摘 要

——以鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区为例摘　要：煤层排水降压是加速煤层气解吸的关键，查明排采出水水源并对出水量进行有效预测将有助于煤层气开发方案

               ——以鄂尔多斯盆地东缘韩城矿区为例

摘　要：煤层排水降压是加速煤层气解吸的关键，查明排采出水水源并对出水量进行有效预测将有助于煤层气开发方案的合理制定。为此，利用排采、测录井等资料，基于动态刻度静态、静态预测动态的思想，通过对煤层气井排采水源和出水量的综合分析，选取煤层气井与断层之间的距离、相对构造幅度、煤层及其顶底板的含水级别这4个评价指标作为煤层气井排采出水量的主要影响因素，得出煤层气井排采出水量的预测模型，并以预测结果划分出研究区煤层出水量平面分布特征。综合评价结果认为：煤层气井排采水源来自于近断裂带、构造低幅度区、顶底板砂岩及煤层自身，出水量大的井多靠近断裂带、构造低幅度区，或存在顶底板厚层砂岩含水层，而煤层自身含水量较小；研究区5号煤层南部和北部及中部韩3-2-025井区出水量较大，呈现沿断裂带、构造低幅度区及顶底板厚层砂岩区出水量增大的趋势，与实际排采产水量吻合较好。

关键词：韩城矿区  煤层气井  排采  水源  出水量  预测  断裂带  构造低幅度区  开发方案

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

鄂尔多斯盆地东缘蕴藏着丰富的煤层气资源，预测l500m以浅煤层气地质资源量约9×10¹²m³，是我国煤层气勘探开发的重点区域^[1-2]。煤层气井的生产是通过抽排煤层及相邻含水层中的地下水来降低煤储层压力，使煤层中的甲烷释放并向井口运移，因此排水是降低煤层压力的根本途径^[3]。煤层富水性不仅关系到吸附气量的大小^[4-5]，而且也与排水降压的难易程度有关。煤层富水性过强，无疑将增加排采的强度，使煤储层压力很难降低；若煤层富水性弱，则需根据顶底板与煤层的连通状况及顶底板的含水性而定^[6-7]。查明煤层气排采水源，并对其出水量进行合理预测，将有助于煤层气有效地排采。

磁法、电法等技术在定性探测煤层含水性上取得了较好效果^[8]，但不能定量计算含水量；具有较高纵向分辨率的测井技术，在定量计算砂岩的含水饱和度方面具有明显的优势^[9-10]。鉴于此，有必要深入挖掘蕴藏在测井资料中的煤层及顶底板的含水性信息，以韩城矿区5号主力煤层气储层为对象进行研究。

1　煤层气井排采水源分析

若含水层与煤储层水动力联系较强时，煤储层的供液能力增强，排采难度增大。长期排水，难以获得高产。排采出水量关系到煤层气井的产能大小，而查明煤层气井排采水源则是预测出水量的关键。

1．1　近断裂带

已有研究表明，断裂部位及褶皱轴部本身就是富水地段^[11]，若断裂带与含水层连通，则可使煤层气排采时出水量大大增加。由于断层的存在，导致隔水层与含水层“无缝对接”；此外，断层本身、断层裂隙带及断层活化导水等都会致使含水量增大^[12]。在断裂带附近，除构造裂隙较为发育外，断层上下盘的次生节理破碎带亦是良好的贮水层。当断层糜棱岩为刚性岩石时，由于大小不等的角砾状碎块之间的粉状充填物较少，因此断裂带附近的孔隙度较大，为提供地下水的富集提供了良好的通道；但倘若断层糜棱岩为塑性岩石时，则胶结得较好，孔隙度较低，储水和导水亦较差。然而，断裂带附近为塑性岩石，由于煤层与顶底板间弹性模量间的差异不大，产生的层间扩展压力差亦较小，在煤层压裂施工时，压裂裂缝容易向顶底板延伸，从而易于沟通顶底板的含水层，造成排采出水量加大。

研究区韩3-2-025井位于近断裂带(图1)，该井5号煤层老顶为泥质砂岩，含水性较好。岩石力学参数计算结果表明。5号煤层与顶底板弹性模量差异明显，煤层与顶底板破裂压力差别较大，人工压裂施工难以压穿泥岩直接顶而沟通老顶的砂岩含水层。韩3-2-025井5号煤层压裂排采日产水15m³。由此可推断出水主要原因在于该井位于近断裂带，断裂形成中产生的裂缝沟通了5号煤层顶板的含水带或远离该井的其他含水层。

 

1．2　构造低幅度区

在断裂系统和砂岩等导水层的影响下，地层水会流向地下水位较低的构造低幅度部位。向斜构造、断裂构造及地应力等因素都会对构造低幅度区的含水层水源给予补给。低幅度构造部位具有地层水的向心流动机制，煤层顶底板的承压水将流向构造低幅度区。韩城矿区地下水等势面总体具有东南高、西北低的态势，水的径流方向由高势面向低势面流动，局部形成向斜区汇水中心^[12]。

韩试20井位于构造低幅度区(图1)，该井5号煤层顶底板为厚层泥岩，含水性较差，即使人工压裂施工中将顶底板压穿，也不会增加出水量；且该井远离断裂带，表明断裂对出水的影响不大。该井11号煤层的老顶为石灰岩，该套石灰岩可能成为一套富水性较好的岩溶含水层，尽管ll号煤层的直接顶板较厚，难以压穿并沟通该套石灰岩岩溶含水层。然而，处于高构造部位的邻井，如泥岩直接顶较薄，或该套石灰岩岩溶含水层为直接顶，高部位的水将会沿着煤层割理流向构造低部位的韩试20井。该井5号、ll号煤层压裂排采初期日产水40m³，表明出水的主要原因在于该井位于构造低幅度区，高部位含水层中的地层水沿着煤岩割理流向低构造幅度去的韩试20井，致使排采出水量增大。

1．3　顶底板

煤层顶底板为砂岩或石灰岩时，孔隙和裂隙发育，岩体的含水性增强^[13]。研究区主力煤层顶板的砂岩地层和底板的石灰岩地层厚度均较大，含水性较好。如果砂岩为直接顶，由于煤层割理的存在，砂岩含水层与煤岩成为良好的导水系统，排采时出水量较大；倘若直接顶为较薄的泥岩，压裂很容易压穿直接顶并沟通老顶砂岩含水层，排采时出水量亦将会增大。

韩试5井5号煤层顶板为砂岩，且厚度较厚，表明顶底板含水性较好；该井远离断裂带和低构造幅度区，表明断裂系统和构造幅度对排采影响较小。弹性模量和压力预测结果表明，煤层顶底板弹性模量差较小，且煤层与顶底板破裂压力差不大，压裂时产生的垂直裂缝易于沟通顶板的砂岩含水层。该井5号煤层压裂排采日产水30m³，表明水源主要来自5号煤层直接顶板的砂岩含水层。

1．4　煤层自身

由于煤层的空隙空间(孔隙和割理)小，与顶底板砂岩或石灰岩裂隙含水层相比，煤层自身的含水量很小。地下水在煤层中主要赋存于煤层的孔隙和割理中，因此孔隙和割理的发育程度不仅决定了煤层的物性，同时也影响了煤层自身的含水性。煤层的含水性越大，煤层排采的工作难度越大，煤层中的压力降低幅度越小，煤层气井的产能也就越差。

韩3-3-082井11号煤层顶底板为泥岩，且厚度较厚，顶底板含水性较差；该井远离断裂带和构造低幅度区，指示断裂和构造幅度对排采出水量的影响较小。该井ll号煤层压裂排采日产水0.5m³，表明水源主要来自煤层自身。

综上可知，近断裂带和构造低幅度区产水量较大；远离断裂带和构造低幅度区，顶底板为厚层砂岩的煤层气井出水量亦比较大，但顶底板为较厚的泥岩时，产水量则很小，对煤层气排采较为有益。

2　顶底板及煤层自身排采产水量分析

基于产出水的化学组成、产水量大小及水动力活跃程度等因素，并考虑到地球物理测井技术对煤层含水性的映射能力，从顶底板和煤层自身两方面开展产水量分析。

2．1　产水量敏感性参数分析

2．1．1顶底板砂岩

煤层直接顶底板为砂岩时，物性较好，且砂岩厚度越大，则顶底板砂岩的含水性越强，煤层压裂后顶底板砂岩的地层水易于产出，排采出水量亦较大。如果砂岩为老顶底，但直接顶底板的泥岩较薄，压裂时容易压穿直接顶底板的泥岩，致使压裂缝沟通了老顶底的砂岩而增大出水量，且随着砂岩距煤层越近，越易于压穿直接顶而沟通砂岩含水层，为此，顶底板砂岩的厚度、孔隙度及距煤层的距离与煤层排采出水量有较大的关系。

研究中，利用声波时差、砂岩厚度、砂岩距煤层距离及孔隙度构建了图2～5所示的日产水关系图，由此组图得知，排采日产水与砂岩厚度、孔隙度等参数敏感性较强，于是可用此组参数来预测排采时砂岩的出水量。

 

 

 

 

2．1．2煤层自身

一般来说，煤层的孔隙、割理越发育，则含水性越强^[14]。鉴于此，本研究利用能够较有效反映煤层孔隙度、割理发育的密度、声波时差和电阻率及煤层厚度构建煤层出水量关系图(图6～9)，由此组图可得知，声波时差和煤层厚度与煤层出水量关系较为密切，煤层体积密度和电阻率对煤层含水性亦具有一定的敏感性。因此可以利用该组参数来评价煤层的出水性。

 

 

 

 

2．2　煤层排采产水量预测模型

2．2．1顶底板

基于上述研究可知，煤层顶底板的出水性与声波时差、砂岩厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离具有良好的相关性。由于声波时差地反映砂岩的孔隙度较好，故在分析评价时只用孔隙度。于是，构建与煤层厚度、孔隙度及砂岩距煤层距离3个参数相关的煤层顶底板产水量综合评价参数(W)。求取W的公式为：

W＝C1H+C2j+C3S  　　　  (1)

式中H为砂岩厚度，m；j为砂岩孔隙度，％；S为砂岩距煤层的距离，m；C1、C2、C3分别为砂岩厚度、孔隙及砂岩距煤层距离的权系数，无量纲。

实际资料处理中，对砂岩厚度、砂岩孔隙度及砂岩距煤层的距离这3个评价指标进行归一化处理；并根据专家经验对H、j、S参数取权值，本研究C1、C2、C3分别取0.3、0.4、0.3。

利用上述方法求取的综合评价参数(W)构建了如下顶底板出水量预测模型：

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

式中Qw为排采出水量，m³／d。

2．2．2煤层自身排采产水量预测模型

由煤层排采自身产水量敏感性参数研究可知，密度、声波时差、电阻率及煤层厚度与煤层出水量关系较为密切，于是，利用该组参数构建了如下式所示的煤层自身排采出水量预测模型。即

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

式中DEN为体积密度，g／cm³；AC为声波时差，ms／m；RT为电阻率，W·m。

2．3　含水性平面分布特征

2．3．1顶底板

根据研究区排采产水量的大小，结合煤矿出水含水级别划分标准，对研究区煤层顶底板的含水级别进行了划分(表1)。

 

基于产水量单井测井预测结果，并依据表l所示的顶底板含水级别划分标准，绘制了如图10所示的顶底板含水性平面分布图。由图10可知，5号煤层顶板南部含水性最强，东北部次之，其他区域较弱；底板南部、中部韩3-2-025井区含水性较强，其他区域较弱。

 

2．3．2煤层

诸如上述煤层顶底板含水级别划分方法，对研究区煤层含水级别进行了划分(表2)。

 

基于煤层自身产水量测井预测结果及上述划分标准，编绘了5号煤层含水性平面分布图(图11)。由图11可知，5号煤东南部韩试5、韩试20井区，及西南部宜18-20、韩试6井区含水性较强，其他区域则相对较弱。

 

3　煤层气井排采出水量综合评价

3．1　煤层含水量单井预测

由前述研究可知，煤层排采时出水量大的井受断层、构造幅度、顶底板及煤层自身的含水性等影响，为此本研究利用距断层的距离、相对构造幅度、煤层及其顶底板的含水级别4个参数，构建如下煤层气排采出水量综合评价模型。即

Qw＝A1D+A2RSA+A3CWL+A4RWL       (4)

式中D为距断层的距离，m；RSA为相对构造幅度，m；CWL、RWL分别为煤层和顶底板的含水级别，无量纲。

基于实际排采产水量翔实分析，并结合专家经验，将式(4)中的权系数确定为：A1＝0.35，A2＝0.25，A3＝0.35，A4＝0.05。

利用此方法对煤层日产水量进行预测。韩试3井5号煤预测产水量为2.3m³，实际排采初期产水量为2m³，两者较为接近，从而说明本研究构建的煤层产水量预测模型具有一定的实用性。

3．2　煤层气并排采出水量平面分布特征

基于煤层气排采出水量预测结果，编绘了研究区5号煤层含水性平面分布特征图(图12)。由该图可知，5号煤层南部和北部及中部韩3-2-025井区出水量较大，呈现沿断裂带、构造低幅度区及顶底板厚层砂岩区出水量增大的趋势。

 

韩试7井预测产水水量较高，为高产水井区，该井5号煤层压裂排采，日产水25m³；宜l3-11井预测的产水量较小，为低产水井区，该井压裂5号煤层压裂排采，日产水仅为0.5m³。总体上来看，预测的产水量与实际排采产水量较为吻合。

4　结论

1)研究区煤层气井排采出水水源主要来自4个方面：①近断裂带，煤层气井位于构造裂缝发育的断层附近时，出水量往往较大；②构造低幅度区，构造低幅度区含水性较好，排采出水量较大；③顶底板砂岩，随着顶底板砂岩孔隙度、厚度的增大，排采出水量亦增加；④煤层自身，煤层自身含水量较小，对排采影响不大。

2)研究区5号煤层的排采出水量分析表明，近断裂带和构造低幅度区排采出水量较大，远离断裂带和构造低幅度区，但顶底板砂岩含水层也会致使排采出水量增大。总体上呈现南部和北部及中部韩3-2-025井区出水量较大，沿断裂带、构造低幅度区及顶底板砂岩区出水量较大，是排采的不利区域。

 

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本文作者：刘之的  赵靖舟  徐凤银  杨秀春  张继坤

作者单位：西安石油大学地球科学与工程学院

  中石油煤层气有限责任公司