煤層氣井的排水量不一定等于煤層的產(chǎn)水量

鄧　鵬，彭小龍，朱蘇陽，王超文

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610599）

煤層氣井的排水量不一定等于煤層的產(chǎn)水量

鄧鵬，彭小龍，朱蘇陽，王超文

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610599）

煤層氣井動態(tài)分析過程中，通常把井筒的排水量作為煤層的產(chǎn)水量?；诰矁?yīng)，分析了井筒排水量與煤層產(chǎn)水量之間的關(guān)系，比較了動液面不同變化情況下的井筒排水量和煤層產(chǎn)水量，認(rèn)為煤層氣井的井筒排水量不一定等于煤層產(chǎn)水量，并建立了煤層產(chǎn)水量修正公式。在此基礎(chǔ)上，利用沁水盆地TS井組XX井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果表明，井筒排水量和煤層產(chǎn)水量在生產(chǎn)第一階段差值較大，其差值最高達(dá)到了井筒排水量的72%；在第二階段和第三階段由于存在壓力的大幅度變化，最大煤層產(chǎn)水量高出最大井筒排水量25%.同時，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過機理模型模擬了沁水盆地TS井組XX井的井筒排水量和煤層產(chǎn)水量的差異對生產(chǎn)造成的影響，結(jié)果表明，將井筒排水量等效視為煤層產(chǎn)水量會加快地層壓降的速度，見氣時間提前79 d，同時產(chǎn)氣高峰時間提前180 d.研究認(rèn)為，在煤層壓力改變時，井筒排水量不等于煤層產(chǎn)水量，將井筒排水量等效視為煤層產(chǎn)水量會對煤層氣井的動態(tài)分析、生產(chǎn)制度的確定和實施以及數(shù)值模擬均帶來錯誤的影響。

煤層氣；排水量；產(chǎn)水量；動液面；井筒儲集效應(yīng)

煤層氣的生產(chǎn)狀況分析主要是通過動態(tài)分析[1-3]、物質(zhì)平衡[4-6]以及數(shù)值模擬[7-9]等方法實現(xiàn)。由于動態(tài)分析方法需要數(shù)據(jù)較少，而且所需參數(shù)容易獲取，因而成為常用的礦場分析方法之一[10-12]。但是煤層氣生產(chǎn)動態(tài)分析必須建立在準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)之上，而通常是將井筒排水量等同于煤層產(chǎn)水量，因此，將會使煤層氣井動態(tài)分析過程中的見氣時間點、產(chǎn)氣高峰到達(dá)時間以及壓降漏斗分布等關(guān)鍵參數(shù)分析不準(zhǔn)確。本文基于煤層氣的井筒儲集效應(yīng)，分析了不同動液面變化情況下所對應(yīng)的煤層氣井井筒排水量與煤層產(chǎn)水量的差別，建立了煤層產(chǎn)水量修正公式，并利用沁水盆地TS井組XX井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對煤層產(chǎn)水量進(jìn)行計算，同時根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過機理模型模擬了井筒排水量和煤層產(chǎn)水量的差異對生產(chǎn)造成的影響。

1　煤層氣的動態(tài)分析方法

大多數(shù)煤層氣井開采過程中具有比較統(tǒng)一的排采特征[13-14]。在達(dá)到產(chǎn)氣高峰前的早期流動主要可以分為3個階段（圖1）：第一階段為排水降壓階段，裂縫中只有水相流動，儲集層壓力持續(xù)降低；第二階段為壓力降至臨界解吸壓力階段，煤層氣開始解吸出來，裂縫中存在著氣水兩相，但氣體飽和度較小，流動仍為單相流動；第三階段為產(chǎn)氣量上升階段，裂縫中氣水兩相同時流動，氣井逐漸開始大量產(chǎn)氣。

圖1　煤層氣井達(dá)到產(chǎn)氣高峰前的早期流動階段

煤層氣動態(tài)分析應(yīng)建立在準(zhǔn)確的產(chǎn)氣和產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上。煤層氣井井筒排水量的大小直接影響到煤層的壓降速度和壓降范圍，而壓降的情況又決定煤層氣從基質(zhì)中解吸的速度。因而井筒排水量對煤層氣的見氣時間、產(chǎn)氣量均有影響。

煤層氣井的排水量是指泵在油管中抽出的水的體積，而煤層的產(chǎn)水量是指煤層中水由于壓差作用向井筒流入的體積。動態(tài)分析中，主要關(guān)注的是代表儲集層產(chǎn)水能力的產(chǎn)水量，目前普遍將煤層氣井井筒的排水量視為儲集層的產(chǎn)水量。由于井筒儲集效應(yīng)，為儲集層的產(chǎn)出水提供了暫存的空間，而從油管中排出地層水的多少主要受現(xiàn)場工作制度的影響，二者并不完全相等。因此，煤層氣井動態(tài)分析中不能把煤層氣井井筒排水量直接等效視為煤層產(chǎn)水量。

2　井筒排水量與煤層產(chǎn)水量分析

煤層氣井套管內(nèi)由于井筒儲集效應(yīng)，存在著動液面（圖2a）。氣井開始排水后在壓差作用下，儲集層裂縫中的水不斷的向井筒中流動，并在井筒中聚集，直到套管中的井底流壓與儲集層壓力達(dá)到平衡，而此時井底流壓為井口套壓與動液面的靜液柱壓力之和[15]

式中pwf——井底流壓，MPa；

pw——井口套壓，MPa；

ρ——水密度，g/cm3；

h——井底至動液面高度，m.井筒中排出的水和煤層產(chǎn)出的水均來自于煤層，但由于井筒儲集效應(yīng)，煤層氣井的井筒排水量不一定等于煤層產(chǎn)水量。在排采過程中，動液面的高度會隨著工作制度和煤層供液能力的變化而下降或者上升（圖2b），即井筒中儲集的水也會降低或者增加。故井筒的排水量應(yīng)為煤層的產(chǎn)水量與井筒中儲集水的變化量之和，而井筒中儲集水變化量為套管面積與油管面積之差與動液面變化高度的乘積，即

式中q產(chǎn)——煤層日產(chǎn)水量，m3/d；

q排——氣井井口日排水量，m3/d；

ΔA——套管面積與油管面積之差，m2；

Δh——井筒中動液面日變化的高度差（動液面下降時Δh為正值），m/d.

圖2　井筒排水量與煤層產(chǎn)水量關(guān)系

當(dāng)Δh大于0時，動液面下降，其貫穿于煤層氣生產(chǎn)的整個過程，在煤層氣排采的第一階段幅度最大。此時由于地層的產(chǎn)水速度低于煤氣井的排水速度，煤層中新產(chǎn)出的地層水量不足以及時補充井筒中被排出的水量，造成井筒中儲集的地層水減少，動液面下降。根據(jù)（2）式，此時井筒排水量大于地層產(chǎn)水量，且排水的速度越快，二者之間的差值越大。即在煤層氣井中，當(dāng)井底流壓下降時，井筒排水量大于煤層產(chǎn)水量。

當(dāng)Δh為0時，動液面高度不變，常規(guī)油氣藏中的定壓生產(chǎn)即屬于此種情況，其對應(yīng)的井底流壓也不會改變。此時井筒排水量與煤層的產(chǎn)水量達(dá)到平衡狀態(tài)，即在井底流壓不變時,井筒排水量等于煤層產(chǎn)水量。

當(dāng)Δh小于0時，動液面上升，這種情況主要發(fā)生在煤層氣井關(guān)井期間、抽排速度過低的工況下或者煤層供水能力較高時。由于井筒排水量低于煤層的產(chǎn)水量，新產(chǎn)出的液體不能夠及時排出井筒，留在井筒中聚集，此時動液面升高，對應(yīng)的井底流壓也上升。即在井底流壓上升時，井筒排水量小于煤層產(chǎn)水量。

因此，在常規(guī)氣藏定壓生產(chǎn)階段時，由于其井筒內(nèi)動液面不會改變，井筒排水量在大多數(shù)時候等于煤層產(chǎn)水量。而在煤層氣井中，由于壓力波動較為頻繁，井筒排水量大多時候不等于煤層產(chǎn)水量。

3　實例分析

3.1井筒排水量與煤層產(chǎn)水量差異比較

以沁水盆地TS井組XX井生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照（2）式修正得到煤層日產(chǎn)水量，對煤層日產(chǎn)水量與井筒日排水量二者之間的差異進(jìn)行比較（圖3a）。在氣井排采第一階段，由于井筒大量排水，井底壓力下降較快，井筒日排水量與煤層日產(chǎn)水量差異較大，其差異幅度最高達(dá)到了井筒日排水量的72%；在氣井生產(chǎn)的第二階段和第三階段，煤層最大日產(chǎn)水量高出井筒最大日排水量的25%.

圖3　沁水盆地TS井組XX井井筒日排水量和煤層日產(chǎn)水量及其差值與壓差的關(guān)系

煤層產(chǎn)水量與井筒排水量差異最大的點主要發(fā)生在第一階段，是由于此階段煤層氣井井筒大量排水所致，此階段中井筒排水量與煤層產(chǎn)水量最大差異幅度達(dá)到了井筒排水量的72%；而在煤層氣井生產(chǎn)的第二階段和第三階段，由于壓力并不是穩(wěn)定的下降，存在壓力的大幅度變化，造成了最大煤層產(chǎn)水量高出最大井筒排水量25%.最大產(chǎn)水量是煤層氣井動態(tài)分析過程中關(guān)鍵參數(shù)之一，最大產(chǎn)水量帶來的壓力激動對煤層中壓降分布以及產(chǎn)氣峰值均有重要影響。因此，產(chǎn)水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對煤層氣動態(tài)分析及數(shù)值模擬研究具有重要意義。

井筒排水量與煤層產(chǎn)水量差異大小與井底壓力變化的幅度呈正相關(guān)關(guān)系（圖3b）。通過煤層產(chǎn)水量計算公式，煤層產(chǎn)水量和井筒排水量的差值是由井筒儲集效應(yīng)造成的，壓力變化越大，井筒排水量與煤層產(chǎn)水量的差值也越明顯。

3.2數(shù)值模擬分析

為計算井筒排水量和煤層產(chǎn)水量的差異對生產(chǎn)的影響，以沁水盆地TS井組XX井地質(zhì)資料為依據(jù)，建立均質(zhì)煤層的地質(zhì)模型，表1為基礎(chǔ)參數(shù)。模擬的煤層氣井位于模型儲集層的中間位置，將井筒排水量和煤層產(chǎn)水量分別導(dǎo)入模型用定水量的方式進(jìn)行生產(chǎn)，模擬XX井自開井生產(chǎn)以來3 a的生產(chǎn)過程。

表1　均質(zhì)煤層地質(zhì)模型基礎(chǔ)參數(shù)

在煤層氣井生產(chǎn)的第一階段，由于煤層產(chǎn)水量和井筒排水量之間較大的差異，在定井筒排水量和定煤層產(chǎn)水量2種生產(chǎn)模式下的見氣時間點和初期產(chǎn)氣量均不相同（圖4a）：定井筒排水量生產(chǎn)模式下XX井排水75 d即可見氣，而定煤層產(chǎn)水量生產(chǎn)模式下XX井需要排水154 d才能見氣；在第二階段和第三階段，定井筒排水量和定煤層產(chǎn)水量2種模式下產(chǎn)氣量基本相同，但產(chǎn)氣高峰時的產(chǎn)量與時間均不同。而在煤層氣動態(tài)分析中見氣時間點和產(chǎn)氣高峰均為重要的參考點，因而把井筒排水量作為煤層產(chǎn)水量對生產(chǎn)所產(chǎn)生的影響不可忽略。

煤層氣生產(chǎn)一般需要人造壓裂縫，在定井筒排水量和定煤層產(chǎn)水量2種模式下的見氣時刻，沿垂直于壓裂縫方向的壓降漏斗（圖4b）也具有較大的差異。由于此時刻處于第一階段，煤層氣井大量排水，壓力下降較快，井筒排水量大于煤層產(chǎn)水量，二者井底流壓差距達(dá)到23%，同時定井筒排水量生產(chǎn)模式下壓降傳播距離達(dá)到175 m，而定煤層產(chǎn)水量生產(chǎn)模式下僅有125 m.

因此，不能把井筒排水量等效視為煤層產(chǎn)水量。否則在煤層氣井生產(chǎn)的第一階段會出現(xiàn)煤層氣井見氣時間點提前、產(chǎn)氣量偏大等問題。而在煤層氣井生產(chǎn)的第二階段和第三階段則會出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰到達(dá)時間延后、最大產(chǎn)氣量不相等以及壓降漏斗傳播距離偏大等問題。

圖4　定井筒排水量和定煤層產(chǎn)水量2種模式下的生產(chǎn)差異

4　把井筒排水量視為煤層產(chǎn)水量產(chǎn)生的弊端

煤層氣排采過程中，把井筒排水量等效視為煤層的產(chǎn)水量，會對動態(tài)分析、生產(chǎn)制度以及數(shù)值模擬均產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在以下3個方面。

（1）對動態(tài)分析的影響煤層的排水量對煤層的壓降速度和壓降范圍具有直接影響，進(jìn)而對產(chǎn)氣量和見氣時間產(chǎn)生影響，同時煤層的含水率對煤層氣的運移能力和賦存狀態(tài)具有重要影響[16]。由于在煤層氣排采過程中井筒排水量和煤層產(chǎn)水量會隨著動液面的變化而出現(xiàn)不相等的情況，通過排水量而計算出的煤層含水率將會不等于煤層的實際含水率。因此，在動態(tài)分析過程中，對井筒排水量和煤層產(chǎn)水量不加以區(qū)分，將不能準(zhǔn)確地反映儲集層的滲流狀況。

（2）對生產(chǎn)制度的影響礦場上煤層氣井的排采制度主要是通過調(diào)整抽油機的沖程和沖次來實現(xiàn)對煤層產(chǎn)出水的抽排，制定的生產(chǎn)制度也是針對煤層產(chǎn)出水的排采控制方案。而由于井筒排水量不一定等于煤層產(chǎn)水量，僅僅只關(guān)注井筒排水量則不能完全實現(xiàn)對煤層產(chǎn)出水的排采控制，因此，通過研究排水量與產(chǎn)水量的關(guān)系，可以通過控制排水量的方式較好地控制產(chǎn)水量，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)制度。

（3）對數(shù)值模擬的影響建立數(shù)值模型的過程即是通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)不斷對模型進(jìn)行調(diào)整的過程，最終使數(shù)值模型的模擬結(jié)果與生產(chǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到一定吻合率，這個過程即稱為歷史擬合。而數(shù)值模型中計算的結(jié)果是煤層的產(chǎn)水量，現(xiàn)場得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是井筒排水量，不區(qū)分排水量與產(chǎn)水量將會導(dǎo)致歷史擬合過程不能順利準(zhǔn)確的進(jìn)行，所建立的數(shù)值模型也與儲集層的實際情況有一定的偏差，最終導(dǎo)致用數(shù)值模型所進(jìn)行的產(chǎn)能預(yù)測以及動態(tài)分析結(jié)果與實際情況均會有一定偏差。

例如，在計算實例中，煤層氣井早期通常大量排水，但主要排出的是井筒中的水，在排水量為4.0 m3/d的情況下，煤層產(chǎn)水量只有2.5 m3/d左右，若仍然按照4.0 m3/d的產(chǎn)水量進(jìn)行歷史擬合：則將孔隙度調(diào)整為原始孔隙度的1.3倍，滲透率調(diào)整為原始滲透率的2.8倍的情況下，模型中煤層氣井第一階段最高產(chǎn)水量可以達(dá)到3.8 m3/d，與歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，但在生產(chǎn)的第二階段和第三階段模型中煤層氣井產(chǎn)水量仍高達(dá)2.3 m3/d，而歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中煤層氣井在第二階段和第三階段最高產(chǎn)水量僅為1.4 m3/d，故而用井筒排水量進(jìn)行煤層氣井?dāng)?shù)值模型的歷史擬合將為模型帶來錯誤的調(diào)整。

因而，根據(jù)井筒排水量、井筒動液面高度、套管半徑以及油管半徑數(shù)據(jù)，利用（2）式準(zhǔn)確地計算出煤層產(chǎn)水量，這對于煤層氣井的動態(tài)分析、生產(chǎn)方案的實施以及數(shù)值模擬均具有重要意義。

5　結(jié)論

（1）井筒中動液面變化時，井筒排水量不一定等于煤層產(chǎn)水量，動液面上升時，排水量小于產(chǎn)水量；動液面下降時，排水量大于產(chǎn)水量；而動液面保持不變時，二者相等。

（2）井筒排水量與煤層產(chǎn)水量之間的誤差與壓差的大小呈線性關(guān)系。壓差越大，對應(yīng)的井筒排水量與煤層產(chǎn)水量之間的誤差也就越大。

（3）井筒排水量與煤層產(chǎn)水量的誤差主要集中在煤層氣井生產(chǎn)時壓力變化較快的第一階段，將排水量等效視為產(chǎn)水量會出現(xiàn)見氣時間點提前，產(chǎn)量偏大等問題。

（4）在第二階段和第三階段由于煤層氣井壓力變化幅度較小，排水量和產(chǎn)水量之間的誤差對其生產(chǎn)的整體情況不會造成太大的影響，但對產(chǎn)氣高峰的時間點和產(chǎn)量會造成影響。

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（編輯楊新玲）

Water Discharge from Coalbed Methane(CBM)Well May Not Be Equal to Water Production from Coalbed

DENG Peng，PENG Xiaolong，ZHU Suyang,WANG Chaowen
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu,Sichuan 610500,China)

The water discharge from CBM well is usually regarded as the water production from coalbed during dynamic analysis of this kind of wells.Based on wellbore storage effect,the paper analyzes the relationship between water discharge from wellbore and water produc?tion from coalbed,compares the 2 water productions with different working fluid levels,concludes that wellbore water discharge may not be equal to water production from coalbed and establishes a modified formula of coalbed water production.Then the calculation results of the production data from Well XX of TS well group,Qinshui basin show that there is an obvious gap between wellbore water discharge and coal?bed water production during the first production stage with the peak value difference reaching 72%of wellbore water discharge;the maxi?mum coalbed water production is 25%higher than the maximum wellbore water discharge due to sharp pressure variations at the second and third production stages.Meanwhile,the influence of the difference between wellbore water discharge and coalbed water production on production is simulated with a mechanism model and based on production data in Well XX of TS well group,Qinshui basin.The result shows:if the wellbore water discharge is considered to be equal to the coalbed water production,coal seam pressure drop rate will be accel?erated,the gas breakthrough time will be 79 days in advance and the peak of gas production will be reached 180 days in advance as well.It is concluded that the water discharge from CBM well is not equal to the water production from coalbed when the pressure changes in the coal bed.Otherwise,dynamic analysis,production system determination and implementation and numerical simulation for CBM wells will be wrong.

CBM;water discharge;water production;working fluid level;wellbore storage effect

TE332

A

1001-3873（2016）06-0715-05

10.7657/XJPG20160615

2016-05-10

2016-08-23

國家自然科學(xué)基金（51504205）；國家科技重大專項（2016ZX05066）

鄧鵬（1990-），男，四川江油人，碩士研究生，油藏工程和滲流力學(xué)，（Tel）13684028032（E-mail）362759480@qq.com