煤层气排采井高产水原因分析

王 力 胡秋萍 谭东领 王春东 邓志宇 王利娜

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

煤层气排采井高产水原因分析

王 力 胡秋萍 谭东领 王春东 邓志宇 王利娜

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

以沁南盆地柿庄煤层气田典型井A1水平井3号煤高产水排采特征入手，提出针对煤层气高产水原因的分析方法，通过该井区水文地质特征研究、构造落实、工程原因分析、单井测井解释、小层对比等资料综合分析，查明了该井高产水原因，总结了柿庄煤层气田高产水井3号煤附近砂岩发育且砂岩横向连续性较好的岩性组合分布规律，指出了断层及储层改造缝高控制是导致高产水的根本原因，为煤层气单井差异化压裂设计施工及排采管理奠定了研究基础。

煤层气 高产水原因 柿庄 沁南盆地

1 引言

沁南柿庄区块3号煤具有高阶煤煤储层的典型特征，煤层孔隙度一般在5%～15%之间，渗透率变化范围为0.03～0.96mD，为典型的低孔低渗储层，在此条件下，煤层产出水理论上应该是微乎其微。但该区块煤层气井实际生产过程中，高产水井作为一类地质异常井一直出现在日常的研究分析工作中，其具体表现为产出水源不清，产水量大，液面下降困难，产气量低或不产气，为现场工作带来极大困难。

针对上述问题，笔者以该区块典型井A1水平井为出发点，通过该井区水文地质特征研究、构造落实、工程原因分析、单井测井解释、小层对比等资料综合分析，查明了A1水平井井3号煤高产水原因及高产水井煤层围岩岩性组合规律，期望能为该区煤层气储层改造及排采优化提供某些依据。

2 A1水平井概况

A1井设计井型为U型水平连通井，洞穴井由于钻进过程中出现严重漏失，堵漏失败而报废，且洞穴井邻近区域无井位调整可能，最终对该井设计进行了变更，由U型水平连通井变更为L型单支水平井。该井3号煤埋深714.94m，水平段长1192.11m，煤层钻遇率89.92%，水平段以段长100m左右为间隔原则共压裂7段。

2012年4月26日该井开始排采作业，2015年5月20日停止生产，累计产水12342m3，受井眼轨迹及产出水量大的影响，该井先后更换使用4种泵型进行排采，分别为：管式泵+抽油机-螺杆泵-水力活塞泵，最大产水量达61.4m3/d(图1)。目前，该井受井眼轨迹限制，国内排采设备已无法满足该井排水降压的要求，处于关停状态。

图1 A1井排采曲线图

3 低产原因分析

3.1 井区构造落实

该井区二维地震结果表明，水平段钻遇过程中存在钻遇断层的可能，但该断层仅受一条测线控制，无法精确判断断层的平面位置及断层发育规模的大小。通过井区连井地层对比发现：该井区南北向煤系地层厚度发育正常，标志层特征明显，符合井区地层发育规律；东西向煤系地层厚度发育正常，但山西组地层产状出现明显变化，两井距(250m)之间目的煤层落差达115m，与该区西北倾构造及区域地层沉积规律特征明显不符，推测该井区附近发育断层。

结合A1井完钻井眼实钻轨迹图(图2)分析，该井水平钻钻井过程中于井深1523m钻穿煤层，此时闭合距为915.42m，与二维地震勘探结果A1井距断层距离接近一致，证实了地震勘探结果的准确度及A1井井钻遇该断层的事实。同时，地质导向数据显示该井钻穿煤层35m后沿煤层顶板再次进入煤层，且钻进过程未出现明显复杂井况，说明该井区断层规模较小，结合实钻井眼轨迹数据最终落实该断层的落差约8m。

3.2 工程施工结果评价

对比A1井邻井压裂施工曲线发现，A1井邻井压裂施工规模相近，施工过程中压力平稳，处于10～15MPa之间，无明显憋压及滤失情况出现。

图2 A1井实钻井眼轨迹图

通过计算，A1井目的层破裂压力及正常加砂套压为18～20MPa，该井七段压裂施工过程中，由于现场施工过程采取恒定地面砂浓度，降低氮气排量的方式来实现井底砂浓度的阶梯式提高，加砂过程中压力范围波动均保持在15～23MPa正常范围内，除第6段施工过程中套压一直维持在8～11MPa之间远低于正常加砂压力级别外，其余6段施工过程中均无异常情况出现。造成第6段施工过程中加砂压力持续偏低的原因，排除受断层影响，具体原因可能为第6段所处地层属低应力区域或地层天然裂隙发育所致，由此可能导致缝高失控，压力偏低，从而沟通煤层附近含水层段。

3.3 产出水水源分析

由于该井产出水量大且持续时间长，排采三个阶段前后分别更换使用44泵、56泵、螺杆泵进行生产均无法有效降低井筒液面，说明该井区地层水动力条件活跃，供给充足。

从邻井A2、A3、A1井的矿化度和氯离子浓度变化来看(图3、图4)，仅A2井的矿化度和氯离子变化缓慢，A3、A1井排采水矿化度及氯离子含量迅速变低，钻井及压裂过程导致矿化度及成分发生变化的影响被快速消除，证实了A1井存在外来水源大量补给，产出水为非煤层水。

图3 A1井矿化度变化趋势图

图4 A1井氯离子度变化趋势图

图5 A1井区水头高度等值线图

考虑到水头高度可近似表征储层压力大小及地下水动力强弱的意义，在开展水层识别及解释前首先对该井区范围内已投产井投产前动液面高度进行统计，筛选出完井至投产时间间隔相近的井进行平面成图，图中水头高度平面上具有以239～449m分布范围为主，449～660m范围内呈片状分布，局部出现异常(强补给区)的规律(图5)；其次，考虑到累计产水量可近似表征地下水补给强度的意义，人为划分以投产300天为界，使用300天内累计产水量除去压裂施工总液量对已投产井进行统计处理、成图，图中累计产水量具有区块北部呈鞍部形态分布(东西两侧为强补给区，中部介于东西两侧之间)、中部至中部以南区域补给强度逐渐降低的趋势(图6)。

图6 A1井区累计产水量等值线图

为保证水层识别及水层解释的准确性，水层识别解释过程从水头高度及累计产水所具有的平面规律出发，结合该区块下石盒子组、山西组、太原组属同一构造背景控制下沉积形成的老地层，且该区块东部井区构造趋势总体以西北倾的单斜构造为主，总体构造简单，最终选取A1井高产水区域及邻区低产水区域井进行单井测井资料处理解释、连井小层进行对比分析，结果表明：

(1)高产水区山西组自上而下发育9套砂岩，低产水区山西组自上而下发育10套砂岩，编号自上而下分别为1～10；

(2)高产水区煤层附近发育三套(7、8、9号)横向连续好、泥质含量低、物性条件好的砂岩层，距煤层较远的7号砂岩离目的煤层27.9m；

(3)低产水区与高产水区砂岩发育特征明显不同，低产水区表现为山西组顶部砂岩发育，1、2、3号砂体横向连续性好，泥质含量较低，整体物性条件好的特征，而山西组中部及中下部砂体发育较差，表现为横向连续性差，泥质含量高、物性较差的特征。

通过利用深浅侧向电阻率曲线在含水层出现负差值的特征，综合测井解释物性结果及其他曲线响应特征值，结合区块内水文资料综合分析，确定A1井区高产水区域7、8、9号为含水层。

[1] 叶建平,武强,王子和.水文地质条件对煤层气赋存的控制作用[J].煤炭学报,2001,5(26)：459-462.

[2] 叶建平,武强,叶贵钧.沁水盆地南部煤层气成藏动力学机制研究[J].地质评论,2002,3(48)：319-323.

[3] 杨秀春,李明宅.煤层气排采动态参数及其相互关系[J].煤田地质与勘探,2008,2(36)：19-27.

[4] 陈金刚，秦勇，傅雪海.高煤级煤储层渗透率在煤层气排采中的动态变化数值模拟[J].中国矿业大学学报,2006,1(35)：49-53.

[5] 郭广山,邢力仁.柿庄南煤层气富集主控因素及开发潜力分析[J].洁净煤技术,2015,4(21)：117-121.

[6] 汪吉林,秦勇,傅雪海.关于煤层气排采动态变化机制的新认识[J].高校地质学报,2012,3(18)：583-588.

[7] 王存武,柳迎红,郭广山.柿庄南区块煤层气“甜点”预测方法研究[J].洁净煤技术,2015,4(21)：117-121.

[8] 孙强,吴建光,刘盛东.柿庄南煤层气勘探钻井数据快速入库及三维可视化技术研究[J].中国煤炭地质,2015,9(25)：25-29.

[9] 杨兆中,彭鹏,张健.煤层氮气泡沫压裂液研究与应用[J].油气藏评价与开发,2016,1(6)：78-82.

[10] 刘长延.煤层气井N2泡沫压裂技术探讨[J].特种油气藏,2011,18(5)：114-116.

[11] 许卫,李勇明,郭建春,等.氮气泡沫压裂液体系的研究与应用[J]. 西南石油学院学报,2002,24(3)：64- 67.

[12] 李灿,唐书恒,张松航.沁水盆地柿庄南煤层气井产出水的化学特征及意义[J].中国煤炭地质,2013,9(25)：25-29.

(责任编辑 韩甲业)

Analysis on the Reasons of High Yield Water in CBM Drainage Well

WANG Li，HU Qiuping，TAN Dongling, WANG Chundong，DENG Zhiyu, WANG Lina

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

Based on the characteristics of high water production in No.3 Coal Seam attached to the typical horizontal well A1 in Shizhuang CBM gas field of Southern Qinshui Basin, the paper proposes the analytical method for CBM wells which has high water, production. Through comprehensive analysis of the methodologies of hydrogeology, structural implementation, reason analysis of engineering, interpretation of single well logging and substratum correlation of the well zone, it finds out the reasons for the high water production of the well, and sums up the law of sandstone development, structure-lithology combination and better lateral continuity nearby No.3 coal seam in Shizhuang CBM gas field. It points out that the control of the fault and fracture height control in the course of reservoir stimulation is the root cause of the high water production. The finding lays a foundation for the study of the differential fracturing design, construction and drainage management.

Coalbed methane; cause for high production of water; Shizhuang; Southern Qinshui Basin

国家科技重大专项(2011ZX05060)

王力，男，工程师，从事煤层气地质综合研究工作。