煤層氣井排采水源分析及出水量預(yù)測

摘 要

——以鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區(qū)為例摘 要:煤層排水降壓是加速煤層氣解吸的關(guān)鍵,查明排采出水水源并對出水量進行有效預(yù)測將有助于煤層氣開發(fā)方案

               ——以鄂爾多斯盆地東緣韓城礦區(qū)為例

摘 要:煤層排水降壓是加速煤層氣解吸的關(guān)鍵,查明排采出水水源并對出水量進行有效預(yù)測將有助于煤層氣開發(fā)方案的合理制定。為此,利用排采、測錄井等資料,基于動態(tài)刻度靜態(tài)、靜態(tài)預(yù)測動態(tài)的思想,通過對煤層氣井排采水源和出水量的綜合分析,選取煤層氣井與斷層之間的距離、相對構(gòu)造幅度、煤層及其頂?shù)装宓暮墑e這4個評價指標(biāo)作為煤層氣井排采出水量的主要影響因素,得出煤層氣井排采出水量的預(yù)測模型,并以預(yù)測結(jié)果劃分出研究區(qū)煤層出水量平面分布特征。綜合評價結(jié)果認(rèn)為:煤層氣井排采水源來自于近斷裂帶、構(gòu)造低幅度區(qū)、頂?shù)装迳皫r及煤層自身,出水量大的井多靠近斷裂帶、構(gòu)造低幅度區(qū),或存在頂?shù)装搴駥由皫r含水層,而煤層自身含水量較小;研究區(qū)5號煤層南部和北部及中部韓3-2-025井區(qū)出水量較大,呈現(xiàn)沿斷裂帶、構(gòu)造低幅度區(qū)及頂?shù)装搴駥由皫r區(qū)出水量增大的趨勢,與實際排采產(chǎn)水量吻合較好。

關(guān)鍵詞:韓城礦區(qū)  煤層氣井  排采  水源  出水量  預(yù)測  斷裂帶  構(gòu)造低幅度區(qū)  開發(fā)方案

Analysis on water sources in a CBM gas well and forecast of water yield quantityA case study from the Hancheng Mine at the eastern edge of the Ordos Basin

AbstractPressure reduction by water drainage in a CBM gas well is a key to accelerating the coalbed methane(CBM)desorptionSo it is contributive to the reasonable formulation of a CBM development program to find out water sources of drainage and effectivcly torecast water Yleld quantity·According to drainage and logging data,based on the principle of“static conditions determined bv dynamlc condltlons while hydraulic conditions forecasted with static conditions”and in combination with the comprehensive analvsis on water sources and water yield quantity in coal bed mining,four assessment indicators(the distance from a CBM well to the fault,relative structure amplltudewater-yield grade respectively of a coal bed and its roof and floor)were used as main influencing factors of water yield quantity in CBM production to figure out a water-yield forecasting model and work out plane distribution characteristics of water yields of a CBM gas well in the research area according to the forecasting resultsThe c。mprehensive assessment shows that the water yield in CBM production is from the close fault zone,the structure low-amplitude zone  sandstones of roof and floor,or coal beds themselVes;most wells with a great water yield are usualiy situated close to the fault zone,the structure low-amplitude zoneor the area wlth sandstone aquifers at roof and floor,but a water yield from coal beds is relatively lowA great amount of water is found at the south,north and middle around Well H3-2-025 of No.5 coal bed in the research area,showing that the watcr yield is increasing gradually from the fault zonethe structure low-amplitude zone to thick sandstones of coal bed roof and floor,which is consistent with that in actual CBM production with water drainage

KeywordsHancheng Mine,Ordos Basin,CBM,drainagewater source,water yield,forecast,fault zone,structure low-amplitude zone,development program

鄂爾多斯盆地東緣蘊藏著豐富的煤層氣資源,預(yù)測l500m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約9×1012m3,是我國煤層氣勘探開發(fā)的重點區(qū)域[1-2]。煤層氣井的生產(chǎn)是通過抽排煤層及相鄰含水層中的地下水來降低煤儲層壓力,使煤層中的甲烷釋放并向井口運移,因此排水是降低煤層壓力的根本途徑[3]。煤層富水性不僅關(guān)系到吸附氣量的大小[4-5],而且也與排水降壓的難易程度有關(guān)。煤層富水性過強,無疑將增加排采的強度,使煤儲層壓力很難降低;若煤層富水性弱,則需根據(jù)頂?shù)装迮c煤層的連通狀況及頂?shù)装宓暮远?sup>[6-7]。查明煤層氣排采水源,并對其出水量進行合理預(yù)測,將有助于煤層氣有效地排采。

磁法、電法等技術(shù)在定性探測煤層含水性上取得了較好效果[8],但不能定量計算含水量;具有較高縱向分辨率的測井技術(shù),在定量計算砂巖的含水飽和度方面具有明顯的優(yōu)勢[9-10]。鑒于此,有必要深入挖掘蘊藏在測井資料中的煤層及頂?shù)装宓暮孕畔?,以韓城礦區(qū)5號主力煤層氣儲層為對象進行研究。

1 煤層氣井排采水源分析

若含水層與煤儲層水動力聯(lián)系較強時,煤儲層的供液能力增強,排采難度增大。長期排水,難以獲得高產(chǎn)。排采出水量關(guān)系到煤層氣井的產(chǎn)能大小,而查明煤層氣井排采水源則是預(yù)測出水量的關(guān)鍵。

11 近斷裂帶

已有研究表明,斷裂部位及褶皺軸部本身就是富水地段[11],若斷裂帶與含水層連通,則可使煤層氣排采時出水量大大增加。由于斷層的存在,導(dǎo)致隔水層與含水層“無縫對接”;此外,斷層本身、斷層裂隙帶及斷層活化導(dǎo)水等都會致使含水量增大[12]。在斷裂帶附近,除構(gòu)造裂隙較為發(fā)育外,斷層上下盤的次生節(jié)理破碎帶亦是良好的貯水層。當(dāng)斷層糜棱巖為剛性巖石時,由于大小不等的角礫狀碎塊之間的粉狀充填物較少,因此斷裂帶附近的孔隙度較大,為提供地下水的富集提供了良好的通道;但倘若斷層糜棱巖為塑性巖石時,則膠結(jié)得較好,孔隙度較低,儲水和導(dǎo)水亦較差。然而,斷裂帶附近為塑性巖石,由于煤層與頂?shù)装彘g彈性模量間的差異不大,產(chǎn)生的層間擴展壓力差亦較小,在煤層壓裂施工時,壓裂裂縫容易向頂?shù)装逖由?,從而易于溝通頂?shù)装宓暮畬樱斐膳挪沙鏊考哟蟆?span lang="EN-US">

研究區(qū)韓3-2-025井位于近斷裂帶(1),該井5號煤層老頂為泥質(zhì)砂巖,含水性較好。巖石力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果表明。5號煤層與頂?shù)装鍙椥阅A坎町惷黠@,煤層與頂?shù)装迤屏褖毫Σ顒e較大,人工壓裂施工難以壓穿泥巖直接頂而溝通老頂?shù)纳皫r含水層。韓3-2-0255號煤層壓裂排采日產(chǎn)水15m3。由此可推斷出水主要原因在于該井位于近斷裂帶,斷裂形成中產(chǎn)生的裂縫溝通了5號煤層頂板的含水帶或遠(yuǎn)離該井的其他含水層。

 

12 構(gòu)造低幅度區(qū)

在斷裂系統(tǒng)和砂巖等導(dǎo)水層的影響下,地層水會流向地下水位較低的構(gòu)造低幅度部位。向斜構(gòu)造、斷裂構(gòu)造及地應(yīng)力等因素都會對構(gòu)造低幅度區(qū)的含水層水源給予補給。低幅度構(gòu)造部位具有地層水的向心流動機制,煤層頂?shù)装宓某袎核畬⒘飨驑?gòu)造低幅度區(qū)。韓城礦區(qū)地下水等勢面總體具有東南高、西北低的態(tài)勢,水的徑流方向由高勢面向低勢面流動,局部形成向斜區(qū)匯水中心[12]

韓試20井位于構(gòu)造低幅度區(qū)(1),該井5號煤層頂?shù)装鍨楹駥幽鄮r,含水性較差,即使人工壓裂施工中將頂?shù)装鍓捍?,也不會增加出水量;且該井遠(yuǎn)離斷裂帶,表明斷裂對出水的影響不大。該井11號煤層的老頂為石灰?guī)r,該套石灰?guī)r可能成為一套富水性較好的巖溶含水層,盡管ll號煤層的直接頂板較厚,難以壓穿并溝通該套石灰?guī)r巖溶含水層。然而,處于高構(gòu)造部位的鄰井,如泥巖直接頂較薄,或該套石灰?guī)r巖溶含水層為直接頂,高部位的水將會沿著煤層割理流向構(gòu)造低部位的韓試20井。該井5號、ll號煤層壓裂排采初期日產(chǎn)水40m3,表明出水的主要原因在于該井位于構(gòu)造低幅度區(qū),高部位含水層中的地層水沿著煤巖割理流向低構(gòu)造幅度去的韓試20井,致使排采出水量增大。

13 頂?shù)装?span lang="EN-US">

煤層頂?shù)装鍨樯皫r或石灰?guī)r時,孔隙和裂隙發(fā)育,巖體的含水性增強[13]。研究區(qū)主力煤層頂板的砂巖地層和底板的石灰?guī)r地層厚度均較大,含水性較好。如果砂巖為直接頂,由于煤層割理的存在,砂巖含水層與煤巖成為良好的導(dǎo)水系統(tǒng),排采時出水量較大;倘若直接頂為較薄的泥巖,壓裂很容易壓穿直接頂并溝通老頂砂巖含水層,排采時出水量亦將會增大。

韓試55號煤層頂板為砂巖,且厚度較厚,表明頂?shù)装搴暂^好;該井遠(yuǎn)離斷裂帶和低構(gòu)造幅度區(qū),表明斷裂系統(tǒng)和構(gòu)造幅度對排采影響較小。彈性模量和壓力預(yù)測結(jié)果表明,煤層頂?shù)装鍙椥阅A坎钶^小,且煤層與頂?shù)装迤屏褖毫Σ畈淮?,壓裂時產(chǎn)生的垂直裂縫易于溝通頂板的砂巖含水層。該井5號煤層壓裂排采日產(chǎn)水30m3,表明水源主要來自5號煤層直接頂板的砂巖含水層。

14 煤層自身

由于煤層的空隙空間(孔隙和割理)小,與頂?shù)装迳皫r或石灰?guī)r裂隙含水層相比,煤層自身的含水量很小。地下水在煤層中主要賦存于煤層的孔隙和割理中,因此孔隙和割理的發(fā)育程度不僅決定了煤層的物性,同時也影響了煤層自身的含水性。煤層的含水性越大,煤層排采的工作難度越大,煤層中的壓力降低幅度越小,煤層氣井的產(chǎn)能也就越差。

3-3-08211號煤層頂?shù)装鍨槟鄮r,且厚度較厚,頂?shù)装搴暂^差;該井遠(yuǎn)離斷裂帶和構(gòu)造低幅度區(qū),指示斷裂和構(gòu)造幅度對排采出水量的影響較小。該井ll號煤層壓裂排采日產(chǎn)水0.5m3,表明水源主要來自煤層自身。

綜上可知,近斷裂帶和構(gòu)造低幅度區(qū)產(chǎn)水量較大;遠(yuǎn)離斷裂帶和構(gòu)造低幅度區(qū),頂?shù)装鍨楹駥由皫r的煤層氣井出水量亦比較大,但頂?shù)装鍨檩^厚的泥巖時,產(chǎn)水量則很小,對煤層氣排采較為有益。

2 頂?shù)装寮懊簩幼陨砼挪僧a(chǎn)水量分析

基于產(chǎn)出水的化學(xué)組成、產(chǎn)水量大小及水動力活躍程度等因素,并考慮到地球物理測井技術(shù)對煤層含水性的映射能力,從頂?shù)装搴兔簩幼陨韮煞矫骈_展產(chǎn)水量分析。

21 產(chǎn)水量敏感性參數(shù)分析

211頂?shù)装迳皫r

煤層直接頂?shù)装鍨樯皫r時,物性較好,且砂巖厚度越大,則頂?shù)装迳皫r的含水性越強,煤層壓裂后頂?shù)装迳皫r的地層水易于產(chǎn)出,排采出水量亦較大。如果砂巖為老頂?shù)祝苯禹數(shù)装宓哪鄮r較薄,壓裂時容易壓穿直接頂?shù)装宓哪鄮r,致使壓裂縫溝通了老頂?shù)椎纳皫r而增大出水量,且隨著砂巖距煤層越近,越易于壓穿直接頂而溝通砂巖含水層,為此,頂?shù)装迳皫r的厚度、孔隙度及距煤層的距離與煤層排采出水量有較大的關(guān)系。

研究中,利用聲波時差、砂巖厚度、砂巖距煤層距離及孔隙度構(gòu)建了圖25所示的日產(chǎn)水關(guān)系圖,由此組圖得知,排采日產(chǎn)水與砂巖厚度、孔隙度等參數(shù)敏感性較強,于是可用此組參數(shù)來預(yù)測排采時砂巖的出水量。

 

 

 

 

212煤層自身

一般來說,煤層的孔隙、割理越發(fā)育,則含水性越強[14]。鑒于此,本研究利用能夠較有效反映煤層孔隙度、割理發(fā)育的密度、聲波時差和電阻率及煤層厚度構(gòu)建煤層出水量關(guān)系圖(69),由此組圖可得知,聲波時差和煤層厚度與煤層出水量關(guān)系較為密切,煤層體積密度和電阻率對煤層含水性亦具有一定的敏感性。因此可以利用該組參數(shù)來評價煤層的出水性。

 

 

 

 

22 煤層排采產(chǎn)水量預(yù)測模型

221頂?shù)装?span lang="EN-US">

基于上述研究可知,煤層頂?shù)装宓某鏊耘c聲波時差、砂巖厚度、孔隙度及砂巖距煤層距離具有良好的相關(guān)性。由于聲波時差地反映砂巖的孔隙度較好,故在分析評價時只用孔隙度。于是,構(gòu)建與煤層厚度、孔隙度及砂巖距煤層距離3個參數(shù)相關(guān)的煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)水量綜合評價參數(shù)(W)。求取W的公式為:

WC1H+C2j+C3S       (1)

式中H為砂巖厚度,m;j為砂巖孔隙度,%;S為砂巖距煤層的距離,mC1、C2、C3分別為砂巖厚度、孔隙及砂巖距煤層距離的權(quán)系數(shù),無量綱。

實際資料處理中,對砂巖厚度、砂巖孔隙度及砂巖距煤層的距離這3個評價指標(biāo)進行歸一化處理;并根據(jù)專家經(jīng)驗對H、j、S參數(shù)取權(quán)值,本研究C1C2、C3分別取0.3、0.40.3。

利用上述方法求取的綜合評價參數(shù)(W)構(gòu)建了如下頂?shù)装宄鏊款A(yù)測模型:

Qw1.8879e0.3767w   R20.8001       (2)

式中Qw為排采出水量,m3d。

222煤層自身排采產(chǎn)水量預(yù)測模型

由煤層排采自身產(chǎn)水量敏感性參數(shù)研究可知,密度、聲波時差、電阻率及煤層厚度與煤層出水量關(guān)系較為密切,于是,利用該組參數(shù)構(gòu)建了如下式所示的煤層自身排采出水量預(yù)測模型。即

Qw-7.518-0.375DEN+0.021AC-0.184log(RT)+0.128H  R20.739     (3)

式中DEN為體積密度,gcm3;AC為聲波時差,msm;RT為電阻率,W·m。

23 含水性平面分布特征

231頂?shù)装?span lang="EN-US">

根據(jù)研究區(qū)排采產(chǎn)水量的大小,結(jié)合煤礦出水含水級別劃分標(biāo)準(zhǔn),對研究區(qū)煤層頂?shù)装宓暮墑e進行了劃分(1)。

 

基于產(chǎn)水量單井測井預(yù)測結(jié)果,并依據(jù)表l所示的頂?shù)装搴墑e劃分標(biāo)準(zhǔn),繪制了如圖10所示的頂?shù)装搴云矫娣植紙D。由圖10可知,5號煤層頂板南部含水性最強,東北部次之,其他區(qū)域較弱;底板南部、中部韓3-2-025井區(qū)含水性較強,其他區(qū)域較弱。

 

232煤層

諸如上述煤層頂?shù)装搴墑e劃分方法,對研究區(qū)煤層含水級別進行了劃分(2)。

 

基于煤層自身產(chǎn)水量測井預(yù)測結(jié)果及上述劃分標(biāo)準(zhǔn),編繪了5號煤層含水性平面分布圖(11)。由圖11可知,5號煤東南部韓試5、韓試20井區(qū),及西南部宜18-20、韓試6井區(qū)含水性較強,其他區(qū)域則相對較弱。

 

3 煤層氣井排采出水量綜合評價

31 煤層含水量單井預(yù)測

由前述研究可知,煤層排采時出水量大的井受斷層、構(gòu)造幅度、頂?shù)装寮懊簩幼陨淼暮缘扔绊懀瑸榇吮狙芯坷镁鄶鄬拥木嚯x、相對構(gòu)造幅度、煤層及其頂?shù)装宓暮墑e4個參數(shù),構(gòu)建如下煤層氣排采出水量綜合評價模型。即

QwA1D+A2RSA+A3CWL+A4RWL       (4)

式中D為距斷層的距離,mRSA為相對構(gòu)造幅度,m;CWL、RWL分別為煤層和頂?shù)装宓暮墑e,無量綱。

基于實際排采產(chǎn)水量翔實分析,并結(jié)合專家經(jīng)驗,將式(4)中的權(quán)系數(shù)確定為:A10.35,A20.25A30.35,A40.05。

利用此方法對煤層日產(chǎn)水量進行預(yù)測。韓試35號煤預(yù)測產(chǎn)水量為2.3m3,實際排采初期產(chǎn)水量為2m3,兩者較為接近,從而說明本研究構(gòu)建的煤層產(chǎn)水量預(yù)測模型具有一定的實用性。

32 煤層氣并排采出水量平面分布特征

基于煤層氣排采出水量預(yù)測結(jié)果,編繪了研究區(qū)5號煤層含水性平面分布特征圖(12)。由該圖可知,5號煤層南部和北部及中部韓3-2-025井區(qū)出水量較大,呈現(xiàn)沿斷裂帶、構(gòu)造低幅度區(qū)及頂?shù)装搴駥由皫r區(qū)出水量增大的趨勢。

 

韓試7井預(yù)測產(chǎn)水水量較高,為高產(chǎn)水井區(qū),該井5號煤層壓裂排采,日產(chǎn)水25m3;宜l3-11井預(yù)測的產(chǎn)水量較小,為低產(chǎn)水井區(qū),該井壓裂5號煤層壓裂排采,日產(chǎn)水僅為0.5m3??傮w上來看,預(yù)測的產(chǎn)水量與實際排采產(chǎn)水量較為吻合。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)煤層氣井排采出水水源主要來自4個方面:①近斷裂帶,煤層氣井位于構(gòu)造裂縫發(fā)育的斷層附近時,出水量往往較大;②構(gòu)造低幅度區(qū),構(gòu)造低幅度區(qū)含水性較好,排采出水量較大;③頂?shù)装迳皫r,隨著頂?shù)装迳皫r孔隙度、厚度的增大,排采出水量亦增加;④煤層自身,煤層自身含水量較小,對排采影響不大。

2)研究區(qū)5號煤層的排采出水量分析表明,近斷裂帶和構(gòu)造低幅度區(qū)排采出水量較大,遠(yuǎn)離斷裂帶和構(gòu)造低幅度區(qū),但頂?shù)装迳皫r含水層也會致使排采出水量增大??傮w上呈現(xiàn)南部和北部及中部韓3-2-025井區(qū)出水量較大,沿斷裂帶、構(gòu)造低幅度區(qū)及頂?shù)装迳皫r區(qū)出水量較大,是排采的不利區(qū)域。

 

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本文作者:劉之的  趙靖舟  徐鳳銀  楊秀春  張繼坤

作者單位:西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

  中石油煤層氣有限責(zé)任公司