韩城煤层气田11号煤层产出水越流补给主控因素研究

熊先钺(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京1 0 0 0 8 3) (中石油煤层气有限责任公司,北京1 0 0 1 0 2)

曹代勇 (中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083)

王新海 (长江大学计算机科学学院,湖北荆州434023)

郭大立 (西南石油大学理学院,四川成都610500)

江云涛 (中石油煤层气有限责任公司,北京100102)

李斌斌 (西南石油大学理学院,四川成都610500)

边利恒 (中石油煤层气有限责任公司,北京100102)

韩城煤层气田11号煤层产出水越流补给主控因素研究

熊先钺(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京1 0 0 0 8 3) (中石油煤层气有限责任公司,北京1 0 0 1 0 2)

曹代勇 (中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083)

王新海 (长江大学计算机科学学院,湖北荆州434023)

郭大立 (西南石油大学理学院,四川成都610500)

江云涛 (中石油煤层气有限责任公司,北京100102)

李斌斌 (西南石油大学理学院,四川成都610500)

边利恒 (中石油煤层气有限责任公司,北京100102)

韩城煤层气田是鄂尔多斯盆地东缘重要的煤层气生产区，统计发现开采上古生界二叠系太原组11号煤层总井数14%的煤层气井日产水量大于25m3，其排采特征表现为高产水且动液面不降。11号煤层下伏含水砂岩层中的水通过人工裂缝越流补给煤层，导致该井排采产水量较高。首次提出11号煤层产生越流补给水的主控因素是关键层厚度和净压力，并提出发生越流补给的双因素模型。关键层厚度小、净压力大，易形成裂缝沟通下伏高含水砂岩层，导致后期单井排采产水量高，无法有效排出煤层水形成有效降压面来取得稳定高产气量。首次结合井温测试结果，运用灰色系统中的GM(1，N)模型对软件模拟裂缝高度进行校核，形成了最终校核公式。对现场10口井11号煤层进行了人工隔板封堵下伏含水砂体，封堵有效率达到了100%，封堵应用效果较好。

煤层气;越流补给;裂缝高度;关键厚度;净压力;韩城煤层气田

1 11号煤层越流补给水产生的主控因素

1.1 关键层厚度

11号煤层与下伏含水砂岩层之间的距离是影响压裂裂缝高度的主控因素之一。首次提出将该距离范围内的泥岩隔水层段定义为 “关键层”，关键层厚度越小，即煤层与含水砂岩层的距离越短，压裂过程中容易圧穿隔水层使裂缝延伸到下伏含水砂体，导致砂岩水上窜至煤层中的可能性越高。韩城区块煤层气井关键层厚度为0～15m。从现场单采11号煤层气井产水量与关键层厚度关系图 (图1)可以看出，随着关键层厚度的减小，日产水量有增大的趋势，其相关性达到75.99%。

图2 压裂最大净压力-日产水量散点图

图1 关键层厚度-日产水量散点图

1.2 净压力

由于煤储层地应力高，压裂所造裂缝几乎在停泵瞬间即发生闭合，因此认为瞬时停泵压力即为裂缝闭合压力，闭合压力代表着裂缝穿透地层的平均地层应力，在数值上与区域最小主应力相等。采用11号煤层的瞬时停泵压力与单井瞬时停泵压力的比值来表征区域最小主应力的相对大小。净压力是指裂缝端部张开新的裂缝面积与保持裂缝延伸所需的压力[2]。如图2所示，当11号煤层压裂最大净压力小于13MBa时，产水量随着净压力的增大而减少，日产水量有增大的趋势;当最大净压力超过13MBa后，产水量才随净压力的增加而增大，其相关性达到了71.06%。

同一区域煤层与关键层的最小主应力之差相对稳定，因此净压力越大，关键层厚度越小，压裂施工中沟通含水砂岩层的可能性越大。综合考虑关键层厚度与净压力双因素对裂缝高度的影响程度，提出强函数概念，即所有影响因素中所占权值较大者为决定性的强函数:当地应力较小 (低于6MBa)、关键层厚度较小 (小于3m)时，关键层厚度成为影响裂缝高度的强函数 (图3);当地应力较高 (大于6MBa)，关键层厚度较大 (大于3m)时，净压力成为影响裂缝高度的强函数 (图4)。因此关键层厚度小、净压力大的区域会表现出产水量高的特征。

图3 关键层厚度强函数模式

图4 压裂施工净压力强函数模式

1.3 实例分析

1)模式1——关键层厚度强函数模式 以H-2井为例，该井11号煤层顶板为泥岩，上覆石灰岩; 11号煤层下伏关键层厚度1m，同时测井曲线显示下伏砂岩层段电阻率较低，说明其含水量较高。11号煤层射孔段4m，最小地应力为6MBa，施工压力10MBa，计算其压裂施工净压力为14.2MBa，压裂过程中施工压力增至18.5MBa后出现突降，说明裂缝在煤层中延伸距离较小，中途发生转向压穿底部砂岩层段，在含水砂体层形成裂缝网络。该井排采曲线显示后期日产水量高达32m3且动液面不降(图5)，由于该井压裂裂缝高度超过了关键层厚度，导致越流补给发生。

2)模式2——压裂施工净压力强函数模式 以H-3井为例，该井顶板为泥岩，底板是关键层厚度为4m左右的泥岩，下部为含水砂岩层。模拟裂缝高度为13.3m，射孔段厚度为4.5m，施工压力为33MBa，计算施工净压力为28MBa。分析认为裂缝在煤层中延伸较远，由于煤层弹性模量低，裂缝韧性断裂效应及大量煤粉的产出造成裂缝内部摩阻增大，同时净压力急剧增大，裂缝在煤层中发生转向并压穿底部砂岩含水层，此为典型的压裂施工净压力影响裂缝高度的情况。由于裂缝网络主要形成于煤层中，该井排采曲线显示投产后排采日产水为20m3，产水量较高，液面不降 (图6)。2012年2月在11号煤层和下伏砂岩之间打人工隔板挤灰封堵后，2013年11月日产水量1.2m3，日产气量1200m3，取得了较好的排采效果。

图5 H-2井排采曲线图

图6 H-3井排采曲线图

2 裂缝高度模拟和监测

2.1 井温测试解释裂缝高度

为了研究韩城煤层气井压裂裂缝的延伸情况、裂缝沟通下伏含水层程度，部分井压裂施工时采用测井温法对41口井65层进行了测试。井温测试结果表明有81%的井压裂形成的裂缝不同程度地穿越11号煤层顶底板 (见表1)，实际裂缝高度与射孔段厚度之比在1.8～4.7之间。裂缝模拟结果和实测结果误差在15%以内，证明了关键层厚度和净压力是影响区块11号煤层压裂裂缝的主控因素。这与之前认为煤层弹性模量低、泊松比高、相比顶底板煤层的应力梯度低、裂缝高度主要限制在煤层中的观点相悖。而区内地质勘查资料表明，11号煤层下伏砂岩层含水，压裂时若裂缝延伸至该层，将导致气井产水量高。

表1 井温测试井基本参数表(部分)

2.2 基于灰色模型的缝高模拟

灰色系统对时间序列短、统计数据少、信息不完全系统的分析与建模，具有独特的功效[3]，因此得到了广泛的应用。利用裂缝模拟软件计算得到的裂缝高度 (模拟缝高)和利用井温测试得到的结果存在着一定的差距，而现场施工中将井温测试的结果作为真实值并利用该值对软件模拟结果进行校核。

根据现场实际和对影响裂缝高度的因素分析，选取2个变量:模拟缝高、井温测试缝高，建立煤层压裂缝高的灰色预测模型GM(1，2)。根据表1参数，应用GM(1，N)模型得到煤层压裂缝高模型GM(1，2)如下:

式中:hp为预测裂缝高度;hs，i为第i口井的模拟裂缝高度;ht，i为第i口井的井温测试裂缝高度;n为已知井温测试的井数。

在既定的客观条件，例如煤层埋深、煤层厚度、煤层密度、煤层声波时差等不可控参数下，可利用该方法灰色模型预测结果和裂缝模拟软件优化软件模拟中的参数 (如压裂施工排量、总砂量、前置液占总压裂液的比例、压裂液总量等可控参数)，优化压裂设计，预防煤层压裂时裂缝沟通围岩含水层，防止越流补给的发生。

3 现场封堵效果

为了进一步验证影响11号煤层越流补给程度的双因素分析是否符合实际，针对产水量高、关键层厚度小、压裂施工净压力高的10口气井，在11号煤层与下伏砂岩中间进行了打人工隔板挤灰封堵作业，封堵前日产水量与封堵后日产水量之比在4.5～56之间，封层有效率达到了100%(见图7)。

图7 人工隔板封堵越流补给层的10口井前后产水量对比图

4 结论

1)韩城煤层气田煤储层低孔低渗，渗透率一般0.001～0.1mD，单煤层供液一般小于8m3/d。11号煤层底部砂岩为韩城区块主要越流补给水源层。

2)11号煤层产生越流补给水的主控因素是关键层厚度和净压力，首次提出控制煤层裂缝高度双因素模式，即当地应力较低 (小于6MBa)、关键层厚度较薄 (小于3m)时，关键层厚度成为影响裂缝高度的强函数;当地应力较高(大于6MBa)，关键层厚度较厚(大于3m)时，净压力成为影响裂缝高度的强函数。

3)首次结合井温测试结果，运用灰色系统中的GM(1，N)模型对软件模拟裂缝高度进行校核，形成了最终校核公式。

4)选取韩城煤层气田有越流补给水产出的10口煤层气井，对这10口井的11号煤层与下伏砂岩中间进行了打人工隔板挤灰封堵作业试验，封堵有效率达到了100%，取得了较好的应用效果。

[1]倪小平，苏现波，张小东.煤层气开发地质学[M].北京:化学工业出版社，2010.162～165.

[2]Economides M J.油藏增产措施[M].张保平，等译.北京:石油工业出版社，2001.140～151，224～225.

[3]邓聚龙.灰色控制系统[J].华中工学院学报，1982，10(3):11～18.

[编辑] 黄鹂

TE332

A

1000-9752(2014)04-0121-04

韩城煤层气田是鄂尔多斯盆地东缘重要煤层气生产区，位于渭北煤田东部边缘断褶带的北端，总体形态为向北西倾的大型单斜，地层倾角平缓，构造走向近北东。韩城煤层气区块发育3号、5号、11号共3套主力煤层，中低阶煤，属于低孔低渗欠压储层，煤储层渗透率一般0.001～0.1mD，埋深400～1200m。工区主力开发层系为11号煤层，11号煤层顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，厚度8～16m，底板是薄层铝质泥岩，下伏是砂岩，厚度6～15m。工区开采11号煤层井产水量差异较大，日产水量0.2～60m3，其中日产水量大于25m3的井数超过区内总井数的14%，这些井排采特征表现为产水量高、动液面不降，井底流压不能缓慢下降至临界解吸压力，煤层气无法解吸产出。区块728口开发井资料统计表明，3套主力煤层供液能力低，一般小于8m3/d，11号煤层单层供液能力0.3～4.86m3/d。因此开采11号煤层大水量动液面不下降的井产出水是否由别的含水层通过通道供给煤层是研究重点。早期对区块内浅层砂岩的试采研究表明，11号煤层下伏砂岩含水量高。因此推断越流补给使得这些井产水量高，即下伏含水砂岩层中的水通过人工裂缝补给煤层。目前国内对于煤层气井越流补给的研究仅处于起步阶段，倪小平等[1]结合现场生产资料进行了理论分析，但并未阐明发生越流补给的影响因素，也未提出有效的治理和预防措施，为此笔者以韩城煤层气田开发井为实例，对11号煤层越流补给产水的主控因素进行分析研究。

2013-11-18

国家科技重大专项(2011ZX05038-001)。

熊先钺(1984-),男,2006年长江大学毕业,工程师,博士生,现从事煤层气地质及开发工艺技术研究工作。