延川南區(qū)塊煤層氣田排采井精細(xì)化排采研究

姚榮昌，付玉通 （中石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，江蘇 南京 210019）

延川南區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，是中石化華東分公司煤層氣開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)，也是我國煤層氣開發(fā)熱點(diǎn)地區(qū)之一。截至2013年3月底，該區(qū)塊已投產(chǎn)煤層氣井139口，其中產(chǎn)氣井65口，日產(chǎn)氣4.1×104m3。

1 排采階段劃分

依據(jù)井筒內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)，將煤層氣單井生產(chǎn)過程劃分為排水降壓和產(chǎn)氣2大階段 （見表1），其中排水降壓階段分為觀察液面、平穩(wěn)降壓和穩(wěn)壓排水3個(gè)階段，產(chǎn)氣階段分為限制產(chǎn)氣和穩(wěn)產(chǎn)氣2個(gè)階段［1］。針對(duì)不同排采階段的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的管理方式，從而實(shí)現(xiàn)了排采管理的定量化。

表1 延川南曲區(qū)塊煤層氣井排采階段劃分

2 煤層氣井排采管理

排采管理的關(guān)鍵在于如何找出煤層流體實(shí)際產(chǎn)出能力，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行配產(chǎn)。產(chǎn)氣前，流體流動(dòng)狀態(tài)為煤層水單相流，這一階段要找出日產(chǎn)液量與井底壓力之間關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)日降液面定量化。產(chǎn)氣后，流體流動(dòng)狀態(tài)為氣－水兩相流，該階段要找出日產(chǎn)氣量與井底壓力之間關(guān)系，通過調(diào)節(jié)日產(chǎn)液量，確保日產(chǎn)氣量平穩(wěn)增加。

2.1 液面自動(dòng)沉降階段

壓裂液放噴后井筒內(nèi)液柱壓力大于煤層壓力，水從井筒流向煤層，井筒內(nèi)液面不斷下降。初期液面下降速度較快，一般10～30m，隨后逐漸變小。當(dāng)液面日降速度小于5m時(shí)，認(rèn)為井筒壓力與煤層壓力達(dá)到平衡，抽油機(jī)以最低沖次起抽，排采管理進(jìn)入平穩(wěn)降壓階段。

2.2 平穩(wěn)降壓階段

平穩(wěn)降壓階段以返排壓裂液和降低煤層壓力為主要目的，關(guān)鍵在于求取煤層供液指數(shù)和預(yù)測(cè)煤層臨界解吸壓力。

1）煤層供液指數(shù)求取 煤層壓裂改造后，水充滿滲流通道，起支撐作用。啟抽后，滲流通道內(nèi)水流向井筒，與此同時(shí)煤層水不斷流入滲流通道［2］。如果煤層氣井產(chǎn)液量過高，一方面會(huì)導(dǎo)致動(dòng)液面和井底壓力快速下降，不利于煤層壓降半徑的擴(kuò)大；另一方面煤層水?dāng)y帶壓裂砂和煤粉會(huì)被攜帶至井筒，煤層滲流通道因缺乏支撐劑而閉合，滲流能力下降。如果排采強(qiáng)度過低，動(dòng)液面和井底壓力下降過慢，產(chǎn)氣前排采時(shí)間會(huì)大幅延長，大大增加了生產(chǎn)成本。

因此，該階段管理就要根據(jù)煤層實(shí)際供液能力制定合理的排采制度，確保動(dòng)液面要平穩(wěn)下降，煤層壓降半徑逐漸擴(kuò)大，防止?jié)B流通道堵塞或閉合。煤層的供液能力一般用煤層供液指數(shù)J［3］表示，指單位生產(chǎn)壓差下的煤層氣井產(chǎn)液量：

式中，Q為產(chǎn)液量，m3／d；ΔP為生產(chǎn)壓差，MPa；Pe為煤層壓力，MPa；Pwf為井底壓力，MPa。

假定煤層供液指數(shù)J不變，由式（1）可知，井底流壓Pwf與產(chǎn)液量Q之間呈線性關(guān)系，關(guān)系式為：

由式（2）可計(jì)算出煤層氣井供液量為0時(shí)的井底壓力Pwf＝a。在地層滲透性足夠好和關(guān)井時(shí)間足夠長的理想情況下，井底壓力等于地層壓力，即Pwf＝Pe。

生產(chǎn)過程中一般由低到高先后采用3～5個(gè)工作制度 （排采方法），根據(jù)不同工作制度下日產(chǎn)液量與井底壓力之間關(guān)系求出煤層供液能力。

2）煤層臨界解吸壓力預(yù)測(cè) 當(dāng)煤層壓力降至臨界解吸壓力時(shí)，煤層氣開始解吸，隨著解吸量的不斷增加，滲流通道內(nèi)含水飽和度逐漸變小，水相滲透率不斷變小，煤層供液能力隨之降低。因此，臨界解吸壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于排采管理定量化的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。通過統(tǒng)計(jì)延川南區(qū)塊已產(chǎn)氣井相關(guān)資料，建立了煤層海拔H 與臨界解吸壓力Pl之間滿足關(guān)系：

煤層氣井投產(chǎn)后，海拔H 是已知的，由式（3）可以計(jì)算出該井解吸壓力。

煤層解吸壓力大小受多重因素影響，為了消除其他因素的影響，筆者繪制了實(shí)際解吸壓力等值線圖 （見圖1），在該圖上讀取相關(guān)井位解吸壓力值，校正式（3）計(jì)算結(jié)果。為了適當(dāng)延長排采時(shí)間，提高產(chǎn)氣前返排率，生產(chǎn)中一般將預(yù)測(cè)值加上0.2～0.5MPa作為參考值。

圖1 延川南區(qū)塊煤層解吸壓力等值圖

2.3 穩(wěn)壓排水階段

穩(wěn)壓排水階段指煤層氣解吸量較少、有套壓、無流量的解吸初期階段，這一階段要在穩(wěn)定井底流壓，繼續(xù)提高返排率和增加氣體解吸量的前提下，憋套壓。

煤層解吸后流體流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)闅猓畠上嗔鳎簩赢a(chǎn)液能力開始下降，需要及時(shí)調(diào)整工作制度，防止動(dòng)液面大幅下降和井底壓力穩(wěn)定。生產(chǎn)中主要使用泡泡頭裝置監(jiān)測(cè)煤層是否解吸，微量解吸后起泡泡而套壓表無讀數(shù)。對(duì)于起泡泡的井，如果返排率未達(dá)到要求，可適當(dāng)下調(diào)沖次，恢復(fù)液面，繼續(xù)排水降壓；返排率達(dá)到要求的井，緩慢上調(diào)沖次，使套壓值不斷增大。

套壓對(duì)液面影響非常明顯：對(duì)于產(chǎn)液量小的井，套壓過高會(huì)導(dǎo)致液面迅速下降，無法回升，井底壓力急劇減小，影響后期的穩(wěn)產(chǎn)；對(duì)于產(chǎn)液指數(shù)大、液面很難下降的井，高套壓有利于降低液面，套壓降低后，液面能迅速回升，影響較小。因此低產(chǎn)液井套壓一般控制在0.5MPa左右，高產(chǎn)液井套壓控制在1.0MPa。套壓達(dá)到要求后，開始產(chǎn)氣，管理進(jìn)入限制產(chǎn)氣階段。

2.4 限制產(chǎn)氣階段

限制產(chǎn)氣階段指套壓基本穩(wěn)定，井底壓力不斷變小，產(chǎn)氣量逐漸上升的產(chǎn)氣初期階段，這一階段管理的關(guān)鍵在于限制日產(chǎn)氣日變化量和最大量。

受氣－液兩相滲透率的影響，產(chǎn)氣后煤層供液能力逐漸下降，煤層氣－水兩相流滿足以下關(guān)系：

式中，Krg為氣相相對(duì)滲透率；Krw為水相相對(duì)滲透率；Sw為含水飽和度；n為氣相相對(duì)滲透率指數(shù)，一般取值1.5；m為液相相對(duì)滲率指數(shù)，一般取值3；k為氣相相對(duì)滲透率系數(shù)，一般取值0.63～0.90。

產(chǎn)氣后井筒周圍地帶煤層含水飽和度不斷減少，水相相滲透率逐漸減小，這是產(chǎn)氣后煤層產(chǎn)液能力不斷下降的根本原因。因此，要適當(dāng)下調(diào)沖次，防止動(dòng)液面和井底流壓急劇下降，從而實(shí)現(xiàn)限制日產(chǎn)氣變化量。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，如果不限制每日最大產(chǎn)氣量，產(chǎn)氣量達(dá)到峰值后會(huì)迅速下降。因此，當(dāng)井底流壓降至一定值時(shí)，大幅下調(diào)沖次，保持液面和井底流壓穩(wěn)定，確保長期穩(wěn)產(chǎn)。圖3所示為萬寶山構(gòu)造帶X－1井排采曲線，該井產(chǎn)氣后未對(duì)日產(chǎn)氣量和最大產(chǎn)氣量進(jìn)行限制，導(dǎo)致后期產(chǎn)氣量迅速衰減。譚坪構(gòu)造帶解吸壓力較低，限制產(chǎn)氣階段一般將井底流壓降至解吸壓力的30%，萬寶山構(gòu)造帶解吸壓力較高，限制階段將井底流壓降至解吸壓力的40%。限制產(chǎn)氣階段末期井底流壓不再降低，管理隨之進(jìn)入穩(wěn)壓產(chǎn)氣階段。

圖2 穩(wěn)壓排水階段生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)模式圖

圖3 X－1井排采曲線圖

2.5 穩(wěn)產(chǎn)氣階段

穩(wěn)產(chǎn)氣階段指日產(chǎn)氣量基本不變，井底流壓緩慢下降的階段，屬于定產(chǎn)氣量生產(chǎn)，是煤層氣開發(fā)的最重要階段。不考慮工程因素影響的情況下，穩(wěn)產(chǎn)氣量大小主要受前期排采效果和煤層含氣大小影響，如果前期排采平穩(wěn)、連續(xù)、緩慢，進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期后，壓降范圍大，煤層整體解吸，穩(wěn)產(chǎn)氣量大。如果前期排采過快，導(dǎo)致滲流通道堵塞，壓降半徑較小，穩(wěn)產(chǎn)期日產(chǎn)氣量小。

譚坪構(gòu)造帶煤層含氣量相對(duì)較少，單井穩(wěn)產(chǎn)900～1200m3；萬寶山構(gòu)造帶含氣飽和度大，穩(wěn)產(chǎn)1500～2000m3。圖4所示為X－2井排采曲線，該井解吸壓力6.49MPa，井底壓力降至2.6MPa時(shí)開始穩(wěn)產(chǎn)氣，后期穩(wěn)產(chǎn)2000m3／d。

圖4 X－2井排采曲線圖

3 結(jié)論

1）延川南區(qū)塊屬于欠飽和煤層氣藏，通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出了排采規(guī)律。煤層氣井生產(chǎn)具有明顯的階段性，將其分為2個(gè)主要階段和5個(gè)次要階段。

2）根據(jù)不同階段動(dòng)態(tài)特征對(duì)各階段進(jìn)行了命名，即觀察液面、平穩(wěn)降壓、穩(wěn)壓排水、限制產(chǎn)氣和穩(wěn)壓產(chǎn)氣5個(gè)階段。

3）詳細(xì)論述了各個(gè)生產(chǎn)階段的特征，制定了相應(yīng)的管理模式，有效地指導(dǎo)了煤層氣排采管理。

4）提出了煤層氣井供液指數(shù)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)關(guān)系圖、產(chǎn)氣量配產(chǎn)等概念，并闡述了這些概念的定義、內(nèi)涵及生產(chǎn)實(shí)踐中的作用，確立了煤層氣定量化排采技術(shù)。

［1］王紅巖，李貴中，李景明，等 .中國煤層氣儲(chǔ)層的特點(diǎn)和富集 ［A］.2005年第五屆國際煤層氣論壇暨 “國際甲烷市場(chǎng)化合作計(jì)劃”［C］.2005：80－86.

［2］李傳亮 .油藏工程原理 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.