鶴崗地區(qū)煤層氣注入/壓降試井應用及分析

張熹鵬+許順貴

摘 要：該文介紹了鶴崗地區(qū)煤層氣井注入壓降試井和原地應力測試方法應用及結果分析。筆者根據(jù)鶴崗地區(qū)區(qū)域構造復雜、斷層多、圍巖破碎嚴重等實際情況，優(yōu)化測試過程，成功測得壓降數(shù)據(jù)獲得儲層參數(shù)并對試井測試方法作出評價。

關鍵詞：煤層氣井 注入/壓降試井 原地應力 儲層參數(shù)

中圖分類號：TE373 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0095-03

伴隨著煤層氣開采的逐步增加，煤層氣試井技術在煤層氣開采中的作用越加重要。注入/壓降試井方法是煤儲層參數(shù)測定的主要手段，相比于煤體結構與微裂縫觀測法、壓汞與低溫液氮注入法等[1-3]，更能準確地反映儲層的真實情況。其工作原理是通過改變井下壓力造成壓力擾動，通過觀測井底壓力隨時間的變化規(guī)律來分析判斷儲層物性。

1 區(qū)域地質概述

鶴崗地區(qū)具有煤層厚、煤層氣資源豐富的特點，前人先后在該地區(qū)進行了煤層氣試井工作，普遍認為該區(qū)域內(nèi)煤層氣資源豐富，但由于區(qū)域構造破壞嚴重，水文地質條件復雜，圍巖封閉性差等諸多不利因素，不利于煤層氣的試井工作。如同前人所見，此次測試區(qū)范圍內(nèi)區(qū)域構造復雜、斷層較多、圍巖破碎嚴重、漏失段多。筆者結合以往試井經(jīng)驗和研究區(qū)地質環(huán)境，對測試過程作出一系列優(yōu)化并成功測得地層參數(shù)。

2 試井設備

測試所采用的試井設備包括地面設備和井下設備兩部分，其中地面設備包括注水泵、壓力表、鋼絲絞車等；井下設備主要有DDI存儲式電子壓力計、水力膨脹式封隔器和井下關井工具等。這套設備具有以下優(yōu)點。

（1）采用水力膨脹式封隔器，坐封、解封操作方便。

（2）采用井下關井方式，有效降低了井筒儲集效應對測試數(shù)據(jù)分析的影響。

（3）采用鋼絲絞車起下壓力計，現(xiàn)場錄取、采集數(shù)據(jù)快速靈活。

（4）采用DDI存儲式電子壓力計，操作簡單方便，具有良好的穩(wěn)定性和抗震性[4]。

3 試井方法

3.1 前期準備

（1）資料準備，收集錄井和測井數(shù)據(jù)，通過煤層頂?shù)装鍘r心描述和測井數(shù)據(jù)選擇井徑規(guī)則、巖性完好的位置坐封。

（2）通井循環(huán)，研究區(qū)域構造復雜，斷層較多且圍巖破碎，在試井測試前，進行通井循環(huán)直至測試煤層完全露出井下無碎屑堆積。下套管固定上部圍巖并選擇低固相至無固相鉆井液，防止試井測試過程中井壁坍塌。

（3）設備檢查，測試地區(qū)位于黑龍江北部，冬季室外溫度在零下20℃～30℃，測試前必須克服惡劣的自然氣候環(huán)境，在試井前對結冰處用開水澆灌并對水管部位進行加熱處理防止凍結。

（4）丈量、記錄下井管柱長度，并結合之前準備的錄井測井數(shù)據(jù)和煤層頂?shù)装鍘r性描述合理的安排封隔器坐封位置。

3.2 管柱下井

（1）根據(jù)試井設計下井管柱數(shù)據(jù)將測試管柱依次下井并對每根油管絲扣進行清理并涂抹密封油脂。

（2）安裝防噴頭和井口三通，連接地面試井設備。

（3）對測試管柱試壓，試壓10 MPa觀察地面壓力表，半小時后壓力不降合格。

（4）頂替鉆井液，上提工具串，頂替測試管柱和封隔器以下鉆井液。

（5）封隔器坐封，關閉井口投球，膠筒膨脹坐封，當壓力達到設定值時，停泵關閉井口，20 min壓力穩(wěn)定，證明封隔器坐封良好。

3.3 注入壓降測試

設計注入時間必須大于井筒儲集結束時間，根據(jù)文獻[4]

為井筒儲集結束時間，h；

S為表皮系數(shù)，%；

C為井筒儲集系數(shù)，m3/MPa；

h為煤層有效厚度，m。

為注入時間，h；

為孔隙度，%；

μ為流體黏度，maP·s；

Ct為總壓縮系數(shù)，MaP-1；

ri為探測半徑，m；

K為煤層滲透率，mD。

為達到足夠的測試半徑，設計注入12.00 h，關井24.00 h。注入從較低的注入壓力開始，小于破裂壓力50%，以減小應力對煤層滲透率的影響。在注入初期壓力不穩(wěn)定，逐漸調(diào)節(jié)注入量待穩(wěn)定后以較為穩(wěn)定壓力注入，持續(xù)注入12.00 h，不關閉注水泵，下放關井工具串，關井測試井底壓力恢復情況。

3.4 原地應力測試

采用微型壓裂法，將煤層壓裂出小裂縫，以恒定排量向煤層注水。原地應力測試共做4個循環(huán)，用時2 h24 min。根據(jù)文獻[5]注入持續(xù)時間分別為0.5 min、1 min、2 min、4 min，關井時間為20 min、30 min、30 min、40 min，并測得數(shù)據(jù)結果，原地應力實測壓力曲線。

3.5 解封

通過現(xiàn)場錄取壓力計數(shù)據(jù)，滿足資料分析的要求，上提測試管柱，在拉力的作用下剪短銷釘，懸吊20 min，封隔器膠桶恢復原狀后，上提測試管柱。

4 結果分析

4.1 注入壓降試井分析

試井主要包括試井測試和試井解釋兩部分，該次試井測試采用半對數(shù)Horner擬合分析法和雙對數(shù)擬合分析法相結合，并輔以壓力歷史擬合檢驗，對地層滲透率、儲層壓力、表皮系數(shù)等進行分析。

4.1.1 流動階段劃分

繪制煤層注入/壓降試井流動階段劃分曲線圖，在注入前期為注入排量調(diào)整階段此時壓力不穩(wěn)定，待到中、后期為穩(wěn)定注入階段，此時排量基本穩(wěn)定不變；同時觀測關井階段壓力恢復曲線正常，由此可見在壓降初期曲線光滑，關井壓降后期壓力基本穩(wěn)定不變，符合壓降曲線特征。正因為注入階段壓力不穩(wěn)定不能有效反映出煤儲層參數(shù)與壓力變化之間的關系，因此在注入/壓降試井中壓降曲線的分析最具代表性，這里選擇關井壓降階段的壓力數(shù)據(jù)進行分析。

4.1.2 雙對數(shù)擬合分析

對測得試井數(shù)據(jù)進行雙對數(shù)擬合分析，根據(jù)雙對數(shù)曲線所反映的特征，分析選取具有對應井筒儲集效應及表皮系數(shù)的儲層模型進行試井解釋。實測壓力及壓力導數(shù)曲線分別表示壓力隨時間的變化，對雙對數(shù)曲線初擬合劃分流動階段，早期表現(xiàn)為單位斜率直線段，為早期井儲段；之后表現(xiàn)為過渡段特征；井儲結束后出現(xiàn)水平直線段，表現(xiàn)為徑向流特征。試井解釋中通常先利用雙對數(shù)壓力及其導數(shù)曲線對煤層氣井儲層參數(shù)進行初步估算，求得表皮系數(shù)、滲透率、儲層壓力等參數(shù)。

4.1.3 半對數(shù)擬合分析

對所測得試井壓力數(shù)據(jù)進行半對數(shù)擬合分析，可以看出井筒儲集段、徑向流段各段特征明顯，說明所選取的模型合理。由于半對數(shù)試井分析方法基于尋求直線段的線性關系，因此在直線段的尋求上具有較大的人為影響因素。在試井測試中常作為雙對數(shù)曲線模型解釋的進一步精確驗證。而在雙對數(shù)擬合分析圖中，壓差曲線對壓力的細微變化并不敏感，且導數(shù)曲線可能會受噪聲影響；但在半對數(shù)疊加坐標Y軸中，壓力響應特征的確定得到了很好的改善，而不受光滑處理等手段的影響[6]。因此雙對數(shù)擬合分析與半對數(shù)擬合分析相互驗證相互檢驗。從以上分析情況看，兩種擬合分析方法結果一致，說明分析解釋結果真實可靠。

4.1.4 壓力歷史擬合檢驗

壓力歷史擬合檢驗曲線是對整個測試過程的解釋模板，通常用作結合雙對數(shù)、半對數(shù)擬合分析對解釋結果作出檢驗。測試壓力經(jīng)歷史擬合檢驗，解釋結果合理準確，證明所選試井解釋模板正確。

4.2 原地應力測試分析

煤層的閉合壓力，是壓裂設計所必須的參數(shù)之一。選取原地應力測試中較好的一到兩個循環(huán)，對其壓降段數(shù)據(jù)進行分析求取閉合壓力。在煤層原地應力實測壓力曲線4個循環(huán)中選取破裂閉合較好的第1循環(huán)，對第1循環(huán)進行了分析，閉合壓力分析曲線，采用時間平方根法分析其關井段的壓力數(shù)據(jù)并求取閉合壓力值：對這組數(shù)據(jù)做井底關井壓力Pws—關系曲線，在壓降的初期階段出現(xiàn)一條直線段，偏離該直線的點對應的壓力即為裂縫閉合壓力。在第一循環(huán)閉合壓力時間平方根圖上線性關系明顯，測得此次試井所對應的閉合壓力為14.38 MPa。

4.3 儲層參數(shù)評價

4.3.1 煤層滲透率

煤層滲透率，表示煤層氣在煤層中運移的難易程度，煤層滲透率越高，則表示煤層氣在煤層中運移狀態(tài)越好，越便于煤層氣開采[7]。此次試井鶴崗地區(qū)煤層的滲透率為0.147 md。滲透率較低，不利于該區(qū)域煤層氣后續(xù)的開采工作，可采用水力壓裂提高煤層氣井產(chǎn)能。

4.3.2 煤層儲層壓力

煤層儲層壓力是作用于煤層孔隙裂隙間的流體壓力，儲層壓力越大越有利于煤層氣井的開采[8]，鶴崗地區(qū)煤層的儲層壓力為5.6 MPa，儲層壓力梯度為5.47×10-3 MPa/m。研究區(qū)屬于低壓儲層，對煤層氣的開采有一定的影響。

4.3.3 閉合壓力

煤層的閉合壓力反映了由于打壓張開的煤層裂縫恰好沒有閉合時的壓力值。鶴崗地區(qū)煤層的閉合壓力為14.38 MPa；應力梯度為1.40×10-2 MPa/m。鶴崗研究區(qū)煤層處在較低應力場中。

5 討論

5.1 試井技術評價

（1）注入系統(tǒng)采用高壓三缸清水泵，操作方便易于控制，地面配備壓力表可同時記錄注入壓力與注入流量。

（2）坐封封隔器采用水力膨脹式封隔器，試井測試中坐封解封操作方便。

（3）關井采用井下關井方式，可方便地實現(xiàn)井底關井，有效地降低了井筒儲集效應對測試的影響[9]。

（4）錄取數(shù)據(jù)采用加拿大DDI-T-150系列存儲式電子壓力計，技術參數(shù)指標精度高，具有良好的穩(wěn)定性和抗震性，錄取數(shù)據(jù)準確可靠。

（5）地面壓力數(shù)據(jù)記錄采用壓力表記錄地面壓力，方便直觀，便于對注入壓力和注入流量的掌控，實現(xiàn)了壓力與流量的同步記錄。

（6）資料解釋采用Saphir 3.20試井分析專用軟件，結合半對數(shù)、雙對數(shù)擬合分析法和壓力歷史擬合曲線分析方法，對分析結果進行檢驗。

5.2 測試中注意事項

（1）注意前期測試準備，主要包括測試前進行通井循環(huán)，確保管柱順利起下，煤層頂?shù)装遒Y料收集，測試裝置的數(shù)據(jù)連接，初始壓力校準、入井前的地面試壓，以及井內(nèi)的密封校對。

（2）為防止注入的流體傷害地層，把取自被測試層位的地層水回注到測試井中是最理想的，或者選用與地層和氣藏流體相容的淡水，不可用含砂石過多的泥漿，有可能造成物理、化學傷害，影響滲透率測試準確度。

（3）最大注入壓力要低于煤層破裂壓力的80%，防止在注入過程中造成煤層破裂，影響試井數(shù)據(jù)測試精度。

（4）對于注水時間的要求，從理論上來說，要獲得最具代表性的參數(shù)，需要恒量注入的時間盡可能長，一般說來滲透率愈低，要求的注水時間愈長。從井筒安全和經(jīng)濟角度考慮，注水時間不能太長，但不應少于8 h，如果進水量過少，在注水壓力足夠的情況下應適當增加注入時間。

（5）在試井測試過程中，起下管柱應緩慢平穩(wěn)，防止由于管柱與吊卡或井壁碰撞造成封隔器解封，導致測試失敗。

參考文獻

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