山西保德区块煤层气井含水性评价方法研究

赵建斌，杨玲，万金彬，刘红艳，黄科

（1．中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西 西安710077；2．中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津300280）

0 引 言

山西保德区块属于中国第一个已探明的大型中低煤阶煤层气田，区块位于鄂尔多斯盆地东缘北部，在构造位置上属于晋西褶曲带北段，总体形态为向西缓倾的大型单斜构造，地层倾角较缓，约5°～10°，构造走向近北东向，断裂构造不发育，其中主要发育煤层为二叠系山西组的4＋5煤和石炭系太原组的8＋9煤。煤层具有发育厚度大、含气量低—中等、见气早、产量上升快、解析压力高、含气饱和度高的特点［1－3］，但随着勘探与开发的深入，有些排采井在排采过程中发现井筒产水量过大，严重影响开发进度。

煤层气井的生产是通过抽排煤层以及相邻含水层中的地下水降低储层压力，使煤层中的甲烷气体从吸附态解析为游离态并向井口运移，即经历排水—降压—解析—扩散—渗流—产出过程［4－5］，排水是储层压力降低的根本途径。煤层含水性直接关系到储层压力降低的难易程度。含水性过强，无疑增加排采的强度，如果排采速率过大，液面下降速度太快，会使有潜力的煤层气井排采半径缩短、发生速敏效应、支撑剂颗粒镶嵌煤层、裂缝闭合现象来临较快、渗透率迅速降低，进而造成单井产气量低，甚至报废。

针对山西保德区块煤层气井出现产水量大、排水时间增加、见气周期变长的问题，本文进行煤层气井含水性评价方法的研究进而指导井位部署、压裂施工以及排采制度。

1 煤层产水单因素分析

保德地区排采数据统计分析结果表明，各井的8号＋9号煤层日产水量从几方到几十方不等（剔除排水异常井），井间日产水量差异较大。从平面上看，煤层日产水量总体呈由西南向东北不断减少的规律，尤其是西北方向上的A井—B井和西南方向上的D井—C井2个区域的日产水量最大（见图1）。煤层气井排采过程中水的补给源主要是煤层顶底板含水层，在顶底板砂泥岩岩系中砂岩颗粒越粗、砂岩层越厚则含水性越强［6］，因此在评价煤层产水情况不仅考虑煤层自身产水还要考虑其顶底板的影响。以下从构造、埋深、煤层厚度、顶底板和工业组分等5个方面对煤层的日产水量控制因素进行分析。

图1 8号＋9号煤层日产水平面图

1．1 构造因素

图2 8号＋9号煤层顶面构造图

从日产水平面图可以看出，产水量较大的A、B和D等井基本位于局部构造低部位（见图2），体现了构造作用对煤层产水的控制作用。位于局部构造低部位的煤层在盆地构造演化过程中受到了水平挤压应力的作用，于是煤层发生韧性变形而产生褶曲。通常情况下，在褶曲的低部位轴部以压缩作用为主，抗压强度大，弹性形变好，裂隙不易发育，但在褶曲翼部由于受到强烈的剪切作用，裂隙通常较发育，使得煤层的渗透性变好，有利于地下水的聚集和渗流。

1．2 埋深

该区煤层的日产水量与埋深有一定相关性，随埋深的增加，日产水量增多（见图3）。当煤储层的埋深越深时，储层压力就越高，产气量和产液量也随之增大。煤层气开发正是基于这一规律，通过对煤储层承压水的抽排，使煤层中的压力得到有效降低，以达到让煤层气解析的目的。实验室内对不同埋深的煤样渗透性的测试结果表明，随着埋深增加，煤层受到上覆地层的压力变大，煤层裂隙趋于闭合，储层物性和渗透性变差，流体流动能力变小，一定程度上阻碍了地下水的渗流和排出。由于以上2个相反方面的因素的综合影响，该区煤层日产水量与埋深的正相关系数较低。

图3 8号＋9号煤层埋深与日产水关系图

1．3 煤层厚度

保德地区主力煤层的孔隙度为3%～8%，与常规砂岩储层相比，煤层的孔隙度相对较低。在顶底板等其他地质条件相同的情况下，煤层的厚度越大，则其中的孔隙体积越大，能够储存或渗流的流体越多。因此该区煤层厚度与日产水量呈正相关关系，如D井8号＋9号煤层厚度达12m，日产水量为35m3以上，而E井的该套煤层厚度小于4m，日产水量仅有17m3左右。

1．4 底板厚度及岩性

研究表明，该区煤层底板条件对煤层产水量的控制作用明显。煤层底板对煤层产水量的影响表现在厚度和岩性2个方面。底板厚度越大，砂地比越大，煤层产水量越大（见图4、图5）。底板厚度和砂地比越大，代表底板中砂岩含量越多，甚至煤层直接与厚层渗透性砂岩相接触，而太原组砂岩层也为含水层，砂岩所含水和煤层所含水叠加使得该处煤层产水较多。相反，当煤层底板厚度较薄，砂地比小时，底板岩性主要为非渗透性泥岩，泥岩层将煤层与其他渗透性含水层隔开，煤层产水相对要少。

图4 8号＋9号煤层底板厚度与日产水关系图

图5 8号＋9号煤层底板砂地比与日产水关系图

1．5 工业组分

煤包含水分、挥发分、固定碳和灰分4种工业组分，该区煤层的日产水量与其中的固定碳组分呈明显的负相关关系（见图6）。这是由于固定碳的含量与煤的变质程度密切相关，从化学结构角度看，碳主要集中在稠核上并构成稠核芳香系统的骨架，随煤的变质程度增加，稠核不断扩大，碳含量也逐渐增加。而变质程度相对低的煤，一般水分含量较少，煤割理常较发育，随着煤化程度的增高，成煤物质长期处于高温、高压条件下，其分子结构发生变化，煤分子排列更紧密，煤体中已张开的裂隙逐渐闭合，使裂隙数量减少，使得煤层物性变差，日产水量减少。

图6 8号＋9号煤层固定碳与日产水关系图

2 基于煤岩体系统分析煤层产水情况

从以上单因素分析煤层产水情况来看，煤层产水与构造、埋深、煤层厚度、底板厚度与岩性以及工业组分具有一定关系。但是在煤层气井实际排采过程中，保德区块4号＋5号煤和8号＋9号煤同时被射开进行排采，因此日产水量实际是2个煤层产水量之和。另外，煤层气的开采普遍需要对煤层进行压裂，压裂的对象是煤层，但是压裂裂缝形态是一个空间概念，因此上下围岩的性质和煤层性质以及两者的组合关系对裂缝形态影响较大，在上下围岩与煤层力学性质相近时，压裂往往会使上下围岩压串煤层与上下围岩的连通性大大增加，增加了煤层产水的来源。现场资料也证实了这一点，图7、图8分别是×井偶极子阵列声波压裂前后处理结果（10号层为8号＋9号煤），从结果对比明显看出：①煤层被压碎，各向异性变弱，压裂改善明显；②该层顶板661．0～666．7m、底板672．5～680．0m 相对压前各向异性增强，煤层压开井段向上延伸7．0m，向下延伸8．2m。

基于以上要点考虑，将煤层产水作为一个系统行为研究，为此引入综合煤岩体综合强度因子，结合煤层产水单因素分析结果建立煤层产水预测模型对井筒煤层产水进行分析。

2．1 煤岩体综合强度因子

图7 ×井8号＋9号煤层压裂前偶极子阵列声波解释图

图8 ×井8号＋9号煤层压裂后偶极子阵列声波解释图

对于一个井田或者小范围区块，煤储层经历的地质发展史、演化史相似，某一阶段煤储层所承受的温度、压力、应力接近，且井田或区块内部没有明显边界，煤层本身含水性在径向上没有较大区别，井筒的产水更取决于纵向上顶底板岩体与煤层结构变化、连通性等。煤岩体综合强度因子反映了统计层段内层状复合岩体的综合强度，可以作为煤岩体综合弹性模量。当强度因子较大时，岩体容易发生脆性断裂，在相同的泵入总液量前提下，压开裂隙延伸长度越大，使得煤岩体的连通性强，在排采过程中存在越流补给现象，所以煤层产水量就大。

煤岩体强度因子

式中，hi为统计层段内岩层单层厚度；si为岩层中点到煤层中点的距离；Ki为岩层单层相对强度（见表1）。

表1 岩层单层相对强度［7］

据5口探井资料统计保德区块4号＋5号煤底深距8号＋9号煤顶深最小值为30．5m，最大值为60．8m，平均40．45m；所以将每口井4号＋5号煤顶深以上20m、4号＋5号煤底深与8号＋9号煤顶深之间、8号＋9号煤底深以下20m定义为1个煤岩体系统作为研究对象。定义煤岩体综合强度因子

式中，H4＋5为4号＋5号煤层厚度；H为4号＋5号煤层与8号＋9号煤总厚度；CE4＋5为4号＋5号煤岩体强度因子；CE8＋9为8号＋9号煤岩体强度因子。

2．2 井筒产水预测模型

综合考虑煤层产水单因素分析结果与煤岩体综合强度因子建立了煤层气井井筒产水预测模型

式中，TCE为煤岩体综合强度因子；D为煤岩体埋深；Fca为4号＋5号煤和8号＋9号煤平均碳含量；a、b为待定系数。

2．3 实例分析

据钻井录井资料显示，该区块煤层顶底板主要是泥岩、细砂岩、粉砂岩和少量炭质泥岩。为了计算方便，规定泥质含量大于40%且厚度大于1m为泥岩层，泥质含量小于40%且厚度大于1m为砂岩层，炭质泥岩层按泥岩层处理。表2为保德区块保××井8＋9煤各岩体单层厚度、距煤层中点距离以及单层强度数据统计。

表2 保××井8号＋9号煤层单层统计数据

将统计数据带入式（1）计算的CE8＋9＝1．49，同样方法计算CE4＋5＝1．17，然后利用式（2）计算保××井煤岩体综合强度因子TCE＝1．34。随着各岩层距目的煤层距离的增大，其单层强度对煤岩体强度因子的影响减弱，当超过一定距离后，其影响将非常有限。参考现场资料压裂裂隙在纵向上延伸10m左右，将这一距离设定为20m。

该区块横向上煤层与砂体发育比较稳定，也就是说区域水源相似；纵向上井与井之间砂体距煤层距离、砂体厚度、煤层厚度以及砂体与煤层组合关系、力学强度等存在着较大差异。这种差异性正是导致压裂后井与井之间产水量不同的原因，煤岩体综合强度因子能够很好体现这种差异。

对保德区块20口井进行煤岩体综合强度因子计算，计算结果见表3。图9为煤岩体综合因子与日产水关系图。可以看出井筒日产水量随着煤岩体综合强度因子TCE的增大显现指数增加且相关性好，充分说明压裂对煤层产水起着主导作用。利用井筒产水模型预测了10口井的产水情况，图10为实际日产水与预测日产水对比图，从结果看，该模型具有很好的实用性。

图9 煤岩综合体强度因子与日产水关系图

图10 模型计算日产水与实际日产水对比图

表3 保德区块20口井煤岩体强度因子计算结果

3 结论与建议

（1）在单因素分析得到8号＋9号煤日产水量受构造、埋深、底板、工业组分等多种因素的影响。局部构造位置低、埋深大、底板厚度大且砂岩含量高、低固定碳工业组分等条件的煤层，产水量一般较多。单因素分析能够指导煤层气井的井位部署、井网布置。

（2）引入了煤岩体综合强度因子TCE，将4号＋5号煤和8号＋9号煤作为一个整体评价压裂后井筒产水情况，TCE值与井筒产水量有很好的关系。通过计算煤岩体综合强度因子控制压裂规模是控制煤层产水一个有效方法。如果4号＋5号煤与8号＋9号煤的煤岩体强度因子差别较大，就选用分层压裂方式；如果差异不大则采用合层压裂方式。

（3）结合单因素分析结果与煤岩体综合强度因子建立了煤层气井筒产水预测模型，通过实际资料处理，取得了较好的应用效果。

［1］毛志新．保德区块煤层气丛式井快速钻井技术研究［J］．探矿工程，2012，39（2）：12－13．

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［6］李新凤，魏久传，隋岩刚．煤层顶板砂岩含水层富水性单因素分析［J］．山东煤炭科技，2012（5）：128－129．

［7］倪小明，苏现波，张小东．煤层气开发地质学［M］．北京：化学工业出版社，2009：34－35．