低壓煤儲(chǔ)層注入/壓降試井中注入時(shí)間的探討

劉大為 安 杰 劉蓓蓓

(黑龍江省煤田地質(zhì)測(cè)試研究中心，黑龍江 150046)

低壓煤儲(chǔ)層注入/壓降試井中注入時(shí)間的探討

劉大為 安 杰 劉蓓蓓

(黑龍江省煤田地質(zhì)測(cè)試研究中心，黑龍江 150046)

本文通過(guò)模擬計(jì)算的方法，得到鉆井液所產(chǎn)生的污染半徑，結(jié)合污染半徑及鉆井液漏失量對(duì)目標(biāo)井進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，確認(rèn)合理的施工時(shí)間，獲取更準(zhǔn)確的地層參數(shù)，并建議低壓煤儲(chǔ)層的注入/壓降試井應(yīng)盡量在套管中長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。

低壓煤儲(chǔ)層 注入/壓降試井 污染半徑 注入時(shí)間

1 目前確定注入時(shí)間方法的分析

目前在注入/壓降試井中，注入時(shí)間的確定主要考慮煤層滲透率及探測(cè)半徑的影響，設(shè)計(jì)探測(cè)半徑不小于10m考慮計(jì)算。同時(shí)考慮的井筒儲(chǔ)集結(jié)束時(shí)間，要求注入時(shí)間應(yīng)大于井筒儲(chǔ)集結(jié)束時(shí)間。注入時(shí)間和井儲(chǔ)結(jié)束時(shí)間計(jì)算公式如下：

(1)

式中tinj為注入時(shí)間，單位為小時(shí)，h；φ為孔隙度，以小數(shù)或%表示；μ為流體黏度，單位為毫帕秒，mPa·s；Ct為總壓縮系數(shù)，單位為每兆帕，MPa-1；ri為探測(cè)半徑，單位為米，m；K為煤層滲透率，單位為毫達(dá)西，mD。

(2)

式中twb為井筒儲(chǔ)集結(jié)束時(shí)間，單位為小時(shí)，h；C為井筒儲(chǔ)集系數(shù)，單位為立方米每兆帕，m3/MPa；S為表皮系數(shù)，代為1;h為煤層有效厚度，單位為米，m。

根據(jù)上述公式(1)和公式(2)，結(jié)合以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，給出如下參數(shù)(表1)，計(jì)算得出在不同情況下的理論注入時(shí)間和井儲(chǔ)結(jié)束時(shí)間。

表1 不同滲透率的煤層的理論注入時(shí)間

從表1中可以看出，通過(guò)理論計(jì)算，可以看出當(dāng)煤層滲透率越低時(shí)，達(dá)到相同的探測(cè)半徑所需時(shí)間越長(zhǎng)。

井筒儲(chǔ)集系數(shù)主要受測(cè)試體積和綜合壓縮系數(shù)的影響，而在注入/壓降試井中，目標(biāo)層為煤層，煤的壓縮系數(shù)的變化范圍較小，所參與的流體主要是水(2%KCl溶液)，壓縮系數(shù)為定值。所以測(cè)試過(guò)程中的井儲(chǔ)系數(shù)主要是測(cè)試體積影響的。如果在封隔器坐封良好的情況下，通過(guò)理論計(jì)算得到的注入時(shí)間均可以大于井筒儲(chǔ)集時(shí)間(表2)。

表2 不同滲透率和表皮情況下的理論井筒儲(chǔ)集時(shí)間

上述方法都是假設(shè)測(cè)試煤層為常壓儲(chǔ)層，并且不考慮前期施工泥漿漏失對(duì)儲(chǔ)層造成污染，且認(rèn)為儲(chǔ)層為均質(zhì)無(wú)限大儲(chǔ)層。所以在物性較好的常壓煤儲(chǔ)層中，注入時(shí)間為12h一般可以滿(mǎn)足要求。但在低壓煤儲(chǔ)層中，由于鉆井液污染，該計(jì)算方法不完全適用。

2 低壓煤儲(chǔ)層注入時(shí)間的確定

2.1 污染帶半徑的確定

在常規(guī)油氣井中關(guān)于污染半徑的計(jì)算，國(guó)內(nèi)學(xué)者在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)展開(kāi)研究，并且提出了理論計(jì)算公式。而在煤層氣行業(yè)中尚未有關(guān)于污染半徑研究，但隨著試井技術(shù)的發(fā)展，污染半徑的計(jì)算可以通過(guò)商業(yè)化的試井解釋軟件來(lái)解決該問(wèn)題，本文中采用軟件為Ecrin4.20版本。

在低壓煤儲(chǔ)層中，煤層被揭開(kāi)以來(lái)，井筒一直處于被鉆井液填滿(mǎn)狀態(tài)，液柱壓力大于儲(chǔ)層壓力，相當(dāng)于對(duì)煤層進(jìn)行了一次長(zhǎng)時(shí)間的等壓變排量的注入。在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，應(yīng)對(duì)揭露煤層時(shí)間、測(cè)試開(kāi)始時(shí)間及鉆井液漏失量進(jìn)行記錄。如泥漿漏失量無(wú)法統(tǒng)計(jì)，可通過(guò)軟件模擬，得到在一定時(shí)間內(nèi)的液體累計(jì)漏失量，其中部分參數(shù)需要人為給定(圖1)。

在一般情況下，通過(guò)試井軟件可以將等壓變排量注入簡(jiǎn)化為變壓等排量的注入過(guò)程，在通過(guò)試井分析，即可得到鉆井液的污染半徑(圖2)。

圖1 井底液體漏失量模擬計(jì)算圖(滲透率0.5mD，井深1000m，儲(chǔ)層壓力梯度0.5MPa/100m)

圖2 折算后的等排量變壓雙對(duì)數(shù)曲線

2.2 注入時(shí)間的確定

由于鉆井液對(duì)儲(chǔ)層造成的污染，低壓煤儲(chǔ)層一般經(jīng)常表現(xiàn)為徑向復(fù)合儲(chǔ)層模型：近井帶的滲透率較低，外區(qū)的滲透率較高，且外區(qū)滲透率可以達(dá)到內(nèi)區(qū)滲透率的2～10倍。在試井設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用內(nèi)區(qū)滲透率低、外區(qū)滲透率高的徑向復(fù)合儲(chǔ)層模型，且復(fù)合半徑應(yīng)大于鉆井液的污染半徑。設(shè)計(jì)曲線上出現(xiàn)外區(qū)徑向流段的時(shí)間為最佳測(cè)試間，結(jié)合實(shí)際情況，確定最終實(shí)際施工時(shí)間。通常情況下，關(guān)井時(shí)間一般為注入時(shí)間的2倍。

S1井是山西S區(qū)塊內(nèi)的一口煤層氣參數(shù)井，該區(qū)塊儲(chǔ)層壓力梯度平均為0.5MPa/100m。按照上述方法對(duì)S1井3號(hào)煤層進(jìn)行了注入/壓降試井施工設(shè)計(jì)并依據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了施工。為了方便對(duì)比，S1井3號(hào)煤層開(kāi)展了兩次注入/壓降試井工作，一次為按照設(shè)計(jì)施工時(shí)間進(jìn)行，一次為目前通用的施工時(shí)間(注入12小時(shí)，關(guān)井24小時(shí))。S1井試井方法為套管試井，且已經(jīng)完井較長(zhǎng)時(shí)間，鉆井液漏失量及煤層暴漏時(shí)間無(wú)法統(tǒng)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)中不予考慮。表3為S1井3號(hào)煤層設(shè)計(jì)參數(shù)選值。

表3 S1井3號(hào)煤層設(shè)計(jì)參數(shù)選值

通過(guò)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算可以看出，在注入50h，關(guān)井100h時(shí)，雙對(duì)數(shù)診斷曲線上出現(xiàn)了較為明顯的外區(qū)徑向流段 (圖3)。 為了確保測(cè)試效果， 最終確定該井的施工時(shí)間為注入60h， 關(guān)井120h(表4)。

表4 S1井3號(hào)煤層設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表

最終測(cè)試結(jié)果可以看出，按方案1(注入60h，關(guān)井120h)測(cè)試時(shí)雙對(duì)數(shù)曲線上出現(xiàn)了明顯的徑向流段(圖4)，最終分析結(jié)果較為準(zhǔn)確；按方案2(注入12h，關(guān)井24h)并未出現(xiàn)明顯的外區(qū)徑向流(圖5)，解釋結(jié)果存在多解可能。

圖3 S1井3號(hào)煤層設(shè)計(jì)雙對(duì)數(shù)曲線

圖4 S1井3號(hào)煤層實(shí)測(cè)雙對(duì)數(shù)曲線(方案1：注入60h，關(guān)井120h)

圖5 S1井3號(hào)煤層實(shí)測(cè)雙對(duì)數(shù)曲線(方案2：注入12h，關(guān)井24h)

最終方案1解釋出的儲(chǔ)層滲透率為0.39mD，高于方案2的解釋結(jié)果0.27mD。解釋結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 S1井3號(hào)煤層解釋結(jié)果表

由于實(shí)際復(fù)合半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的復(fù)合半徑，所以?xún)煞N方案均未出現(xiàn)外區(qū)徑向流。

2.3 A1井施工設(shè)計(jì)

A1井位于山西省X區(qū)塊，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層壓力梯度平均為0.7MPa/100m，為低壓儲(chǔ)層，A1井為該區(qū)塊內(nèi)首次開(kāi)展注入/壓降試井工作。部分參數(shù)需要參照鄰區(qū)Y區(qū)塊。Y區(qū)塊目標(biāo)煤層的注入/壓降試井得到的儲(chǔ)層滲透率分布于0.30～12.0mD，平均埋深小于800m；A1井的煤層中部深度達(dá)到了1433.35m，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用的滲透率依據(jù)Y區(qū)塊內(nèi)的最小滲透率進(jìn)行過(guò)計(jì)算。

A1井煤層暴漏時(shí)間為19.5小時(shí)，鉆井液漏失量由于工程原因，無(wú)法具體統(tǒng)計(jì)，滲透率參照Y區(qū)塊最小滲透率0.30mD。按2.1中所述方法，估算的鉆井液漏失量為1.03m3，污染半徑12.3m。

設(shè)計(jì)采用徑向復(fù)合模型，對(duì)該井進(jìn)行施工設(shè)計(jì)計(jì)算。所采用參數(shù)見(jiàn)表6。其中設(shè)定污染半徑為復(fù)合半徑。其中注入量的計(jì)算參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，即在整個(gè)注入過(guò)程中，使注入壓力小于儲(chǔ)層破裂壓力即可，現(xiàn)場(chǎng)操作可根據(jù)微破裂實(shí)驗(yàn)確定。

表6 A1井目的煤層設(shè)計(jì)參數(shù)選值

圖6 A1井注入/壓降試井施工設(shè)計(jì)壓力曲線

圖7 A1井注入/壓降試井施工設(shè)計(jì)雙對(duì)數(shù)曲線

圖6對(duì)整個(gè)測(cè)試施工劃分為3個(gè)階段：鉆井液漏失段、注入段和壓降段。從雙對(duì)數(shù)診斷曲線上(圖7)可以看出，當(dāng)注入時(shí)間為72h，關(guān)井144h時(shí)，出現(xiàn)了較為明顯外區(qū)徑向流段，說(shuō)明按該施工設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，可獲取較為準(zhǔn)確的儲(chǔ)層滲透率等參數(shù)。

為了方便對(duì)比，計(jì)算了不同滲透率及表皮系數(shù)的情況下的外區(qū)徑向流出現(xiàn)時(shí)間(表7)。

表7 不同滲透率及表皮系數(shù)的施工設(shè)計(jì)結(jié)果

從表7中可以看出，當(dāng)煤層滲透率越低、表皮系數(shù)越大時(shí)，出現(xiàn)外區(qū)徑向流的時(shí)間越長(zhǎng)。所以在在注入/壓降試井之前，應(yīng)該根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)鉆井液參數(shù)，確定設(shè)計(jì)所選用的表皮系數(shù)及儲(chǔ)層滲透率，之后再根據(jù)該方法確定一個(gè)較為合理的施工時(shí)間。

3 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的建議

(1)前文中已經(jīng)闡述了確認(rèn)污染半徑的條件，即需要記錄煤層暴漏時(shí)間及鉆井液漏失量，在鉆井液漏失量無(wú)法統(tǒng)計(jì)的情況下可以通過(guò)模擬計(jì)算的方法進(jìn)行大致的統(tǒng)計(jì)。所以在現(xiàn)場(chǎng)施工的過(guò)程中，測(cè)試人員需要和井隊(duì)及時(shí)溝通協(xié)調(diào)，獲取相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)。

(2)在測(cè)試之前，應(yīng)盡量收集測(cè)試區(qū)塊的地質(zhì)資料，摸清該區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)層壓力梯度、滲透率等參數(shù)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻觀察和記錄鉆井液的參數(shù)，預(yù)判儲(chǔ)層的污染程度。

(3)在儲(chǔ)層污染較為嚴(yán)重的井中(可以根據(jù)鉆井液性質(zhì)及漏失量預(yù)判)，獲取外區(qū)徑向流所需的測(cè)試時(shí)間就更長(zhǎng)，所以長(zhǎng)時(shí)間的注入/壓降試井能夠提供較為準(zhǔn)確的地層參數(shù)。但目前在我國(guó)，注入壓降試井一般都在鉆遇煤層、完成取芯后的裸眼井里進(jìn)行。如果在裸眼井內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，在測(cè)試成本增加的同時(shí)，測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)也提高了很多。建議低壓煤儲(chǔ)層盡量在完井射孔后進(jìn)行套管試井，可以避免或降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)，并且便于依據(jù)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，得到更加準(zhǔn)確的地層參數(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，套管試井盡量在射孔后立即進(jìn)行，減少進(jìn)入低壓儲(chǔ)層內(nèi)的洗井液，使解釋結(jié)果更加準(zhǔn)確。

[1] 趙培華,劉曰武,鹿倩,等. 煤層氣測(cè)試方法的分析評(píng)價(jià)[J]. 油氣井測(cè)試,2010,19(6):12-18.

[2] 安杰,楊振東,柳光偉,等. 低壓煤儲(chǔ)層注入/壓降試井存在的問(wèn)題及方法研究[J]. 油氣井測(cè)試,2014,23(2):15-17.

[3] 中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì). GB/T 24504—2009,煤層氣井注入∕壓降試井方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4] 劉能強(qiáng). 實(shí)用現(xiàn)代試井解釋方法(第五版)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008: 58-61.

[5] 陳元千. 確定井底污染半徑的方法[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā),1988(2):63-71.

[6] 董敏濤,張新民,鄭玉柱,等. 煤層滲透率統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2005, 33 (6): 28-31.

[7] Bourdet D. 現(xiàn)代試井解釋模型及應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007: 114-118.

[8] 陳志勝. 煤層氣井微破裂試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(1):53-56.

[9] 張奉東. 煤層氣井祼眼與套管注入/壓降測(cè)試滲透率對(duì)比分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2010,38(3):20-23.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Study on Injection Time of Injection/Fall Well Test in Low Pressure Coal Reservoir

LIU Dawei，AN Jie,LIU Beibei

(Coalfield Geological Testing Center of Heilongjiang Province,Heilongjiang 150046)

In this paper,the pollution radius of drilling fluid is obtained by the method of simulation calculation. The construction of the target well is designed combined with the pollution radius and drilling fluid leakage,and the purpose is to confirm the reasonable injection time and obtain accurate formation parameters. It is suggested that the injection/fall test of the low pressure coal reservoir should be long time tested in the casing.

Low pressure coal reservoir; injection/fall test; pollution radius; injection time

劉大為，男，碩士，工程師，主要從事煤層氣解吸、試井及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等工作。