水文地质条件对煤层气U型井的排采影响分析

牛国斌 马 凯 赵宇星

(宁夏回族自治区煤炭地质调查院，宁夏 750001)

煤层气能否产出或者高产，其影响因素较多，但人为因素较大的是科学、合理的排采制度，而排采制度的制定需要充分了解水文地质条件，根据水文地质条件和煤层气的赋存特征，结合二者之间存在的内在联系和相互作用，从排采设备选择、排采强度、煤粉对泵效的影响等方面入手，从而达到“稳、准、持续”的生产目标。因此，研究水文地质条件对煤层气生产具有十分重要的意义，尤其是对勘探开发新区，水文地质条件的研究要先行，以免影响排采设备的选型和排采制度的制定。本文通过分析石嘴山矿区首次实施的一组U型排采试验井的生产特征，结合本地区水文地质特征，重点研究了产水量与产气量的关系、产水来源、水化学特征等，并提出了建设性的建议。分析结果认为本地区6号煤层属于中等偏低产水特征的煤层气储层，水文地质条件对煤层气生产具有积极促进作用。

1 水文地质特征

图1 勘探线水文地质剖面示意图

2 U型井基本概况

工程井采用三开井身结构，二开水泥固井至着陆点，三开φ152.4mm孔径钻至对接连通点后100m处终孔，采用下入玻璃钢筛管的方式完井，未进行压裂工艺的储层改造。水平段长度超过800m，在厚度为11m的煤层中行进，垂深在 760～785m之间，全井自着陆后井斜角稳定在 87°～89°之间，轨迹平滑顺畅。生产直井处于水平井的远端，采用二开结构，二开水泥固井至目标煤层顶板。整个U型井钻遇了第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ含水层，钻井过程中未有井漏、井涌水现象，完井后对二开进行了石油套管固井，固井测井质量良好。

3 水文地质条件对U型井排采的影响分析

3.1 U型井产水特征

U型排采中的产水主要来自两个方面，一是钻井工程中进入地层的工程用水，二是水平井井筒周围地层中赋存的自由水。本文统计了整个U型井钻井过程中的工程用水量，统计结果表明，水平井施工期间进入地层的工程用水约为305m3，排采直井施工期间进入的工程用水约为5m3，累积整个U型井中储存有310 m3的工程用水。从工程用水消耗量的过程来看，进入煤层后的水平井钻进过程中消耗量最大，占比为89.5%。

采用5型抽油机和管式泵，经过111天的排采试验，液面日降幅10～30kPa，累计产水量为535m3，日产水量为0.065～11.02m3，平均为4.77m3，说明该井属于中等偏低产水类型(图2)。分析发现，日产水量对应的单位补给量为0.008～1.09L/s·m，平均为0.287L/s·m，是煤层所处的第Ⅵ含水层的单位涌水量的近20倍，说明产水量主要来自井筒周围的工程用水。煤的水分含量在0.75%～1.19%，说明煤层本身含水量很小。

图2 U型井日产水量特征图

3.2 对煤层含气性的影响

煤层气是一种赋存在煤基质上受压的气体，其解吸-吸附过程需要一定的能量，这个能量的动力来源就是储层压力，而静水压力对储层压力的贡献最大。从煤层气的赋存原理来看，生、储、运三个关键环节均脱离不开储层压力，储层上部较大的水头或者较高压力的承压水有利于煤层气的吸附，也是煤层气高含气性的必要条件。石嘴山矿区地下水补给来源主要接受大气降水和黄河微量补给，地层对水的渗透性较差，地下水流动缓慢，加之矿区整体属于一宽缓的向斜轴，抑制了地下水的流动和排出，起到了封存煤层气的作用。经研究发现，本区煤层的含气性高低与上部水头高度大小有正相关关系，说明本地区水文地质条件对煤层气的赋存有促进作用。

3.3 对U型井排水降压的影响

煤层气的产出必须要通过排水降压措施，在改变储层压力的过程中打破解吸-吸附状态，使煤层气从煤基质表面脱离，然后在储层压力和浓度差的驱动下运移出井筒。在煤层气含气性相同的情况下，水文地质条件对煤层气排水降压的影响结果大体上有三种，一是补给量较大，井筒周围水源补给量远远大于产水量，液面无法下降，煤层气得不到有效解吸，导致产量较低或者不产气；二是补给量适中， 产水量略大于补给量， 井内有足够的液柱高度，这种情况下多属于高产井；三是补给量极小，补给量远远弱于产水量，井内流体动力不足，煤层气解吸影响传导半径有限，这种情况多属于低产井。

根据以往钻穿煤系地层的水文钻孔资料显示，本区地下水多为承压水，目标煤层顶板水头高度在50～750m，该U型井所处地段水头较高，约为680m。本次U型井的初始液面高度为490m，其偏差原因是近年来矿区采煤活动和地下水超采造成的水位下降所致。该井的排采过程表明，本地区目标煤层储层压力5MPa左右，临界解吸压力较高，排水降压效果较明显，稳产量超过5000m3/d，井底流压保持在3.7MPa左右，井内动力充足，生产潜力较大。在该井的排采试验过程中，排采强度稍微加强后，煤粉产出率也随之增加，尤其是在提产过程中特别明显，对泵效的影响较大。

3.4 对本区煤层气工作的建议

综合石嘴山矿区水文地质条件和U型井排采试验结果，本区块煤层勘探开发工作要重点做好以下几方面。一是要加大水文地质条件更深一步的研究，充分把握排采井所处位置的富水特征，制定有针对性的排采制度。二是进一步开展煤层气地质条件的研究认识，尤其是含气规律及影响因素、煤层产状变化特点等；三是要加大对生产井型的论证选择工作，在不同地质条件的地段要尽量布置经济高效的井型；四是做好施工过程中目标煤层顶板以上含水层的固井工作，尤其是上石盒子组含水层一旦与井筒连通，给排水降压会带来较大的困难；五是水平井轨迹要保持顺畅，不给留下积水、沉渣的低洼地段；六是要做好提产阶段的煤粉预防工作，建议在加装气锚的同时加长虑水管；七是要研究断层性质的控气效应，并探索过断裂的钻井工艺，成井后高产的可能性较大。