裂縫應(yīng)力敏感性對(duì)煤層氣井單相流段產(chǎn)水影響及排采對(duì)策

賈慧敏 胡秋嘉 劉 忠 劉春春 喬茂坡 秦 宇

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

裂縫應(yīng)力敏感性對(duì)煤層氣井單相流段產(chǎn)水影響及排采對(duì)策

賈慧敏 胡秋嘉 劉 忠 劉春春 喬茂坡 秦 宇

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

為了研究應(yīng)力敏感性對(duì)煤層氣井單相流段產(chǎn)水規(guī)律的影響，文章通過理論推導(dǎo)建立基于煤層應(yīng)力敏感性的單相流段產(chǎn)水量模型，并在擬合研究區(qū)生產(chǎn)井排采數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)水規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明，煤巖滲透率與有效應(yīng)力呈負(fù)指數(shù)冪關(guān)系，應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)；且隨著應(yīng)力敏感性系數(shù)的增大，產(chǎn)水量曲線由持續(xù)上升型轉(zhuǎn)變?yōu)橄壬蠼敌?，且上升段持續(xù)縮短，因此不同的應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層應(yīng)該采用不同的生產(chǎn)壓差和降壓速度，保障最佳排水效率。

煤層氣井 應(yīng)力敏感性 單相流 產(chǎn)水規(guī)律 排采對(duì)策

本文研究區(qū)位于沁水盆地南部，煤層氣藏為承壓水煤層氣藏，煤層氣開發(fā)需要通過持續(xù)排水降低儲(chǔ)層壓力，使煤層中吸附態(tài)的甲烷氣體解吸，然后擴(kuò)散、滲流至井筒。在一定程度上，采出水量決定了壓降波及面積及甲烷解吸面積，從而決定了單井產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)期。由于煤儲(chǔ)層具有孔隙、裂隙雙重孔隙結(jié)構(gòu)，煤巖裂縫系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)，許多學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)煤巖的應(yīng)力敏感性進(jìn)行了研究。在排水降壓過程中，隨著生產(chǎn)壓差不斷擴(kuò)大，煤層產(chǎn)水動(dòng)力增強(qiáng)，但煤層所受有效應(yīng)力也持續(xù)增加，滲透率不斷降低，產(chǎn)水阻力逐漸增強(qiáng)。可見，井底流壓的降低對(duì)煤儲(chǔ)層產(chǎn)水量具有雙重作用。本文通過建立基于應(yīng)力敏感性的單相流段產(chǎn)水模型，研究應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)水量變化的影響，旨在建立不同應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層合理的排采制度，實(shí)現(xiàn)高效排水降壓，不斷擴(kuò)大壓降解吸面積，保障煤層氣單井產(chǎn)能的有效釋放，并延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期。

1 區(qū)域概況

沁水盆地整體為一近南北向的大型復(fù)式向斜，盆地內(nèi)次級(jí)褶曲發(fā)育，斷層以北東、北北東向高角度正斷層為主，集中分布在盆地西北部、西南部及東南部邊緣。盆地南部東西兩翼為斜坡帶，中間為洼槽區(qū)，夏店區(qū)塊位于東部斜坡帶，區(qū)內(nèi)分布有文王山斷層和二崗山斷層兩大張剪性斷裂和一系列小斷層，煤巖裂縫系統(tǒng)發(fā)育。

研究區(qū)內(nèi)自上而下發(fā)育4套含煤層系，10～16套煤層，其中本溪組和下石盒子組僅含薄煤層或煤線，石炭系上統(tǒng)的太原組和二疊系下統(tǒng)的山西組為主要含煤層系。其中，山西組發(fā)育1號(hào)～4號(hào)煤，3號(hào)煤分布穩(wěn)定，厚度在3.8～8.4m之間，平均為5.82m，是本區(qū)目前煤層氣勘探開發(fā)的主要目的層。3號(hào)煤層煤巖鏡質(zhì)體反射率分布在1.9%～2.7%之間，平均2.35%，屬于中、高階煤。滲透率分布在0.006～0.19×10-3μm2之間，平均0.04×10-3μm2，屬于低滲、特低滲儲(chǔ)層?？紫抖仍?%～7%之間，平均4.5%，屬于低孔隙度儲(chǔ)層，物性較差。

2 煤儲(chǔ)層裂縫應(yīng)力敏感性分析

煤層與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層不同，其作為煤層氣的源巖和儲(chǔ)集層，是一種雙孔隙巖層，由基質(zhì)孔隙和裂隙組成，且其自身發(fā)育獨(dú)特的割理系統(tǒng)。煤巖基質(zhì)孔隙滲透率極低，基本不具備滲流能力，其割理裂隙系是煤層氣滲流的主要貢獻(xiàn)者。煤層氣開發(fā)儲(chǔ)層具備復(fù)雜的天然-人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，主要包括在成煤過程中由于煤基質(zhì)收縮作用產(chǎn)生的內(nèi)生裂隙、受古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響形成的外生裂隙以及大規(guī)模水力壓裂形成的人工裂縫。

研究表明，裂縫滲透率主要取決于其寬度，且對(duì)寬度非常敏感，即在其他參數(shù)不變時(shí)裂縫寬度微小的變化都會(huì)導(dǎo)致滲透率的極大變化。裂縫滲透率與寬度的關(guān)系為：

(1)

式中，Kf為裂縫滲透率，b為裂縫寬度，L為裂縫長(zhǎng)度，A為滲流面積。

蔣官澄等、李相臣等通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同應(yīng)力條件下的煤巖裂縫寬度的變化，結(jié)果表明裂縫寬度與其所受的有效應(yīng)力成負(fù)指數(shù)關(guān)系：

bi=b0e-α(δi-δ0)

(2)

式中，σ0，σi分別為作用于裂縫的初始有效應(yīng)力和排采過程中i時(shí)刻的有效應(yīng)力，b0為σ0對(duì)應(yīng)的裂縫寬度，bi為σi對(duì)應(yīng)的裂縫寬度。

設(shè)Kf0，Kfi分別為σ0，σi對(duì)應(yīng)的裂縫滲透率，則由式(1)、式(2)可得：

Kfi=Kf0e-α(δi-δ0)

(3)

由式(3)可知裂縫滲透率隨作用于其上的有效應(yīng)力的增加呈負(fù)指數(shù)形式降低，式中α為應(yīng)力敏感性系數(shù)，可以定量評(píng)價(jià)應(yīng)力敏感性的大小，α值越大煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

3 考慮裂縫應(yīng)力敏感性的單相流段滲流產(chǎn)水量模型

3.1 單相流段排采過程中應(yīng)力變化分析

如圖1所示，在排水降壓前，煤基質(zhì)所受的壓力(Pm)、煤層中流體壓力(Pr)與上覆巖層壓力(Po)三者處于平衡狀態(tài)：Po=Pm+Pr。其中，上覆地層壓力Po為上覆巖層重力對(duì)煤層所產(chǎn)生的壓力，為一定值。在煤層氣井生產(chǎn)后，煤層氣井持續(xù)排水使原有應(yīng)力平衡系統(tǒng)被打破：儲(chǔ)層流體壓力Pr不斷降低，煤基質(zhì)所受壓力Pm逐漸增加，致使煤層裂隙系統(tǒng)承受的有效應(yīng)力增加，裂縫寬度減小甚至閉合，煤巖裂縫滲透率降低。排水降壓過程中煤巖有效應(yīng)力的變化可以用流體壓力與井底流壓值差表示。

圖1 煤層氣井單相流段應(yīng)力敏感性示意圖

3.2 單相流段考慮應(yīng)力敏感性的產(chǎn)水量模型

假設(shè)煤層均質(zhì)、等厚，流體流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，符合達(dá)西定律，則煤層氣井解吸前單相流段平面徑向流公式為:

(4)

式中，qw為日產(chǎn)水量，m3/s；h為煤層厚度，m；K(p)為煤層滲透率，為儲(chǔ)層壓力的函數(shù)，m2，pr為煤層壓力，Pa; pwf為井底流壓，Pa;Bw為液體體積系數(shù)，無(wú)量綱量；μw為液體粘度，Pa·s；rw為井筒半徑，m；re為井筒控制半徑，m。

考慮壓裂后儲(chǔ)層表皮系數(shù)上式變?yōu)椋?/p>

(5)

式中，S為表皮系數(shù)，煤層氣井經(jīng)過壓裂改造，近井地帶物性得到改善，所以S均為負(fù)值。

將式(3)帶入式(6)可得考慮應(yīng)力敏感性的煤層單相流段產(chǎn)液量公式：

(6)

4 實(shí)例擬合與討論

根據(jù)試井解釋、煤巖室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等資料確定X-1井地質(zhì)及流體參數(shù)：滲透率K0=0.06×10-3μm2，煤層厚度h=3.5m，液體體積系數(shù)Bw=1，液體粘度μw=0.99mPa·s，井筒半徑rw=0.11m，井筒控制半徑re=100m，根據(jù)試井解釋給出表皮系數(shù)S=-4，煤層儲(chǔ)層壓力pr=4.5MPa。

根據(jù)上述參數(shù)，利用式(6)對(duì)X-1井解吸前生產(chǎn)資料進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示，當(dāng)應(yīng)力敏感性系數(shù)值為0.89時(shí)，式(6)可以很好地與X-1井產(chǎn)水量數(shù)據(jù)擬合，說明式(6)能夠表明煤層氣井單相流段日產(chǎn)水量隨井底流壓的變化規(guī)律。

在對(duì)X-1井?dāng)M合基礎(chǔ)上，利用式(6)預(yù)測(cè)出不同應(yīng)力敏感性系數(shù)對(duì)煤層氣井單相流段產(chǎn)水規(guī)律的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3表明，在相同生產(chǎn)壓差下，隨著應(yīng)力敏感性系數(shù)增大，煤層氣井日產(chǎn)水量降低，這主要是由于煤層應(yīng)力敏感性增強(qiáng)導(dǎo)致滲透率下降幅度增大，滲流阻力增加，因此對(duì)于不同應(yīng)力敏感性的儲(chǔ)層應(yīng)該采用差異化的排采制度，采用相同的排采制度可能導(dǎo)致完全不同的結(jié)果。

圖3還表明，應(yīng)力敏感性系數(shù)值不僅影響煤層氣井日產(chǎn)水量的大小，同時(shí)也影響日產(chǎn)水量的曲線形態(tài)。應(yīng)力敏感性系數(shù)以0.5為界限，日產(chǎn)水量隨著生產(chǎn)壓差的增加而表現(xiàn)出3種變化形態(tài)：當(dāng)αlt;0.5時(shí)，日產(chǎn)水量持續(xù)上升；當(dāng)α=0.5時(shí)，日產(chǎn)水量先上升后平穩(wěn)；當(dāng)αgt;0.5時(shí)，則日產(chǎn)水量先上升后下降，且開始下降時(shí)的生產(chǎn)壓差持續(xù)降低。這是由于生產(chǎn)壓差增加一方面導(dǎo)致煤層水滲流動(dòng)力增加，另一方面導(dǎo)致煤層裂縫系統(tǒng)所受的有效應(yīng)力增大，滲透率降低，滲流阻力增加。而對(duì)于研究區(qū)塊，當(dāng)α=0.5時(shí)，由于生產(chǎn)壓力增加而造成的動(dòng)力增量等于阻力增量。這說明，該區(qū)塊應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的值制定差異化的排采制度。

圖2 式(7)對(duì)X-1井生產(chǎn)曲線擬合結(jié)果

圖3 應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)水量的影響

5 不同應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層差異化排采控制方法

煤層氣井單相流段應(yīng)遵循“以水換氣”基本理念，首要任務(wù)是盡可能多排水，通過持續(xù)排水，增加壓降波及面積，擴(kuò)大解吸范圍，為后續(xù)持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，因此該階段最佳的工作制度應(yīng)保障日產(chǎn)水量持續(xù)處于最高水平。

而產(chǎn)水量主要受儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性系數(shù)影響，煤層應(yīng)力敏感性較強(qiáng)時(shí)，滲透率下降程度較大，阻力成為主要因素，產(chǎn)水量下降；應(yīng)力敏感性較弱時(shí)，滲透率下降程度較小，動(dòng)力成為主要因素，產(chǎn)水量上升；且應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，上升段持續(xù)的時(shí)間越短，下降點(diǎn)出現(xiàn)的越早。因此，不同的應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層應(yīng)采用不同的生產(chǎn)壓差，以便達(dá)到最佳的排水效果，研究區(qū)塊不同的應(yīng)力敏感性系數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳生產(chǎn)壓差如表1所示。

表1 不同應(yīng)力敏感性系數(shù)對(duì)應(yīng)的合理生產(chǎn)壓差

在現(xiàn)場(chǎng)排采管理中，由于儲(chǔ)層壓力下降速度較慢，為了保持最佳的生產(chǎn)壓差，應(yīng)該合理控制降壓速度，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的最佳降壓速度不同。GC區(qū)塊的α值在0.9～1.1之間，由圖4可知，當(dāng)動(dòng)液面降幅在6～10m/d時(shí)，單位壓降產(chǎn)水量最大，即產(chǎn)水能力最大。而WY區(qū)塊α值在1.3～1.5之間，由圖5可知，當(dāng)動(dòng)液面降幅在2.5～4.5m/d時(shí)產(chǎn)水能力最大。這表明，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)，降液速度應(yīng)該越小，應(yīng)該根據(jù)不同區(qū)塊的應(yīng)力敏感性程度來確定合理的降液速度。

圖4 GC區(qū)塊壓降速度與單位壓降產(chǎn)水量關(guān)系

圖5 WY區(qū)塊壓降速度與單位壓降產(chǎn)水量關(guān)系

6 結(jié)論

(1)煤巖滲透率主要由裂隙系統(tǒng)滲透率決定，其值隨有效應(yīng)力的增加而呈負(fù)指數(shù)形式降低，復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)是煤巖高應(yīng)力敏感性的根本原因。煤巖應(yīng)力敏感性系數(shù)可以有效表征煤巖應(yīng)力敏感性程度，應(yīng)力敏感性系數(shù)越大，煤巖應(yīng)力敏感性越強(qiáng)。

(2)應(yīng)力敏感性系數(shù)值不僅影響煤層氣井日產(chǎn)水量的大小，同時(shí)也影響日產(chǎn)水量的曲線形態(tài)。隨著應(yīng)力敏感性系數(shù)增加，煤層氣井產(chǎn)水量呈現(xiàn)出持續(xù)上升型、先升后平穩(wěn)型，先升后降型三種形態(tài)，且產(chǎn)水量上升段的長(zhǎng)度逐漸減小。

(3)不同應(yīng)力敏感性儲(chǔ)層應(yīng)該采用差異化排采控制方式，以求獲得最高的排水效率。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Influence of Fractures Stress Sensitivity on Water Production Law for the Single-phase Flow of CBM Wells and Drainage Countermeasures

JIA Huimin，HU Qiujia，LIU Zhong，LIU Chunchun，QIAO Maopo，QIN Yu

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

This article aims to study the effect of stress sensitivity on reservoir water rate. Through the theoretical derivation，It establishes the model of water production rate with single-phase flow based on stress sensitivity of coal seam，and predicts the influence of stress sensitivity on water production law on the basis of the data fitting of the production wells in the researched areas. The results show a negative exponent relations between the overall permeability of coal and rock fracture and the effective stress. The stress sensitivity coefficient will increase with stress of the coal and rock. As the sensitive coefficient increase，the curve of water production rate keeps rising fist and then shift to rise first and fall later，and the greater the stress sensitivity coefficient is，the shorter the rise period will be. Therefore，reservoirs with different stress sensitivity should adopt separated production pressure difference and pressure decrease rate，so as to guarantee the best water production efficiency.

CBM wells; stress sensitivity; single-phase flow; water production law; drainage countermeasures

賈慧敏，男，碩士研究生，目前從事煤層氣地質(zhì)與開發(fā)方向研究。