中-低煤階煤層氣產(chǎn)能模式及其控制因素分析：以準(zhǔn)南煤田阜康礦區(qū)為例

韓 旭，田繼軍，楊曙光，王海超

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830001)

阜康礦區(qū)的國內(nèi)首次低階煤層氣工業(yè)化突破，不僅確定了低階煤層氣的勘探開發(fā)價(jià)值，更豐富了低階煤層氣的勘探開發(fā)理論。準(zhǔn)南阜康礦區(qū)3 000萬m3煤層氣示范區(qū)的建立，使得新疆地區(qū)成為國內(nèi)新的煤層氣開發(fā)熱點(diǎn)地區(qū)。國內(nèi)學(xué)者在準(zhǔn)南阜康礦區(qū)低階煤層氣方面完成了一系列卓有成效的工作，但研究主要集中在基礎(chǔ)地質(zhì)、煤儲層物性及開采技術(shù)三個(gè)方面，未見針對阜康礦區(qū)生產(chǎn)特征及產(chǎn)能模式的系統(tǒng)化研究[1-9]。因此，本文圍繞煤層氣生產(chǎn)特征及控產(chǎn)因素這一問題，對影響阜康礦區(qū)煤層氣產(chǎn)量的煤層埋深、煤層厚度及工程因素等諸多因素進(jìn)行研究，以期為下一步的生產(chǎn)管理、措施制定提供理論指導(dǎo)，也可為其他低階煤層氣開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)南煤田阜康礦區(qū)位于博格達(dá)山北緣逆沖推覆體的山前斷裂帶上，西起阜康市正南，經(jīng)阜康向斜、五工煤礦、黃草溝煤礦、甘河子煤礦、白楊河煤礦，東至大黃山，北以阜康逆掩斷層為界，南抵妖魔山逆斷層，總面積約1 365 km2。阜康礦區(qū)先后受到燕山運(yùn)動、喜山運(yùn)動的強(qiáng)烈改造，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育。

煤層氣產(chǎn)層為下侏羅統(tǒng)八道灣組下段(J1-2b1)，含39號、41號、42號和44號四層煤。生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)顯示：39號煤層總厚度平均16.7 m，埋藏深度655～890 m，Ro,max平均為0.66%；41號煤層總厚度平均7.69 m，埋藏深度704～1 112.87 m，Ro,max平均值為0.72%；42號煤層總厚度平均14.8 m，埋藏深度758.38～1 184 m，Ro,max平均為0.72%；44號煤層總厚度平均10.17 m，埋藏深度1 000～1 202 m，Ro,max平均為0.79%。

2 產(chǎn)氣模式

煤層氣井經(jīng)過排水開始產(chǎn)氣后，通常可劃分為低產(chǎn)氣階段(階段Ⅰ)、產(chǎn)氣量上升階段(階段Ⅱ)、穩(wěn)產(chǎn)階段(階段Ⅲ)和遞減階段(階段Ⅳ)四個(gè)階段，但不同的煤層氣井所處的構(gòu)造位置、煤層厚度、孔隙度、滲透率、水文地質(zhì)等條件不同，產(chǎn)氣模式也不同[19]。通過對全區(qū)生產(chǎn)井資料的統(tǒng)計(jì)分析，歸納出了3種產(chǎn)能模式。

2.1 模式A

模式A多以中產(chǎn)氣井、低產(chǎn)氣井為主，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，當(dāng)產(chǎn)氣量達(dá)到峰值后，很快開始遞減，日產(chǎn)氣量由峰值迅速回落，進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期。此類井穩(wěn)產(chǎn)階段較短一般保持在1年左右，甚至有些井僅能保持半年穩(wěn)產(chǎn)，然后就進(jìn)入遞減階段。這類井穩(wěn)產(chǎn)階段較短可能與煤儲層滲透率低、供氣面積小、煤層含水情況等因素有關(guān)。根據(jù)其特征劃分為A-1和A-2兩個(gè)亞類。A-1類生產(chǎn)井無階段Ⅰ，經(jīng)一段時(shí)間排水降壓后，迅速進(jìn)入增產(chǎn)階段，但當(dāng)達(dá)到產(chǎn)氣峰值時(shí)，此類井會迅速回落進(jìn)入階段Ⅲ。在穩(wěn)產(chǎn)階段這類井日產(chǎn)氣量出現(xiàn)頻繁波動，波動幅度不大，穩(wěn)產(chǎn)一段時(shí)間后進(jìn)入階段Ⅳ產(chǎn)氣量直線下降。由于基質(zhì)收縮導(dǎo)致滲透率增大[20]，減產(chǎn)階段會發(fā)生短期的產(chǎn)量回升。A-2類生產(chǎn)井生產(chǎn)模式較A-1類更為復(fù)雜，A-2類生產(chǎn)井存在一段較短時(shí)間的階段Ⅰ，經(jīng)過一段時(shí)間持續(xù)抽排，產(chǎn)氣量在較短時(shí)間內(nèi)迅速增加并達(dá)到產(chǎn)氣峰值1，自此進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段(階段Ⅲ)。與A-1不同的是，穩(wěn)產(chǎn)一段時(shí)間后A-2類井產(chǎn)氣量第二次緩慢上升(階段Ⅱ)并在達(dá)到產(chǎn)氣峰值2后迅速進(jìn)入階段Ⅳ，產(chǎn)氣量逐漸遞減。這類井采氣面積較A-1類更大，且儲層連通性好，隨著儲層水被逐漸排出，產(chǎn)量波動上升，但由于煤儲層滲透率低且含氣量較小，波動上升后迅速衰減，產(chǎn)量不穩(wěn)定。

2.2 模式B

模式B多為中產(chǎn)氣井，主要特點(diǎn)是低產(chǎn)氣階段(階段Ⅰ)，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長，即有比較長的階段Ⅲ。當(dāng)產(chǎn)氣量達(dá)到峰值后，可穩(wěn)產(chǎn)2～3年，有些井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間更長。這類井煤儲層一般有較高的滲透率，排水降壓速率快且壓降擴(kuò)展范圍大。根據(jù)其特征可進(jìn)一步劃分為B-1和B-2兩個(gè)亞類。B-1類生產(chǎn)井排采過程中僅經(jīng)歷一個(gè)Ⅱ-Ⅲ階段，此類井無階段Ⅰ(低產(chǎn)氣階段)，當(dāng)井排水到一定程度后，產(chǎn)氣量迅速上升(階段Ⅱ)，當(dāng)達(dá)到產(chǎn)氣峰值時(shí)，產(chǎn)氣量略有回落進(jìn)入階段Ⅲ(穩(wěn)產(chǎn)階段)。在穩(wěn)產(chǎn)階段這類井日產(chǎn)氣量相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)波動。B-2類生產(chǎn)井生產(chǎn)模式較B-1類更為復(fù)雜，B-2類生產(chǎn)井經(jīng)過一段時(shí)間持續(xù)抽排，產(chǎn)氣量在較短時(shí)間內(nèi)迅速增加并達(dá)到產(chǎn)氣峰值1(階段Ⅱ)后進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段(階段Ⅲ)。與B-1不同的是，穩(wěn)產(chǎn)一段時(shí)間后B-2類井產(chǎn)氣量第二次緩慢上升(階段Ⅱ)，并在達(dá)到產(chǎn)氣峰值2后進(jìn)入第二穩(wěn)產(chǎn)階段(階段Ⅲ)。B-2類井穩(wěn)產(chǎn)階段產(chǎn)氣量較B-1類井更高。這類井采氣面積較B-1類更大，且儲層連通性好，隨著儲層水被逐漸排出，產(chǎn)量波動上升，當(dāng)排出水量與邊界補(bǔ)給水量保持動態(tài)平衡后，產(chǎn)量逐漸穩(wěn)定。

2.3 模式C

模式C多高產(chǎn)井，這類井在階段Ⅰ往往會保持一個(gè)低產(chǎn)穩(wěn)定期，這個(gè)穩(wěn)定期一般只持續(xù)1個(gè)月左右，此后保持日產(chǎn)氣量持續(xù)增高的趨勢。此類井僅有階段Ⅰ與階段Ⅱ。模式C類井控制的煤儲層與模式B類井控制的煤儲層相比，儲層條件大體一致，但模式C類儲層水動力條件較為復(fù)雜。根據(jù)其特征可進(jìn)一步劃分為C-1和C-2兩個(gè)亞類。C-1類生產(chǎn)井存在一段較短時(shí)間的階段Ⅰ，經(jīng)過一段時(shí)間持續(xù)抽排，產(chǎn)氣量開始逐漸增加進(jìn)入階段Ⅱ。在產(chǎn)氣量增加階段，日產(chǎn)氣量呈波動上升，波動幅度較大。造成此現(xiàn)象的原因與阜康礦區(qū)獨(dú)特的水文地質(zhì)條件有關(guān)，由于地表水通過火燒區(qū)下滲補(bǔ)償造成煤儲層再排水降壓增產(chǎn)，附近地下水向低壓區(qū)補(bǔ)給，儲層壓力上升，抑制了甲烷解吸，產(chǎn)氣量發(fā)生波動。C-2類與C-1類生產(chǎn)井最大的區(qū)別在于C-2類井階段Ⅱ增長相對穩(wěn)定未出現(xiàn)較大波動，增長趨勢呈上凸型，增長率逐漸減小。

3 影響產(chǎn)能的主要因素

3.1 煤層埋深

當(dāng)煤層埋深小于1 100 m時(shí)，日產(chǎn)氣量隨煤層埋深增大而增大；當(dāng)煤層埋深大于1 100 m后，日產(chǎn)氣量隨煤層埋深增大而逐漸減小(圖1)。分析認(rèn)為，煤儲層的后期構(gòu)造改造是造成這一現(xiàn)象的主要因素。阜康礦區(qū)煤儲層受多期構(gòu)造運(yùn)動改造，煤儲層變形程度較高，阜康礦區(qū)滲透率較高排采期的排水降壓可順利進(jìn)行。其次，由于多期構(gòu)造運(yùn)動的改造淺部煤層裂隙、斷層較發(fā)育，煤層氣保存條件較差。而當(dāng)煤層埋深超過1 100 m后，煤儲層趨于飽和，含氣量趨于一致，同時(shí)埋深增大使得保存條件較好。此時(shí)，隨著埋深增加上覆地層壓力逐漸增大，使得煤儲層滲透率逐漸減小導(dǎo)致產(chǎn)氣量逐漸減小。

圖1 煤層埋深與日產(chǎn)氣量關(guān)系圖

3.2 煤層厚度

一般認(rèn)為，煤層越厚，供氣能力越強(qiáng)，產(chǎn)量越大[24]。阜康礦區(qū)煤層氣主力產(chǎn)層為下侏羅統(tǒng)八道灣組39號、41號、42號、44號煤層。各井射孔層位不同，單層產(chǎn)層厚度介于2～15 m，平均為7.25 m左右。分析發(fā)現(xiàn)：煤層厚度是控制煤層氣產(chǎn)量的重要因素之一，兩者呈正相關(guān)關(guān)系(圖2)，煤層厚度越大，產(chǎn)氣量越大。

3.3 多層合采

阜康礦區(qū)多層合采分39號、41號、42號三層合采及41號、42號兩層合采，同時(shí)也對41號、42號及44號進(jìn)行單層排采。39號煤層儲層壓平均為5.154 MPa，臨界解吸壓力平均為3.11 MPa；41號煤層儲層壓力平均為7.09 MPa，臨界解吸壓力平均為2.63 MPa；42號煤層儲層壓力平均為6.71 MPa，臨界解吸壓力平均為2.84 MPa；44號煤層儲層壓力平均為8.47 MPa，臨界解吸壓力平均為5.708 MPa。三層合采井單層平均產(chǎn)氣量為443.59 m3/d；兩層合采井的單層平均產(chǎn)氣量為1 402.2 m3/d；單層排采井的平均產(chǎn)氣量1 726 m3/d。由此可見，由于39號、41號、42號、44號煤層間儲層壓力及臨界解吸壓力存在較大差值，導(dǎo)致層間干擾嚴(yán)重。

3.4 壓裂輸出排量

根據(jù)實(shí)際壓裂過程中取得的平均輸出排量數(shù)據(jù)繪制而成的輸出排量與產(chǎn)氣量的關(guān)系圖(圖3)可知：日產(chǎn)氣量與輸出排量呈線性正相關(guān)關(guān)系，輸出排量越大，日產(chǎn)氣量越大。

圖2 煤層厚度與日產(chǎn)氣量關(guān)系圖

圖3 輸出排量與日產(chǎn)氣量關(guān)系圖

4 結(jié) 語

基于對阜康礦區(qū)煤層氣井生產(chǎn)動態(tài)資料分析，建立了A、B、C 3種煤層氣產(chǎn)能模式，根據(jù)生產(chǎn)周期內(nèi)產(chǎn)氣量變化趨勢細(xì)化分為A-1、A-2、B-1、B-2、C-1、C-2共6個(gè)亞類。對影響阜康礦區(qū)煤層氣產(chǎn)量的地質(zhì)因素及工程因素進(jìn)行了重點(diǎn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：煤儲層厚度及煤層埋深是阜康礦區(qū)主控地質(zhì)因素，層間干擾及壓裂效果是主控工程因素。