赵家攀 张永琪 张 帅 王海霖 皮红彬 熊建平

(1.华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 454000)

煤体结构对煤层气井产能的影响及其对策

赵家攀1张永琪1张 帅2王海霖1皮红彬1熊建平1

(1.华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 454000)

基于沁水盆地南部樊庄区块煤层气井地质与排采资料，探讨煤体结构差异对煤层气井产能的影响。煤的孔裂隙系统、力学性质的差异对煤层气井开发的各环节有重大影响，这导致相应煤层气井的产能有较大差异。随煤体破坏程度的增加，井径扩径现象凸现，这增加了后期一系列工艺的难度。以原生结构煤和碎裂结构煤为主的煤储层，复合改造和多尺度支撑剂的应用可提升煤储层长期导流能力；以碎裂-糜棱结构煤为主的煤储层，其开发的核心是对煤储层进行卸压改造和保护层开采，以改善煤储层的导流能力。

煤体结构 煤层气井产能 导流能力

1 地质概况

沁水盆地南部樊庄区块位于山西省沁南县中东部。构造上以燕山期北北东向、近南北向和喜马拉雅期形成的北西向褶曲为主，属于沁水盆地东南部晋城斜坡带区、整体呈东南高，西北低的特征。目前煤层气井主采3号煤层、厚度3～7m，埋深400～800m；煤体结构以原生结构煤为主，局部发育有构造煤。

2 煤层气井产气量

依据文献[4]的分类，煤体结构按破坏程度可划分为原生结构煤、碎裂结构煤、碎粒结构煤和糜棱结构煤。根据区块内煤层气井3号煤层钻井取样照片可知，不同煤体结构煤样的几何形态差异较大。原生结构煤通常为柱状；碎裂结构煤为较大的块状；在机械扰动的情况下、碎粒结构煤和糜棱结构煤的区分难度非常大，通常为小块状和粉末状的集合，本文统称为碎粒-糜棱结构煤。为了便于研究，故将该区3号煤的煤体结构划分为原生结构煤(Ⅰ)、碎裂结构煤(Ⅱ)和碎粒-糜棱结构煤(Ⅲ)。表1为区块不同煤体结构下煤层气井的产气量数据。

3 煤层气井产气量差异的原因

煤层气井产能受诸多因素影响，包括煤储层含气量、煤体结构差异、煤质、渗透性能等地质因素，以及钻井质量、射孔效果、压裂改造效果、排采制度等工程因素。资源量是开采基础，煤储层渗透性对产能的影响至关重要。钻井、固井、压裂等一系列工艺为了直接或间接提高煤储层的渗透性。

表1 煤层气井基本参数

3.1 孔裂隙特征

煤是具有双重孔隙结构特征的多孔介质。孔-裂隙的大小、形态、分布状况、连通程度等都直接影响着煤层气的产出。同时，构造变形作用使得煤的孔裂隙特征发生显著的变化。原生结构煤内生裂隙发育，具有显著的定向性，受到的构造作用影响小，外生裂隙和构造裂隙不发育，只有孔隙和割理结合处渗透能力有一定程度地提升；煤体具有层理结构，无明显破裂面；大中孔含量少。构造破坏作用使煤体形成不规则的微米级颗粒和一定数量的构造裂隙，颗粒的相互交叠支撑形成不规则的微裂隙和一定数量的孔隙，这些微裂隙、孔隙、显微构造裂隙彼此相通，渗透性明显增大；有显著的破裂面形成。随变形程度继续增大，微米级颗粒的棱角被切割形成大小不等的碎粒状，甚至是粉状，裂隙系统遭到破坏，连通性急剧下降；但微孔含量急剧增加，其富集性明显增强；同时孔隙结构的复杂程度随着煤体破坏程度的增加而增加。

3.2 工程因素

3.2.1 钻井液和压裂液污染

选取以原生结构煤、碎裂结构煤、碎粒-糜棱结构煤为主的三口煤层气井，依据0.5m煤层厚度为间隔的测井响应曲线可知：井径与煤体破坏程度正相关。原生结构煤的井径在250～350mm之间(图1-a)，碎粒-糜棱结构煤的井径在450～500mm之间(图1-c)，碎裂结构煤的井径在两者之间。在图1-b，煤层整体为碎裂结构煤，井径先减小后增大，可能是受钻进速度影响所致。通常，钻进速度越快，井径越小。在图1-c中，夹矸段(891.5～892.5m)的井径小于煤岩段，是由于夹矸的硬度明显高于煤岩段所致。

在煤层气井钻进过程中，扩径现象多因煤储层坍塌变粗，这导致了钻井液浸入煤储层，造成近井地带储层污染严重。此外，扩径会增加后期固井、完井工艺的难度，不利于水泥浆返排，形成大小不等的水泥环，增加了射孔的难度，使得压裂液经过射孔段时摩阻显著增大，影响压裂效果及煤层气井产能。

煤层气井压裂后，进行压裂液返排。由于存在滤失现象，一部分压裂液会残留在煤层中，堵塞孔裂隙，增加解吸甲烷运移的难度。

图1 不同煤体结构煤的井径

图2 压裂施工曲线

3.2.2 储层改造效果

煤层气开发的储层具有“三低”特点，而合理的储层改造是增大煤储层渗透性的关键。图2显示，以原生结构和碎裂结构为主的煤储层，由于煤岩具有一定的脆性，压裂曲线可看到明显的破裂压力(一级破裂面起破)(图2-a)，以碎粒-糜棱结构为主的煤储层，无明显破裂压力(图2-b)。随着排量和砂比增加，以原生结构和碎裂结构为主的煤储层，裂缝继续向储层扩展，当裂缝被压裂液充满且有效支撑后，煤体可能沿着次级弱面继续起裂，裂缝进一步扩展和延伸；而以碎粒-糜棱结构为主的煤储层却出现砂堵现象，由于其裂隙系统几乎完全遭到破坏，煤颗粒彼此充填导致压裂无法形成有效的裂缝。

4 不同煤体结构下煤层气开发的对策

煤体结构差异主要体现在孔-裂隙系统和吸附性能等方面。裂隙扩展度及密度主要影响储层渗透性，而吸附性在一定程度上可反映煤储层的资源量，煤体结构可为储层改造方案的优化和排采制度的调整提供参考。储层资源量是开采基础。合理的压裂是增加储层渗透性的关键，恰当的排采是提高煤层气井产量的保障。

4.1 钻井方面

钻井是煤层气开发中非常重要的环节。钻井质量直接影响井壁的稳定性，间接影响固井质量、储层伤害程度、储层改造效果、煤层气产能等。煤层气井筒扩径的主控因素是钻井液密度、天然裂隙发育状况及排量。因此，以原生结构煤为主的储层，应在较高的钻压下用低密度钻井液和较高排量钻进；以碎裂结构煤为主的储层，应在适中的钻压下配备低密度钻井液和适中排量钻进；以碎粒-糜棱结构煤为主的储层，应在较小的钻压下配备高密度钻井液和较低排量钻进。在地层条件下，煤储层大多是不同煤体结构的组合体，这就需要动态调整钻井液密度、钻压、钻速变化，实时优化钻进参数，确保平衡钻进，力求钻井质量高，减小扩径对后续工程和煤层气井产能的影响。

4.2 储层改造方面

目前，“排水-降压-解吸-扩散-渗流”是地面煤层气开发的主导思想，压降能否有效传递是气体产出的关键。渗流理论表明：渗透率是压降传递的关键因素。煤层气井水力压裂是利用液体传压原理，以大于煤储层吸收能力的速度向煤储层注入压裂液，使煤体原有的裂缝进一步扩展，同时劈开煤体薄弱部分产生新的裂缝，加入起支撑作用的支撑剂，增大煤储层的导流能力。以原生结构煤为主的储层，其内生裂隙发育，缺少沟通内生裂隙和外生裂隙或者构造裂隙的纽带。传统的水力压裂仅仅是通过强化原有裂隙和形成一定数量的大尺度裂隙来增加煤储层的渗透性；很难形成微裂隙网络，其裂隙系统连通性较差。采用大于20目的支撑剂进行支撑裂缝，其支撑范围有限，井筒附近短期导流能力大大增强。采用多种储层改造方式，如多脉冲压裂和水力压裂联合作业，可在煤储层形成一定数量的径向裂隙和微裂隙，大大增加了内生裂隙和外生裂隙及构造裂隙的连通性，同时选择更小尺度(40-60目)的支撑剂支撑微裂缝是增大煤储层长期导流能力和实现高产的保障。以碎裂结构煤为主的储层，其构造裂隙、外生裂隙、微裂隙、割理等较发育，连通性好，简单的水力压裂和多尺度支撑剂的支撑可使该类煤层气井实现高产，如沁水南部盆地郑庄区块。以碎粒-糜棱结构煤为主的储层，其裂隙系统遭到破坏，水力压裂很难对储层进行有效改造。开发该类储层的核心是进行有效的卸压改造(水平井、羽状井打破了煤层气井传统“点”开采)或者进行保护层开采(夹矸、顶底板)，充分利用井型(组合)及保护层优势，松弛储层地应力，让软弱致密的煤储层释放膨胀能，改善煤储层的导流能力，使煤层气有一定的运移空间产出。

4.3 排采管控方面

煤层气井排采过程中，压降是引起煤体内部结构以及物性参数发生一系列变化的根本原因，有效应力增加产生的负效应和基质收缩产生的正效应综合影响煤储层的渗透性能。原生结构煤、碎裂结构煤，经复合改造和多尺度支撑剂的有效支撑，裂隙扩展性及其连通性、长期导流能力大大增强，压降易于传播，可能会使煤层气井的见气和产气高峰时间提前，增加经济效益。碎粒-糜棱结构煤，经卸压改造或者保护层开采，透气性能和导流能力有一定程度的增大，具有一定高产的潜能。构造煤对初期降液速度较敏感，原生结构煤和碎裂结构煤对初期降液速度不敏感。但在饱和单相水流阶段，过快的降液速度可能会导致有效应力产生的负效应增强，将发生支撑剂颗粒镶嵌煤层现象，因此，在煤层气井产气前，应缓慢降低动液面，尽可能增大压降传递的范围。

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(责任编辑 王一然)

Effect of Coal Body Structures on CBM Wells’ Production and Solutions

ZHAO Jiapan1，ZHANG Yongqi1，ZHANG Shuai2，WANG Hailin1，PI Hongbin1，XIONG Jianping1

(1.CBM Exploration and Development Branch，Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000；2. School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Henan 454000)

Based on CBM wells’ geological and drainage data of Fanzhuang Block in Southern Qinshui Basin, effect of different coal structures on CBM wells’ productivity is discussed. The differences of pore system, fissure systems, and mechanics properties of coal have great effect on the whole development process of CBM wells, which results in great differences in production of corresponding CBM wells. The more damage of coal-body is, the larger the diameter of wells becomes, which will cause greater difficulties of a series of technologies in later stage. The application of compound modifications and multi-scale propping agents can improve the long-term flow conductivity in coal reservoirs dominated by primary and cataclastic structure coal. For the coal reservoirs dominated by fragmented-mylonitic structure coal, the key point of development is to adopt pressure relief or protective layer mining, so as to improve its flow conductivity.

Coal structure;productivity of CBM well;flow conductivity

赵家攀，男，硕士，助理工程师，主要从事煤层气开发工作。