壓裂后壓降速度在優(yōu)選煤層氣井管式泵泵徑中的應(yīng)用
——以蜀南地區(qū)煤層氣井為例

馬飛英, 王 林, 吳 雙, 蒲婭琳, 劉全穩(wěn), 劉大偉

(1廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院 2廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心 3中國石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司 4中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦)

根據(jù)煤層氣井的生產(chǎn)特征，排采的第一階段為排水降壓期[1-5]。因此，煤層氣井在新井投產(chǎn)之前，首先需要確定壓裂后排采的產(chǎn)水量，以便下入合適泵徑的管式泵。然而由于對地層產(chǎn)水量缺乏有效預(yù)測，現(xiàn)場常出現(xiàn)管式泵泵徑與產(chǎn)水量不匹配的問題。若選擇的泵徑過小，則不能滿足排水需要，造成降壓困難；若選擇的泵徑過大，造成資源浪費(fèi)以及容易沖次過低而造成變頻器低頻停機(jī)。這就要求，在下管式泵之前，需預(yù)測煤層產(chǎn)水量來指導(dǎo)選擇合理的泵徑。目前預(yù)測產(chǎn)水量一般采用滲流方程求取，但該方法所需的滲透率等參數(shù)較難獲取。壓裂停泵后，井口壓力的遞減速度是裂縫、流體及其周圍地層共同影響的結(jié)果。壓力降落速度越快，水越容易流入地層，則排采期產(chǎn)水量也會越高，因此可用壓降速度預(yù)測地層產(chǎn)水量，從而優(yōu)選泵徑。早在1979年，Nolte提出了壓裂后壓力的解釋與壓裂停泵后壓降曲線分析[6-7]，但該分析主要針對裂縫參數(shù)的計(jì)算[8]，不能求得地層產(chǎn)水量。目前雖然有利用F函數(shù)來進(jìn)行壓降分析獲得滲透率的方法[9]，但該方法主要針對小型壓裂測試。針對以上問題，文中直接采用壓裂停泵后的井口壓降數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)水量，為現(xiàn)場新井投產(chǎn)選擇管式泵泵徑提供參考，該方法具有使用方便、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。

一、產(chǎn)水量預(yù)測

壓裂停泵后，井口壓力是遞減的，壓力下降的原因與裂縫繼續(xù)延伸、裂縫寬度變化以及壓裂液濾失有關(guān)[10]。壓降速度反映了其周圍的地層情況,壓降速度的快慢與地層產(chǎn)水量有較大的關(guān)系。

為了進(jìn)行壓降分析，首先需要分析壓裂停泵后裂縫的變化。壓裂停泵后，裂縫繼續(xù)延伸一段時間，水力裂縫中的壓裂液在壓差作用下向周圍的地層濾失；當(dāng)壓力降低至一定值后，裂縫開始閉合，縫長不再變化，此時井口壓力下降主要由濾失引起。壓裂停泵后的井口壓力變化特征如圖1所示。

從圖1可看出，在裂縫閉合前，井口壓力下降速度快；裂縫閉合后，井口壓力下降速度變緩，壓降速度接近常數(shù)。由于裂縫閉合后，壓力的下降主要由壓裂液在壓差作用下向地層滲流而引起壓裂液濾失，故裂縫閉合后的壓力下降速度反映了地層滲透能力的大小，而地層滲透能力是影響煤層氣井產(chǎn)水量的主要因素。由于壓裂液往地層中濾失的速度反映了生產(chǎn)階段地層向裂縫中流動的能力，因此可以選擇裂縫閉合后的壓降數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)水量。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，煤層氣井一般壓裂24 h后裂縫基本閉合，為了分析的方便，建議選擇壓裂后1～10 d內(nèi)的壓降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 壓裂停泵后井口壓力隨時間變化圖

通過統(tǒng)計(jì)和分析蜀南地區(qū)龍?zhí)督M22口煤層氣井在單相水流階段、相同排采強(qiáng)度下的產(chǎn)水量與壓裂停泵后壓降數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地層產(chǎn)水量與壓降速度存在關(guān)系見式(1)。

Qw=11.169vp-0.281

(1)

式中：Qw—產(chǎn)水量，m3/d；vp—壓降速度，MPa/d。

從圖2可知，產(chǎn)水量與壓降速度成正線性關(guān)系。壓降速度越大，則產(chǎn)水量越大，這是因?yàn)閴航邓俣仍酱?，滲透率越高，從而產(chǎn)水量越大。

圖2 產(chǎn)水量與壓裂停泵后的壓降速度關(guān)系曲線

二、管式泵泵徑優(yōu)選

目前國內(nèi)煤層氣井的排采工藝主要為“管式泵+抽油機(jī)”，煤層埋深一般小于1 000 m，以三型抽油機(jī)和四型抽油機(jī)為主，沖程一般為1.5 m。由于煤層氣井大部分為斜井，管桿偏磨較嚴(yán)重，沖次不宜太高，現(xiàn)場沖次一般低于5 min-1。根據(jù)蜀南地區(qū)煤層氣生產(chǎn)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，單相水流階段泵效一般大于60%。因此，根據(jù)地層產(chǎn)水量可選擇對應(yīng)的管式泵泵徑：

(2)

式中：D—泵徑，mm；L—沖程，m；n—沖次，min-1；η—泵效，%。

根據(jù)壓降速度與產(chǎn)水量關(guān)系，可用式(2)確定蜀南地區(qū)龍?zhí)督M煤層氣井泵徑，見表1。

表1 壓降速度與泵徑的關(guān)系

三、實(shí)例分析

我國蜀南地區(qū)某煤層氣井，壓裂停泵時的井口壓力為13.9 MPa，停泵30 min后的井口壓力為12.1 MPa，然后每隔24 h讀取一次井口壓力數(shù)據(jù)，關(guān)井監(jiān)測井口壓力9 d后放噴。

從圖3看出，后期井口壓力與時間基本接近線性關(guān)系，擬合后期數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到壓降速度為0.223 MPa/d，將壓降速度代入式(1)中，可預(yù)測該井單相水流階段的產(chǎn)水量約為2.2 m3/d，則應(yīng)選擇28 mm的泵徑。從該井的排采曲線(見圖4)可看出該井產(chǎn)水量為2.0 m3/d左右，與預(yù)測的產(chǎn)水量接近，說明所選泵徑合理。

圖3 井口壓力隨時間變化圖

圖4 煤層氣井排采曲線圖

四、結(jié)論

(1)煤層氣井產(chǎn)水量與壓裂停泵后的壓降速度呈正關(guān)系，壓降速度越大，則產(chǎn)水量越大。

(2)蜀南地區(qū)龍?zhí)督M煤層氣井，在裂縫閉合后，當(dāng)壓降速度范圍在0～0.4 MPa/d時，選擇28 mm泵徑；當(dāng)壓降速度范圍在0.4～0.5 MPa/d，選擇32 mm管式泵泵徑；當(dāng)壓降速度范圍在0.5～0.7 MPa/d，選擇38 mm管式泵泵徑；當(dāng)壓降速度范圍在0.7～0.9 MPa/d，選擇44 mm管式泵泵徑；當(dāng)壓降速度范圍在0.9～1.5 MPa/d，選擇56 mm管式泵泵徑；當(dāng)壓降速度大于1.5 MPa/d時，建議選擇排量更大的螺桿泵或離心泵。

(3)現(xiàn)場實(shí)踐證實(shí)用壓裂停泵后的壓降速度預(yù)測產(chǎn)水量，預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確，使用簡單、方便。