煤层气直井低产原因与高产因素诊断分析

卢凌云，张遂安，郭文朋，石 悦，张灵菊，王千玮.

(1.山西煤层气(天然气)集输有限公司，山西太原 030032； 2.中国石油大学(北京) 煤层气研究中心，北京 102249；3.山西天然气有限公司，山西太原 030032；4.山西高碳能源低碳化利用研究设计院有限公司，山西太原 030032)

煤层气直井低产原因与高产因素诊断分析

卢凌云1，张遂安2，郭文朋3，石 悦4，张灵菊4，王千玮2.

(1.山西煤层气(天然气)集输有限公司，山西太原 030032； 2.中国石油大学(北京) 煤层气研究中心，北京 102249；3.山西天然气有限公司，山西太原 030032；4.山西高碳能源低碳化利用研究设计院有限公司，山西太原 030032)

以沁水盆地南部樊庄区块现有煤层气地面开发直井实际排采规律为基础，从区域3号煤层地质特征、煤储层特征和工程因素3个方面入手，对煤层气单井低产原因与高产因素进行诊断分析。结果表明：在樊庄区块斜坡带构造特征下，煤层埋深浅，构造部位相对高点容易高产；在小范围内，煤岩组分中镜质组含量大小和含气量大小对产能影响较大；在开采工艺和钻完井工艺等工程因素相同的情况下，水力压裂时总压裂液量和砂比的合理设计决定着有效裂缝长度和支撑剂的支撑效果，前置液量与携砂液量配比在0.8～1.2之间、砂比控制在10%～15%之间时，压裂效果好，有助于实现高产。

煤层气；地质特征；煤储层特征；工程因素；诊断分析

中国煤层气地质条件复杂，特殊的地质背景造就了高煤阶典型的高含气量、低渗透率、低储层压力和低含气饱和度的特征，单井产量普遍偏低已经成为制约煤层气产业发展的严重障碍[1-4]。目前，许多研究人员对煤层气直井产能影响因素进行了不同程度的研究，指出产能低的影响因素多样复杂，主要包括煤储层特征、含气性、储层物性等[5-6]；同时通过对煤储层进行压裂工程改造可以相应提高气产量[7-9]。

截至2014年，全国累计探明储量为5754×108m3，地面煤层气产量仅为36×108m3。根据我国煤层气产业规划，以沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘为重点，加大支持力度，加快煤层气勘探开采步伐，到2020年，煤层气产量力争达到300×108m3。因而对煤层气直井产能控制因素进行诊断分析是合理指导煤层气勘探开发的基础。

本文以沁水盆地南部樊庄区块现有煤层气地面开发直井实际产水和产气规律为基础，从区域3号煤层地质特征、煤储层特征和工程因素3个方面入手，对煤层气单井低产原因与高产因素进行诊断分析。

1 研究区块概况

樊庄区块位于沁水盆地马蹄形斜坡带东南部，西以寺头正断层和东大井田为界，北与长平和柿庄井田相邻，南和寺河、成庄井田为界，东和地方矿井多个井田为界，总体呈东南高，西北低的构造特征。东部构造简单，且断层以西部最为发育，向东断层减少。区块总含气面积为398.23 km2，煤层气总资源量为1043×108m3，已探明352.26×108m3，主采煤层为山西组3号煤层，3号煤厚度大且分布稳定。

2 产水、产气特征

以樊庄区块生产区域内40口典型开发直井为研究对象，通过对该区域平面上分布的40口典型开发直井的生产数据进行整理，单井平均日产气量差异大，排采期日产气量最大达1.5×104m3，最低仅100 m3以下。根据其产气产水实际变化情况，将排采井生产特点分为以下3类：高产井，平均日产气量在6000 m3/d以上；中高产井，平均日产气量在1500～6000 m3/d之间；低产井，平均日产气量在1500 m3/d以下。

樊庄区块为典型欠压欠饱和气藏，其煤层气排采生产主要分为排水降压、控压阶段、稳定产气、产气衰减4个阶段，高、中、低产典型井排采曲线规律总体表现为初期经过排水降压后，很快出现一个产气高峰期，维持一段时间后产量逐渐降低(图1)。

通过上述产能及排采特征分析，樊庄区块产能评价整体表现为单井气产量相差较明显。中高产井平均日产量高达3000 m3/d，且稳产期长、产气效益高。低产井的低产稳产时间长，较中高产井相比，低产原因和高产因素主要表现在地质构造变化、储层特征和压裂改造等工程因素差异上。

3 煤层气直井高产、低产因素分析

3.1 煤层地质特征因素

由于生产井距寺头主正断层较远，次断层稀少，在不考虑断层因素的前提下，在对各单一因素与平均日产气量关系进行整理分析后发现，构造和埋深对产能影响比较大。

由图2可看出，煤层构造位置和埋深与平均日产气量的相关性较好(分别为R2=0.676和R2=0.453)。具体表现为煤层埋深越浅、构造相对越高，平均日产气量越大，反之越小。分析认为，煤层构造位置的高低决定水体的大小，由于气、水密度不同出现“气、水差异流动性”，构造高位相比构造低位水体小，含水量越小，解吸速度越快，单井产气量大；构造低位煤层含水量大，产水量相对较高，降压缓慢，解吸速度慢，平均单井日产气量小。

以图1中低、中、高产井的排采动态为例，低产井HY8-5煤层埋深为594 m，底板标高为240 m，单井平均日产气量445 m3/d，平均日产水量1.8 m3/d；中产井DS-006煤层埋深267 m，底板标高为290 m，单井平均日产气量3037 m3/d，平均日产水量0.9 m3/d；而高产井DS-155煤层埋深为300 m，底板标高为470 m，单井平均日产气量为 9689 m3/d，平均日产水量0.38 m3/d。

3.2 煤储层特征因素

3.2.1 单井产能煤储层特征影响因素分析

煤储层既是煤层气的烃源岩，又是储存场所[10]，储层本身特征参数如煤厚、孔隙度、渗透率、含气饱和度等都影响气产量[11-12]。一般来说，煤层的厚度越大，供气能力越足，产量越大；煤储层渗透率越大，压降范围大，有效渗流区越大，产量越高；初始状态认为煤储层裂隙孔隙度越大则水体积越大，初期排水量大、气量小[13-16]。同理储层压力和吸附常数等煤储层参数对产能都有一定程度影响；但是通过分析，在本区块小范围内这些储层因素变化不大，与平均日产气量相关性很小，对煤层气直井产能影响不大。

图1 高、中、低产典型井排采曲线Fig.1 Typically well production curves

图2 煤层构造位置及埋深与平均单井日产气量关系Fig.2 Relationship of daily gas production rate with structural position and depth

因此，针对不同构造部位下，按照樊庄区块所研究的40口井的分布区域，从中选取10口取样评价井进行分析，发现该区块煤岩组分特征、含气量因素与其平均日产气量之间存在较大相关性。

3.2.2 煤岩组分和含气量对产能的影响

煤岩组分主要分为宏观煤岩组分和微观煤岩组分。微观煤岩组分主要由镜质组、壳质组和惰性组组成，微观煤岩组分影响煤岩的生气潜力及吸附能力。根据不同镜质组含量和惰性组含量煤岩下产气率经验公式[17]：

Rg=188Cj+43.9Cd

(1)

式中Rg——煤层产气率，m3/t;

Cj——煤中镜质组含量,%；

Cd——煤中惰质组含量，%。

对10口评价井进行煤层产气率计算，计算结果见表1。在不考虑其他因素下，煤岩产气率与煤层含气量之间存在很好的线性关系(图3)，煤层含气量与平均日产气量相关性较高(图4)。分析认为，在小范围内微观煤岩组分中镜质组含量的大小直接影响煤层气直井的产能。仅从产气率考虑，通过表1及图3、图4来看，具体表现为煤岩镜质组含量越大，产气率越高，越有利于气体生成；且吸附能力越强，煤层吸附饱和程度高，含气量大，临界解吸压力越高，有效泄气面积越大，单井平均日产气量越高。

表1 煤层气井显微煤岩组分和含气量测试结果Table 1 Test results of macerals and gas content

图3 煤层产气率与含气量的关系Fig.3 Relationship of coalbed gas content and gas production rate

图4 煤层含气量与平均日产气量的关系Fig.4 Relationship of coalbed gas content and daily gas production rate

3.3 工程因素

针对樊庄区块在采取的排采工艺和钻完井工艺变化不大的前提下，主要从压裂工艺对煤层气垂直井产能控制因素的影响方面进行剖析。压裂工艺对煤层气直井产能的影响主要通过压裂工艺参数指标来反映，樊庄区块煤层气直井压裂采用的压裂液主要为氯化钾活性水压裂液，支撑剂为石英砂。在对研究井的压裂工艺参数进行统计分析后，在注入排量控制为6.3～7.0 m3/min时，发现总压裂液量和平均砂比与平均单井日产气量存在一定的相关性。

通过图5可看出，对于樊庄区块，总压裂液量与平均单井日产气量存在线性相关性(R2=0.491)，平均单井日产气量随总压裂液量的增加而增加，总压裂液量在400～550 m3之间时压裂效果效果明显，平均单井日产气量最高达10000 m3/d；总压裂液量在400 m3以下时的平均单井日产量相对较低。分析认为，高压裂液量有利于增加裂缝导流能力，降低渗流阻力，并且总压裂液量中前置液量影响裂缝的几何尺寸，携砂液量大小影响支撑剂的支撑效果。通过对比分析(表2)，在高压裂液量时，前置液量Qq与携砂液量Qx配比越大，裂缝半长越长，平均日产气量越大，压裂效果越好。

平均砂比与平均单井日产气量之间存在一个最优平均砂比区间，产能与平均砂比的关系总体呈“两端低，中间高”的特征，平均砂比在低于10%或高于15%时的平均单井产能明显低于平均砂比为10%～15%时。分析认为，砂比过低不能释放煤层裂缝应力，导致裂缝闭合，缝宽受限，不足以产生有效裂缝，渗透性未得到较大改善；砂比过大则会导致早期和中后期砂堵，降低裂缝导流能力，平均单井日产气量明显低于中砂比时的产量。

表2 煤层气井压裂参数与平均日产气量对比情况Table 2 Correlation table of production wells fracturing parameters and daily gas production rate

图5 总压裂液量及平均砂比与平均单井产气量关系Fig.5 Relationship of daily gas production rate with total amount of fracturing fluid and average sand ratio

4 结论

通过以上分析可以得出如下结论：

(1) 影响樊庄区块斜坡带煤层气直井产能的地质因素主要为构造及埋深。具体表现为煤层埋深越浅，构造位置相对越高，产气量大；煤层埋深越深，构造位置相对越低，产气量小。

(2) 同一区块小范围内，在煤厚、孔隙度、渗透率等储层特征参数变化不大的情况下，煤岩组分和含气量大小对产能影响较大。煤岩组分中镜质组含量越大，产气率越高，煤层含气量大，有效泄气面积大，单井平均日产气量越高。

(3) 在其他工程条件相同的情况下，影响煤层气井高产和低产的因素主要体现在压裂液量和砂比等水力压裂参数上。前置液量与携砂液量配比及砂比的合理设计决定着最终压裂效果，保证一次压裂下得到有效裂缝长度和支撑效果，获得较高导流能力的裂缝，实现高产。而低产井则可以通过合理设计经二次压裂改造来提高煤层气井产气能力。

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TheDiagnosisandAnalysisoftheLow-yieldCauseandHigh-yieldFactorofVerticalWellinCoalbedMethane

Lu Lingyun1, Zhang Suian2, Guo Wenpeng3, Shi Yue4, Zhang Lingju4, Wang Qianwei2

(1.ShanxiCBM(NG)GatheringandTransportationCo.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030032,China; 2.CoalbedMethaneResearchCentre,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 3.ShanxiNaturalGasLimitedCompany,Taiyuan,Shanxi030032,China; 4.ShanxiHighCarbonEnergyLowCarbonUtilizationResearchandDesigninstituteCo.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030032，China)

Based on the actual law of gas and water production of the existing CBM surface development vertical wells in Fanzhuang block, in south of Qinshui basin, we have studied the low-yield cause and high-yield factor of the coalbed methane single well in No.3 coal seam from following aspects: geological features, coal reservoir characteristics, engineering factors. The results showed that: First, under the structural characters in the slope of Fanzhuang block, it is easy to obtain high productivity in shallow buried of the coal seam and relatively high position of the structure. Second, within a small range, the vitrinite content of the coal components and the gas content in the coalbed layers have great effect on productivity. Third, under the same circumstances in the engineering factors of mining technology and drilling and completion technology, the rational design of the total amount of fracturing fluid and sand ratio determines the effective fracture length and bracing effect of the proppant, hydraulic fracturing will have good effects and also helps to improve the productivity if the volume ratio of pre-fluid and sand-carrying fluid is 0.8～1.2 and the sand ratio is 10%～15%.

coal-bed methane (CBM); geological features; coal reservoir characteristics; engineering factors; diagnosis and analysis

TE377

A

山西省煤基重点科技攻关项目“煤层气排采技术及智能化装备开发与示范”(MQ2014-06)资助。

卢凌云(1988—)，男，湖北咸宁人，硕士研究生，从事煤层气开发方面的科研工作。邮箱：lulingyun0912@126.com.

张遂安(1957—)，男，山东菏泽人，教授、博士生导师。邮箱：sazhang@263.com.