貴州省織金地區煤層氣多層合采層位優選

高玉巧，郭 濤，何希鵬，高小康

(中國石化 華東油氣分公司 勘探開發研究院，南京 210094)

二疊系龍潭組沉積時期，貴州省中西部整體處于潮坪—潟湖有利聚煤沉積環境，發育了一套煤層層數多、單層薄、含氣量高的煤系地層。根據“十三五”資源評價最新結果，龍潭組煤層氣資源量2.9×1012m3，資源前景廣闊。近年來，貴州省煤層氣勘探開發備受關注，實施的多口煤層氣井獲得勘探突破。六盤水地區楊梅樹向斜部署的楊梅參1井采用“大排量、大液量”壓裂方式，最高日產氣超過4 500 m3。在文家壩區塊實施的文1-01井試采獲得2 500 m3的日產量，已穩產超過1年。在松河區塊實施試驗井組日產量均超過1 000 m3。中國石化華東油氣分公司在織金地區先后開展探井、小井組評價及大井組試驗，均獲得1 000 m3/d以上商業氣流，揭示貴州省煤層氣具備良好勘探開發潛力。

與國內其他已實現商業開發區塊煤層氣地質特點顯著不同，貴州省龍潭組煤層層數多，單層薄，地應力復雜，若動用單一煤層，資源動用率低，單井產量低。勘探實踐表明，多層合采可提升煤層氣資源動用程度，提高單井產能，從而提高開發效益，是多煤層有效開發的必然選擇[1]。然而，由于多層煤跨度大，易發生層間干擾，對煤層氣縱向上的壓裂選層、開發方式選擇與排采制度的確定存在較大的挑戰，嚴重制約了多、薄煤層煤層氣資源有效動用的工程有效性，尚未實現規模化商業開發。國內諸多學者針對多、薄煤層開發方式進行了探討。李國彪等[2]探討了煤層氣井單層與合采異同點及其主控因素；彭龍仕等[3]采用灰色關聯分析法評價了煤層氣多層合采產能各影響因素的重要性；黨廣興[4]從其基本概念、作用機制、影響因素等方面進行了分析，建立了表征層間干擾的靜態與動態參數，提出了排采初期減弱或抑制層間干擾的初步對策；吳艷婷[5]認為儲層能量差異和導流能力差異是引起多煤層排采層間干擾的最主要因素，并開展了合層排采歷史擬合和產能預測的數值模擬工作；孟艷軍等[6-7]開展了華北地區厚煤層合采影響因素及可行性研究。上述研究多側重于合采影響因素理論研究，所使用的排采井多為低效生產井，比如吳艷婷[5]引用的重慶松藻礦區QC-X井最高日產氣低于1 000 m3，黨廣興[4]引用的云南老廠礦區生產井日產氣一般小于400 m3，對于多層合采認識仍有一定局限性。織金地區經過近10年的煤層氣勘探開發，累計鉆井54口，實施了井組試驗，開展了不同煤層分壓合采、合壓合采試驗，大井組取得了日均產氣2 000 m3的良好產氣效果。本文在研究織金地區地質特征的基礎上，根據多、薄煤層煤層氣解吸機理，結合生產實踐，分析了織金地區多煤層合采的影響因素，優選了合采層位，建立了開發序列，可為南方多、薄煤層煤層氣合采層位優選提供借鑒。

1 地質特征

織金地區位于貴州省西部，構造上位于揚子板塊黔中隆起之上。二疊系煤系地層沉積后，該區先后經歷了中燕山期、晚燕山期及喜馬拉雅期3期構造作用，原型含煤盆地遭受肢解和變形改造，呈現出北部、西部大型完整含煤復向斜，東部斷褶構造及部分殘留小向斜的整體構造面貌[8-9]。區內發育黔西和巖腳向斜，巖腳向斜可進一步分為5個不對稱的次級向斜，分別為珠藏、阿弓、三塘、水公河和比德次向斜(圖1)，目前勘探評價工作主要集中在珠藏次向斜。

織金地區主要含煤地層為上二疊統龍潭組和長興組，其中龍潭組地層厚度300～400 m，發育煤層28～35層，煤層累計厚度25～35 m，其中單層厚度大于0.8 m的煤層有12～20層，平均厚度23 m。縱向上可分為3個煤組(圖2，表1)，龍潭組上段為Ⅰ煤組，發育8層煤層，6，7號煤層為全區可采煤層；龍潭組中段為Ⅱ煤組，發育10層煤層，16號煤層為全區可采煤層，12，14，17號煤層為局部可采煤層；龍潭組下段為Ⅲ煤組，系區內主力煤組，含煤16層，其中20，23，27，30號煤層為全區可采煤層。主力煤層宏觀煤巖類型以半亮型、半亮—半暗型為主。鏡質組含量60.3%～94.6%，平均76.2%，有利于煤層氣吸附。鏡質體反射率2.1%～3.6%，處于貧煤—無煙煤階段。煤體結構主要為原生結構煤—碎裂煤，割理裂隙較發育，有利于煤層氣開發。

2 合采層位優選

多煤層合采易發生層間干擾，影響合采效果及資源動用程度。優選跨度合理、合采兼容的優質儲>層，建立合理開發序列，實現多煤層有序接替開發，是多煤層開發技術政策的重要內容，也是實現南方多煤層效益開發的關鍵。

圖1 貴州省織金區塊巖腳向斜構造據參考文獻[10]，有修改。Fig.1 Tectonic setting of Yanjiao syncline, Zhijin area, Guizhou province

圖2 貴州省織金區塊巖腳向斜 上二疊統含煤地層綜合柱狀圖據參考文獻[10]，有修改。Fig.2 Stratigraphic column of upper Permian coal bearing strata in Yanjiao syncline, Zhijin area, Guizhou province

2.1 合采影響因素

多煤層合采主要受解吸液面高度、縱向跨度、壓力梯度、供液能力、滲透率差異影響[10]。解吸液面高度差異可導致不同煤層解吸時間差異，影響合采效果；縱向跨度過大可導致上部煤層過早裸露，應力敏感，難以充分壓降解吸；供液能力、解吸壓力梯度、滲透率差異可導致同一排采制度下，不同煤層壓降速率有快有慢，處于不同的排采階段，從而難以實現均衡降壓，影響煤層氣采出程度。

表1 貴州省織金區塊主力煤層厚度統計Table 1 Thickness statistics of main coal seams in Zhijin area, Guizhou province

2.1.1 地層供液能力、壓力梯度和滲透率

(1)供液能力不同的兩套煤層合采，壓降速度不同，影響合采效果。同一排采制度下，地層供液能力差異過大，會導致地層供液能力強的煤層遲遲無法有效降壓，而地層供液能力弱的煤層壓降過快，造成儲層傷害，導致煤層氣井低效生產。

(2)壓力梯度是地層能量的表征，其不僅直接影響煤層氣合采效果，且與滲透率和地層供液能力共同影響合采效果[10]。當壓力梯度差別較大的兩套煤層合采時，勢必造成壓力梯度高的煤層壓降速度較慢，而壓力梯度低的煤儲層壓降速度過快，壓降漏斗無法充分擴展，影響合采效果。

(3)滲透率差異對合采的影響體現在儲層滲流能力差異對壓降速度的影響。在同一排采制度下，滲透率差別過大，高滲儲層流體流速將遠遠高于低滲儲層，發生嚴重速敏；同時低滲煤層壓力傳遞距離有限、壓降漏斗范圍有限，供氣能力低，不適合合層排采[6]。

2.1.2 解吸液面高度、合采跨度

在壓力梯度、地層供液能力和滲透率等差異較小，不同煤層壓降速率基本一致的情況下，多煤層合采主要受控于解吸液面高度及合采跨度。

在生產過程中，煤層吸附狀態下的甲烷氣體開始解吸時的井底流壓即為解吸壓力，根據煤層解吸壓力與動液面關系式：

P2=H2/100=(H1+Δh)/100

(1)

當P2-P1<Δh/100時，上部煤層優先解吸，下部煤層后解吸；

當P2-P1=Δh/100時，兩套煤層同時解吸見氣；

當P2-P1>Δh/100時，下部煤層會先解吸，上部煤層后解吸。

式中：P2為下部煤層解吸壓力，MPa；P1為上部煤層解吸壓力，MPa；H2為下部煤層解吸時液柱高度，m；H1為上部煤層解吸時液柱高度，m；Δh為兩套煤層的縱向跨度，m。

由關系式可知，合采效果取決于解吸壓力與合采跨度的關系。其可用解吸液面高度來表示，煤層見氣時的動液面高度即為解吸液面高度，解吸液面高度越低，見氣越早。由于高階煤煤層氣井排采受煤層解吸速率變化和氣液相態變化影響，不同排采階段應制定不同的排采制度[5]。多煤層合采，若解吸液面高度差異過大，可導致上下煤層所處的排采階段不同，同一井筒下，上下排采強度不同，影響合采的效果。合采效果還與煤層跨度有關，若跨度較小，可等效于單層煤，對合采影響較小；跨度過大可導致下部煤層未解吸產氣，上部煤層即將裸露，引起氣體“反侵進入裸露煤層”，導致上部煤層產水、產氣量快速遞減[11]，嚴重影響合采效果。

根據織金地區地質特征，繪制了兩層煤合采效果模式圖(圖3)。當上部煤層先解吸，上下煤層逐層解吸產氣，兩層煤均具有較大的壓降解吸空間，合采效果較好；當兩層煤解吸液面高度相等，上下煤層同時解吸產氣，下部煤層具有較大的壓降空間，上部煤層壓降空間較小，合采效果次之；下部煤層解吸液面高度大于上部煤層解吸液面高度，下部煤層先解吸，上部煤層后解吸，上部煤層可壓降空間更小，不利于合采。因此，層位優選時應選擇分布集中，上下煤層逐層解吸或同步解吸煤層合采，以實現產氣最大化。

2.2 合采層位優選

多煤層合采需滿足不同煤層解吸液面高度差異小，合采跨度合理，儲層壓力梯度、地層供液能力、滲透率基本一致等條件。織金區塊儲層壓力梯度、地層供液能力、滲透率差異均較小，解吸液面高度及合采跨度是影響合采效果的關鍵因素。

織金地區龍潭組為碳質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖及煤層頻繁互層沉積，沉積物粒度小，縱向封閉性較好，其上覆飛仙關組一段及下伏峨眉山玄武巖為相對隔水層[12]。龍潭組及其頂底板巖性配置關系決定了其為相對統一的壓力系統。試井資料顯示，該區壓力梯度0.7～1.1 MPa/hm，整體為常壓系統，縱向上不同煤層壓力梯度也基本一致(表2)，對煤層氣合采影響較小。

圖3 貴州省織金區塊解吸液面高度、合采跨度對多煤層合采影響模式Fig.3 Influences of desorption liquid level height and longitudinal span on commingled production, Zhijin area, Guizhou province

煤層滲透率主要受演化程度及構造作用影響，高階煤普遍具有低孔低滲的特征[13]。織金地區龍潭組煤層鏡質體反射率一般為2.1%～3.6%，處于貧煤—無煙煤階段，受構造作用控制呈現出由北西往西南演化程度逐漸增高的趨勢，縱向上不同煤層演化程度基本一致。據試井滲透率結果(表2)，該區煤層滲透率一般低于0.1×10-3μm2，縱向上不同煤層滲透率差異較小，且煤層需壓裂改造產氣，煤層原始滲透率大小對合采的影響作用更小。

龍潭組巖性組合特征及煤層本身低孔低滲的特征決定了煤層整體含水性較弱。無斷層溝通外來水情況下，不同煤層含水性差異較小，不影響合采效果。小井組下煤組20，23，27，30號煤層合采，單相流階段日產液1.0～2.0 m3，雙相流階段日產液一般低于0.5 m3，后期基本不產液，排采數據也證實該區煤層含水性弱，對合采影響較小。

解吸液面高度及合采跨度對合采效果的影響主要體現在下部煤層解吸時上部煤層可降壓空間，以及上下煤層排采階段不同導致的速敏效應。應選擇跨度小、上下煤層逐層解吸或同步解吸煤層合采，以實現產氣最大化。通過煤層等溫吸附曲線計算臨界解吸壓力及排采實踐，計算了織金地區不同煤層解吸液面高度與煤層跨度的關系(圖4)。如圖4所示，該區主力煤層由淺到深表現出逐層解吸的特征，但由于煤層跨度影響，比如16，17，20，23，27，30號煤解吸時，6，7號煤即將裸露，難以充分降壓，不利于合采。

2015年實施小井組動用Ⅲ煤組20，23，27，30號煤層，解吸壓力平均2.3 MPa，獲得平均日產氣1 200 m3以上穩產3年的良好產氣效果，證實Ⅲ煤組20，23，27，30號煤層可有效合采。根據該區主力煤層合采跨度與降壓空間關系，建立了合采效果評價表(表3)，Ⅲ煤組20，23，27，30號煤層解吸壓力平均2.3 MPa，當Ⅲ煤組解吸時，Ⅱ煤組16，17號煤層可降壓空間1.7 MPa，可通過排采控制實現16，17，20，23，27，30號煤層充分壓降，利于合采。當Ⅲ煤組解吸時，Ⅰ煤組6，7煤層即將裸露，難以同時兼顧，不利于合采。因此認為16，17，20，23，27，30號煤層跨度90 m，可作為一個開發組合，6，7，12，14號煤可作為后期調層動用的接替層系。

表3 貴州省織金區塊多煤層合采跨度與降壓空間關系Table 3 Spatial relationship between commingled production span and depressurization of multiple coal seams in Zhijin area, Guizhou province

表2 貴州省織金區塊試氣壓力梯度、滲透率統計Table 2 Statistics of gas test pressure gradient and permeability in Zhijin area, Guizhou province

圖4 貴州省織金區塊煤層中深及解吸液面高度柱狀圖[10]Fig.4 Histograms of medium depth and desorption liquid level in Zhijin area, Guizhou province

圖5 貴州省織金區塊大井組歸一化生產曲線Fig.5 Normalized production curves of Dajing Formation in Zhijin area, Guizhou province

3 運用效果

為了攻關織金地區多煤層開發技術政策，2015年開展小井組先導試驗，10口井Ⅲ煤組20，23，27，30號煤層60 m跨度合采，解吸液面高度192～304 m，平均265 m，三年平均日產氣量1 200 m3，最終可采儲量(EUR)平均337×104m3，難以實現效益開發。通過小井組產能主控因素分析，明確了單井動用資源量低是小井組低產的主要原因。2018年實施大試驗井組，在合采影響因素研究的基礎上，優選Ⅱ、Ⅲ煤組16，17，20，23，27，30號煤層90 m跨度合采，大井組較小井組增加動用煤層厚度2.5～3.7 m，解吸液面高度平均150～255 m，平均186 m，歸一化日產氣2 000 m3，流壓平均1.8 MPa，處于產氣初期，EUR平均547×104m3，基本實現了效益開發，證實Ⅱ、Ⅲ煤組16，17，20，23，27，30號煤層90 m跨度可有效合采。

4 結論

(1)多煤層合采主要受解吸液面高度、縱向跨度、壓力梯度、供液能力、滲透率差異影響，織金地區龍潭組主力煤層地層供液能力、壓力梯度、滲透率差異較小，對合采效果影響較小。

(2)根據織金地區地質特征，建立解吸液面高度、合采跨度對合采效果影響模式，明確解吸液面高度、合采跨度是影響織金地區多煤層合采的主要因素。通過解吸機理研究，明確16，17，20，23，27，30號煤層90 m跨度可作為一個開發組合，6，7，12，14號煤層可作為后期調層動用的接替層系。大井組取得日產2 000 m3高產，證實16，17，20，23，27，30號煤層可有效合采。