延川南工區(qū)煤層氣排采速率定量分析

李 清，彭興平 （中石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，江蘇 南京210011）

長期以來，基于對煤巖儲層保護(hù)的考慮，“持續(xù)、緩慢、穩(wěn)定”成為煤層氣開發(fā)的基本原則[1～4]；然而在排水降壓過程中，流壓下降速率太小，必然會導(dǎo)致排采周期變長，產(chǎn)能建設(shè)見效緩慢，投資風(fēng)險(xiǎn)也大大提高，嚴(yán)重制約了煤層氣大規(guī)模開發(fā)的投資決策。因此，有必要探索出一套既不破壞煤巖儲層物性、保證良好的產(chǎn)氣效果，又能盡快創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的排采理論和開發(fā)制度；而對井底流壓下降速率的定量研究，便成為問題的關(guān)鍵。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图耙饬x

儲層滲透率，是煤層氣產(chǎn)出的關(guān)鍵因素；而煤巖儲層的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素，對滲透率起主導(dǎo)作用[5]。因此分析煤巖的應(yīng)力特征，對研究滲透率有十分重要的意義[6，7]，很多學(xué)者通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，加載速率對巖樣的物理力學(xué)特性有很大的影響[8]。

延川南緊鄰韓城煤層氣區(qū)塊，二者主力目的層同為二疊系煤系地層，具有相似的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境，為了尋找延川南煤層氣開采過程中合理降壓速率的一般規(guī)律，筆者選用韓城工區(qū)煤巖巖心試驗(yàn)情況來進(jìn)行對比分析和探討。

段品佳等[9]對韓城煤層氣儲層同一號煤巖巖心，進(jìn)行了不同加載速率的室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)巖心直徑均為50mm，高徑比為2∶1；選取圍壓為7MPa，以0.01、0.05和0.50MPa/s等3個(gè)不同等級的加載速率，對煤巖的破壞特性進(jìn)行試驗(yàn)分析表明：如果加載速率過快，則試樣的強(qiáng)度提高，但塑性階段迅速過渡到脆性階段，最終會呈粉碎性破壞。在煤層井排采中，若儲層煤巖發(fā)生破碎，將產(chǎn)生大量的煤粉，一方面使原有孔滲物性變差[10，11]；另一方面，在壓差作用下，流體以平面徑向流的形式流向井筒時(shí)，會在井筒周圍形成環(huán)狀的堵塞帶。從而導(dǎo)致儲層水無法正常排出，壓降漏斗傳導(dǎo)受限，最終會影響解析面積的擴(kuò)展，使單井產(chǎn)氣量下降，甚至停產(chǎn)。反之，如果加載速率較小，則煤樣在峰值強(qiáng)度之后，承載力緩慢下降，裂隙也以較慢的速度開啟、擴(kuò)展和溝通，不會有過多的煤粉產(chǎn)生。

因而，對于煤層氣排采井而言，如果壓降速率保持在合理范圍內(nèi)，煤層會緩慢進(jìn)入塑性狀態(tài)，裂隙穩(wěn)定開啟并擴(kuò)展，滲流能力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)水量多，壓降波及范圍變大，解析面積增加，產(chǎn)氣量必然上升。

2 合理壓降速率的確定

煤層氣的排采效果受地質(zhì)構(gòu)造特征、煤階、煤巖力學(xué)結(jié)構(gòu)、基質(zhì)收縮和滲流特征等多重因素的綜合影響，而煤巖儲層的埋深與構(gòu)造和沉積古環(huán)境有關(guān)，其本身也是煤階及其滲流特征等因子的函數(shù)。假設(shè)煤層氣井日降流壓為pwf，煤巖所能承受的最大壓降速率上限值為Δβ（h），則Δpwf≤Δβ（h）；因此，可嘗試尋找壓降速率Δpwf與煤層埋深h之間的關(guān)系。

2.1 取樣原則及分析

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南部，2號煤是該區(qū)煤層氣開發(fā)的主要層位?，F(xiàn)取產(chǎn)能穩(wěn)定的11口井進(jìn)行研究分析，儲層埋深取各井鉆遇2號煤垂直埋深的平均值，日產(chǎn)氣量均隨井底流壓的降低而穩(wěn)定上升 （或維持在較高水平），現(xiàn)統(tǒng)計(jì)其流壓下降速率的最大值和煤層埋深，嘗試找出它們之間的關(guān)系，如表1。

表1 延川南區(qū)塊2號煤層流壓下降速率上限分析表

2.2 查找規(guī)律及驗(yàn)證

通過線性擬合可得出，在排采井見氣初期，最大日降井底流壓Δpwf，max與煤層埋深h之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)果見圖1。

為證明該函數(shù)關(guān)系的可靠性與實(shí)用性，有必要對其進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)選取延13井、延14井、延1－22－14井和延1－20－10井進(jìn)行分析。

1）由圖2（a）可知，延13井產(chǎn)氣量Qg隨井底流壓pwf的降低而上升直到穩(wěn)產(chǎn)，表現(xiàn)出良好的排采效果和開發(fā)前景。該井儲層埋深929.25m，實(shí)際生產(chǎn)最大壓降值為0.026MPa/d，而理論計(jì)算值為0.0614MPa/d，即滿足Δpwf，max≤0.0002h－0.1223。同樣，由圖2 （b）可知，延14井產(chǎn)氣量Qg隨井底流壓pwf的降低而直線上升，該井儲層埋深918.7m，實(shí)際生產(chǎn)最大壓降值為0.025MPa/d，小于理論計(jì)算值為0.0614MPa/d，滿足回歸公式。

2）由圖2（c）和 （d）可知，延1－22－14井和延1－20－10井，在井底流壓pwf不斷減小的情況下，產(chǎn)氣量Qg極不穩(wěn)定，前期出現(xiàn)一小的產(chǎn)氣高峰值，之后氣量迅速下降，究其原因?yàn)檫@2口井前期排采的最大降流壓值分別為0.95MPa/d和0.33MPa/d，均大于理論計(jì)算值0.0719MPa/d和0.0651MPa/d，均不滿足Δpwf，max≤0.0002h－0.1223。

綜上分析可知，延川南工區(qū)煤層氣排采井的日降流壓幅度若滿足Δpwf，max≤0.0002h－0.1223時(shí)，隨著井底流壓pwf的降低，儲層孔隙、裂隙會擴(kuò)展，絕對滲透率會增大，同時(shí)壓降漏斗的波及范圍會增大，煤層氣井呈現(xiàn)明顯的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的良好趨勢。反之，日降流壓幅度Δpwf，max＞0.0002h－0.1223時(shí)，由于井底流壓pwf降幅過快，媒體結(jié)構(gòu)遭到破壞甚至產(chǎn)生煤粉，孔、裂隙閉合或堵塞，絕對滲透率大大降低，排出水少，壓降傳播受限，解析面積小，排采井產(chǎn)氣量持續(xù)時(shí)間短，并很快就會 “萎縮”。

2.3 規(guī)律總結(jié)及工程應(yīng)用

2.3.1 總結(jié)煤層氣井不同階段的排采規(guī)律

經(jīng)上述驗(yàn)證，該關(guān)系式對研究區(qū)現(xiàn)場煤層氣排采工作制度的制定和動(dòng)態(tài)調(diào)整具有十分重要的指導(dǎo)意義；因此，可嘗試對延川南煤層氣排采制度的各階段進(jìn)一步細(xì)化，從定量的角度，總結(jié)各階段在保證煤巖儲層不受破壞的前提下，以最合理的方式來優(yōu)化排采制度，使產(chǎn)能最大化。

圖1 延川南區(qū)塊2號煤層合理壓降上限值與埋深關(guān)系圖

圖2 延川南區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線圖

假設(shè)儲層壓力、解析壓力和穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的井底壓力分別為pres、pana和psta，則根據(jù)煤層氣井投產(chǎn)后不同時(shí)期井底流壓pwf的變化，將目前延川南煤層氣的排采制度，可大致劃分為5個(gè)階段：①pwf＞pres階段；②pres≥pwf＞1.1 pana階段；③1.1 pana≥pwf＞pana階段；④1.1 pana≥pwf＞psta階段；⑤pwf≤psta階段。但每一階段，在 “緩慢、持續(xù)，穩(wěn)定”的原則下，并沒有定量指標(biāo)，且不同區(qū)塊、不同埋深的煤巖儲層，其應(yīng)力敏感性應(yīng)該是不同的，因此，結(jié)合單井實(shí)際情況，有針對性地制定具體的排采制度顯得十分有必要。

利用上述方法，根據(jù)煤層氣井的開發(fā)特點(diǎn)，分階段對研究區(qū)部分井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。即可歸納總結(jié)出延川南煤層氣井排采過程中，從放噴投產(chǎn)開始，各階段最為合理的排采制度 （圖4），并可以此為依據(jù)，對生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和動(dòng)態(tài)分析。

2.3.2 工程應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可利用上述關(guān)系式，根據(jù)各排采井的不同煤層埋深h（取垂直中深），計(jì)算出各個(gè)單井不同排采階段允許的最大日降流壓Δpwf，max，從而能夠?yàn)橹贫ê侠淼牡呐挪芍贫忍峁┯欣笇?dǎo)?，F(xiàn)以延1－22－14井為例進(jìn)行說明 （見表2）。

表2 合理壓降速率上限參考表

圖3 延川南區(qū)塊煤層氣開發(fā)各階段合理壓降上限值與埋深關(guān)系圖

由圖5可知，延1－22－14井自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)情況總體不太理想，日產(chǎn)氣量曾出現(xiàn) 過 一 小 峰 值 （696m3/d）后，迅速下降，并未出現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)現(xiàn)象，目前應(yīng)處于煤層氣從解吸到穩(wěn)產(chǎn)的過渡階段 （即pana→psta）。由表2可知，該井生產(chǎn)條件應(yīng)滿足最 大 日 降 流 壓 Δpwf，max≤0.0409MPa/d。而實(shí)際生產(chǎn)情況是：2011年10月13日，因抽油機(jī)調(diào)頻電機(jī)故障，停抽2d，動(dòng)液面上漲，導(dǎo)致井底流壓由1.514MPa迅速上升至3.316MPa（15日），之后起抽，調(diào)試期間流壓又迅速下降至1.443MPa（19日），該期間流壓大幅度的升降波動(dòng)，抽吸和激動(dòng)顯然會對煤巖儲層造成了極大的傷害，井底流壓的最大日降幅度Δpwf，max＝0.95MPa/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.0409MPa/d，煤巖儲層受到破壞，其孔、滲性降低，只有近井地帶少量氣體解析產(chǎn)出，故而產(chǎn)氣量出現(xiàn)一小峰值后便迅速下跌。因此下步應(yīng)該嚴(yán)格控制最大日降流壓Δpwf，max≤0.0409MPa/d，加密對生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整以恢復(fù)產(chǎn)能。

圖4 延川南區(qū)塊煤層氣井排采各階段合理壓降示意圖

圖5 延1－22－14井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線圖

3 結(jié)論與建議

1）從排采機(jī)理入手，通過對煤巖力學(xué)性質(zhì)的分析和現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的研究，從定量的角度總結(jié)出延川南工區(qū)煤層氣排采的規(guī)律，認(rèn)為在煤巖儲層不受破壞的前提下，最大日降井底流壓Δpwf，max與煤層埋深成線性遞增的關(guān)系。并通過實(shí)踐驗(yàn)證，該函數(shù)關(guān)系式具有一定的可靠性與適用性。

2）合理日降流壓的定量化，顯然有利于排采制度的制定和及時(shí)調(diào)整，有效地提高了煤層氣井的管理水平和排采效果。同時(shí)，還可應(yīng)用該規(guī)律對排采問題井進(jìn)行原因分析，是流壓下降速率過快，造成煤巖儲層滲流通道堵塞；還是流壓下降速率偏慢，延長了產(chǎn)氣高峰值的到達(dá)周期。

3）隨著開發(fā)程度的提高，可按構(gòu)造單元、按井區(qū)進(jìn)一步細(xì)分，總結(jié)出更為精細(xì)、更為完善的函數(shù)關(guān)系式，從而能夠更準(zhǔn)確地指導(dǎo)生產(chǎn)。

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