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沁南地区煤层气排采井间干扰的地球化学约束机理

刘会虎  
【摘要】:以沁水盆地南部煤层气生产区为例,以生产井区流体化学场监测与系统的流体地球化学分析测试为技术手段,在煤层气生产区煤储层地质背景、煤层气井压裂和排采条件的基础上,研究了不同生产时刻煤层气组分、煤层气甲烷碳、氢同位素、地层水中离子浓度、地层水中元素含量,分析了煤层气组分、煤层气甲烷同位素、地层水中离子、地层水中元素的空间演化及其影响因素,探讨了不同流体化学场与井网排采条件下井间干扰的耦合关系,阐明了井间干扰的地球化学响应机理,提出了煤层气组分、甲烷同位素、地层水中离子及元素约束井间干扰的地球化学模式。本次研究取得的主要研究成果如下: (1)建立了煤层气井网排采井间干扰地球化学监测方法体系 以现代地球化学测试分析为手段,对煤层气组分含量、煤层气稳定同位素比值(甲烷碳、氢同位素比值)、地层水中离子浓度、地层水中元素含量进行测试分析,较好地实现了对煤层气井间干扰阶段及程度的判断,首次确立了煤层气井网排采井间干扰的地球化学监测方法体系。 (2)揭示煤层气排采流体化学场、动力场特征演化及其耦合关系 煤层气井产水能力受煤储层渗透率、地层水位及排采工作制度的影响,产气量受煤层含气性、储层物性、地质构造、压裂效果及排采工作制度的影响;未产气前,井底流压主要由液柱压力控制,产气后主要受套压控制;套压、液柱压力、井底流压均与累计排水量、日产气量呈一定相关性;地下水流体势整体上由东向西及由南向北降低,监测时段内储层压力经历了反转期、分异期及不均衡压降期3个阶段,与煤层气生产的无井间干扰期、弱井间干扰期及不均衡井间干扰期相对应;在生产监测区内初步形成了井间干扰,且井间干扰处于不均衡井间干扰期,干扰程度相对较弱。 煤层气组分、煤层气稳定同位素、地层水的总矿化度、地层水电导率、地层水碳酸盐硬度、地层水中元素含量呈周期性波动变化;地层水水化学类型主要为Na-HCO3型,部分井在局部生产时段产出地层水为Na-Cl型;不同采样时刻排出地层水的来源为煤层水、煤层水与砂岩水的混合水;煤层气组分和稳定同位素变化与煤层气组分分馏、同位素分馏、排采速率及井间干扰有关,产出地层水的离子浓度、矿化度、硬度及元素含量变化与煤层气井排采强度、井间干扰、物源及元素自身的性质有关。煤层气组分、稳定同位素的波动性变化、离子浓度整体变化的一致性反映了区域性井间干扰的影响。 煤层气甲烷组分和二氧化碳组分的空间展布方向在采样时段内均多次改变,组分浓度的空间展布受局部煤层气产出组分浓度的影响;煤层气稳定同位素的空间展布主要经历了南北向展布及东西偏转的过程,碳、氢同位素的空间展布具有相似性,甲烷氢同位素的演化滞后于碳同位素;组分浓度差异及碳、氢同位素差异缩小揭示了井间干扰的影响,组分及同位素空间演化的多变性揭示了井间干扰处于初期且干扰程度较弱;地层水离子、元素的空间展布整体均表现出南北向及东西向的周期性偏转,矿化度的空间展布表现为由南向北降低,不如离子浓度的空间演化对井间干扰敏感,元素的演化滞后于离子的演化;离子、元素的空间演化及两者演化不一致的原因可能有:元素及离子本身的性质、物源影响、排采井间干扰的影响, 甲烷组分浓度的空间展布与二氧化碳组分浓度的空间展布的叠合揭示二者的分布及演化基本不同步,不同步的原因主要与煤层气发生组分分馏及不均衡井间干扰期形成的不稳定流场产生气源补给的变化有关;煤层气甲烷碳、氢同位素比值的空间演化具有一致性,但氢同位素的空间演化滞后于甲烷碳同位素;甲烷组分浓度的空间演化与甲烷碳同位素比值的空间演化的叠合表明两者演化并不完全同步,主要与煤层气组分分馏、同位素分馏、井网排采条件气源的补给及地下水动力条件的改变有关。 不同液相流体参数之间的叠合分析显示两者在空间叠迭上并不完全一致,主要原因可能为:地层水中离子与元素的性质、井网排采过程与井间干扰的作用、地层水来源的不同;不同液相流体参数之间的叠合揭示了两者不同步的真正原因为井间干扰初级阶段的不稳定性;气相流体化学场与液相流体化学场的演化具有明显的一致性,明显受井间干扰的影响,两者耦合时表现出明显的正相关。 不同相态流体化学场中参数的空间演化与煤层构造、煤储层压裂裂缝主缝长的叠合关系分析揭示了排采的流体化学场与煤层构造及压裂主裂缝的缝长没有直接的联系,进一步揭示了流体化学场方向的变化是由排采所形成的井间干扰引起的。 (3)建立了煤层气排采井间干扰地球化学响应模式 井网排采的流体化学参数、流体化学场与井间干扰存在响应关系,流体化学参数表现出的波动变化特征,对井间干扰的形成过程起到响应作用,流体化学场的分布特征及演化特征对井间干扰的不同阶段均有不同的响应。 在排采初期未形成井间干扰阶段,煤层气中轻组分先升后降,重组分先降后升,稳定同位素先偏轻后偏重,绝大部分离子浓度、矿化度、电导率、元素含量先升后降,同一生产时刻不同煤层气井产出煤层气的组分、稳定同位素、离子浓度、元素含量、矿化度、电导率等差异明显;井间干扰初步形成阶段,煤层气组分、稳定同位素及绝大部分离子浓度、矿化度、电导率、元素含量呈周期性波动上升与下降,同一生产时刻不同煤层气井产出煤层气的组分、稳定同位素、离子浓度、元素含量、矿化度、电导率差异减小;井间干扰稳定阶段,煤层气组分及稳定同位素仍呈波动性周期变化,不同煤层气产出的煤层气组分及稳定同位素具有趋同效应,组分及同位素的变化规律具有同步性,离子浓度、矿化度、电导率、元素含量变化呈周期性波动,邻井产出地层水中离子浓度、元素含量变化具有同步性,远井表现出变化相似性。 气相流体化学场通过发生偏转或倒转,响应煤层气来源的多源性及网排采下井间干扰过程;不同组分的空间演化关系通过叠合时叠迭关系交错或重叠反映其它煤层气来源的影响,从而响应井间干扰;不同液相流体化学参数的空间演化关系通过叠合时叠迭关系的变化反映不同地层水来源,从而响应井网排采条件下井间干扰过程。 (4)科学评估了煤层气生产井区井间干扰作用及其生产控制 以煤层气排采流体动力场、流体化学参数及化学场为基础,确立了煤层气井生产井区井间干扰评价的原则和方案,判定了煤层气生产区排采井间干扰阶段及程度,评价方案能适用于不同煤层气生产区,为煤层气开发提供了生产控制上的技术支撑。 该论文有图80幅,表12个,参考文献169篇。


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