沁水盆地SZB區(qū)塊煤層氣井的排采特征

張 翔

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司晉城分公司，山西 晉城 048000）

在原始儲(chǔ)層條件下，煤層中的流體處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。隨著排水降壓的進(jìn)行，原始平衡狀態(tài)被打破，煤儲(chǔ)層壓力持續(xù)下降。當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力降至煤層氣臨界解吸壓力時(shí)，吸附在煤基質(zhì)孔隙表面的甲烷開始解吸并擴(kuò)散到裂隙系統(tǒng)，匯同煤層中的水一起以達(dá)西流形式運(yùn)移至井筒產(chǎn)出。影響煤層氣產(chǎn)能的因素有很多，象煤厚、煤階、含氣量、頂?shù)装鍡l件、地應(yīng)力、儲(chǔ)層構(gòu)造、儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層滲透率、鉆完井施工質(zhì)量、壓裂效果、排采控制等因素。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地SZB區(qū)塊行政區(qū)位于山西省東南部，隸屬于長(zhǎng)治市長(zhǎng)子縣，主體為丘陵山地。區(qū)塊構(gòu)造位于沁水盆地南緣沁水復(fù)向斜東翼，西部邊界接近沁水復(fù)向斜的軸部，總體呈東南高、西北低的構(gòu)造特征，南北向兩條控制斷層把本區(qū)分為東部緩坡帶、中央褶皺帶、西部緩坡帶，中部褶皺帶構(gòu)造復(fù)雜，西部緩坡帶和東部緩坡帶構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育。

勘探開發(fā)區(qū)塊位于區(qū)塊東部緩坡帶的中北部，處于一個(gè)向西傾的斜坡帶上，坡度較緩，附近發(fā)育少量小型斷層，整體構(gòu)造簡(jiǎn)單。該井組主要勘探開發(fā)的目的層為山西組3#煤層，煤層埋深介于891.8 m～1008.5 m，厚度介于5 m～6.15 m，整個(gè)井組煤層厚度變化不大，產(chǎn)狀平緩。井組3#煤頂板主要為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖與砂質(zhì)泥巖，封蓋層空間上連續(xù)穩(wěn)定分布，但整體厚度較小，封蓋能力一般。參數(shù)井3#煤含氣量20.28 m3/d，煤層屬低孔低滲儲(chǔ)層，以微孔為主，孔隙度4 %～6 %，滲透率一般在0.1×10-3μm2左右。

2 排采控制

煤層氣藏孔隙變形具有塑性變形的特征，孔隙閉合后在卸壓過(guò)程中不易恢復(fù)張開，其儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性具有明顯的不可逆性，在開發(fā)過(guò)程中，初期應(yīng)力敏感性占主導(dǎo)地位，儲(chǔ)層滲透性顯著降低，隨著開發(fā)進(jìn)程的深入，基質(zhì)收縮效應(yīng)逐步增強(qiáng)，儲(chǔ)層滲透性逐漸恢復(fù)。這種性質(zhì)決定了降壓速度不能過(guò)快，降壓持續(xù)時(shí)間不能過(guò)短，因此，目前現(xiàn)場(chǎng)比較常用的排采方式為“四段式”，即排水降壓段、控壓段、穩(wěn)產(chǎn)段、衰竭段。

2.1 排水降壓段

排采初期壓裂液返排時(shí)，由于近井地帶導(dǎo)流能力強(qiáng)、壓降快，有效應(yīng)力相對(duì)增加快，而煤層滲透率壓力敏感性強(qiáng)，在有效應(yīng)力增強(qiáng)的作用下，局部煤巖沿脆弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切變形，使?jié)B流通道出現(xiàn)變窄、閉合現(xiàn)象，使壓裂縫遠(yuǎn)端液體無(wú)法返回，產(chǎn)生附加生產(chǎn)壓力，使得井筒靜液柱高度高于儲(chǔ)層壓力，新井投產(chǎn)后泵效接近100 %。本階段產(chǎn)出的液體主要為殘留壓裂液，另3#煤層的補(bǔ)給速度非常慢，壓裂液殘留壓力釋放后，產(chǎn)水量會(huì)自然下降。

2.2 控壓段

井底流壓是反映產(chǎn)氣量滲流壓力特征的參數(shù)，由套壓、純氣段壓力和氣液混合段壓力組成。控壓的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)控制井底流壓的變化從而達(dá)到產(chǎn)能最大化的目的。

2.2.1 未控壓排采

Ⅰ井（如圖1所示）見(jiàn)氣初期在未控壓排采的情況下，產(chǎn)氣量持續(xù)上升，逐步形成產(chǎn)氣峰值，但此時(shí)壓降漏斗尚未充分形成，隨著近井氣體的不斷產(chǎn)出，煤層的原始滲透率開始占據(jù)主導(dǎo)地位，因原始滲透率較壓裂改造后的滲透率小，此時(shí)產(chǎn)氣量呈現(xiàn)較低的態(tài)勢(shì)，產(chǎn)量的高低主要受控于煤層的原始滲透率；第一峰值過(guò)后隨著甲烷氣體和煤層水的不斷排出，遠(yuǎn)端的甲烷氣體解吸并大量產(chǎn)出，日產(chǎn)氣量來(lái)到第二峰值并進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期。

2.2.2 憋壓排采

Ⅱ井（如圖2所示）見(jiàn)氣后采取憋壓排采，由于近井地帶壓裂裂縫導(dǎo)流能力強(qiáng)，壓降快，隨著煤巖解吸的繼續(xù)，油套環(huán)空中甲烷氣體含量大幅提高，套壓迅速上升，部分氣體進(jìn)入抽油泵中，影響泵效，造成日產(chǎn)水量下降。此時(shí)井筒中氣水比增大，井底流壓上升，當(dāng)井底流壓上升到與近井地帶地層壓力相當(dāng)時(shí)，煤基質(zhì)表面達(dá)到氣體解吸與吸附動(dòng)態(tài)平衡，甲烷氣體停止向裂縫擴(kuò)散，壓力得以較快傳播，壓降范圍持續(xù)擴(kuò)大。當(dāng)產(chǎn)水量小于地層水供給時(shí)，動(dòng)液面將有所回升，此時(shí)緩慢放氣，使井底流壓逐漸下降，產(chǎn)氣平穩(wěn)上升。

2.2.3 控壓排采

Ⅲ井（如圖3）解吸產(chǎn)氣后，隨解吸面積的增加，煤層氣井的動(dòng)液面會(huì)降低到比較低的水平，油套環(huán)空的套管壓力會(huì)逐漸上升到比較高的狀態(tài)。此時(shí)采取控壓產(chǎn)氣的方式，即控制套壓、井底流壓和產(chǎn)氣量，使地面產(chǎn)氣與地下供氣相匹配，分級(jí)降低煤層氣井的井底流壓，這種排采方式延長(zhǎng)了排水期，使得壓降漏斗得到充分?jǐn)U展?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中由于其他原因，該井產(chǎn)能并沒(méi)有得到充分釋放，但隨著甲烷氣體和煤層水的不斷排出，煤基質(zhì)收縮效應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)作用，基質(zhì)塊收縮，引起裂縫擴(kuò)張，滲透率得到改善，煤層氣井產(chǎn)能必將長(zhǎng)期處于較高的狀態(tài)。

圖1 Ⅰ井生產(chǎn)曲線

圖2 Ⅱ井生產(chǎn)曲線

2.3 穩(wěn)產(chǎn)段

隨排采時(shí)間的延長(zhǎng)，煤巖體微裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張，增大了基質(zhì)暴露面積，加快了解吸速率。同時(shí)，氣體滑脫效應(yīng)增大了解吸氣向割理、裂隙運(yùn)移的速率。地層供氣能力增強(qiáng)，生產(chǎn)井套壓、氣量自然上長(zhǎng)。裂縫擴(kuò)展后，部分孔隙束縛水或封閉水被釋放，表現(xiàn)出間斷性的低水量產(chǎn)出。本階段屬于自噴產(chǎn)氣，主要受集輸壓力的影響。

2.4 衰竭段

當(dāng)井控范圍內(nèi)地層壓力降低至廢棄壓力時(shí)，大部分煤巖解吸完畢，產(chǎn)氣量自然下降。

3 不同控壓方式的對(duì)比分析

煤層氣井排采初期，產(chǎn)水壓差主要為地層補(bǔ)給壓力與井底流壓之間的壓差，若補(bǔ)給能力為定值，累計(jì)產(chǎn)水量與井底流壓呈線性相關(guān)關(guān)系，累計(jì)產(chǎn)水量值折射出壓降面積的大小。該文中3口井累計(jì)產(chǎn)水情況如圖4所示，Ⅱ井排采前期累計(jì)產(chǎn)水較高，但隨著產(chǎn)氣量的不斷提高，出現(xiàn)間歇性產(chǎn)液的現(xiàn)象，一定程度上限制了壓降面積的擴(kuò)展。

該文3口井產(chǎn)能情況如圖5所示，Ⅰ井的生產(chǎn)曲線為典型“雙駝峰曲線”，該井第一產(chǎn)氣峰值的到來(lái)伴隨著井底流壓的大幅度下降，雖然隨著排采的繼續(xù)進(jìn)行，遠(yuǎn)端甲烷氣體對(duì)井底流壓起到一定恢復(fù)效果，但是進(jìn)入高穩(wěn)產(chǎn)期后井底流壓一直處于比較低的狀態(tài)，對(duì)該井的產(chǎn)能起到了限制作用。Ⅱ井在憋壓后產(chǎn)氣時(shí)間比Ⅰ井較短，但產(chǎn)氣速率較高，累計(jì)產(chǎn)氣量已超過(guò)Ⅰ井，并且Ⅱ井井底流壓值也相對(duì)Ⅰ井較高，產(chǎn)能會(huì)進(jìn)一步釋放。Ⅲ井的排采方式從見(jiàn)氣初期便開始產(chǎn)氣，產(chǎn)氣過(guò)程中通過(guò)控制套壓的降落速率和放氣速率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井底流壓的控制，雖然該井的產(chǎn)能并沒(méi)有充分釋放，但累計(jì)產(chǎn)氣量及井底流壓均處于較高水平。

4 結(jié)語(yǔ)

煤巖解吸的實(shí)質(zhì)為煤基質(zhì)表面釋放出的甲烷分子在濃度差的作用下，源源不斷地涌向微裂隙，而后進(jìn)入大孔徑滲流通道內(nèi)向井筒運(yùn)移。煤層氣排采的目的是為了盡可能地?cái)U(kuò)大氣體解吸范圍，保持甲烷氣體運(yùn)移通道盡可能通暢。

該文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，通過(guò)對(duì)比分析煤層氣井3種不同的排采方式，認(rèn)為控壓排采方式（既實(shí)時(shí)了解井底流壓的變化，掌握地層供氣能力，并以此為依據(jù)進(jìn)行精細(xì)的排采控制）一定程度上降低了煤儲(chǔ)層物性應(yīng)力敏感性強(qiáng)對(duì)滲流通道的影響，對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的提高很有幫助。

圖3 Ⅲ井生產(chǎn)曲線

圖4 3口井累計(jì)產(chǎn)水量

圖5 3口井產(chǎn)能情況