胡秋嘉 賈慧敏 祁空軍 樊 彬 于家盛 劉春春 謝琳璘 張 慶 何 軍

1. 中國(guó)石油華北油田公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司 2. 中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠(chǎng)

0 引言

煤層氣井排采以井底流壓為核心[1]，如果井底流壓日降壓幅度過(guò)大，則會(huì)造成儲(chǔ)層應(yīng)力激動(dòng)，煤儲(chǔ)層的強(qiáng)應(yīng)力敏感性會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率降低[2-3]，不利于壓降漏斗進(jìn)一步有效擴(kuò)展；如果降壓速度過(guò)小，則排水效率降低，使產(chǎn)氣時(shí)間推遲，增加了前期開(kāi)發(fā)成本。煤巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4-5]，在投產(chǎn)前，需要先確定合理的日降壓幅度[6-7]，然后通過(guò)流壓精細(xì)控制使氣井排采嚴(yán)格按照合理的日降壓幅度執(zhí)行。

許多學(xué)者就煤層氣井流壓精細(xì)控制開(kāi)展了研究，劉世奇等[8]提出了排采液面—套壓協(xié)同管控的排采控制方法，倪小明等[9]提出了合理放氣壓力的計(jì)算方法，張永平等[10]建立了排采初期井底流壓動(dòng)態(tài)模型，傅雪海等[11]研究了多層合采井井底流壓控制方法，但上述方法都是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工控制，操作難度大，對(duì)人的勞動(dòng)強(qiáng)度和技能要求較高。石惠寧等[12]、陳秀萍等[13]提出了煤層氣井智能排采控制技術(shù)，大大降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了流壓控制精度，但其方法主要根據(jù)流壓的升降速度及變化趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，而未考慮煤層供水量變化的影響，對(duì)流壓規(guī)律性變化不能形成預(yù)判，導(dǎo)致抽油機(jī)沖次調(diào)節(jié)有效性差，調(diào)節(jié)頻繁且容易造成流壓波動(dòng)，使儲(chǔ)層受到傷害。為此，通過(guò)研究煤層氣井處于單相流段時(shí)煤層的產(chǎn)水規(guī)律，以及煤層氣井抽油機(jī)系統(tǒng)的排水規(guī)律，確定了井底流壓的精細(xì)控制方法，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了煤層氣井處于單相流段時(shí)井底流壓的精細(xì)控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤層氣井的高產(chǎn)具有指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概述

樊莊—鄭莊區(qū)塊位于沁水盆地東南部，主力煤層氣層為二疊系山西組3號(hào)煤層，最大鏡質(zhì)組反射率（Ro）介于3.1%～3.9%，平均為3.6%，屬高煤階。3號(hào)煤層在全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，厚度介于5～7 m，平均為6 m，通常在底部發(fā)育一層厚約0.5 m的夾矸。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較復(fù)雜，局部褶曲、斷層較發(fā)育，埋深介于300～1 100 m，含氣量整體較高，介于14～30 m3/t，平均為20 m3/t，受構(gòu)造、水動(dòng)力條件等影響，局部存在低值區(qū)。氣井試井滲透率普遍低于1 mD，平均為0.27 mD，屬于低滲透儲(chǔ)層。樊莊—鄭莊區(qū)塊2006年開(kāi)始規(guī)模建產(chǎn)，煤層氣井的日產(chǎn)氣量介于100～20 000 m3，平均日產(chǎn)氣量在1 000 m3以上，日產(chǎn)水量介于0.1～70.0 m3，平均日產(chǎn)水量在0.8 m3左右。

2 基于煤層產(chǎn)水規(guī)律的井底流壓控制方法理論推導(dǎo)

2.1 單相流段煤層產(chǎn)水規(guī)律

煤層氣解吸前儲(chǔ)層中單相水的流動(dòng)遵循無(wú)限大地層的徑向滲流，此階段煤儲(chǔ)層向井筒的供水量由式（1）計(jì)算得到[14]：

式中qw表示產(chǎn)液量，m3/d；kw表示液相滲透率，mD；h表示煤層厚度，m；μw表示液相黏度，mPa·s；Bw表示液相體積系數(shù)，m3/m3；re表示有效供給半徑，m；rw表示井筒半徑，m；S表示表皮系數(shù)，無(wú)因次；pe表示邊界供給壓力，MPa；pwf表示井底流壓，MPa。

由式（1）可知，對(duì)于一口煤層氣井而言，在單相流段日產(chǎn)水量與井底流壓成反比，即隨著井底流壓的降低，日產(chǎn)水量線(xiàn)性增加。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)塊煤層氣井在單相流段的日產(chǎn)水量與井底流壓，可見(jiàn)4個(gè)區(qū)塊的煤層氣井在單相流段日產(chǎn)水量均隨井底流壓的降低而增加，且呈較好的線(xiàn)性關(guān)系，不同區(qū)塊儲(chǔ)層物性的差異導(dǎo)致趨勢(shì)線(xiàn)斜率存在差異（圖1）。

圖1 不同區(qū)塊煤層氣井日產(chǎn)水量與井底流壓散點(diǎn)圖

2.2 單相流段抽油機(jī)系統(tǒng)排水規(guī)律

抽油機(jī)系統(tǒng)日排水量計(jì)算式為：

式中qp表示抽油機(jī)系統(tǒng)日排水量，m3；η表示抽油機(jī)排量系數(shù)，無(wú)因次；r表示抽油泵泵筒內(nèi)半徑，mm；S表示抽油機(jī)系統(tǒng)沖程，m；n表示抽油機(jī)沖次，次/min。

對(duì)于一口排采井而言，泵筒內(nèi)半徑和抽油機(jī)沖程為定值。新井投產(chǎn)一般采用新抽油泵，磨損程度小，而且在單相流段，產(chǎn)水量大，煤粉較少，對(duì)泵效影響較小[15]。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)不同區(qū)塊新投產(chǎn)井抽油機(jī)系統(tǒng)的理論排水量與實(shí)際排水量，兩者呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系，排量系數(shù)為0.888（圖2）。由此，根據(jù)式（2）可以認(rèn)為煤層氣井在單相流段抽油機(jī)系統(tǒng)日排水量與抽油機(jī)沖次成正比，且4個(gè)區(qū)塊的煤層氣井抽油機(jī)系統(tǒng)實(shí)際日排水量與沖次也呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖 3）。

圖2 新投產(chǎn)井抽油機(jī)系統(tǒng)理論日排水量與實(shí)際日排水量散點(diǎn)圖

圖3 新投產(chǎn)井抽油機(jī)系統(tǒng)抽油機(jī)沖次與實(shí)際日排水量散點(diǎn)圖

2.3 考慮煤層產(chǎn)水規(guī)律的井底流壓精細(xì)控制方法

在單相流段，要求煤層氣井以恒速降壓的方式進(jìn)行排采，則累積排采時(shí)間的表達(dá)式為：

式中t表示累計(jì)排采時(shí)間， d； c表示降壓速度，MPa /d。

由于煤層氣井在起抽時(shí)井筒中存在較高的液面，要使井底流壓以恒定日降壓幅度下降，必須使抽油機(jī)系統(tǒng)日排水量等于煤層向井筒的日供水量與日降壓幅度恒定時(shí)每天需排出的井筒儲(chǔ)集液量之和，如式（4）所示：

式中qc表示日降壓幅度恒定時(shí)，每天需排出的井筒儲(chǔ)集液量，m3。

由于煤層氣井井斜角較小，井底流壓恒速下降時(shí)井筒中液面也恒速下降，且井眼半徑基本固定，因此qc可考慮為定值。由式（5）可知，在單相流段，若使抽油機(jī)沖次隨著累積排采時(shí)間的增加線(xiàn)性增加，且使趨勢(shì)線(xiàn)斜率的數(shù)值為截距的數(shù)值為就可以保證實(shí)際日降壓幅度等于合理日降壓幅度。因此，斜率和截距的準(zhǔn)確確定是井底流壓精細(xì)控制的關(guān)鍵。

由前述推導(dǎo)可得趨勢(shì)線(xiàn)斜率的計(jì)算式為：

截距的計(jì)算式為：

由于涉及到的儲(chǔ)層基本參數(shù)較多，且煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，很難通過(guò)式（6）、（7）計(jì)算得到相應(yīng)的斜率值和截距值，在此通過(guò)單井的現(xiàn)場(chǎng)排采試驗(yàn)來(lái)獲取。

3 流壓精細(xì)控制方法

3.1 單井合理日降壓幅度的確定

新井投產(chǎn)后，通過(guò)地質(zhì)研究及理論計(jì)算確定氣井的合理日降壓幅度，該參數(shù)是煤層氣井進(jìn)行排采控制的關(guān)鍵參數(shù)。煤層氣井經(jīng)過(guò)大規(guī)模水力壓裂后井底流壓往往高于原始儲(chǔ)層壓力，此時(shí)，井底流壓的日降壓幅度僅對(duì)井筒周?chē)鷫毫巡胺秶鷥?nèi)的裂縫滲透率有影響，而對(duì)儲(chǔ)層原始基質(zhì)滲透率沒(méi)有影響，可以適當(dāng)快速降壓；而井底流壓在儲(chǔ)層壓力與解吸壓力之間時(shí)，需針對(duì)不同儲(chǔ)層的物性特征及其應(yīng)力敏感性特征通過(guò)模擬計(jì)算確定差異化的日降壓幅度[6,13]。對(duì)樊莊—鄭莊區(qū)塊而言，井底流壓高于儲(chǔ)層壓力時(shí)，合理日降壓幅度一般為0.1 MPa；井底流壓在儲(chǔ)層壓力和解吸壓力之間時(shí)，若煤儲(chǔ)層滲透率大于0.5 mD，合理日降壓幅度為0.05 MPa，若煤儲(chǔ)層滲透率介于0.1～0.5 mD，合理日降壓幅度為0.03 MPa，若煤儲(chǔ)層滲透率小于0.1 mD，合理日降壓幅度為0.02 MPa。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定和

對(duì)于不同氣井，由于煤層產(chǎn)水規(guī)律、抽油機(jī)系統(tǒng)排水規(guī)律和井筒儲(chǔ)集液量存在差異，均有差異，要使氣井實(shí)際日降壓幅度達(dá)到合理日降壓幅度，每口井都需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其數(shù)值，具體步驟如下。

步驟1：以最小沖次啟動(dòng)抽油機(jī)，8 h后計(jì)算該沖次下的日降壓幅度，如果小于合理日降壓幅度，則繼續(xù)增加抽油機(jī)沖次（增加幅度一般不超過(guò)10%），重復(fù)上述步驟，直至日降壓幅度達(dá)到合理日降壓幅度。在地質(zhì)條件和排采設(shè)備相似的情況下，可以借鑒鄰井達(dá)到相同合理日降壓幅度所需要的抽油機(jī)沖次，將抽油機(jī)沖次調(diào)至鄰井抽油機(jī)沖次的80%，然后再小幅微調(diào)，這樣一般在24 h內(nèi)可以獲得使日降壓幅度達(dá)到合理日降壓幅度的抽油機(jī)沖次，大大縮短摸索時(shí)間。

步驟3：由式（5）可知，在直角坐標(biāo)中，以累積生產(chǎn)時(shí)間為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)沖次為縱坐標(biāo)，對(duì)（t1，n1）、（t2，n2）、（t3，n3）和（t4，n4）四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)性回歸得到趨勢(shì)線(xiàn)的斜率和截距，該斜率即為式（5）中的截距即為式（5）中的由于步驟1可在24 h內(nèi)完成，重復(fù)4次一般需要3～4 d，即每口新井投產(chǎn)后需要3～4 d的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間，就可以獲得較為準(zhǔn)確的值。

3.3 合理沖次的確定

步驟2：將煤層氣井抽油機(jī)沖次調(diào)整為ni，把日降壓幅度與合理日降壓幅度進(jìn)行對(duì)比，再對(duì)抽油機(jī)沖次進(jìn)行微調(diào)，使日降壓幅度與合理日降壓幅度完全一致。

步驟3：每隔12 h，根據(jù)式（5）計(jì)算得到一個(gè)合理的抽油機(jī)沖次，再據(jù)此調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，直至煤層氣開(kāi)始解吸。

本文提供的井底流壓控制方法是在研究單相流段（即煤層氣解吸前）煤層氣井產(chǎn)水規(guī)律和抽油機(jī)系統(tǒng)排水規(guī)律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)而來(lái)，因此對(duì)于處于單相流段、采用抽油機(jī)系統(tǒng)排采的煤層氣井均可應(yīng)用本文提出的方法，即使對(duì)于排采中斷后重新開(kāi)始排水降壓的井也適用，但是對(duì)于已經(jīng)解吸后流壓重新回升至解吸壓力以上的井則適用性較差。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及其效果

2-1井于2018年1月29日投產(chǎn)，通過(guò)地質(zhì)及排采分析確定其合理日降壓幅度為0.05 MPa。以最小沖次0.2 次/min起井，8 h后計(jì)算該沖次下的日降壓幅度為0.01 MPa，小于0.05 MPa，繼續(xù)增加抽油機(jī)沖次，每隔8 h重復(fù)上述步驟，直至第5天（2月2日），抽油機(jī)沖次為0.57 次/min時(shí)，實(shí)際日降壓幅度達(dá)到0.05 MPa；重復(fù)上述步驟，至第6天（2月3日），抽油機(jī)沖次為0.60 次/min時(shí)，實(shí)際日降壓幅度達(dá)到0.05 MPa；重復(fù)上述步驟，至第7天（2月4日），抽油機(jī)沖次為0.62 次/min時(shí)，實(shí)際日降壓幅度達(dá)到0.05 MPa；重復(fù)上述步驟，至第9天（2月6日），抽油機(jī)沖次為0.67次/min時(shí)，實(shí)際日降壓幅度達(dá)到0.05 MPa。在直角坐標(biāo)中，以累積生產(chǎn)時(shí)間為橫坐標(biāo)，抽油機(jī)沖次為縱坐標(biāo)，作（5，0.57）、（6，0.60）、（7，0.62）和（9，0.67）等4個(gè)點(diǎn)的散點(diǎn)圖（圖4），然后通過(guò)線(xiàn)性回歸得到趨勢(shì)線(xiàn)斜率為0.024，截距為0.451，代入式（5）得到：

圖4 2-1井累積生產(chǎn)時(shí)間與抽油機(jī)沖次散點(diǎn)圖

在單相流段，根據(jù)式（8），每隔12 h，利用不同的累積生產(chǎn)時(shí)間（ti）計(jì)算得到相應(yīng)的抽油機(jī)合理沖次（ni）。預(yù)測(cè)第10天時(shí)抽油機(jī)合理沖次應(yīng)為0.691 次/min，將抽油機(jī)沖次調(diào)節(jié)至0.69 次/min，由第10天的壓力數(shù)據(jù)（圖5）計(jì)算得到該井日降壓幅度為0.05 MPa；同樣，預(yù)測(cè)第13天時(shí)抽油機(jī)合理沖次應(yīng)為0.763次/min，將抽油機(jī)沖次調(diào)節(jié)至0.76次/min，由第13天的壓力數(shù)據(jù)（圖5）計(jì)算得到該井日降壓幅度為0.05 MPa。如圖5所示，根據(jù)式（8）進(jìn)行沖次預(yù)測(cè)和調(diào)節(jié)，能使日降壓幅度等于合理日降壓幅度，應(yīng)用該方法可準(zhǔn)確指導(dǎo)沖次的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)流壓的精細(xì)控制。

圖5 2-1井流壓精細(xì)控制曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

1）煤層氣井在單相流段日產(chǎn)水量與井底流壓成反比，隨著井底流壓的降低，日產(chǎn)水量呈線(xiàn)性增加，其斜率大小由于儲(chǔ)層物性存在差異而不同。

2）研究區(qū)新投產(chǎn)井的理論排水量與實(shí)際排水量呈線(xiàn)性關(guān)系，排量系數(shù)為0.888，單相流段煤層氣井抽油機(jī)系統(tǒng)日排水量與抽油機(jī)沖次成正比。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法確定合理日降壓幅度下抽油機(jī)沖次與累積生產(chǎn)時(shí)間趨勢(shì)線(xiàn)的斜率和截距，在氣井排采時(shí)使抽油機(jī)沖次隨著累積生產(chǎn)時(shí)間的增加嚴(yán)格按該斜率線(xiàn)性增加，就可以保證實(shí)際日降壓幅度等于合理日降壓幅度。

4）對(duì)于處于單相流段、采用抽油機(jī)系統(tǒng)排采的煤層氣井均可應(yīng)用該流壓精細(xì)控制方法，即使對(duì)于排采中斷后重新開(kāi)始排水降壓的井也適用，但是對(duì)于已經(jīng)解吸后流壓重新回升至解吸壓力以上的井則適用性較差。

（修改回稿日期 2018-07-09 編 輯 孔 玲）

山西成為國(guó)內(nèi)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者

2018年8月8日，晉煤集團(tuán)所屬柳林縣石西煤層氣區(qū)塊1號(hào)勘探井點(diǎn)火成功。這是山西省2017年首批公開(kāi)出讓的10個(gè)煤層氣勘探區(qū)塊中，首個(gè)勘查施工點(diǎn)火的區(qū)塊。作為國(guó)家和山西省煤層氣開(kāi)發(fā)重點(diǎn)區(qū)塊，此次點(diǎn)火標(biāo)志著山西省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)取得重大突破。

2018年8月22日，陽(yáng)煤集團(tuán)神堂嘴煤層氣電站余熱發(fā)電項(xiàng)目正式并網(wǎng)發(fā)電。該項(xiàng)目利用煤層氣電站機(jī)組煙氣余熱發(fā)電，年發(fā)電效益在1 000萬(wàn)元以上，降本增效效果明顯，既達(dá)到了節(jié)能減排目的，又提高了能源利用率。

近年來(lái)，山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，開(kāi)發(fā)利用規(guī)模穩(wěn)步增長(zhǎng)。2017年，煤層氣及煤礦瓦斯抽采量為120×108m3，其中煤層氣抽采量為56×108m3，利用50×108m3；瓦斯抽采量為64×108m3，利用25×108m3。

沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地初步建成，形成了陽(yáng)泉、晉城、西山、柳林、潞安等5個(gè)年瓦斯抽采量超過(guò)1×108m3的礦區(qū)。榆社—武鄉(xiāng)煤層氣頁(yè)巖氣調(diào)查項(xiàng)目取得重大突破，預(yù)測(cè)資源總量超過(guò)5 000×108m3，屬超大型氣田，具備建設(shè)大型煤層氣產(chǎn)業(yè)基地的資源基礎(chǔ)。管道沿線(xiàn)地區(qū)供氣保障能力不斷增強(qiáng)，現(xiàn)已形成貫穿全省的“三縱十一橫”煤層氣（天然氣）輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)。截至2017年底，全省輸氣管道總長(zhǎng)已達(dá)8 000 km，實(shí)現(xiàn)了全省11個(gè)設(shè)區(qū)市全覆蓋，110余個(gè)縣和部分重點(diǎn)鎮(zhèn)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)全覆蓋，燃?xì)馐褂萌丝谶_(dá)到2 000萬(wàn)人。

據(jù)了解，山西省煤層氣產(chǎn)業(yè)鏈已趨于完整，基本形成了包括煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，煤礦井下抽采，工程技術(shù)服務(wù)，煤層氣壓縮、液化、管輸，煤層氣物流，燃?xì)獍l(fā)電和瓦斯發(fā)電，氧化鋁以及煤層氣裝備制造等在內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，成為我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的排頭兵和引領(lǐng)者。

（天工 摘編自中國(guó)能源網(wǎng)）