柳林地区煤层气排采工艺技术初探

莫日和 郭本广 孟尚志 张文忠

作者简介:莫日和,1969年生,男,汉族,广东高州人,硕士,高级工程师,中联煤层气有限责任公司,油气井专业,从事钻探、排采工程技术及管理工作,北京安外大街甲88号,(010)64299374,13041082135,morh998@163.com

(中联煤层气有限责任公司,北京 100011)

摘要:本文从柳林地区地质及储层特征等技术层面上进行分析,采用数值模拟的方法,根据柳林地区不同地点不同的地质特性,设计了对应的排采设备及排采方案,尝试并使用了电潜泵、螺杆泵,游梁泵三种不同类型的泵,首次在该区试验采用丛式井组的煤层气生产方式,使该区的煤层气生产取得了历史上的突破,水平井产量超过了15000m³/d,直井最高产气量达到1800m³/d,应用情况表明,该排采工艺技术能较好地满足柳林地区煤层气井排采的需要,为该区大规模开采煤层气积累了宝贵经验。

关键词:柳林地区 排采技术 排采效果 应用

Brief Discussion About the CBM Well Dewatering Technology in Liulin area

MO Rihe GUO Benguang MENG Shangzhi ZHANG Wenzhong

(China United Coalbed Methane Corporation, Ltd., Beijing 100011, China)

Abstract: This paper analyzed the geology and reservoir characteristics of the LiuLin Areas with the numeri- cal simulation method, according to the different geological characteristics in different locations of the LiuLin dis- trict, corresponding dewatering equipment, scheme and three different type of pumps was designed, including ESP, PCP and beam-pumping unit.As the first experimental test, the use of cluster coalbed methane production wells made a great breakthrough in the production history of the area.The production of the horizontal well exceed 15000 m³/d, and the highest production of a vertical Well reached 1800 m³/d.The application showed that the dewatering technology meet the dewatering needs of coalbed methane in the LiuLin area, and also accumulated the experience for the large-scale production of coalbed methane in the future.

Keywords: Liulin area; dewatering technology; Dewatering results, application

1 前言

我国的煤层多属于低孔、低渗、低压,如何确定合理的工作制度以保证煤层气产出量的最大化就显得很重要了。排采的好坏往往决定着煤层气产量的大小,是保障煤层气井连续稳定经济排采的重要因素。煤层的渗透率比普通油气藏要低很多,如果排采制度选择不当,很容易给煤层造成伤害,使压裂裂缝闭合,严重时还会导致气井不出气。

鄂尔多斯盆地东缘柳林示范区煤层气资源蕴含量大,煤层物性较好,针对其开展排采制度及设备的研究,形成一整套的烟煤储层排采制度与设备选型规范,是保障煤层气井连续稳定经济排采的前提,对整个柳林示范区形成商业化开采规模很有意义,同时针对该区块的研究对于中国中阶煤煤层气的开发也有很重要的意义。

2 煤层气排采机理

煤层气又称煤层甲烷,煤炭工业称之为煤层瓦斯,是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规天然气。这种天然气大部分(70%~90%)赋存在煤岩孔隙内表面上,少量呈游离状态存在于煤的割理和其他孔隙、裂隙中,对煤层气进行开采可以为工业和民用提供重要能源;同时也可以减少煤矿开采时的瓦斯爆炸事故^[1~4]。煤层中天然裂隙或割理通常被水饱和,煤层气吸附在煤上。要采出煤层气,首先要让它从煤中解吸出来。只有排出足够的水,煤层压力降至煤的解吸压力后,煤层气的解吸才能开始。所以与天然气生产不同,煤层气在开始产气之前先要排出煤层中大量的水^[5]。

3 地质概述

3.1 含煤地层与煤层

本区块内发育煤层14层,其中山西组5层,自上而下编号为1,2,3,4(3+4),5号煤层;太原组9层,自上而下编号为6上,6,7,7下,8+9,9下,10,10下,11号。其中山西组的2,3,4(3+4),5号煤层,太原组的8+9,10号煤为主力煤层,(3+4)号煤层厚度0.04~6.05m,平均为2.81m。全区发育。煤层结构简单,局部含1~3层炭质泥岩或泥岩夹矸,夹矸单层厚度为0.05~0.50m。5号煤煤层层位较稳定,煤厚0~5.04m,平均厚为2.70m。8+9号煤煤层厚度为0.79~10.30m,平均厚度为5.11m,全区稳定。

3.2 煤层吸附特征

该区块内煤层变质程度较高,吸附能力较强。据区块内煤层气井山西组3+4号煤层的朗格缪尔体积为18.34~22.45m³/t,平均20.70m³/t,朗格缪尔压力为1.49~3.52MPa,平均2.27MPa;5号煤层的朗格缪尔体积为13.14~23.21m³/t,平均19.65m³/t,朗格缪尔压力为1.73~2.64MPa,平均2.36MPa;8+9(8+9+10)号煤层的朗格缪尔体积为16.10~25.54m³/t,平均22.48m³/t,朗格缪尔压力为1.27~3.18MPa,平均1.96MPa。平均朗格缪尔体积20.94m³/t,朗格缪尔压力2.2MPa。

3.3 含气饱和度

柳林示范点内煤的兰氏体积(最大吸附量)为18.34~24.43m³/t,平均为21.38m³/t。测试结果表明,煤储层的吸附能力是比较强的。煤层含气饱和度一般为60.22%~75.10%,平均为66.73%。柳林示范点的煤储层大部分处于欠饱和状态。

3.4 渗透率

山西组4(3+4)号煤层的渗透率在0.011~2.80mD之间,5号煤层的渗透率在0.06~2.26mD之间;太原组8+9+10号煤层的渗透率在0.005~24.80mD之间。平均渗透率为3.93mD。可见该区块煤层的渗透率相对较高,且变化范围较大,随煤变质程度及埋深的变化相关系不明显,各向异性及非均质性显著。

3.5 储层压力

该区块4(3+4)号煤层的储层压力为2.58~8.33MPa,平均为5.79MPa,压力梯度为0.46~1.12MPa/100m,平均为0.84MPa/100m;5号煤层的储层压力为2.92~8.41MPa,平均为6.01MPa,压力梯度为0.60~1.11MPa/100m,平均为0.83MPa/100m;8+9(8+9+10)号煤层的储层压力为3.31~7.46MPa,平均为6.47MPa,压力梯度为0.53~1.174MPa/100m,平均为0.85MPa/100m。可见该区块内储层压力较大,压力梯度一般小于静水压力梯度(0.98MPa/100m),为低压异常状态。

3.6 区域水文地质条件

区域主要含水层有奥陶系及石炭系灰岩岩溶、裂缝含水层;二叠、三叠系砂岩裂缝含水层;第三、第四系砂砾石(岩)孔隙含水层。

奥陶系中下统的石灰岩、泥灰岩、白云岩厚度为400~600m。主要出露于煤田外围。奥陶系为浅海相沉积层,其中以上马家沟组岩溶发育程度最高,富水性最强,峰峰组次之,下马家沟组较弱。下统冶里组、亮甲山组一般岩溶裂隙不发育,富水性弱,但局部破碎带岩溶发育,富水性强。本层含丰富岩溶水,是区域性主要含水层。水型主要有NaH-CO₃和NaCl型。该含水层上覆有较发育的泥页岩、铝土岩隔水层,离煤层距离较大,因此对煤层的影响较小。

石炭系上统太原组灰岩岩溶、裂隙含水层由5层灰岩组成,总厚度约20m左右,出露范围小,岩溶、裂隙一般不太发育,岩溶以溶隙、小溶孔为主,且多被方解石充填,富水性较弱;区块东缘浅埋区一带,岩溶发育,呈蜂窝状,连通性好,接受补给容易,富水æ€