沁水盆地南部柿莊地區(qū)煤層氣U型水平井低產(chǎn)原因分析

王春東

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

沁水盆地南部柿莊地區(qū)煤層氣U型水平井低產(chǎn)原因分析

王春東

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 048000)

本文基于柿莊地區(qū)煤層氣水平井資料，從地質(zhì)、工程、排采三個(gè)方面系統(tǒng)分析水平井低產(chǎn)原因，認(rèn)為斷層溝通含水層、煤體結(jié)構(gòu)破碎，鄰井壓裂溝通含水層、井眼軌跡上傾、排采速度過(guò)快、排采時(shí)效低為區(qū)內(nèi)煤層氣水平井主要低產(chǎn)原因。通過(guò)水平井低產(chǎn)原因分析，為該區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

柿莊地區(qū) 煤儲(chǔ)層 水平井 低產(chǎn)原因

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

沁水盆地位于華北克拉通中部，東部以晉(城)-獲(鹿)大斷裂為界，太行山隆起相接、西部與霍山隆起相鄰、南部與中條隆起毗鄰。盆地整體為NNE向復(fù)向斜構(gòu)造，構(gòu)造類(lèi)型簡(jiǎn)單。柿莊地區(qū)位于沁水盆地南緣沁水復(fù)向斜東翼(見(jiàn)圖1)，整體為由東向西傾的單斜構(gòu)造，構(gòu)造走向NNE向?yàn)橹鳎瑪嗔巡簧醢l(fā)育，構(gòu)造形態(tài)以低幅褶皺為主，為煤層氣的富集成藏提供了良好的條件。本區(qū)煤層主要發(fā)育于石炭、二疊系煤系地層中，其中二疊系山西組3號(hào)煤層區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，鉆井揭示煤層厚度在4.34～9m之間，含夾矸1～3層，屬較簡(jiǎn)單-簡(jiǎn)單型煤層結(jié)構(gòu)。煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r、泥質(zhì)砂巖，垂向封蓋性良好，是研究區(qū)主要目的層。

2 水平井低產(chǎn)原因分析

煤層氣井產(chǎn)能受地質(zhì)、工程等多方面因素影響，前人對(duì)煤層氣水平井產(chǎn)能影響因素的研究做了大量的工作，劉升貴等運(yùn)用理論分析方法分析了臨界解吸壓力、含氣飽和度及滲透率對(duì)煤層氣水平井產(chǎn)能起到控制作用；張建國(guó)等從地質(zhì)、鉆井工程及排采制度三個(gè)方面分析樊莊區(qū)塊的煤層氣多分支水平井產(chǎn)能影響因素，認(rèn)為地質(zhì)因素為煤層含氣量、煤層埋深和構(gòu)造(斷層)，鉆井工程因素主要為煤層段總進(jìn)尺及分支平面展布形態(tài)、分支產(chǎn)狀及鉆井過(guò)程中的儲(chǔ)層保護(hù)，排采制度方面為井筒的液柱高度、液面下降速度、井底流壓、套壓、產(chǎn)氣、產(chǎn)水量及粉煤灰情況。目前對(duì)于煤層氣U型水平井低產(chǎn)原因研究尚少，本文選取柿莊地區(qū)典型井組，從地質(zhì)、工程、排采三個(gè)方面系統(tǒng)分析區(qū)內(nèi)水平井的低產(chǎn)原因。

表1 柿莊地區(qū)典型水平井組基本信息表

圖1 研究區(qū)位置圖(據(jù)文獻(xiàn)，修改)

2.1 斷層溝通含水層

斷層通過(guò)改變煤層所處的地下水動(dòng)力環(huán)境，影響著煤層氣的賦存狀態(tài)。斷層的存在使上下地層溝通起來(lái)，煤層氣含氣飽和度低，煤儲(chǔ)層與上下水層溝通起來(lái)，產(chǎn)水量大，產(chǎn)氣量低(見(jiàn)圖2)，在鉆遇斷層過(guò)程中，根據(jù)斷層情況，鉆井液會(huì)發(fā)生不同程度的裂縫性漏失，甚至井漏無(wú)返出。由于前期二維地震資料處理精度限制，斷層平面位置存在較大誤差，該井組排采井在鉆井過(guò)程中，鉆遇到一走向NNE向正斷層(見(jiàn)圖3)，多次發(fā)生井口不返漿及鉆具放空情況，采用水泥漿封堵措施，水泥漿全部漏失，最終報(bào)廢未成井。斷層與煤層頂?shù)装搴畬訙贤ǎ貙铀詳鄬訛橥ǖ缹?duì)煤層越流補(bǔ)給，造成該井組產(chǎn)水量大，液面下降困難。

圖2 斷層溝通含水層示意圖(據(jù)文獻(xiàn)，修改)

圖3 X1井組工程井井眼軌跡示意圖

2.2 煤體結(jié)構(gòu)破碎

煤體結(jié)構(gòu)是煤層氣井井壁穩(wěn)定性的重要因素，煤體結(jié)構(gòu)越破碎，井壁穩(wěn)定性越差。排采過(guò)程中，隨著井底流壓的下降，地層有效應(yīng)力增加，易引起井壁煤體破裂，隨井深增加，煤層破裂敏感性也增大。以X2井組為例，該井組排采井煤層埋深為1061m，相比鄰近潘莊區(qū)塊而言埋深較深，煤體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，完整性較差。鄰井取芯顯示該井區(qū)碎裂結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，井壁穩(wěn)定性較差。當(dāng)液面降至煤層頂板附近，在有效應(yīng)力作用下，洞穴處煤層發(fā)生垮塌，造成水平井眼末端堵塞(見(jiàn)圖4)，阻礙流體流入井筒，造成該井停機(jī)。

圖4 X2井組井身結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 壓裂溝通含水層

水力壓裂是實(shí)現(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)的重要手段。煤層氣井壓裂施工前對(duì)目的煤層附近砂巖含水情況認(rèn)識(shí)不清，壓裂過(guò)程中未合理控制排量，裂縫溝通了煤層附近的含水層，含水層中的地層水對(duì)煤層形成越流補(bǔ)給，造成煤層氣井產(chǎn)水量大，液面下降困難。以X3井組為例，鄰井連井剖面顯示煤層上下發(fā)育多套可疑砂巖含水層，同時(shí)井下微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示壓裂縫高100m，裂縫突破煤儲(chǔ)層，在煤層附近其它巖層擴(kuò)展，隨著裂縫的延伸，裂縫溝通煤層上下可疑砂巖含水層(見(jiàn)圖5)，地層水以壓裂縫為通道對(duì)煤層持續(xù)補(bǔ)給，造成該井產(chǎn)水量大，達(dá)不到煤層臨界解吸壓力，氣體產(chǎn)出困難。

2.4 井眼軌跡上傾

鉆完井工程質(zhì)量是影響煤層氣水平井產(chǎn)量的重要因素。在煤層氣水平井鉆井過(guò)程中，實(shí)鉆中追蹤煤層鉆進(jìn)，往往形成U型井眼，在井眼軌跡低洼處形成地層水及煤粉滯留。鉆井過(guò)程中鉆具研磨和壓裂流體對(duì)人工裂縫煤壁的摩擦作用是煤粉的主要來(lái)源，在排采過(guò)程中，煤粉隨儲(chǔ)層流體一同產(chǎn)出至水平井段，由于停機(jī)等因素造成排采間斷，煤粉在井眼低洼處逐漸形成沉淀，增大了流體流動(dòng)阻力。以X4井組為例，工程井井眼軌跡上傾，連通點(diǎn)與著陸點(diǎn)高差為22.87m(見(jiàn)圖6)，完井方式套管壓裂，鉆井及壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的煤粉在井眼軌跡低洼處形成煤粉滯流區(qū)，阻礙了流體向井底流動(dòng)，產(chǎn)氣效果差。

圖5 X3井組鄰井壓裂壓穿含水層示意圖

圖6 X4井組工程井井眼軌跡示意圖

2.5 排采速度過(guò)快

煤層氣排采見(jiàn)氣前的排采速率過(guò)快，近井地帶割理系統(tǒng)將會(huì)在煤層氣解吸前閉合，影響壓降漏斗的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致有效降壓范圍局限于井筒附近，氣井產(chǎn)氣量低，在單一排水階段對(duì)排采速率的控制尤為重要，動(dòng)液面和井底流壓應(yīng)緩慢穩(wěn)定下降。從柿莊地區(qū)高產(chǎn)水平井液柱及產(chǎn)氣量變化散點(diǎn)圖看出前期液面下降平均速度控制在4m/d，液面平穩(wěn)下降(見(jiàn)圖7)，該井最大產(chǎn)氣量達(dá)到15000m3/d，X5井組見(jiàn)氣前平均排采速率42m/d(見(jiàn)圖8)。排采速度過(guò)快，井底流壓迅速下降，近井地帶少量氣體解吸，同時(shí)引發(fā)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感，壓降漏斗擴(kuò)展受限制，導(dǎo)致產(chǎn)量上升空間受限。

圖7 A1井組液柱與產(chǎn)氣量變化散點(diǎn)圖

圖8 X5井組液柱與產(chǎn)氣量變化散點(diǎn)圖

圖9 煤層氣水平井峰值產(chǎn)氣量與排采時(shí)效圖

2.6 排采時(shí)效低

排采的連續(xù)性對(duì)煤層氣井產(chǎn)能起著非常重要的作用，連續(xù)排采可以有效的溝通滲流通道，擴(kuò)大壓降漏斗，盡早形成井間干擾，非連續(xù)排采對(duì)煤儲(chǔ)層孔隙度、滲透率等物性參數(shù)的穩(wěn)定變化起到抑制作用，當(dāng)停機(jī)后再次恢復(fù)排采時(shí)，被抑制的物性參數(shù)得不到及時(shí)的恢復(fù)，甚至是不可逆轉(zhuǎn)的傷害。柿莊地區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)高產(chǎn)水平井排采時(shí)效大都超過(guò)90%(見(jiàn)圖9)，排采時(shí)效與產(chǎn)氣量存在正相關(guān)關(guān)系，排采時(shí)效越高，產(chǎn)氣效果越好。X6井組由于設(shè)備故障、天氣等原因造成停機(jī)658天，排采時(shí)效50%，排采時(shí)效較低，致使儲(chǔ)層受到傷害，區(qū)域解吸面積不能有效擴(kuò)大，造成低產(chǎn)。

3 結(jié)論及建議

(1)地質(zhì)因素是影響產(chǎn)能的內(nèi)在因素，柿莊地區(qū)煤層氣水平井井產(chǎn)能受煤體結(jié)構(gòu)、斷裂因素影響，在水平井前期部署階段，應(yīng)精細(xì)刻畫(huà)區(qū)域構(gòu)造形態(tài)，優(yōu)選地層產(chǎn)狀平緩，斷裂不發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)完整的區(qū)域進(jìn)行部署。

(2)工程因素是影響煤層氣井產(chǎn)能的外在因素。水平井井眼軌跡關(guān)系到煤層中流體能否順利產(chǎn)出，進(jìn)而影響排水降壓效果，在水平井鉆井過(guò)程中加強(qiáng)地質(zhì)導(dǎo)向跟蹤，保證井眼軌跡平滑，避免過(guò)大落差。鄰井壓裂前應(yīng)了解煤層上部含水層發(fā)育情況，確定合理壓裂參數(shù)，避免壓穿含水層。為避免排采過(guò)程中洞穴處煤層坍塌，建議水平段管柱穿過(guò)洞穴處，然后鍛銑洞穴井眼處套管，以對(duì)洞穴處煤層形成支撐，防止煤層坍塌，形成穩(wěn)定的流體流動(dòng)通道。對(duì)井眼軌跡為上傾的水平井，可在工程井著陸點(diǎn)附近采用斜井泵進(jìn)行排水降壓。

(3)排采的連續(xù)性及穩(wěn)定性是是實(shí)現(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)的前提，柿莊地區(qū)煤層氣井排采速度過(guò)快及排采時(shí)效低導(dǎo)致儲(chǔ)層滲流能力下降，對(duì)于此類(lèi)水平井建議采用洗井、氮?dú)饨舛隆⒌獨(dú)鈹U(kuò)孔等工藝，疏通堵塞，重建滲透通道。

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(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Analysis of Low Production of U-shaped Horizontal Coalbed Methane Wells in Shizhuang Area of Southern Qinshui Basin

WANG Chundong

(Jincheng Branch, China United Coalbed Methane Corporation, Shanxi 048000)

Based on the data of CBM horizontal wells in Shizhuang area, the paper analyzes the causes for the low production of horizontal wells from the aspects of geology, engineering and drainage. The main causes includes the fault communication aquifer, the broken coal structure, the fracturing communication aquifer, the borehole trajectory, the fast drainage rate and the low drainage efficiency in the area. Based on the cause analysis of the low production of horizontal wells, the paper provides the reference for exploration and development of CBM in this area.

Shizhuang area; coal reservoir; horizontal well; cause for low production

王春東，男，助理工程師，現(xiàn)從事煤層氣地質(zhì)綜合分析工作。