煤層氣產能等。煤層氣井筒擴徑的主控因素是鉆井液密度、天然裂隙發育狀況及排量。因此，以原生結構煤為主的儲層，應在較高的鉆壓下用低密度鉆井液和較高排量鉆進；以碎裂結構煤為主的儲層，應在適中的鉆壓下配備低密度鉆井液和適中排量鉆進；以碎粒-糜棱結構煤為主的儲層，應在較小的鉆壓下配備高密度鉆井液和較低排量鉆進。在地層條件下，煤儲層大多是不同煤體結構的組合體，這就需要動態調整鉆井液密度、鉆壓、鉆速變化，實時優化鉆進參數，確保平衡鉆進，力求鉆井質量高，減小擴徑對后續工程和煤層氣井產能的影響。

4.2 儲層改造方面

目前，“排水-降壓-解吸-擴散-滲流”是地面煤層氣開發的主導思想，壓降能否有效傳遞是氣體產出的關鍵。滲流理論表明：滲透率是壓降傳遞的關鍵因素。煤層氣井水力壓裂是利用液體傳壓原理，以大于煤儲層吸收能力的速度向煤儲層注入壓裂液，使煤體原有的裂縫進一步擴展，同時劈開煤體薄弱部分產生新的裂縫，加入起支撐作用的支撐劑，增大煤儲層的導流能力。以原生結構煤為主的儲層，其內生裂隙發育，缺少溝通內生裂隙和外生裂隙或者構造裂隙的紐帶。傳統的水力壓裂僅僅是通過強化原有裂隙和形成一定數量的大尺度裂隙來增加煤儲層的滲透性；很難形成微裂隙網絡，其裂隙系統連通性較差。采用大于20目的支撐劑進行支撐裂縫，其支撐范圍有限，井筒附近短期導流能力大大增強。采用多種儲層改造方式，如多脈沖壓裂和水力壓裂聯合作業，可在煤儲層形成一定數量的徑向裂隙和微裂隙，大大增加了內生裂隙和外生裂隙及構造裂隙的連通性，同時選擇更小尺度(40-60目)的支撐劑支撐微裂縫是增大煤儲層長期導流能力和實現高產的保障。以碎裂結構煤為主的儲層，其構造裂隙、外生裂隙、微裂隙、割理等較發育，連通性好，簡單的水力壓裂和多尺度支撐劑的支撐可使該類煤層氣井實現高產，如沁水南部盆地鄭莊區塊。以碎粒-糜棱結構煤為主的儲層，其裂隙系統遭到破壞，水力壓裂很難對儲層進行有效改造。開發該類儲層的核心是進行有效的卸壓改造(水平井、羽狀井打破了煤層氣井傳統“點”開采)或者進行保護層開采(夾矸、頂底板)，充分利用井型(組合)及保護層優勢，松弛儲層地應力，讓軟弱致密的煤儲層釋放膨脹能，改善煤儲層的導流能力，使煤層氣有一定的運移空間產出。

4.3 排采管控方面

煤層氣井排采過程中，壓降是引起煤體內部結構以及物性參數發生一系列變化的根本原因，有效應力增加產生的負效應和基質收縮產生的正效應綜合影響煤儲層的滲透性能。原生結構煤、碎裂結構煤，經復合改造和多尺度支撐劑的有效支撐，裂隙擴展性及其連通性、長期導流能力大大增強，壓降易于傳播，可能會使煤層氣井的見氣和產氣高峰時間提前，增加經濟效益。碎粒-糜棱結構煤，經卸壓改造或者保護層開采，透氣性能和導流能力有一定程度的增大，具有一定高產的潛能。構造煤對初期降液速度較敏感，原生結構煤和碎裂結構煤對初期降液速度不敏感。但在飽和單相水流階段，過快的降液速度可能會導致有效應力產生的負效應增強，將發生支撐劑顆粒鑲嵌煤層現象，因此，在煤層氣井產氣前，應緩慢降低動液面，盡可能增大壓降傳遞的范圍。

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(責任編輯 王一然)

Effect of Coal Body Structures on CBM Wells’ Production and Solutions

ZHAO Jiapan1，ZHANG Yongqi1，ZHANG Shuai2，WANG Hailin1，PI Hongbin1，XIONG Jianping1

(1.CBM Exploration and Development Branch，Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000；2. School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000)

Based on CBM wells’ geological and drainage data of Fanzhuang Block in Southern Qinshui Basin, effect of different coal structures on CBM wells’ productivity is discussed. The differences of pore system, fissure systems, and mechanics properties of coal have great effect on the whole development process of CBM wells, which results in great differences in production of corresponding CBM wells. The more damage of coal-body is, the larger the diameter of wells becomes, which will cause greater difficulties of a series of technologies in later stage. The application of compound modifications and multi-scale propping agents can improve the long-term flow conductivity in coal reservoirs dominated by primary and cataclastic structure coal. For the coal reservoirs dominated by fragmented-mylonitic structure coal, the key point of development is to adopt pressure relief or protective layer mining, so as to improve its flow conductivity.

Coal structure;productivity of CBM well;flow conductivity

趙家攀，男，碩士，助理工程師，主要從事煤層氣開發工作。