煤層氣井排采過程中的儲層傷害機(jī)理研究

李仰民 王立龍 劉國偉 閆 玲 鄒志鋼

(中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣井在長期的排采過程中, 容易發(fā)生以下的問題, 造成煤層氣井產(chǎn)量的下降和滲透性的降低, 不利于煤層氣的開發(fā)。

(1) 由于停抽造成煤粉堵塞。

(2) 煤層具有機(jī)械強(qiáng)度弱, 脆而軟, 既易壓性破裂又易張性破損的特性, 這必然造成煤層的壓力敏感性, 煤層中的微孔隙、裂縫及孔隙候道受壓會變的更加細(xì)微或者變形, 甚至于閉合。

(3) 起壓初期停抽時間較長或停抽比較頻繁,井內(nèi)液面升高, 近井地帶的氣體停止解吸, 而遠(yuǎn)端的氣體并未停止解吸, 氣體會逐漸增大成氣泡, 堵塞住孔隙候道, 形成氣鎖。

2 煤層氣直井儲層排采傷害類型

2．1 煤粉堵塞傷害

煤巖的力學(xué)性質(zhì), 導(dǎo)致其容易破碎, 天然構(gòu)造變動和壓裂施工過程中, 煤儲層受到外力作用與煤巖表面的剪切與磨損作用產(chǎn)生了大量的煤粉及大小不一的煤碎屑。這些顆粒聚集在一起, 不僅容易導(dǎo)致壓裂過程中施工壓力過高, 而且在排采過程中容易造成大量煤粉懸浮, 沉降聚集, 阻塞先期形成的流體的運移通道。我們將煤層流體運移過程中, 煤粉沉降, 阻塞煤層中已經(jīng)形成的運移通道的現(xiàn)象稱為煤粉堵塞。

煤粉正常通過通道排出時, 順著較大裂隙, 隨水排出, 運移時懸浮于水中或處于流體的底部, 進(jìn)入井筒后由泵排出。但當(dāng)煤粉運移過程中, 遇到裂隙通道狹窄地帶, 當(dāng)前端流體速度由于某些原因突然變緩時, 后端流體速度仍然較快速運移, 在這種速度差條件下, 極容易導(dǎo)致煤粉的堵塞 (圖1) 。

圖1 煤層氣井排采過程中煤粉運移示意圖(a) 理想情況煤粉在裂縫內(nèi)運移; (b) 煤粉堵塞人工裂縫通道

在排采過程中, 投產(chǎn)初期或產(chǎn)氣初期, 由于水動力及氣體張力作用易攜帶煤粉產(chǎn)出, 常見水質(zhì)發(fā)生明顯變化, 如此間出現(xiàn)停抽現(xiàn)象, 可能導(dǎo)致煤粉在近井地帶沉積, 堵塞水和氣體運移通道, 導(dǎo)致后期產(chǎn)水及產(chǎn)氣量變化明顯。

2．2 地層氣鎖傷害

煤層氣井見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 使井內(nèi)液面上升, 井底流壓升高。這樣近井地帶的甲烷氣體停止解吸, 而遠(yuǎn)端的氣體并未停止解吸, 煤基質(zhì)微孔隙和微裂隙內(nèi)小氣泡會逐漸聚集成大氣泡, 在排驅(qū)壓力較小的情況下大氣泡無法排出微孔隙堵塞住孔隙候道, 形成氣鎖[2]。

圖2 氣泡處于孔道中靜止?fàn)顟B(tài)示意圖

孔道中毛細(xì)管效應(yīng)附加阻力, 由于毛細(xì)管中毛細(xì)管壓力的存在, 多相流體在巖石中流動時, 出現(xiàn)附加阻力, 常見有三種形式[1]：

(1) 氣泡處于靜止?fàn)顟B(tài)的阻力

氣柱兩端球面毛管力P′c在水平方向上大小相等, 方向相等, 因而相互抵消, 但它可以施加于管壁上, 可理解為液體壓強(qiáng)傳遞定律所致, 它使薄膜變薄。同時圓柱體曲面產(chǎn)生指向毛細(xì)管軸心的毛管力P′cz, 它使薄膜增厚。兩力保持液膜保持平衡厚度 (圖2) 。圓柱表面的液體薄膜具有高粘滯力和高強(qiáng)度, 因此, 在總毛管力作用下, 氣柱要移動,必須要有足夠的外加壓差, 才能克服薄膜造成的摩擦阻力。

(2) 在壓差作用下, 當(dāng)氣柱欲移動時產(chǎn)生阻力

由于潤濕之后, 氣柱彎液面要產(chǎn)生變形, 導(dǎo)致彎液面兩端的曲率半徑不等。兩端毛管力P″、P′及其引起的附加阻力PⅠ, 它與流動方向相反, 故氣泡要移動, 則所加壓差大于 PⅠ, PⅡ、和液膜摩擦阻力之和。但不是簡單的相加, 還需要考慮管壁上氣柱的水膜的摩擦阻力系數(shù)等 (圖3) 。

圖3 氣泡處于孔道中運動狀態(tài)示意圖

圖4 氣泡處于孔道窄口運動狀態(tài)示意圖

(3) 當(dāng)氣泡流到孔道窄口時

當(dāng)氣泡流動到孔道窄口時 (由于其直徑大于孔道直徑) 遇阻變形, 前后端彎曲面曲率不相等, 產(chǎn)生第三種毛管效應(yīng)附加阻力PⅢ, 又稱“氣阻效應(yīng)”, 或賈敏效應(yīng) (Jamin) 。只有當(dāng)氣泡前端變形到與孔道最狹窄出一樣大時, 該氣泡才能通過孔道狹窄口而流動, 因此只有當(dāng)外加壓差大于PⅢ, 氣泡才能通過狹窄口 (圖4) 。

在煤層氣生產(chǎn)過程中, 多相流動 (氣水混流區(qū)) 現(xiàn)象經(jīng)常會產(chǎn)生上述的阻力作用。盡管珠泡的阻力很大, 但并不意味著它將堵死氣流的渠道, 因為壓裂改造后煤巖的流體通道是不規(guī)則的、空間聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò), 一個空隙堵塞了, 其他氣泡還可以繞道迂回而過, 但當(dāng)珠泡很多時堵死氣流渠道也是很可能的, 這種情況下就可能形成煤層氣的氣堵。煤層氣井不同程度氣堵, 將造成煤層氣壓降不能向更遠(yuǎn)端延伸。

在煤層氣井生產(chǎn)中孔道大小不一、孔道很多,使得各種阻力效應(yīng)十分明顯。當(dāng)兩相流動時, 珠泡個數(shù)很多, 上述毛管效應(yīng)累加起來, 阻力將是相當(dāng)可觀的。毛細(xì)管阻力效應(yīng)對煤層氣開采是有害的,在鉆井完井、井下作業(yè)及開發(fā)過程中, 避免出現(xiàn)兩相流。

2．3 應(yīng)力敏感傷害

煤層是對地應(yīng)力非常敏感的天然儲集層,煤層氣開采過程中由于排水降壓而使煤層氣井周圍地層有效應(yīng)力重新分布;多項研究表明,煤層滲透率是有效應(yīng)力的函數(shù)。排水降壓強(qiáng)度,直接關(guān)系到壓降的傳播程度和范圍,壓降不僅影響煤層氣的解吸過程,也改造了煤儲層的有效應(yīng)力及滲透性指標(biāo)[4-5]。

煤層滲透率的應(yīng)力敏感機(jī)理可以通過煤儲層裂隙應(yīng)力閉合和煤基質(zhì)收縮兩方面來解釋。

(1) 有效應(yīng)力增大導(dǎo)致裂縫閉合

高階煤煤儲層的滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系主要為： 滲透率隨有效應(yīng)力的增加而呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢, 可以用指數(shù)形式遞減趨勢表征, 但也具有一定的方向性。有效應(yīng)力增大, 有利于割理和裂隙發(fā)育, 但隨著有效應(yīng)力的增加, 滲透率明顯降低。當(dāng)有效應(yīng)力方向與巖層優(yōu)勢裂隙組發(fā)育方向一致時,應(yīng)力增大有利于裂隙空間的增大和滲透率的提高;相反, 可以導(dǎo)致裂隙面受到擠壓作用, 裂隙空間減小, 滲透率下降, 這種現(xiàn)象稱為煤儲層的裂隙應(yīng)力閉合。

(2) 煤基質(zhì)收縮導(dǎo)致儲層傷害

煤基質(zhì)吸附氣、水發(fā)生膨脹, 當(dāng)氣水介質(zhì)被抽排后發(fā)生收縮, 這種有效應(yīng)力的改變引起煤基質(zhì)的自調(diào)節(jié)及收縮作用。目前研究者認(rèn)為, 對于中低煤階煤煤層氣儲層, 隨著煤層氣排采時間的增長, 煤體發(fā)生收縮, 煤儲層的滲透率和抽放量不斷增大。而對于高煤階煤儲層來說, 煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)和儲層滲透率之間的關(guān)系并非完全如此。研究者表明,煤變質(zhì)程度較高時 (Ro大于2%) 以后這種規(guī)律就不明顯, 在高煤級煤基質(zhì)解析初期基質(zhì)收縮可能造成煤層滲透率增大, 即對生產(chǎn)氣, 產(chǎn)生正效應(yīng), 但隨著氣體的解吸, 煤層的基質(zhì)收縮超過某值, 在地應(yīng)力作用下, 可能導(dǎo)致煤基質(zhì)的應(yīng)力閉合, 出現(xiàn)這種現(xiàn)象加大了后期排采解吸氣的難度[3]。

3 傷害類型生產(chǎn)現(xiàn)場分析

3．1 煤層氣低產(chǎn)井類型分析

華北油田自2006 年在沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊投入大規(guī)模開發(fā)以來, 已經(jīng)累計投產(chǎn)直井400 多口, 經(jīng)過這3 年多的排采實踐, 目前有部分單井產(chǎn)量未達(dá)到2000m3。通過這幾年的綜合研究與分析,認(rèn)為未達(dá)到2000m3的低效井, 原因主要是：

(1) 地質(zhì)條件差, 含氣量低于12m3/t , 對于高階煤來說, 認(rèn)為低于這指標(biāo), 單井產(chǎn)量很難達(dá)到2000m3的標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 壓裂改造效果差, 煤層壓裂后的裂縫形態(tài)很不規(guī)則, 在裂縫的類型中沒有類似與常規(guī)油藏淺層形成的水平縫以及深層形成的垂直縫的特點, 裂縫形態(tài)的隨機(jī)性很大, 有部分井的裂縫延伸長度不夠。

(3) 排采控制差, 在生產(chǎn)的過程中, 因為外界因素和認(rèn)識上的不足, 造成煤儲層的傷害, 影響了單井的產(chǎn)氣量, 這部分井占低效井總數(shù)的42．5%。通過對單井的分析, 屬于煤粉堵塞傷害的有20 多口, 屬于地層氣鎖傷害的有10 多口, 屬于應(yīng)力閉合傷害的不足10 口。

3．2 排采傷害井生產(chǎn)表現(xiàn)

現(xiàn)就三種由于排采傷害生產(chǎn)表現(xiàn)進(jìn)行一下分析：

(1) 煤粉堵塞傷害生產(chǎn)表現(xiàn)

沁水盆地樊莊區(qū)塊的ZJ1 井于2007 年6 月4 日投產(chǎn), 投產(chǎn)初期產(chǎn)水量為2．5～3．0m3, 在產(chǎn)氣前,水量最高達(dá)到8．3m3。產(chǎn)水期間, 一直有大量的煤粉產(chǎn)出, 頻繁的停抽, 造成大量的煤粉堵塞近井地帶, 水量由8．3m3下降到后期的1．0m3, 產(chǎn)氣量由最初的2692m3銳減到后期的148m3(圖5) , 可見煤粉堵塞的嚴(yán)重。

圖5 樊莊ZJ1 井排采曲線圖

(2) 地層氣鎖傷害生產(chǎn)表現(xiàn)

沁水盆地樊莊區(qū)塊的ZJ2 井, 于2006 年11 月12 日投產(chǎn), 投產(chǎn)初期水量最高為13．7m3, 見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 使井內(nèi)液面上升, 井底流壓升高, 產(chǎn)水量銳減到了0．5m3, 產(chǎn)氣量也徘徊在500～800m3左右 (圖6) 。

(3) 應(yīng)力閉合傷害生產(chǎn)表現(xiàn)

沁水盆地樊莊區(qū)塊的ZJ3 井, 于2007 年6 月28 日投產(chǎn), 投產(chǎn)初期水量最高為14．2m3, 見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 造成井底流壓下降快, 產(chǎn)水量銳減到了0．9m3, 產(chǎn)氣量也由最初的2304m3下降到后期的773m3。井底壓力的急劇變化 (圖7) , 造成了煤層應(yīng)力的變化, 影響了該井的正常產(chǎn)能的發(fā)揮。

4 結(jié)論

(1) 煤層氣排采是一項關(guān)鍵的技術(shù), 為了獲得高的產(chǎn)氣量, 就應(yīng)該充分排采的作用, 盡量減少傷害煤儲層的因素。

(2) 進(jìn)一步加強(qiáng)排采傷害的理論研究, 根據(jù)不同的排采情況和不同施工中暴露出的問題, 有針對性的開展綜合研究, 不斷完善、持續(xù)深化理論研究, 達(dá)到提高排采水平的目的。

(3) 由于煤層介質(zhì)的復(fù)雜性, 成熟的傷害理論很難再短期內(nèi)形成, 應(yīng)緊密的將現(xiàn)場與室內(nèi)試驗相結(jié)合, 形成的室內(nèi)研究成果將是修正傷害理論的有力保證。

圖6 樊莊ZJ2 井排采曲線圖

圖7 樊莊ZJ3 井排采曲線圖

(4) 煤儲層的傷害機(jī)理研究, 可以為后期儲層改造提供理論支持。

[1] 魏俊之楊勝來．油層物理學(xué) [M] ．北京： 石油工業(yè)出版社, 2004： 214- 215．

[2] 姚艷斌, 劉大錳, 湯達(dá)禎, 唐書恒, 黃文輝．華北地區(qū)煤層氣儲集與產(chǎn)出性能 [J] ．石油勘探與開發(fā),2007, 34 (6) ： 664- 668．

[3] 尚萬寧, 張耀剛, 李治, 曹成壽．氣井儲層水鎖效應(yīng)解除措施應(yīng)用 [J] ．天然氣工業(yè), 2008, 28 (5) ：89- 90．