煤層氣-致密氣合采層間干擾特征及選層建議

徐兵祥 白玉湖 陳 嶺 陳桂華 李彥尊

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

近些年非常規(guī)氣勘探開發(fā)迅速發(fā)展，深層煤層氣及煤系非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)受到國內高度關注。文獻調研結果顯示，美國風河盆地和皮申斯盆地煤層氣-砂巖氣層合采試驗均獲得成功，我國遼寧阜新礦區(qū)同樣進行了11口煤層與砂層合采，合采井具有起套壓快、產氣量較高、產氣量穩(wěn)定等特點，說明煤層氣-致密氣合層開發(fā)已成為該類氣藏開發(fā)的有效手段。鄂爾多斯東緣臨興地區(qū)具有煤層資源潛力大、煤系致密砂巖產層數(shù)較多、單層薄的特點，煤層氣-致密氣合層開發(fā)是該地區(qū)提高單井產能的手段之一。但由于煤層氣、致密氣賦存方式不一，前者是吸附氣賦存為主，后者以游離氣為主；二者開發(fā)方式也存在差異，煤層氣采用排水-降壓-產氣的方式進行開發(fā)，而致密氣是直接降壓-產氣；另外儲層物性、壓力等層間差異引起的氣水倒灌現(xiàn)象等等，這些勢必給煤層氣-致密氣合采帶來挑戰(zhàn)。本文從層間干擾機制出發(fā)，分析了倒灌現(xiàn)象、物性差異以及開發(fā)方式對層間壓力干擾的影響，并運用數(shù)值模擬手段進行合采生產特征和控制因素分析，在此基礎上提出合采選層建議。

1 層間干擾機制分析

煤層氣-致密氣合采層間干擾指的是合采后一層對另一層產量造成一定的影響，分析認為，煤層氣-致密氣層間干擾表現(xiàn)在三個方面：氣水倒灌進入儲層的現(xiàn)象；開發(fā)方式差異造成合采效果欠佳；各層物性差異造成開發(fā)的不均衡。下面分別說明。

1.1 倒灌現(xiàn)象

兩氣合采倒灌主要考慮煤層中的水通過井筒倒灌進入致密層的現(xiàn)象，倒灌現(xiàn)象發(fā)生有兩個作用力，分別是壓力差和毛細管力。在兩者作用下水倒灌進入致密層中引起水鎖效應或水淹，進而限制致密層產能發(fā)揮。分析得到，兩氣合采倒灌現(xiàn)象發(fā)生有以下特點：

(1)毛細管力引起致密層吸水，吸水能力與致密層原始含水有關。兩氣合采時，經射孔壓裂、通過井筒連通后，煤層中的水會在井筒內上返到一定高度形成液面，而致密層多是親水的，若致密層原始含水低于束縛水飽和度，則井筒中的水在毛細管力作用下進入致密層，造成水鎖效應甚至水淹。若致密層含水飽和度高于束縛水飽和度，致密層吸水能力減弱，甚至不吸水。臨興區(qū)塊致密層普遍產水，說明含有一定可動水，因此，由于吸水作用造成的倒灌現(xiàn)象不明顯。

(2)壓差引起的水倒灌現(xiàn)象在一定條件下發(fā)生。臨興區(qū)塊煤層氣-致密氣按照縱向疊置分類可分為上煤下氣、下煤上氣、煤氣互層等多種形式(圖1)。由于臨興區(qū)塊煤層割理飽和水，致密層或含一定可動水，合采后采用排水降壓的方式進行生產，此時油管產水、套管產氣。合采初期，兩氣壓力差異是決定倒灌現(xiàn)象發(fā)生與否的關鍵因素。若兩氣縱向分布為“下煤上氣”，共井筒合采開始時，假定兩氣壓力差(Pcbm>Ptg)大于兩層間水柱高度壓力(即ΔP>ρgh，h為層間距)，則發(fā)生倒灌，否則不發(fā)生，此時若致密層壓力大于煤層，則倒灌現(xiàn)象不發(fā)生。臨興區(qū)塊兩氣分布大多屬于“下煤上氣”型，且煤層、致密氣均為欠壓儲層，無異常壓力層，因此，初期合采不發(fā)生倒灌。合采過程中，工作制度影響倒灌現(xiàn)象發(fā)生與否。如合采時，若控制產氣速度高、排水速度慢，引起致密氣衰竭快，而井筒液面快速上升，造成井底壓力大于致密層壓力的情況，會出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，隨著水的進入，致密層壓力回升，抑制了倒灌持續(xù)發(fā)生，因此這種倒灌現(xiàn)象持續(xù)時間不長，但在合采過程中，常會出現(xiàn)抽油機故障、停電等，造成這種短時倒灌現(xiàn)象在合采過程中頻繁出現(xiàn)。

圖1 煤層氣-致密氣縱向疊置模式(表示煤層，表示致密層)

盡管倒灌現(xiàn)象在頻繁的工作制度調整變化下時有發(fā)生，但只要致密層水鎖特征不明顯，這種現(xiàn)象會很快得到抑制甚至解除，對總產量及采收率影響不大。但致密層水鎖特征明顯時，倒灌造成的影響就很大。

1.2 開發(fā)方式差異

煤層氣與致密氣賦存方式的差異，導致二者開發(fā)方式不同。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在基質內孔隙表面，而割理系統(tǒng)主要飽和水，煤層氣產出首先需要進行排水降壓，吸附氣解吸后進入割理，流入井筒，而致密氣可直接降壓生產。煤層氣排水降壓須遵循緩慢穩(wěn)定的原則，合采時，為保護煤層合理有效開發(fā)，降壓速度也是較緩慢的，導致合采前期致密氣產量低，影響整體開發(fā)經濟性。從該角度來說，各層工作制度要求對合采效果有一定的干擾。同理，若致密層存在邊水或應力敏感強，需要控制壓差生產，而煤層氣需要降壓到解吸壓力才能產氣，這同樣是干擾合采效果的關鍵因素。

1.3 物性差異

物性差異也是合層開發(fā)干擾的一項重要參考指標。通過數(shù)值模擬試驗表明：合層開發(fā)時滲透率差異越大，則低滲層產能受限越大。若配產不合理，高滲層流體可能倒灌進入低滲層，但隨著時間推移，倒灌現(xiàn)象逐漸消失。再比如說含水性差異，若致密層不含可動水，合采后水倒灌進入致密層，勢必對致密氣產量和采收率有一定影響；但若致密層含可動水，合采會否影響采收率尚不明確。另外，煤層的解吸壓力高低是決定合采效果好壞的重要參數(shù)，若解吸壓力很低，則需要很長的排水降壓時間，合采經濟性必然不好。

2 兩氣合采生產特征及產量控制因素

基于層間干擾機制的分析，通過數(shù)值模擬方法進一步研究兩氣合采生產特征，挖掘兩氣合采產量主控因素。模擬參數(shù)參考臨興區(qū)塊某口兩氣合采試驗井參數(shù)，該井盒8段致密層與其下面的7+8+9號煤層進行合層開發(fā)，采用煤層氣的排采控制方式進行生產。

2.1 兩氣合采生產特征

圖2(a)為兩氣合采產量曲線，可看出合采后產量整體出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與煤層氣生產特征相似。從分層產量來看，煤層經一段時間的排水期，之后產氣，產量迅速上升；致密層產量先上升，當煤層氣產出后，出現(xiàn)氣液兩相，阻力增大，此時工作制度不變，壓降速度減緩，致密層產量出現(xiàn)下降趨勢。從產氣峰值來看，合采后可能出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象。第一個峰值表征煤層氣產出對產氣造成影響，第二個峰值表征由于儲層能量不足，井底流壓降到最低值后，產量開始出現(xiàn)遞減趨勢。當然，隨著參數(shù)變化，第一個峰值會消失，圖2(b)為不同排水量合采產量曲線，可以看出曲線依然保持煤層氣生產特征，但隨著含氣量增加，第一個峰值消失，第二個峰值提前。

圖2 煤層氣-致密氣合采生產曲線

2.2 滲透率差異對合采效果影響

在研究滲透率差異對產量影響時，常規(guī)研究方法是保持分層滲透率和不變，對比不同分層滲透率比值對產量影響，該做法可分析滲透率非均質性對產量的影響，但并不能說明非均質性程度對層間干擾的影響。如兩層合采時，假設滲透率和為1mD，對比兩種滲透率情況0.5mD/0.5mD和0.1mD/0.9mD的產量，若后者累產較前者要低，并不能說明后者干擾程度大、不適合合采，因為0.1mD滲透率所在層采出程度不高，導致合采產量不高，但該層仍舊對合采產量有所貢獻，只要具有經濟性，就適合合采。因此，引入合采效率的概念，表征合采產量與單采各層產量和的比值，定義為：

其中η為合采效率，%；Gpt為合采累產量，Gpi為單采時第i層累產量。

設定致密層滲透率為0.04mD，煤層滲透率分別為0.01mD、0.04mD、0.1mD、0.4mD、0.8mD、1.2mD，則煤層/致密層滲透率比值分別為0.25、1、2.5、10、20、30，對比了不同滲透率比情況下兩氣合采效率。圖3(a)為煤層/致密層滲透率比為10時氣井合采效率隨時間變化情況，可見，合采效率隨時間推移有增加趨勢，且第9年以后合采效率保持在99%以上，說明合采與單采最終采出量差異不大。圖3(b)為不同滲透率比情況下合采效率，滲透率比值不同時，合采效率沒有明顯規(guī)律，說明滲透率比值差異與合采效果無關。

圖3 兩氣聯(lián)采合采效率

雖然滲透率差異對合采效率影響不大，但滲透率值對合采產量影響顯著。以煤層滲透率為例，合采累產量隨滲透率增大而大幅增加(圖4)。若煤層滲透率太低，對合采產量貢獻不大，考慮到合采煤層可能帶來的煤粉產出、堵塞、頻繁修井風險，此時不建議合采該煤層。

圖4 煤層滲透率對合采累產量影響

圖5 致密層含水性對合采效果影響分析

2.3 致密層含水性對合采效果影響

含水性通常用含水飽和度來表征，影響著合采效果。當原始含水飽和度小于束縛水飽和度時，致密層遇水后吸水，發(fā)生水鎖效應。當原始含水飽和度大于束縛水飽和度時，致密層遇水后水鎖效應不明顯。

可以用相滲曲線來示意說明。圖5(a)所示為臨興地區(qū)某層段巖心相滲曲線，束縛水飽和度為50%，若儲層原始含水為30%，低于束縛水飽和度，則氣相相滲為0.3，若儲層含水等于束縛水飽和度，此時氣相相滲為0.21。對于原始含水低于束縛水飽和度儲層，遇水后發(fā)生吸水現(xiàn)象，有效滲透率下降，有效滲透率下降30%。

圖5(b)對比了該相滲曲線下致密層原始含水30%、50%和60%情況下兩氣合采時致密層采出程度，可以看出，含水飽和度小于束縛水飽和度時，合采后20年采出程度從55.7%降到35.9%，而當含水飽和度大于束縛水飽和度時，合采后20年采出程度與含水飽和度等于束縛水飽和度時相差不大。進一步說明兩氣合采時，若致密氣含可動水，煤層水對致密層影響不大，若致密層不含可動水，此時煤層水對致密氣產量影響大，不建議合采。

2.4 煤層解吸壓力對合采效果影響

解吸壓力是煤層氣開發(fā)關鍵參數(shù)，當?shù)貙訅毫Φ陀诮馕鼔毫r，煤層吸附氣開始解吸產出。對于煤層氣-致密氣合采情況，地層壓力低于解吸壓力是煤層氣開始貢獻產量的先決條件。由于合采時煤層-致密層共用一個井筒，井底流壓低于該解吸壓力時煤層才會產氣，若煤層解吸壓力低，合采時，最極端的情況是致密氣衰竭開發(fā)完或大部分已開發(fā)完，煤層才會貢獻，此時合采變成接替開發(fā)。從該角度來說，低解吸壓力煤層不適合于致密氣合采。

圖6為煤層不同解吸壓力時合采20年累產量對比，可以看出，解吸壓力為2MPa時，累產2000萬m3，當解吸壓力增加到6MPa時，累產為4000萬m3，解吸壓力對累產量具有較大影響，直接影響合采經濟性。

圖6 煤層解吸壓力對合采產量影響

3 合采選層建議

通過前文合采干擾機制與產量控制因素的分析，煤層氣-致密氣合采選層應注意幾個關鍵點：

(1)致密層含水性及水鎖特征

致密層含水性是決定是否適合合采的關鍵因素。由于煤層氣開發(fā)排水降壓產氣的特點，會造成或多或少的水倒灌進入致密層，若致密層水鎖現(xiàn)象不明顯，則該作用對合采效果影響不大，若致密層水鎖現(xiàn)象明顯，則該致密層不適合合采，建議單獨開發(fā)以規(guī)避風險。因此，對不含層內可動水的致密層，不建議與煤層合采。

(2)煤層氣解吸壓力

煤層氣解吸壓力是煤層氣解吸產出的臨界壓力。在合采確定前，需判斷煤層氣臨儲比，臨儲比過小不適合合采。合采時解吸壓力和臨儲比需滿足的條件要結合經濟性進行判斷。

(3)兩氣工作制度的特殊要求

煤層氣緩慢穩(wěn)定的排采降壓要求限制了致密氣的產氣速度，使得整體投資回收期延長。因此，在兩氣合采優(yōu)選時，要充分考慮煤層氣排采工作制度對整體產量和經濟效益的影響。

(4)是否具有經濟性

是否具有經濟性是決定兩氣合采適合與否的最終指標。合采時，單層開發(fā)收益應至少大于該層壓裂費用，合采開發(fā)收益應滿足在指定折現(xiàn)率時凈現(xiàn)值大于零。同時應對比合采開發(fā)是否優(yōu)于分層開發(fā)、接替開發(fā)等。