高煤階煤層氣井儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律及其在井網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

胡秋嘉,毛崇昊,樊 彬,賈慧敏,張 慶,張先敏,喬茂坡,潘秀峰

(1.中石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 晉城 048000; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

煤層氣的產(chǎn)出是一個(gè)排水—降壓—解吸—擴(kuò)散—滲流—產(chǎn)氣的復(fù)雜綜合過(guò)程[1-2]。其核心過(guò)程就是通過(guò)持續(xù)排采降壓，將儲(chǔ)層壓力降低至甲烷解吸壓力以下，使甲烷解吸產(chǎn)出。因此掌握煤層氣儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律意義重大，其直接影響煤層氣開(kāi)發(fā)難易程度、有效解吸范圍、井間干擾程度及持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力，真實(shí)掌握煤層氣儲(chǔ)層壓降動(dòng)態(tài)變化對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[3-4]?，F(xiàn)階段對(duì)于煤儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律的研究，大部分仍停留在定性研究上，或是基于單相水的平面徑向滲流模型開(kāi)展模擬分析，前人通過(guò)數(shù)值模擬手段分析認(rèn)為壓降傳播在到達(dá)儲(chǔ)層邊界前后存在差異[5-6]，主要靠壓差驅(qū)動(dòng)進(jìn)行擴(kuò)展[7]，針對(duì)徑向流壓力分布模型，分析了不同壓降漏斗形態(tài)對(duì)產(chǎn)能的影響[8-10]，以此確定生產(chǎn)過(guò)程中的最佳生產(chǎn)壓差，確定排采控制參數(shù)[11-13]，該分析方法的核心問(wèn)題在于無(wú)法準(zhǔn)確描述煤儲(chǔ)層解吸后存在的氣水兩相流動(dòng)，因此現(xiàn)有研究手段僅適用于煤層氣井的單相流產(chǎn)水階段，缺乏煤層氣井全生命周期的儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律定量化研究手段，尤其是氣體解吸后兩相流階段的研究方法。前人已有研究認(rèn)為[14-15]，煤層氣井見(jiàn)氣后，氣體膨脹的彈性能不可忽略，壓降漏斗并非整體下降，而是沿臨界解吸壓力擴(kuò)展。同時(shí)受壓降漏斗形態(tài)影響，相同壓降半徑下可能存在不同的解吸半徑，最終影響煤層氣井的產(chǎn)氣能力和穩(wěn)產(chǎn)能力。根據(jù)壓降疊加原理，疊加壓降漏斗可以提高煤儲(chǔ)層壓力的降落速度，但煤層氣井間地層壓力如何變化，煤層氣井間到底能否形成井間干擾、壓降漏斗能否疊加，國(guó)內(nèi)目前未見(jiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，筆者基于考慮氣-水兩相流動(dòng)的壓降擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行定性、定量化分析研究，并就其對(duì)煤層氣井排采的指示意義進(jìn)行了探討。通過(guò)部署在沁水盆地南部的5口煤層氣井間地層壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的壓降傳遞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，基于壓降擴(kuò)展規(guī)律在井網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用開(kāi)展了相關(guān)討論。

1 考慮氣水流動(dòng)的儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律

根據(jù)沁水盆地南部樊莊—鄭莊煤層氣田實(shí)測(cè)壓降漏斗動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律，甲烷的解吸對(duì)煤層氣井壓降漏斗形態(tài)及動(dòng)態(tài)變化的影響不可忽略，甲烷解吸后體積迅速膨脹，此時(shí)地層流動(dòng)能量除生產(chǎn)壓差外，還應(yīng)考慮氣體彈性能，因此采用徑向流壓降漏斗模型無(wú)法準(zhǔn)確描述壓降傳播的真實(shí)狀態(tài)。在現(xiàn)有煤層氣直井排采數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立煤儲(chǔ)層氣-水兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析考慮氣體解吸后彈性能驅(qū)替影響下煤層氣井的壓降擴(kuò)展機(jī)制。

1.1 模型建立

假設(shè)煤儲(chǔ)層為基質(zhì)、割理系統(tǒng)組成的雙孔單滲雙重介質(zhì);煤儲(chǔ)層在原始狀態(tài)下被水百分之百飽和，不含溶解氣、游離氣，且氣體在基質(zhì)內(nèi)表面均以吸附態(tài)賦存;解吸后割理系統(tǒng)中存在游離氣、水，且吸附氣、溶解氣均忽略;游離氣為真實(shí)氣體，水為微可壓縮介質(zhì);氣體在割理中的運(yùn)移方式包括滲流、擴(kuò)散，水則以滲透的方式在割理中運(yùn)移，流體的滲流、擴(kuò)散均遵從達(dá)西定律和菲克第一定律，并將重力及毛管力對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生的影響考慮進(jìn)模型中;煤層氣發(fā)生的解吸過(guò)程、滲流過(guò)程及擴(kuò)散過(guò)程均為等溫過(guò)程。

根據(jù)達(dá)西定律、連續(xù)性方程，構(gòu)建煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)中氣相(式(1))、水相(式(2))滲流方程：

(1)

(2)

式中，?為Hamilton算子;Kf為裂隙滲透率，10-15m2;Krg，Krw分別為氣相相對(duì)滲透率和水相相對(duì)滲透率;Bg，Bw分別為氣相體積系數(shù)和水相體積系數(shù);Pfg，Pfw分別為裂隙系統(tǒng)中氣相壓力和水相壓力，MPa;μg，μw分別為氣相黏度和水相黏度，mPa·s;γg，γw分別為氣相容重和水相容重，N/m3;H為儲(chǔ)層埋深，m;Df為裂隙中氣體擴(kuò)散系數(shù);qm為單位體積基質(zhì)表面解吸氣擴(kuò)散入裂隙系統(tǒng)的速率，m3/(m3·d);qg，qw為井點(diǎn)位置處的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量;φf(shuō)為裂隙孔隙度;Sfg，Sfw為裂隙中含氣飽和度;t為生產(chǎn)時(shí)間，d。

根據(jù)Fick第一定律，給出基質(zhì)系統(tǒng)中氣相解吸-擴(kuò)散的微分方程:

(3)

(4)

式中，Vm為基質(zhì)中吸附氣平均含量，m3/t;Ve為與游離氣處于平衡狀態(tài)時(shí)煤基質(zhì)中吸附氣含量;τ為吸附時(shí)間，且τ=1/(δDm)，其中δ為形狀因子，主要與基質(zhì)單元的形狀和尺寸相關(guān);FG為幾何相關(guān)因子。

裂隙系統(tǒng)氣-水毛管壓力方程:

Pc=Pfg-Pfw

(5)

裂隙系統(tǒng)氣-水飽和度方程:

Sw+Sg=1

(6)

式中，Pc為毛細(xì)管壓力，MPa;Sg，Sw分別為含氣飽和度、含水飽和度。

綜合考慮排采過(guò)程中煤巖滲透率隨有效應(yīng)力變化，采用式(7)對(duì)煤層滲透率動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行描述:

(7)

(8)

式中，Δσ為有效應(yīng)力增加值，MPa-1;ν為泊松比;E為彈性模量;εs為吸附應(yīng)變;Kf0為初始裂隙滲透率，10-15m2;Pf為裂隙壓力，MPa;Pf0為初始裂隙壓力，MPa;上標(biāo)e代表有效應(yīng)力狀態(tài);C0為初始裂隙壓縮系數(shù)，MPa-1;γ為裂隙壓力隨有效應(yīng)力變化的衰減系數(shù);σ0為初始有效應(yīng)力，MPa。

煤層氣產(chǎn)出經(jīng)歷了基質(zhì)孔隙—微觀裂隙—宏觀裂隙—壓裂裂縫—井筒的多級(jí)流動(dòng)，最終到達(dá)井筒。在模型中，采用等效導(dǎo)流能力法對(duì)近井地帶網(wǎng)格滲透率進(jìn)行處理，將井筒中流體的流動(dòng)近似等同于擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。該模型精細(xì)刻畫(huà)了具有“非均質(zhì)性”和“雙重介質(zhì)特性”的高煤階煤儲(chǔ)層中氣、水兩相流體的運(yùn)移、流動(dòng)、產(chǎn)出過(guò)程，并考慮了排采過(guò)程中煤層滲透率隨基質(zhì)收縮、有效應(yīng)力變化的影響，可廣泛用于高煤階煤層氣藏直井產(chǎn)能預(yù)測(cè)、壓降效果評(píng)價(jià)、井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究。

1.2 高煤階煤儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律

在建立的氣-水兩相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合晉城地區(qū)樊莊、鄭莊區(qū)塊典型煤層氣井，開(kāi)展壓降擴(kuò)展規(guī)律定性分析，典型煤層氣井的儲(chǔ)層及開(kāi)發(fā)參數(shù)見(jiàn)表1。由于壓裂裂縫的存在，使得壓降在沿壓裂裂縫傳遞時(shí)，速度明顯要快于原生孔裂隙上壓降的傳遞速度，因此，壓降漏斗在壓裂波及范圍內(nèi)與原狀地層壓降擴(kuò)展規(guī)律具有明顯差異。由于壓裂形成的人工裂縫會(huì)優(yōu)先沿最大水平主應(yīng)力方向延伸[1-2,10]，因此在排采過(guò)程中儲(chǔ)層壓降在平面上應(yīng)該表現(xiàn)為明顯的方向性，不同方向上的壓降傳遞規(guī)律具有不同特點(diǎn)(圖1)。選取山西晉城地區(qū)樊莊、鄭莊區(qū)塊19口單井，對(duì)單井的產(chǎn)氣、產(chǎn)水開(kāi)展了相應(yīng)的歷史擬合，擬合符合率整體達(dá)到80%以上，驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確及可靠性。

表1 煤儲(chǔ)層地質(zhì)及開(kāi)發(fā)相關(guān)參數(shù)Table 1 Coal reservoir geology and development related parameters

圖1 煤層氣直井壓降傳遞平面擴(kuò)展特征[15]Fig.1 Plane expansion characteristics of pressure drop transfer in CBM vertical wells[15]

1.2.1平行于水平最大主應(yīng)力方向壓降擴(kuò)展規(guī)律

儲(chǔ)層壓力沿主裂縫方向擴(kuò)展時(shí)，由于較長(zhǎng)人工裂縫的存在，壓降漏斗剖面曲線表現(xiàn)為“雙段式”變化，如圖2所示，即在壓裂區(qū)內(nèi)壓降快速傳遞，當(dāng)壓力傳出壓裂區(qū)后速度放緩。當(dāng)壓力傳遞到控制邊界后，開(kāi)始縱向向下發(fā)展。

圖2 平行于水平最大主應(yīng)力方向壓降漏斗剖面Fig.2 Profile of pressure drop funnel parallel to horizontal maximum principal stress direction

在儲(chǔ)層邊界上，考慮甲烷的解吸對(duì)煤層氣井壓降漏斗形態(tài)及動(dòng)態(tài)變化的影響，將儲(chǔ)層壓力的擴(kuò)展分為兩大階段:單相產(chǎn)水階段和氣水同產(chǎn)階段。通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到了儲(chǔ)層邊界壓力及邊界壓降速率隨排采時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

圖3 平行于水平最大主應(yīng)力方向邊界壓降分析Fig.3 Analysis of boundary pressure drop parallel to horizontal maximum principal stress direction

由圖3可知，壓力傳至控制邊界后，隨著儲(chǔ)層壓力的降低，邊界壓降速率整體呈先增后降趨勢(shì)，存在“雙峰”變化，即在單相產(chǎn)水階段與氣水同產(chǎn)段均出現(xiàn)峰值，且產(chǎn)水段峰值變化幅度大。主要原因在于單相產(chǎn)水階段大量的地層水排出，導(dǎo)致儲(chǔ)層能量大量釋放，邊界壓力逐漸下降，因此，單相產(chǎn)水階段邊界壓降速率呈遞增的變化趨勢(shì)。當(dāng)儲(chǔ)層近井地區(qū)壓力降至臨界解吸壓力以下，氣體開(kāi)始解吸產(chǎn)出，解吸氣體的迅速膨脹使壓力傳導(dǎo)由單相流階段的水傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闅?、水共同傳?dǎo)[14-16]，臨界解吸地帶會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)維持平衡壓力，從而使得邊界壓降速率驟然下降。當(dāng)邊界壓力降至臨界解吸壓力時(shí)，儲(chǔ)層邊界壓力會(huì)進(jìn)入一個(gè)壓力平衡階段，平衡階段所經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)主要受排采及地質(zhì)等因素影響。當(dāng)儲(chǔ)層壓力整體降至臨界解吸壓力以下時(shí)，煤層氣大量產(chǎn)出，受基質(zhì)收縮和氣體滑脫效應(yīng)的共同影響，邊界壓降速率有所增加。直至各影響效應(yīng)減弱，地層能量減小，氣體解吸量逐漸下降，邊界壓降速率也隨之降低。排采結(jié)束時(shí)，邊界壓力趨于廢氣壓力，邊界壓降速率趨近于0。

在研究?jī)?chǔ)層邊界壓力變化的基礎(chǔ)上，以同樣的研究方式分別對(duì)沿主裂縫方向上不同位置處50，100及155 m處壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究，從而得到了各點(diǎn)處壓力的變化情況，如圖4所示。由圖4可知，沿主裂縫方向上各點(diǎn)儲(chǔ)層壓力、壓降速率變化規(guī)律基本一致，即儲(chǔ)層壓力逐漸遞減，壓降速率先增后降，但在同一時(shí)刻越靠近井筒位置，壓降整體變化幅度越大，儲(chǔ)層的壓降速率越高，壓降速率到達(dá)峰值的時(shí)間越早，且壓降速率曲線“雙峰”值均高于遠(yuǎn)井位置處。其次，越靠近井筒壓降速率越高，氣體解吸后壓力平衡時(shí)間將大幅度縮短。

圖4 平行于水平最大主應(yīng)力方向各位置處壓降分析Fig.4 Analysis of pressure drop at each position parallel to the direction of horizontal maximum principal stress

1.2.2垂直于水平最大主應(yīng)力方向壓降擴(kuò)展規(guī)律

在垂直于主壓裂裂縫方向上，由于壓裂區(qū)的影響很小，壓降漏斗曲線變化較為均勻。從井筒至控制邊界，壓降整體呈現(xiàn)為越靠近井筒位置處壓降變化幅度越大，控制邊界處壓降變化相對(duì)較緩，主要是該方向上壓裂波及范圍較小，滲透率較低所致。對(duì)比平行于水平最大主應(yīng)力方向上的壓降擴(kuò)展情況，因壓裂導(dǎo)致的壓降“雙段”效應(yīng)不明顯，如圖5所示。

圖5 垂直于水平最大主應(yīng)力方向壓降擴(kuò)展示意Fig.5 Schematic diagram of pressure drop expansion perpen- dicular to horizontal maximum principal stress direction

通過(guò)與沿主裂縫方向上儲(chǔ)層壓力變化的比較發(fā)現(xiàn)，在同一時(shí)刻，垂直主裂縫方向上壓降速率要明顯慢于沿主裂縫方向上壓力的傳遞，且垂向上壓降速率的最大峰值也要小于沿主裂縫方向;其次當(dāng)壓力降至臨界解吸壓力后，出現(xiàn)的壓力平衡時(shí)間明顯長(zhǎng)于沿主裂縫方向。從總體上看，垂直主裂縫方向上壓力變化慢于沿主裂縫方向的壓力變化，這主要與水平方向上主裂縫的存在有關(guān)(圖6)。

圖6 垂直主裂縫方向邊界壓降分析Fig.6 Analysis of boundary pressure drop perpendicular to main fracture

通過(guò)對(duì)比沿主裂縫方向上不同位置處壓降傳遞規(guī)律，得出在垂直主裂縫方向上壓降速率變化整體偏慢，但整體變化規(guī)律與沿主裂縫方向各點(diǎn)的壓降擴(kuò)展規(guī)律一致。

1.3 壓降漏斗形態(tài)影響因素

對(duì)不同地質(zhì)條件下儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展規(guī)律開(kāi)展了大量數(shù)值模擬研究，從而確定了影響煤儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展的主要地質(zhì)因素，即水動(dòng)力條件、滲透率、地解比及束縛水飽和度。其中，水動(dòng)力條件、滲透率是目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的影響壓降漏斗形態(tài)的影響因素[13,15-17]，通過(guò)本文進(jìn)一步研究認(rèn)為，地解比及束縛水飽和度同樣對(duì)煤儲(chǔ)層排采過(guò)程中的壓降傳遞存在較大影響。

(1)水動(dòng)力條件的影響。水動(dòng)力條件決定了煤層水的補(bǔ)給方向和補(bǔ)給速度，對(duì)壓降漏斗形態(tài)有一定影響[17]，水動(dòng)力不活躍的儲(chǔ)層，泄流半徑擴(kuò)展速度、壓降縱向擴(kuò)展速度均較快，相同排采時(shí)間達(dá)到臨界解吸壓力的區(qū)域越大，利于煤層氣井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

(2)滲透率的影響。煤儲(chǔ)層滲透率對(duì)整個(gè)排采階段的壓力擴(kuò)展存在影響，它代表了煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力[16]。儲(chǔ)層滲透率越大，越有利于煤層水的產(chǎn)出，排采相同時(shí)間內(nèi)，邊界壓力變化幅度越大，壓降傳遞速率越快，儲(chǔ)層整體降壓效果越好。主要是滲透率大的儲(chǔ)層，煤層割理系統(tǒng)發(fā)育程度高，儲(chǔ)層滲流通道較多，在相同排采制度下開(kāi)采時(shí)，壓力在儲(chǔ)層中傳遞比較容易，且壓力波及范圍大，整體降壓效果明顯。

(3)地解比的影響。地解比是臨界解吸壓力與地層壓力的比值，對(duì)于儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展的影響主要分為2個(gè)階段:① 當(dāng)儲(chǔ)層邊界壓力全部降至臨界解吸壓力之前，地解比越大，單相產(chǎn)水階段經(jīng)歷的時(shí)間越短，降壓速率整體偏慢，因?yàn)閮?chǔ)層壓降的擴(kuò)展在近井地帶達(dá)到臨界解吸壓力后會(huì)變慢，所以對(duì)產(chǎn)氣前期的壓降速率造成了一定的負(fù)影響;② 當(dāng)邊界壓力整體降至臨界解吸壓力后，此時(shí)臨界解吸壓力高的儲(chǔ)層，地飽壓差小，含氣量多，相同時(shí)間排采出的氣量較大，儲(chǔ)層產(chǎn)生的氣體滑脫效應(yīng)較為明顯，使得壓力變化幅度增大，壓降速率加快，儲(chǔ)層整體降壓效果最好。如圖7所示，在相同的地層壓力下，臨界解吸壓力的差異導(dǎo)致儲(chǔ)層邊界的壓降傳遞出現(xiàn)了明顯差異。值得注意的是，當(dāng)臨界解吸壓力較小時(shí)，儲(chǔ)層邊界的壓降傳遞主要發(fā)生在單相流產(chǎn)水階段，標(biāo)志著含氣飽和度較低的儲(chǔ)層進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，尤其要注意單相流排水階段的排采效果，適當(dāng)延長(zhǎng)排水期、擴(kuò)大壓降漏斗在解吸前的波及范圍，才能夠在解吸后獲得更快的解吸效率，以換得更長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。

圖7 地解比對(duì)儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展影響Fig.7 Effect of ratio of desorption pressure to formation pressure on pressure drop expansion of reservoir

(4)束縛水飽和度的影響。束縛水飽和度主要影響氣水同產(chǎn)階段中后期的壓力擴(kuò)展。由圖8可知，束縛水飽和度大的儲(chǔ)層，氣水同產(chǎn)階段中后期壓降幅度變化小，壓降速率變化慢，整體降壓效果相對(duì)較差。根據(jù)氣水兩相流動(dòng)特點(diǎn)，束縛水飽和度大的儲(chǔ)層，有效滲流通道相對(duì)較少，水在裂隙中滲流速度減緩，從而導(dǎo)致氣體擴(kuò)散時(shí)間變長(zhǎng)，壓力擴(kuò)展速度相應(yīng)減慢。因此，束縛水飽和度反映了排采后期儲(chǔ)層邊界壓降進(jìn)一步擴(kuò)展的能力，一定程度上影響了煤層氣井排采后期的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)能力。

圖8 束縛水飽和度對(duì)儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展影響Fig.8 Influence of irreducible water saturation on pressure drop expansion of reservoir

2 高煤階儲(chǔ)層實(shí)測(cè)壓降擴(kuò)展案例分析

2.1 儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步獲取高煤階煤層氣田生產(chǎn)井網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展的實(shí)際變化規(guī)律，在沁水盆地南部樊莊、鄭莊區(qū)塊不同井距、沿不同主裂縫方位夾角下，設(shè)計(jì)直讀壓力鉆孔，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程中地層壓力變化和傳導(dǎo)規(guī)律。

主要實(shí)施步驟:首先根據(jù)開(kāi)發(fā)井網(wǎng)部署規(guī)劃，選擇需要監(jiān)測(cè)的井組，再根據(jù)區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層最大水平井主應(yīng)力方向，設(shè)計(jì)不同方位夾角下的監(jiān)測(cè)井位。為了避免壓裂過(guò)程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造成干擾，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的射孔設(shè)計(jì)在生產(chǎn)井位壓裂后、投產(chǎn)前進(jìn)行，監(jiān)測(cè)井位下入電子井下壓力計(jì)，對(duì)生產(chǎn)井投產(chǎn)后的遠(yuǎn)端壓力變化情況開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。5口監(jiān)測(cè)井位基本參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2 不同儲(chǔ)層實(shí)測(cè)儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展特征對(duì)比

圖9為沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊開(kāi)發(fā)井儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。受不同滲透率、監(jiān)測(cè)井距、地解比的影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的實(shí)測(cè)壓降擴(kuò)展特征存在明顯差異，但總體變化規(guī)律與1.2.1節(jié)所述考慮氣水流動(dòng)的壓降模型保持一致。5口監(jiān)測(cè)井均開(kāi)展了1 000 d的壓力監(jiān)測(cè)，T1，T2監(jiān)測(cè)井組監(jiān)測(cè)結(jié)果與前文所述壓降擴(kuò)展規(guī)律(圖3)一致，為典型的“雙峰”變化。T3，T4，T5監(jiān)測(cè)井組因監(jiān)測(cè)1 000 d內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力未降至臨界解吸壓力，因此壓降擴(kuò)展曲線未出現(xiàn)“雙峰”變化，與1.2.1節(jié)模擬所得規(guī)律保持一致。

從T5監(jiān)測(cè)井組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖9(f))可以看出，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)半徑為所有監(jiān)測(cè)井組中最小，僅為70 m，但該監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本監(jiān)測(cè)不到儲(chǔ)層壓降的波及，排采2 a后70 m半徑范圍內(nèi)無(wú)壓降波及。主要原因是該井監(jiān)測(cè)方位與主裂縫方向完全垂直，受壓裂影響較小，其壓降速率明顯慢于其他方向，由此可知，煤層氣單井的實(shí)際井控面積并非常規(guī)認(rèn)識(shí)的圓形，而是以主裂縫方向?yàn)殚L(zhǎng)軸、垂直主裂縫方向?yàn)槎梯S的橢圓形。

結(jié)合表2與圖9的數(shù)據(jù)，在所有監(jiān)測(cè)井組中，T1井組監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力最先擴(kuò)展至解吸壓力以下，而該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)半徑最遠(yuǎn)，達(dá)到135 m，除T5監(jiān)測(cè)井組外，在監(jiān)測(cè)到壓降波及的其他4個(gè)監(jiān)測(cè)井組中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與主裂縫方向夾角最大，達(dá)到35°，主要原因是該井組相較其他井組處于相對(duì)高滲區(qū)域，利于煤層水的產(chǎn)出，壓降傳遞速率越快，儲(chǔ)層整體降壓效果越好，進(jìn)而儲(chǔ)層的解吸面積更大，產(chǎn)氣效果更好，該井組以2 500 m3/d的產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)2 a，目前仍保持較好的穩(wěn)產(chǎn)趨勢(shì)。因此認(rèn)為滲透率是影響儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展及解吸效率的主要因素。

表2 沁水盆地南部?jī)?chǔ)層壓降擴(kuò)展監(jiān)測(cè)井基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of monitoring wells for reservoir pressure drop expansion in southern Qinshui Basin

圖9 沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊開(kāi)發(fā)井儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Measured data of reservoir pressure drop expansion of development Fanzhuang-Zhengzhuang block wells in southern Qinshui Basin

根據(jù)T2井組與T4井組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其監(jiān)測(cè)半徑、與主裂縫的方位夾角、滲透率均無(wú)較大差異，但地解比相差較大，地解比較高的T2井組壓降擴(kuò)展速度明顯低于T4井組，與1.2節(jié)所述規(guī)律一致。地解比越大，降壓速率整體偏慢，因?yàn)閮?chǔ)層壓降的擴(kuò)展在近井地帶達(dá)到臨界解吸壓力后會(huì)變慢，但壓降速率會(huì)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位也降至解吸壓力以后有明顯好轉(zhuǎn)，此類(lèi)井可快速實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端地層的降壓解吸，可支撐單井的解吸半徑快速擴(kuò)展，單井的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)。T4生產(chǎn)井解吸壓力高于T2生產(chǎn)井，而T4井組地解壓差大，壓降擴(kuò)展效率低，導(dǎo)致T4井的穩(wěn)產(chǎn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于T2井。

T1，T2監(jiān)測(cè)井組的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位地層壓力均已經(jīng)降至臨界解吸壓力以下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓降速率變化出現(xiàn)了明顯的“雙峰”特征，T1井組由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與主裂縫的方位角比T2井組大，T1監(jiān)測(cè)點(diǎn)位壓降速率下降的時(shí)間比T2井組長(zhǎng)，這主要是壓裂裂縫的方位性所致，與前文建立的壓降模型規(guī)律保持一致。

3 壓降擴(kuò)展特征在井網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

目前研究認(rèn)為，疊加壓降漏斗形成井間干擾，可以大大提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，加快地層壓力下降速度，形成協(xié)同增產(chǎn)[17-18]。而根據(jù)沁水盆地南部T3，T4監(jiān)測(cè)井組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，排采2 a后監(jiān)測(cè)點(diǎn)位范圍內(nèi)的地層壓力雖然已經(jīng)下降，但未低于臨界解吸壓力，對(duì)解吸產(chǎn)氣無(wú)貢獻(xiàn)，未實(shí)現(xiàn)協(xié)同增產(chǎn)。因此，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)不同，筆者認(rèn)為協(xié)同降壓增產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)需經(jīng)歷協(xié)同降壓和協(xié)同解吸2個(gè)階段，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同增產(chǎn)，兩井井距范圍內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力必須下降至解吸壓力以下。在地質(zhì)條件一定的前提下，井網(wǎng)井距優(yōu)化是協(xié)同降壓能否突破協(xié)同解吸點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同增產(chǎn)的關(guān)鍵。以T5井組為例，監(jiān)測(cè)半徑70 m范圍2 a內(nèi)未受到壓降波及，與沁水盆地南部設(shè)計(jì)的300 m×300 m單井控制范圍不符。在樊莊—鄭莊開(kāi)展的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，井間實(shí)現(xiàn)協(xié)同解吸的井極少，均與區(qū)塊最大主應(yīng)力方向平行，且井距小于200 m，表明只有使井間儲(chǔ)層壓力全部降低至解吸壓力以下，才能實(shí)現(xiàn)協(xié)同增產(chǎn)，將該井距定義為“協(xié)同增產(chǎn)臨界井距”。該井距受滲透率及應(yīng)力場(chǎng)控制，滲透率控大小、應(yīng)力場(chǎng)控方向。滲透率越高，臨界井距越大;與最大水平主應(yīng)力方向夾角越小，臨界井距越大。在沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊不同滲透率、不同應(yīng)力場(chǎng)的井區(qū)，臨界井距具有差異，如圖10所示，其中，lmax，lmin分別為沿最大和最小水平主應(yīng)力方向的協(xié)同增產(chǎn)臨界井距。在該臨界井距下部署開(kāi)發(fā)調(diào)整井網(wǎng)，可使井間地層壓力全部降至解吸壓力以下，真正實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)共采，提高區(qū)塊整體動(dòng)用程度及采收率。

圖10 沁水盆地南部樊莊—鄭莊區(qū)塊不同井區(qū)協(xié)同 增產(chǎn)臨界井距Fig.10 Critical well spacing of coordinated stimulation in different well areas of Fanzhuang-Zhengzhuang block in the south of Qinshui Basin

4 結(jié) 論

(1)高煤階煤儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展存在明顯的方向性。在平行于水平最大主應(yīng)力方向壓降擴(kuò)展因壓裂裂縫影響存在明顯的雙段性，壓降橫向及縱向擴(kuò)展速度較快;在垂直于水平最大主應(yīng)力方向壓降擴(kuò)展受壓裂裂縫影響較小，壓降擴(kuò)展速度較慢。

(2)高煤階煤層氣井儲(chǔ)層壓力的擴(kuò)展不可忽略甲烷解吸的影響，儲(chǔ)層邊界壓降擴(kuò)展速度在壓力降至臨界解吸壓力前后存在“雙峰”變化。在相同排采制度下，壓降漏斗擴(kuò)展速度及形態(tài)受水動(dòng)力條件、滲透率、地解比及束縛水飽和度綜合影響。水動(dòng)力條件越活躍、滲透率越低、地解比越小、束縛水飽和度越大，越不利于壓降橫向及縱向傳播。

(3)儲(chǔ)層壓降擴(kuò)展存在協(xié)同降壓和協(xié)同解吸2個(gè)階段，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同增產(chǎn)，兩井井距范圍內(nèi)煤儲(chǔ)層壓力必須下降至解吸壓力以下。使井間儲(chǔ)層壓力全部降低至解吸壓力以下的最大井距定義為“協(xié)同增產(chǎn)臨界井距”。該井距受滲透率及應(yīng)力場(chǎng)控制，滲透率控大小、應(yīng)力場(chǎng)控方向。滲透率越高，臨界井距越大;與最大水平主應(yīng)力方向夾角越小，臨界井距越大。