樊 彬 秦 義 崔金榜 連小華

(1.中國(guó)石油華北油田采油工藝研究院,河北 062552;2.中國(guó)石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

1 引言

煤層氣儲(chǔ)層屬于非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層, 其開發(fā)機(jī)理與天然氣截然不同。山西沁水盆地為我國(guó)煤層氣最為富集的地區(qū), 煤儲(chǔ)層滲透率低, 非均質(zhì)性強(qiáng),儲(chǔ)層壓力低等特點(diǎn)表現(xiàn)明顯。

由于國(guó)內(nèi)開發(fā)煤層氣時(shí)間較短, 高階煤煤層氣開發(fā)尚未形成成熟開發(fā)理論。經(jīng)過實(shí)踐, 國(guó)內(nèi)相當(dāng)部分煤層氣井產(chǎn)量未達(dá)到預(yù)期產(chǎn)氣量, 井底壓力控制是重要因素之一。

煤儲(chǔ)層中的甲烷氣體主要以物理吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤巖之中, 連續(xù)不斷的排水將使煤儲(chǔ)層中的壓力持續(xù)下降, 當(dāng)煤儲(chǔ)層中的孔隙、裂隙壓力低于煤儲(chǔ)層的臨界解吸壓力以下時(shí), 煤層甲烷氣便從煤孔隙內(nèi)表面解吸為游離態(tài), 解吸出的甲烷氣體在壓力差和濃度差的雙重作用下擴(kuò)散、滲流到井筒中, 通過井筒采到地面。

對(duì)于任何一口煤層氣井, 隨著井筒內(nèi)的動(dòng)液面不斷下降, 煤層裂隙、孔隙的壓力也將隨之下降;不同的壓力下降速度, 會(huì)造成煤儲(chǔ)層的有效應(yīng)力變化不同, 進(jìn)而影響滲透率變化。

本文通過分析壓降速度對(duì)生產(chǎn)的影響程度, 初步探討煤層氣井壓降速度控制的必要性, 結(jié)合高煤階煤儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證壓降速度的重要性, 定性指出煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵。

2 壓降速度對(duì)煤層氣井產(chǎn)量的影響

“降壓”貫穿了煤層氣開發(fā)的整個(gè)過程, 壓降速度引起煤巖應(yīng)力波動(dòng), 對(duì)煤巖滲透率造成嚴(yán)重影響。

壓降傳遞過快, 將導(dǎo)致煤基巖附近壓力急劇降低, 煤層基巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化, 當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化到一定程度, 煤層基巖發(fā)生應(yīng)力敏感, 基巖滲透率急劇降低, 導(dǎo)致裂隙、割理閉合, 井眼周圍煤儲(chǔ)層形成一個(gè)封閉圈, 阻礙儲(chǔ)層壓力波在煤層的傳播,外圍儲(chǔ)層煤層氣無法解吸出來, 無法形成產(chǎn)氣量。

2．1 煤層氣井生產(chǎn)現(xiàn)象分析

(1) 井底壓降速度過快對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣量的影響

圖1 P1- 6 井生產(chǎn)曲線

通過P1- 6 井生產(chǎn)曲線 (圖1) 可以看出, 氣井井底壓力降低太快, 煤層近井筒地帶快速解吸,由于壓力變化引起的應(yīng)力敏感, 發(fā)生基巖彈性調(diào)節(jié)負(fù)效應(yīng), 割理、裂隙閉合, 儲(chǔ)層滲透率降低, 不利于儲(chǔ)層的遠(yuǎn)端水向井筒滲流, 壓降傳遞無法實(shí)現(xiàn),遠(yuǎn)端煤儲(chǔ)層無法解吸, 導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量一直處于低產(chǎn)期。所以在煤層氣井的排水降壓過程中, 控壓的第一個(gè)特點(diǎn)“緩慢”, 有利于壓降的穩(wěn)定傳遞, 形成最大的解吸面積。

(2) 井底壓降速度不穩(wěn)定將制約煤層氣井產(chǎn)量

圖2 P1- 11 井生產(chǎn)曲線

通過P1 - 11 井生產(chǎn)曲線 (圖2) 可以看出,在整個(gè)生產(chǎn)過程中, 動(dòng)液面一直處于波動(dòng)狀態(tài), 而且起伏比較大, 導(dǎo)致井底壓力變化大, 煤儲(chǔ)層發(fā)生應(yīng)力敏感, 基巖彈性負(fù)效應(yīng)起主導(dǎo)作用, 抑制了煤層氣從煤儲(chǔ)層中解吸出來, 氣井始終未形成產(chǎn)氣量。所以在排采過程中, 控壓的第二個(gè)特點(diǎn)“穩(wěn)定”, 有利于避免應(yīng)力敏感, 形成最大的解吸面積。

2．2 機(jī)理分析

壓降傳遞過快, 將導(dǎo)致煤基巖附近壓力急劇降低, 當(dāng)壓力低于煤巖解吸壓力, 氣體開始解吸, 如果壓降速度過快, 煤巖發(fā)生應(yīng)力敏感, 將抑制煤巖的持續(xù)解吸, 所以在生產(chǎn)上需要控制壓降傳遞速度, 根據(jù)生產(chǎn)的不同階段, 穩(wěn)定井底壓力一段時(shí)間, 讓煤巖持續(xù)解吸一段時(shí)間后, 保證煤巖解吸擴(kuò)展, 然后進(jìn)行下一階段壓降傳遞。

如圖3 所示, 當(dāng)壓降 (ΔP) 穿遞至A 點(diǎn), 煤層氣從煤基巖內(nèi)表面解吸出來, 基質(zhì)收縮, 裂縫張開, 滲透率增加; 當(dāng)ΔP 從A 點(diǎn)像B 點(diǎn)傳遞過程中, 如果ΔP 過快, 將引起煤巖應(yīng)力敏感, 當(dāng)壓力傳遞至B 點(diǎn), B 點(diǎn)出煤巖開始解吸, 但是A 點(diǎn)處煤巖由于應(yīng)力敏感, 裂縫閉合, 導(dǎo)致B 點(diǎn)解吸出來的氣體滲流不出去, 最終造成的結(jié)果是煤層氣井的實(shí)際解吸半徑只有rA, 壓降漏斗沒有延伸到B 點(diǎn)。

從以上分析可以看出, 在A 點(diǎn)向B 點(diǎn)的壓降傳遞過程中, 需要穩(wěn)定壓力一段時(shí)間, 保持ΔP 最小, 讓煤巖持續(xù)解吸, 裂縫擴(kuò)張, 壓力才能保證傳遞到B 點(diǎn), 且A 點(diǎn)出裂縫不會(huì)閉合。

圖3 煤層壓降傳遞示意圖

控制壓降速度其物理意義在于在一定的時(shí)間通過控制井底壓力變化值, 保證儲(chǔ)層滲透率不受到傷害, 形成最大解吸面積。

2．3 小結(jié)

從前面的結(jié)論來看, 時(shí)間又是決定壓降的一個(gè)重要的參數(shù), 過快、過慢都對(duì)產(chǎn)氣量有重大影響。因此, 煤層氣排采規(guī)律實(shí)際上是一個(gè)降壓規(guī)律,即：

3 煤巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)研究及分析

煤巖應(yīng)力敏感對(duì)于我們控制生產(chǎn)井的液面下降速度、控制井底的流動(dòng)壓力、控制煤層的壓力下降、控制煤層氣井的產(chǎn)量都有重要的意義。

由于煤巖應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 本實(shí)驗(yàn)參考《砂巖儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法SY/T5358 -2002》的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行, 定性分析應(yīng)力敏感對(duì)煤儲(chǔ)層傷害, 研究壓力波動(dòng)對(duì)煤巖應(yīng)力敏感的影響程度。

實(shí)驗(yàn)條件在常溫下, 采用美國(guó)產(chǎn)OPP- 1 型高壓孔滲儀對(duì)煤層巖心進(jìn)行應(yīng)力敏感性測(cè)試。

為了保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性, 在樣品的選擇上, 選用現(xiàn)場(chǎng)樣品。實(shí)驗(yàn)樣品主要包括： 清水、氮?dú)狻⑶咚璧?#煤巖、φ25mm 巖心。

實(shí)驗(yàn)分以下幾個(gè)方面： 煤巖有效應(yīng)力對(duì)滲透率影響實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力往復(fù)變化對(duì)滲透率的影響實(shí)驗(yàn)和孔隙壓力對(duì)滲透率的影響實(shí)驗(yàn)。

3．1 煤巖有效應(yīng)力對(duì)滲透率影響

有效應(yīng)力是指作用于煤儲(chǔ)層的地應(yīng)力與其孔隙和裂隙內(nèi)的流體壓力之差。煤儲(chǔ)層流體壓力降低,有效應(yīng)力勢(shì)必增大, 煤儲(chǔ)層滲透率將會(huì)隨之減小,對(duì)應(yīng)煤巖彈性自調(diào)節(jié)負(fù)效應(yīng)。

1#煤樣裂隙發(fā)育比較好, 煤巖1#原始滲透率為15．7696×10-3μm2。圖4 是由巖心得到的有效覆壓與滲透率關(guān)系曲線, 實(shí)驗(yàn)表明： 煤巖對(duì)應(yīng)力變化非常明顯, 隨著有效覆壓的增加, 煤巖滲透率下降, 尤其在應(yīng)力變化前期表現(xiàn)明顯。1#煤樣實(shí)驗(yàn)過程中, 應(yīng)力變化在1～7MPa 范圍內(nèi), 滲透率下降了85．59%; 7～12MPa 范圍內(nèi), 滲透率下降了11．04%; 12MPa 以后, 滲透率變化比較小。

圖4 1#煤樣滲透率隨應(yīng)力變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 在煤巖應(yīng)力變化過程中,初始應(yīng)力變化段 (1～7MPa) , 滲透率急劇下降,該段應(yīng)力變化造成的滲透率傷害的主要因素; 致密煤巖比裂隙發(fā)育煤巖受應(yīng)力敏感影響更大。

3．2 壓降速度與對(duì)滲透率影響

對(duì)2#煤樣進(jìn)行模擬孔隙壓力實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)過程是保持煤樣圍壓壓力值不變, 緩慢增加進(jìn)口壓力,每一壓力點(diǎn)持續(xù)30min 后, 測(cè)定巖樣滲透率。

圖5 2#驅(qū)替應(yīng)力與滲透率相關(guān)關(guān)系

通過2#煤樣實(shí)驗(yàn)曲線 (圖5) 可以看出, 驅(qū)替壓差在0．06MPa, 對(duì)應(yīng)滲透率最接近煤樣初始滲透率, 傷害幾乎可以忽略; 當(dāng)驅(qū)替壓差增至0．1MPa, 煤巖滲透率傷害38%; 驅(qū)替壓差增大至1．4MPa, 煤巖滲透率傷害73%。

綜合煤巖驅(qū)替壓差實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 驅(qū)替壓差保持在0．06 左右時(shí), 煤巖滲透率與煤巖原始滲透率最接近, 傷害最小。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示每一口煤層氣井需要不同的壓降速度, 避免滲透率損失。

4 結(jié)論

(1) 壓降速度的控制是制約煤層生產(chǎn)的關(guān)鍵因素, 且每一口煤層氣井均存在不同的壓降速度。

(2) 在不同的生產(chǎn)階段, 壓降速度不是一個(gè)固定值, 需要根據(jù)氣井的生產(chǎn)階段進(jìn)行調(diào)整。

(3) 煤巖應(yīng)力敏感造成的儲(chǔ)層傷害十分嚴(yán)重,而且儲(chǔ)層傷害不可逆轉(zhuǎn), 應(yīng)力造成的煤巖的滲透率傷害平均大于70%。在煤層氣井生產(chǎn)過程中, 應(yīng)控制壓降速度, 避免井底壓力波動(dòng)引起的應(yīng)力敏感。

[1] 楊勝來等．應(yīng)力敏感及液鎖對(duì)煤層氣儲(chǔ)層傷害程度實(shí)驗(yàn)研究 [J] ． 天然氣工業(yè), 2006, 26 (3) ： 90 -92．

[2] 葉建平等。中國(guó)煤儲(chǔ)層滲透率及其主要影響因素[J] ．煤炭學(xué)報(bào), 1999, 24 (2) ： 118- 122．

[3] 宋巖等．中國(guó)煤層氣成藏機(jī)制及經(jīng)濟(jì)開采基礎(chǔ)研究[M] ．北京： 科學(xué)出版社, 2005．

[4] 李金海, 蘇現(xiàn)波, 林曉英, 郭紅玉．煤層氣井排采速率與產(chǎn)能的關(guān)系 [J] ．煤炭學(xué)報(bào), 2009, 34 (3) ：376- 380．

[5] 倪小明, 蘇現(xiàn)波, 魏慶喜, 吳建光．煤儲(chǔ)層滲透率與煤層氣垂直井排采曲線關(guān)系 [J ] ． 煤炭學(xué)報(bào),2009, 34 (9) ： 1194- 1198．

[6] 程林峰．煤層氣排采井的生產(chǎn)管理 [J] ．中國(guó)煤層氣, 2005, 2 (4) ： 39- 42．