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鍵，查明排采出水水源并對出水量進行有效預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鍵，查明排采出水水源并對出水量進行有效預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、相對構造幅度、煤層及其頂底板的含水級別這4個評價指標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測模型，并以預測結果劃分出研究區(qū)煤層出水量平面分布特征。綜合評價結果認為：煤層氣井排采水源來自于近斷裂帶、構造低幅度區(qū)、頂底板砂巖及煤層自身，出水量大的井多靠近斷裂帶、構造低幅度區(qū)，或存在頂底板厚層砂巖含水層，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，呈現沿斷裂帶、構造低幅度區(qū)及頂底板厚層砂巖區(qū)出水量增大的趨勢，與實際排采產水量吻合較好。

關鍵詞：韓城礦區(qū)  煤層氣井  排采  水源  出水量  預測  斷裂帶  構造低幅度區(qū)  開發(fā)方案

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

Abstract：Pressure reduction by water drainage in a CBM gas well is a key to accelerating the coalbed methane(CBM)desorption．So 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 amplltude，water-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 results．The 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 zone，or the area wlth sandstone aquifers at roof and floor，but a water yield from coal beds is relatively low．A 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 zone，the 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．

Keywords：Hancheng Mine，Ordos Basin，CBM，drainage，water 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，預測l500m以淺煤層氣地質資源量約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。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，則需根據頂底板與煤層的連通狀況及頂底板的含水性而定^[6-7]。查明煤層氣排采水源，并對其出水量進行合理預測，將有助于煤層氣有效地排采。

磁法、電法等技術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，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底板的含水性信息，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。排采出水量關系到煤層氣井的產能大小，而查明煤層氣井排采水源則是預測出水量的關鍵。

1．1　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水等都會致使含水量增大^[12]。在斷裂帶附近，除構造裂隙較為發(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，則膠結得較好，孔隙度較低，儲水和導水亦較差。然而，斷裂帶附近為塑性巖石，由于煤層與頂底板間彈性模量間的差異不大，產生的層間擴展壓力差亦較小，在煤層壓裂施工時，壓裂裂縫容易向頂底板延伸，從而易于溝通頂底板的含水層，造成排采出水量加大。

研究區(qū)韓3-2-025井位于近斷裂帶(圖1)，該井5號煤層老頂為泥質砂巖，含水性較好。巖石力學參數計算結果表明。5號煤層與頂底板彈性模量差異明顯，煤層與頂底板破裂壓力差別較大，人工壓裂施工難以壓穿泥巖直接頂而溝通老頂的砂巖含水層。韓3-2-025井5號煤層壓裂排采日產水15m³。由此可推斷出水主要原因在于該井位于近斷裂帶，斷裂形成中產生的裂縫溝通了5號煤層頂板的含水帶或遠離該井的其他含水層。

 

1．2　構造低幅度區(qū)

在斷裂系統和砂巖等導水層的影響下，地層水會流向地下水位較低的構造低幅度部位。向斜構造、斷裂構造及地應力等因素都會對構造低幅度區(qū)的含水層水源給予補給。低幅度構造部位具有地層水的向心流動機制，煤層頂底板的承壓水將流向構造低幅度區(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井位于構造低幅度區(qū)(圖1)，該井5號煤層頂底板為厚層泥巖，含水性較差，即使人工壓裂施工中將頂底板壓穿，也不會增加出水量；且該井遠離斷裂帶，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水40m³，表明出水的主要原因在于該井位于構造低幅度區(qū)，高部位含水層中的地層水沿著煤巖割理流向低構造幅度去的韓試20井，致使排采出水量增大。

1．3　頂底板

煤層頂底板為砂巖或石灰?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水系統，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5井5號煤層頂板為砂巖，且厚度較厚，表明頂底板含水性較好；該井遠離斷裂帶和低構造幅度區(qū)，表明斷裂系統和構造幅度對排采影響較小。彈性模量和壓力預測結果表明，煤層頂底板彈性模量差較小，且煤層與頂底板破裂壓力差不大，壓裂時產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水30m³，表明水源主要來自5號煤層直接頂板的砂巖含水層。

1．4　煤層自身

由于煤層的空隙空間(孔隙和割理)小，與頂底板砂巖或石灰?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，煤層氣井的產能也就越差。

韓3-3-082井11號煤層頂底板為泥巖，且厚度較厚，頂底板含水性較差；該井遠離斷裂帶和構造低幅度區(qū)，指示斷裂和構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，近斷裂帶和構造低幅度區(qū)產水量較大；遠離斷裂帶和構造低幅度區(qū)，頂底板為厚層砂巖的煤層氣井出水量亦比較大，但頂底板為較厚的泥巖時，產水量則很小，對煤層氣排采較為有益。

2　頂底板及煤層自身排采產水量分析

基于產出水的化學組成、產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對煤層含水性的映射能力，從頂底板和煤層自身兩方面開展產水量分析。

2．1　產水量敏感性參數分析

2．1．1頂底板砂巖

煤層直接頂底板為砂巖時，物性較好，且砂巖厚度越大，則頂底板砂巖的含水性越強，煤層壓裂后頂底板砂巖的地層水易于產出，排采出水量亦較大。如果砂巖為老頂底，但直接頂底板的泥巖較薄，壓裂時容易壓穿直接頂底板的泥巖，致使壓裂縫溝通了老頂底的砂巖而增大出水量，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，頂底板砂巖的厚度、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建了圖2～5所示的日產水關系圖，由此組圖得知，排采日產水與砂巖厚度、孔隙度等參數敏感性較強，于是可用此組參數來預測排采時砂巖的出水量。

 

 

 

 

2．1．2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建煤層出水量關系圖(圖6～9)，由此組圖可得知，聲波時差和煤層厚度與煤層出水量關系較為密切，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來評價煤層的出水性。

 

 

 

 

2．2　煤層排采產水量預測模型

2．2．1頂底板

基于上述研究可知，煤層頂底板的出水性與聲波時差、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，構建與煤層厚度、孔隙度及砂巖距煤層距離3個參數相關的煤層頂底板產水量綜合評價參數(W)。求取W的公式為：

W＝C1H+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，m；C1、C2、C3分別為砂巖厚度、孔隙及砂巖距煤層距離的權系數，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個評價指標進行歸一化處理；并根據專家經驗對H、j、S參數取權值，本研究C1、C2、C3分別取0.3、0.4、0.3。

利用上述方法求取的綜合評價參數(W)構建了如下頂底板出水量預測模型：

Qw＝1.8879e^0.3767w   R²＝0.8001       (2)

式中Qw為排采出水量，m³／d。

2．2．2煤層自身排采產水量預測模型

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

Qw＝-7.518-0.375DEN+0.021AC-0.184log(RT)+0.128H  R²＝0.739     (3)

式中DEN為體積密度，g／cm³；AC為聲波時差，ms／m；RT為電阻率，W·m。

2．3　含水性平面分布特征

2．3．1頂底板

根據研究區(qū)排采產水量的大小，結合煤礦出水含水級別劃分標準，對研究區(qū)煤層頂底板的含水級別進行了劃分(表1)。

 

基于產水量單井測井預測結果，并依據表l所示的頂底板含水級別劃分標準，繪制了如圖10所示的頂底板含水性平面分布圖。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。

 

2．3．2煤層

諸如上述煤層頂底板含水級別劃分方法，對研究區(qū)煤層含水級別進行了劃分(表2)。

 

基于煤層自身產水量測井預測結果及上述劃分標準，編繪了5號煤層含水性平面分布圖(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

3．1　煤層含水量單井預測

由前述研究可知，煤層排采時出水量大的井受斷層、構造幅度、頂底板及煤層自身的含水性等影響，為此本研究利用距斷層的距離、相對構造幅度、煤層及其頂底板的含水級別4個參數，構建如下煤層氣排采出水量綜合評價模型。即

Qw＝A1D+A2RSA+A3CWL+A4RWL       (4)

式中D為距斷層的距離，m；RSA為相對構造幅度，m；CWL、RWL分別為煤層和頂底板的含水級別，無量綱。

基于實際排采產水量翔實分析，并結合專家經驗，將式(4)中的權系數確定為：A1＝0.35，A2＝0.25，A3＝0.35，A4＝0.05。

利用此方法對煤層日產水量進行預測。韓試3井5號煤預測產水量為2.3m³，實際排采初期產水量為2m³，兩者較為接近，從而說明本研究構建的煤層產水量預測模型具有一定的實用性。

3．2　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測結果，編繪了研究區(qū)5號煤層含水性平面分布特征圖(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，呈現沿斷裂帶、構造低幅度區(qū)及頂底板厚層砂巖區(qū)出水量增大的趨勢。

 

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

4　結論

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，煤層氣井位于構造裂縫發(fā)育的斷層附近時，出水量往往較大；②構造低幅度區(qū)，構造低幅度區(qū)含水性較好，排采出水量較大；③頂底板砂巖，隨著頂底板砂巖孔隙度、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，近斷裂帶和構造低幅度區(qū)排采出水量較大，遠離斷裂帶和構造低幅度區(qū)，但頂底板砂巖含水層也會致使排采出水量增大。總體上呈現南部和北部及中部韓3-2-025井區(qū)出水量較大，沿斷裂帶、構造低幅度區(qū)及頂底板砂巖區(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：西安石油大學地球科學與工程學院

  中石油煤層氣有限責任公司