壽陽(yáng)區(qū)煤層合層開采方案優(yōu)化

0分層開采,提高采收率壽陽(yáng)地塊位于沁水盆地西北部。主要由太原群和山西群組成，共17層。主要用途為3、9和15號(hào)煤層。3、9號(hào)煤?jiǎn)螌娱_采產(chǎn)量少、投資大、風(fēng)險(xiǎn)高、效益低。分層壓裂合層排采是提高煤層氣資源采收率的有利途徑之一,考慮到經(jīng)濟(jì)及技術(shù)可行性兩大因素,對(duì)兩層煤進(jìn)行合層開采,既減少了投資成本,又提高了煤層氣單井的產(chǎn)氣量。本文綜合論述了壽陽(yáng)地區(qū)煤層氣合采的影響因素,進(jìn)行了3號(hào)煤層和9號(hào)煤層合層排采可行性研究。1無(wú)煤區(qū)煤層分布?jí)坳?yáng)區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地層平緩,總體上為走向近東西,傾向南的單斜構(gòu)造,在此基礎(chǔ)上發(fā)育有次一級(jí)的褶曲和斷裂。區(qū)塊內(nèi)煤層厚度總體較大,穩(wěn)定發(fā)育的主要煤層有3號(hào)、9號(hào)和15號(hào)煤層,依據(jù)礦區(qū)鉆孔揭露和繪制的煤層厚度等值線圖可知,3號(hào)、15號(hào)煤均覆蓋全區(qū),9號(hào)煤西南局部存在無(wú)煤區(qū)。其中15號(hào)煤層為穩(wěn)定可采煤層,見(jiàn)煤點(diǎn)平均厚度3.57m,埋深在435.2~926.7m,平均為626.8m,平均含氣量為13.29m3/t;3號(hào)為較穩(wěn)定可采煤層,見(jiàn)煤點(diǎn)平均厚度為1.8m,埋深在504~877m,平均為644.9m,平均含氣量為12.77m3/t;9號(hào)為較穩(wěn)定可采煤層,見(jiàn)煤點(diǎn)平均厚度為1.9m,埋深在559~930.3m,平均為683.8m,平均含氣量12.18m3/t。2主要安全因素分析2.1正確處理好壓裂裂縫的形態(tài)頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)主要包括圍巖的巖性、厚度及巖石力學(xué)性質(zhì)等,當(dāng)頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)與煤層差別較大且厚度較大時(shí),水力壓裂很難突破煤層頂?shù)装?裂縫將僅在煤層中延伸;若頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)與煤層相差不大時(shí),水力壓裂時(shí)容易突破頂?shù)装?既影響壓裂效果,又可能改變壓力傳播路徑。另外,壓裂裂縫的高度受到層間最小水平主應(yīng)力差大小的影響,且彈性模量差值越大,層間最小水平主應(yīng)力差越大,壓裂裂縫就更容易被控制在煤層中。由于煤層具有低彈性模量、高泊松比的特征,煤巖的彈性模量隨著深度的增加而表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),其與頂?shù)装宓膹椥阅Ａ坎钪禍p小,因此煤巖與頂?shù)装宓淖钚∷街鲬?yīng)力差減小,在對(duì)厚煤層壓裂后期時(shí),當(dāng)形成裂縫的張力大于裂縫延伸過(guò)程中受到的由于巖石力學(xué)性質(zhì)差異產(chǎn)生的阻力時(shí),裂縫繼續(xù)沿著原來(lái)的方向延入頂?shù)装逯小?.2地層能量分析煤儲(chǔ)層壓力是指煤儲(chǔ)層孔隙內(nèi)流體所承受的壓力,它不僅對(duì)煤層含氣量、氣體賦存狀態(tài)有重要影響,而且也是煤層氣從裂隙流向井筒的能量;儲(chǔ)層壓力梯度則是由儲(chǔ)層壓力和煤層埋深綜合反映,從某種程度上反映了地層能量的大小。當(dāng)煤層儲(chǔ)層壓力差較大,且高壓煤層位于上部,其它條件相同情況下進(jìn)行排采時(shí),高壓煤層中的流體將受壓差作用倒灌入低壓煤層,不僅造成高壓煤層吐砂吐粉,而且增加了低壓煤層的排水降壓時(shí)間,導(dǎo)致煤層的壓力傳遞速度差別增大,失去合層排采的意義;另外,兩煤層進(jìn)行合采,共用一個(gè)井筒,井底壓力一致,當(dāng)煤層儲(chǔ)層壓力梯度差別較大、其它條件相同情況下進(jìn)行排采時(shí),壓力傳遞速度差別較大勢(shì)必造成供液能力的差異明顯,影響合層排采的效果。2.3上分層排采法所受液柱壓力大,上煤層壓降漏失嚴(yán)重,裂縫嚴(yán)重閉合當(dāng)上部煤層的臨界解吸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于下部煤層時(shí),為使下部煤層產(chǎn)氣,就必須進(jìn)行排水降壓,當(dāng)壓力降至下部煤層臨界解吸壓力時(shí),上部煤層所承受的液柱壓力將非常低,在此情形由于排采時(shí)間短,上部煤層的壓降漏斗還沒(méi)有充分?jǐn)U大,排采面積極其有限,將發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力敏感,裂縫嚴(yán)重閉合。另外,若兩煤層臨界解吸壓力相差較大,一層先達(dá)到臨界解吸壓力,產(chǎn)出氣體進(jìn)入套管,套管中的氣體會(huì)對(duì)未解吸煤層產(chǎn)生氣鎖效應(yīng),影響未解吸煤層的流體流動(dòng),從而影響總產(chǎn)氣量,此情況下合采不如單層效果好。2.4壓力傳遞快煤儲(chǔ)層滲透率的大小直接決定了孔—裂隙系統(tǒng)中流體流動(dòng)的快慢。當(dāng)滲透率大時(shí),在同樣的排采時(shí)間內(nèi),流量大,當(dāng)補(bǔ)給水能力相同時(shí),壓力傳遞就快。各產(chǎn)層的滲透率如果差別太大,在排采過(guò)程中高滲儲(chǔ)層裂縫內(nèi)流體的流速將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低滲儲(chǔ)層,容易發(fā)生嚴(yán)重速敏,同時(shí)壓力傳遞距離有限,壓降漏斗范圍有限,供氣能力低,不適合合層排采。2.5排水系統(tǒng)的壓力傳遞能力加如果兩套煤層的供液能力差異懸殊,為了使動(dòng)液面下降,勢(shì)必加大排水量,這樣就造成低產(chǎn)水層流體流動(dòng)速率加大,發(fā)生嚴(yán)重的速敏效應(yīng),儲(chǔ)層遭受嚴(yán)重傷害,供氣能力大大降低。另外,兩層煤儲(chǔ)層的供液能力差別大,在排水降壓過(guò)程中,壓力傳遞速度差異越來(lái)越明顯。壓力傳遞速度差異引起產(chǎn)氣速度差異,滲透率變化差異大,可能造成某一層不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣很少,嚴(yán)重影響合采效果。33采用9號(hào)線和9號(hào)線進(jìn)行綜合開采可行性分析3.1頂?shù)装逡陨百|(zhì)泥巖為主,合采動(dòng)底板厚度較高表1統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)塊3煤和9煤的頂?shù)装鍘r性及厚度。從表1看出,3號(hào)煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖,底板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。圖1、2是根據(jù)實(shí)際鉆孔數(shù)據(jù)繪制的3號(hào)煤層直接頂?shù)装搴穸鹊戎稻€,3號(hào)煤層的直接頂板厚度多在4.7m左右,且呈現(xiàn)向東南方向逐漸增厚的趨勢(shì),煤層底板巖性粒度略大于頂板粒度,以砂質(zhì)泥巖為主,厚度整體大于頂板厚度,均值為5.2m。煤層的頂?shù)装宸馍w條件較好,并且厚度都大于4.5m,水力壓力很難突破頂?shù)装?滿足合采要求。9號(hào)煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,少數(shù)為粉砂質(zhì)泥巖,厚度均值為8.5m(圖3);直接底板多為泥巖,厚度較頂板小,但也呈現(xiàn)東南厚西北薄的特點(diǎn),厚度均值為7.8m左右(圖4);頂?shù)装宸馍w條件較好,并且厚度都大于7.5m,水力壓力很難突破頂?shù)装?滿足合采要求且頂?shù)装逭w封存性良好。統(tǒng)計(jì)煤巖及煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)(表2)發(fā)現(xiàn),3號(hào)煤層和9號(hào)煤層頂?shù)装迮c煤層之間的彈性模量差都很大,即層間最小水平主應(yīng)力差就很大,壓裂裂縫就更容易被控制在煤層中,適合兩層煤合采。3.2儲(chǔ)層壓力傳遞速度根據(jù)勘探開發(fā)資料,獲得了研究區(qū)部分煤層氣井儲(chǔ)層壓力梯度及滲透率(表3)。3號(hào)和9號(hào)煤層壓力系統(tǒng)相近,9號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力略大于3號(hào)煤層,均是欠壓儲(chǔ)層。從表3看出,3號(hào)、9號(hào)煤層平均儲(chǔ)層壓力梯度分別為0.57、0.598MPa/100m,兩層煤的平均儲(chǔ)層壓力梯度差別不到0.3MPa/100m,在其他條件相同情況下進(jìn)行排采時(shí),壓力傳遞速度相差不大,適合于合層排采。另外,兩層煤的滲透率在同一個(gè)數(shù)量級(jí),且數(shù)值相差不大,同樣適合合層排采。3.3平均差值根據(jù)參數(shù)井?dāng)?shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出3號(hào)和9號(hào)煤層的臨界解吸壓力的平均值分別為1.482、1.224MPa,平均差值為0.258MPa。另外,實(shí)鉆資料顯示3號(hào)、9號(hào)煤層間距平均為41.44m,產(chǎn)生的水柱壓力0.41MPa,遠(yuǎn)小于9號(hào)煤層的臨界解吸壓力1.224MPa,兩層煤適合合層排采。3.4最高產(chǎn)水量及最高產(chǎn)水量量根據(jù)研究區(qū)塊內(nèi)煤層氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料,3號(hào)煤層在穩(wěn)產(chǎn)階段,平均產(chǎn)水量3.74m3/d,最高產(chǎn)水量4.38m3/d(圖5);9號(hào)煤層穩(wěn)產(chǎn)階段的平均日產(chǎn)水量為2.32m3/d(圖6),產(chǎn)水量略差于3號(hào)煤層,從供液能力上看,適合兩層煤合層排采。3.5合層排采影響煤氣藏水處理的能力研究區(qū)3號(hào)與9號(hào)煤層合層排采影響因素的研究表明,煤巖物性特征、煤層壓力與壓力梯度、解吸能力、煤層供液能力、儲(chǔ)層滲透率等是合層排采提高煤層氣單井產(chǎn)能的控制條件。根據(jù)表4列出的該地區(qū)3、9號(hào)煤層合層排采適用基本地質(zhì)條件,并在3、9號(hào)煤層單層厚度大于0.7m,含氣量大于8m3/t,煤層間距小于40m區(qū)域內(nèi),劃分出適合合層排采的有利區(qū)域(圖7)。3.6排采參數(shù)值預(yù)測(cè)為了進(jìn)一步驗(yàn)證壽陽(yáng)區(qū)塊3號(hào)和9號(hào)煤層合層排采的可行性及有利區(qū)煤層合層排采的產(chǎn)能情況,運(yùn)用COMET3軟件,對(duì)X1井的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歷史擬合計(jì)算,對(duì)該井的部分排采參數(shù)做了多次調(diào)整,最終得到與實(shí)際產(chǎn)氣過(guò)程基本一致的變化趨勢(shì),并得到相應(yīng)的排采參數(shù),如表5所示,用擬合的排采參數(shù)值進(jìn)行產(chǎn)能模擬,經(jīng)模擬得到的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量預(yù)測(cè)曲線如圖8所示。從圖8合采煤層直井產(chǎn)量預(yù)測(cè)曲線可以看出,隨著排水降壓的開始,煤層氣井開始產(chǎn)氣,合層排采1a出現(xiàn)產(chǎn)期高峰,之后進(jìn)入平穩(wěn)下降階段,排采到4a后,產(chǎn)氣量下降速率增大,表6反映出服務(wù)年限為10a的情況下,前5a平均日產(chǎn)量為1836m3,單井平均年產(chǎn)量可達(dá)60.6×104m3,采收率可達(dá)26.6%;排采10a后,平均日產(chǎn)量減少到722m3,10a累計(jì)產(chǎn)量464.29×104m3,最終采收率為40.76%,平均采氣速度為4.08%,產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果表明有利區(qū)合層排采效果較好。4合層排采工藝(1)研究區(qū)3號(hào)煤層與9號(hào)煤層的頂?shù)装宥酁槟鄮r、砂質(zhì)泥巖,其彈性模量都大于煤巖的彈性模量,且頂?shù)装搴穸榷即笥?.5m;兩套煤儲(chǔ)層的儲(chǔ)層壓力相差不大,且臨界解吸壓力差小于0.3MPa;滲透率在同一數(shù)量級(jí),供液能力差小于5m3/d,且兩