中-低煤阶煤层气产能模式及其控制因素分析：以准南煤田阜康矿区为例

韩 旭，田继军，杨曙光，王海超

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047； 2.新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆 乌鲁木齐 830001)

阜康矿区的国内首次低阶煤层气工业化突破，不仅确定了低阶煤层气的勘探开发价值，更丰富了低阶煤层气的勘探开发理论。准南阜康矿区3 000万m3煤层气示范区的建立，使得新疆地区成为国内新的煤层气开发热点地区。国内学者在准南阜康矿区低阶煤层气方面完成了一系列卓有成效的工作，但研究主要集中在基础地质、煤储层物性及开采技术三个方面，未见针对阜康矿区生产特征及产能模式的系统化研究[1-9]。因此，本文围绕煤层气生产特征及控产因素这一问题，对影响阜康矿区煤层气产量的煤层埋深、煤层厚度及工程因素等诸多因素进行研究，以期为下一步的生产管理、措施制定提供理论指导，也可为其他低阶煤层气开发提供理论依据。

1 地质概况

准南煤田阜康矿区位于博格达山北缘逆冲推覆体的山前断裂带上，西起阜康市正南，经阜康向斜、五工煤矿、黄草沟煤矿、甘河子煤矿、白杨河煤矿，东至大黄山，北以阜康逆掩断层为界，南抵妖魔山逆断层，总面积约1 365 km2。阜康矿区先后受到燕山运动、喜山运动的强烈改造，区内构造较为发育。

煤层气产层为下侏罗统八道湾组下段(J1-2b1)，含39号、41号、42号和44号四层煤。生产井数据显示：39号煤层总厚度平均16.7 m，埋藏深度655～890 m，Ro,max平均为0.66%；41号煤层总厚度平均7.69 m，埋藏深度704～1 112.87 m，Ro,max平均值为0.72%；42号煤层总厚度平均14.8 m，埋藏深度758.38～1 184 m，Ro,max平均为0.72%；44号煤层总厚度平均10.17 m，埋藏深度1 000～1 202 m，Ro,max平均为0.79%。

2 产气模式

煤层气井经过排水开始产气后，通常可划分为低产气阶段(阶段Ⅰ)、产气量上升阶段(阶段Ⅱ)、稳产阶段(阶段Ⅲ)和递减阶段(阶段Ⅳ)四个阶段，但不同的煤层气井所处的构造位置、煤层厚度、孔隙度、渗透率、水文地质等条件不同，产气模式也不同[19]。通过对全区生产井资料的统计分析，归纳出了3种产能模式。

2.1 模式A

模式A多以中产气井、低产气井为主，稳产时间短，当产气量达到峰值后，很快开始递减，日产气量由峰值迅速回落，进入稳产期。此类井稳产阶段较短一般保持在1年左右，甚至有些井仅能保持半年稳产，然后就进入递减阶段。这类井稳产阶段较短可能与煤储层渗透率低、供气面积小、煤层含水情况等因素有关。根据其特征划分为A-1和A-2两个亚类。A-1类生产井无阶段Ⅰ，经一段时间排水降压后，迅速进入增产阶段，但当达到产气峰值时，此类井会迅速回落进入阶段Ⅲ。在稳产阶段这类井日产气量出现频繁波动，波动幅度不大，稳产一段时间后进入阶段Ⅳ产气量直线下降。由于基质收缩导致渗透率增大[20]，减产阶段会发生短期的产量回升。A-2类生产井生产模式较A-1类更为复杂，A-2类生产井存在一段较短时间的阶段Ⅰ，经过一段时间持续抽排，产气量在较短时间内迅速增加并达到产气峰值1，自此进入稳产阶段(阶段Ⅲ)。与A-1不同的是，稳产一段时间后A-2类井产气量第二次缓慢上升(阶段Ⅱ)并在达到产气峰值2后迅速进入阶段Ⅳ，产气量逐渐递减。这类井采气面积较A-1类更大，且储层连通性好，随着储层水被逐渐排出，产量波动上升，但由于煤储层渗透率低且含气量较小，波动上升后迅速衰减，产量不稳定。

2.2 模式B

模式B多为中产气井，主要特点是低产气阶段(阶段Ⅰ)，稳产时间长，即有比较长的阶段Ⅲ。当产气量达到峰值后，可稳产2～3年，有些井稳产时间更长。这类井煤储层一般有较高的渗透率，排水降压速率快且压降扩展范围大。根据其特征可进一步划分为B-1和B-2两个亚类。B-1类生产井排采过程中仅经历一个Ⅱ-Ⅲ阶段，此类井无阶段Ⅰ(低产气阶段)，当井排水到一定程度后，产气量迅速上升(阶段Ⅱ)，当达到产气峰值时，产气量略有回落进入阶段Ⅲ(稳产阶段)。在稳产阶段这类井日产气量相对稳定，未出现波动。B-2类生产井生产模式较B-1类更为复杂，B-2类生产井经过一段时间持续抽排，产气量在较短时间内迅速增加并达到产气峰值1(阶段Ⅱ)后进入稳产阶段(阶段Ⅲ)。与B-1不同的是，稳产一段时间后B-2类井产气量第二次缓慢上升(阶段Ⅱ)，并在达到产气峰值2后进入第二稳产阶段(阶段Ⅲ)。B-2类井稳产阶段产气量较B-1类井更高。这类井采气面积较B-1类更大，且储层连通性好，随着储层水被逐渐排出，产量波动上升，当排出水量与边界补给水量保持动态平衡后，产量逐渐稳定。

2.3 模式C

模式C多高产井，这类井在阶段Ⅰ往往会保持一个低产稳定期，这个稳定期一般只持续1个月左右，此后保持日产气量持续增高的趋势。此类井仅有阶段Ⅰ与阶段Ⅱ。模式C类井控制的煤储层与模式B类井控制的煤储层相比，储层条件大体一致，但模式C类储层水动力条件较为复杂。根据其特征可进一步划分为C-1和C-2两个亚类。C-1类生产井存在一段较短时间的阶段Ⅰ，经过一段时间持续抽排，产气量开始逐渐增加进入阶段Ⅱ。在产气量增加阶段，日产气量呈波动上升，波动幅度较大。造成此现象的原因与阜康矿区独特的水文地质条件有关，由于地表水通过火烧区下渗补偿造成煤储层再排水降压增产，附近地下水向低压区补给，储层压力上升，抑制了甲烷解吸，产气量发生波动。C-2类与C-1类生产井最大的区别在于C-2类井阶段Ⅱ增长相对稳定未出现较大波动，增长趋势呈上凸型，增长率逐渐减小。

3 影响产能的主要因素

3.1 煤层埋深

当煤层埋深小于1 100 m时，日产气量随煤层埋深增大而增大；当煤层埋深大于1 100 m后，日产气量随煤层埋深增大而逐渐减小(图1)。分析认为，煤储层的后期构造改造是造成这一现象的主要因素。阜康矿区煤储层受多期构造运动改造，煤储层变形程度较高，阜康矿区渗透率较高排采期的排水降压可顺利进行。其次，由于多期构造运动的改造浅部煤层裂隙、断层较发育，煤层气保存条件较差。而当煤层埋深超过1 100 m后，煤储层趋于饱和，含气量趋于一致，同时埋深增大使得保存条件较好。此时，随着埋深增加上覆地层压力逐渐增大，使得煤储层渗透率逐渐减小导致产气量逐渐减小。

图1 煤层埋深与日产气量关系图

3.2 煤层厚度

一般认为，煤层越厚，供气能力越强，产量越大[24]。阜康矿区煤层气主力产层为下侏罗统八道湾组39号、41号、42号、44号煤层。各井射孔层位不同，单层产层厚度介于2～15 m，平均为7.25 m左右。分析发现：煤层厚度是控制煤层气产量的重要因素之一，两者呈正相关关系(图2)，煤层厚度越大，产气量越大。

3.3 多层合采

阜康矿区多层合采分39号、41号、42号三层合采及41号、42号两层合采，同时也对41号、42号及44号进行单层排采。39号煤层储层压平均为5.154 MPa，临界解吸压力平均为3.11 MPa；41号煤层储层压力平均为7.09 MPa，临界解吸压力平均为2.63 MPa；42号煤层储层压力平均为6.71 MPa，临界解吸压力平均为2.84 MPa；44号煤层储层压力平均为8.47 MPa，临界解吸压力平均为5.708 MPa。三层合采井单层平均产气量为443.59 m3/d；两层合采井的单层平均产气量为1 402.2 m3/d；单层排采井的平均产气量1 726 m3/d。由此可见，由于39号、41号、42号、44号煤层间储层压力及临界解吸压力存在较大差值，导致层间干扰严重。

3.4 压裂输出排量

根据实际压裂过程中取得的平均输出排量数据绘制而成的输出排量与产气量的关系图(图3)可知：日产气量与输出排量呈线性正相关关系，输出排量越大，日产气量越大。

图2 煤层厚度与日产气量关系图

图3 输出排量与日产气量关系图

4 结 语

基于对阜康矿区煤层气井生产动态资料分析，建立了A、B、C 3种煤层气产能模式，根据生产周期内产气量变化趋势细化分为A-1、A-2、B-1、B-2、C-1、C-2共6个亚类。对影响阜康矿区煤层气产量的地质因素及工程因素进行了重点研究。研究发现：煤储层厚度及煤层埋深是阜康矿区主控地质因素，层间干扰及压裂效果是主控工程因素。