煤層氣直井產(chǎn)氣曲線特征及其與儲層條件匹配性

韓文龍，王延斌，劉 度，常 宏，丁 濤

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煤層氣直井產(chǎn)氣曲線特征及其與儲層條件匹配性

韓文龍，王延斌，劉 度，常 宏，丁 濤

(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

煤層氣產(chǎn)氣曲線類型與地質條件的匹配與否直接影響產(chǎn)氣效果。以沁水盆地柿莊南區(qū)塊排采4 a以上的直井為研究對象，在產(chǎn)氣曲線類型劃分基礎上，分析不同產(chǎn)氣曲線特征，進一步分析產(chǎn)氣曲線與儲層參數(shù)的匹配性。結果表明：研究區(qū)產(chǎn)氣曲線可劃分為單峰快速上升、單峰穩(wěn)定上升、雙峰后低和雙峰后高4種類型。產(chǎn)氣曲線所表現(xiàn)出的特征受控于儲層原始滲透率，儲層動力及壓裂效果。單峰快速上升型適用于含氣量大于12 m3/d、臨儲比大于0.4 和滲透率大于 0.1×10-3μm2的儲層，該種曲線容易造成產(chǎn)氣量的驟降；單峰穩(wěn)定上升型適用的儲層條件廣泛，與儲層參數(shù)匹配性較高；雙峰后低型產(chǎn)氣效果整體不佳，與儲層參數(shù)的匹配性差；雙峰后高型適用于壓裂效果較好的井、對儲層原始參數(shù)要求較低，其后峰產(chǎn)氣量的增加速率影響整體的排采效果?；谏鲜龇治觯瑢觿澐譃槠叻N類型，對研究區(qū)及其相鄰區(qū)塊實施“一井一策”的排采制度具有重要的指導意義。

煤層氣直井；產(chǎn)氣曲線特征；儲層條件；匹配性；沁水盆地

目前，全國大部分的煤層氣井表現(xiàn)出低產(chǎn)低效的特征。排采工作是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，合理的排采制度能夠延長產(chǎn)氣高峰維持時間進而提高排采效率。我國煤層氣排采制度經(jīng)歷了“快速降壓”—“連續(xù)、漸變、穩(wěn)定、長期”—“五段三壓四點”3個階段[1]。排采的目的是改變地質環(huán)境，使吸附在煤層中的氣體得到釋放[2]。合理控制產(chǎn)水產(chǎn)氣速率是增大泄壓面積的關鍵，產(chǎn)水過快近井地帶有效應力增加，降壓漏斗擴展有限；產(chǎn)氣過快，氣體占用液體通道，造成產(chǎn)液困難，影響降壓漏斗的擴展[3]?，F(xiàn)階段多集中在物理實驗和數(shù)值模擬等方面分析排采過程中滲透率的變化[4-8]，但實際地質環(huán)境相對復雜，研究結果適用范圍有限?；诂F(xiàn)場實際生產(chǎn)資料分析排采合理性更具有實際的指導價值[9-11]，鑒于煤層氣儲層非均質強，地質參數(shù)橫向和縱向上變化較大的特性[12-13]，不同儲層特征所適應的排采制度應有所不同。

筆者基于沁水盆地柿莊南煤層氣商業(yè)開發(fā)區(qū)實際生產(chǎn)資料，在排采機理分析的基礎上對煤層氣產(chǎn)氣曲線類型和產(chǎn)氣階段進行劃分，通過分析影響排采制度關鍵地質參數(shù)與平均產(chǎn)氣量之間的關系，獲得研究區(qū)不同地質類型下合理的產(chǎn)氣曲線類型，對制定研究區(qū)及其地質條件相似區(qū)塊的合理排采制度具有重要指導意義。

1 地質概況

柿莊南區(qū)塊位于沁水盆地南部，含煤地層為石炭–二疊系太原組和二疊系山西組，穩(wěn)定發(fā)育3號和15號煤層，其中3號煤層厚度1.35~11.00 m，平均6.30 m，埋深515~1 082 m，為主要開發(fā)煤層；15號煤層厚度1.10~6.25 m，平均3 m左右。自煤層形成以后共經(jīng)歷印支期、燕山期和喜馬拉雅期3期構造運動，多期構造運動耦合下形成北部以斷層發(fā)育為主，南部以復式褶皺為主的構造格局。研究區(qū)地下水動力場較簡單，自東南向西北流動，南部受頂?shù)装迥鄮r隔水層的阻擋，層間補給相對較少，北部大的斷裂溝通頂?shù)装搴畬?，導致煤層氣井產(chǎn)水量較高。

2 煤層氣排采機理與生產(chǎn)特征

2.1 排采機理

煤層氣排采主要通過排水降壓的方式來降低煤層中的壓力，進而使吸附在煤基質表面的氣體得到解吸，再通過擴散–滲流的方式進入井筒，其實質為釋放煤層中壓力的過程。壓力釋放順序為宏觀裂隙—顯微裂隙—煤層表面，并由近井向遠井傳遞。因此，盡可能使更多面積的壓力降低到臨界解吸壓力以下才能獲得更大經(jīng)濟效益[14]。

我國高階煤儲層基本處于欠飽和狀態(tài)，這就決定了煤層氣滲流過程包括3個階段(圖1)：第一階段為單相水流階段，即儲層壓力降低到臨界解吸壓力之前，煤層中氣體尚未解吸，井筒中只有水產(chǎn)出，該階段儲層壓力不斷下降，有效應力增大，導致裂縫閉合，滲透率降低，氣水產(chǎn)出阻力變大；第二階段為非飽和流階段，近井地帶的儲層壓力達到臨界解吸壓力以下，氣體開始解吸，呈不連續(xù)氣流，該階段氣體解吸量較少，基質收縮效應影響較小，仍以有效應力作用為主，儲層滲透率繼續(xù)降低；第三階段為氣水兩相流階段，隨著壓降漏斗的進一步擴展，氣體大量解吸，形成連續(xù)的氣流，隨著氣體的大量解吸，基質收縮效應起主導作用，并產(chǎn)生氣體滑脫效應，滲透率增大[15-16]。當井筒中的氣體連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出后，由井筒至遠端依次為氣水兩相流、非飽和流和單相水流階段[17]。

圖1 煤層氣排采的3個滲流階段[17]

2.2 生產(chǎn)特征

煤層氣產(chǎn)出機理決定了排采過程具有階段性，不同的排采階段煤層氣井產(chǎn)水產(chǎn)氣差異較大[18]。以研究區(qū)排采時間在4 a以上且排采較為連續(xù)井作為研究對象，其依據(jù)：① 4 a以上生產(chǎn)井的排采制度基本定型；②保證所有井都已達到產(chǎn)氣高峰，并維持一定時間；③ 4 a以上井產(chǎn)氣曲線類型更加顯著；④ 4 a以上井排采時間差距不大，具有較強的可比性；⑤排采較為連續(xù)可消除停機事故對產(chǎn)氣特征的影響。

基于以上要求，研究區(qū)共151口生產(chǎn)井滿足上述條件，截至2018年3月14日，排采時間在1 700~ 3 000 d，均經(jīng)歷了單相水流階段和產(chǎn)氣高峰階段，并出現(xiàn)不同程度的產(chǎn)氣衰減。平均產(chǎn)氣量40~3 040 m3/d，峰值產(chǎn)氣量220~4 800 m3/d，累計產(chǎn)氣量介于17~600萬m3，平均產(chǎn)水量0.3~10.2 m3/d，最大產(chǎn)水量介于2~40 m3/d。單相水流時間1~502 d，產(chǎn)氣高峰維持時間60~2 640 d。

3 產(chǎn)氣曲線類型劃分及其地質參數(shù)特征

通過對所選井排采數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，井底流壓可劃分為快速下降和穩(wěn)壓波動2個變化階段，快速下降階段壓力從初始井底流壓快速下降到0.5~1.0 MPa，下降速率0.012~0.056 MPa/d；穩(wěn)定波動階段壓力維持在0.2~1.8 MPa。所選井底流壓變化特征類似，但產(chǎn)氣曲線表現(xiàn)出不同的變化特征，可將其劃分為4種類型(圖2)，分別為單峰快速上升型，共計56口，占37.1%；單峰穩(wěn)定上升型，共計53口，占35.1%；雙峰后低型，共計12口，占7.9%；雙峰后高型，共計30口，占19.9%。

3.1 單峰快速上升型

單峰快速上升型產(chǎn)氣曲線表現(xiàn)為初期經(jīng)歷較長的單相水流階段或低產(chǎn)氣階段，使降壓漏斗得到充分擴展，檢泵后產(chǎn)氣突然增加，無明顯的產(chǎn)氣上升階段或維持時間較短(圖2a)，可以劃分為單相水流、峰前低產(chǎn)或產(chǎn)氣快速上升、產(chǎn)氣高峰以及峰后低產(chǎn)4個階段。對56口井各階段持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單相水流階段為1~304 d，峰前低產(chǎn)階段為205~1 877 d，產(chǎn)氣快速上升階段為26~277 d，產(chǎn)氣高峰階段為206~2 556 d。

由儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系(圖3)可知，當儲層初始滲透率較高(一般大于0.1×10-3μm2)，滲透性較好，含氣飽和度一般大于50%，臨儲比大部分大于0.4，儲層產(chǎn)水產(chǎn)氣較容易，降壓漏斗擴展容易，當降壓漏斗得到充分擴展后，氣體很容易產(chǎn)出，會出現(xiàn)產(chǎn)氣突然增高的現(xiàn)象。

圖2 產(chǎn)氣曲線類型劃分

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，當含氣量小于12 m3/t、含氣飽和度小于60%和臨儲比小于0.4時，產(chǎn)氣量難以達到700 m3/d。以006井為例(圖4)，其含氣量13.99 m3/t、含氣飽和度58%、滲透率0.36×10-3μm2、臨儲壓力比0.43，采用此種類型的產(chǎn)氣曲線很容易達成產(chǎn)氣高峰，但難以維持較長時間，并且會出現(xiàn)產(chǎn)氣量陡然降低的現(xiàn)象。

分析認為，由于產(chǎn)氣量突然升高，井筒遠端的氣體無法快速補充，近井地帶儲層中的氣體大量解吸產(chǎn)出以補充井筒較大的產(chǎn)氣量，且占用大量的產(chǎn)液通道，造成儲層產(chǎn)水阻力變大，當儲層壓力梯度較低，降壓漏斗擴展更加困難，井筒遠端氣體難以靠水壓降低解吸，氣壓傳遞引起的氣體解吸成為主力，如果儲層含氣量和含氣飽和度較低時，氣壓傳遞較慢，進一步造成遠端氣體難以解吸運移產(chǎn)出。因此，產(chǎn)氣高峰很難維持較長時間，并可能出現(xiàn)陡然下降的現(xiàn)象。綜上認為，當儲層滲透性較大，但煤層氣資源量、含氣飽和度和儲層壓力梯度較差時，應慎重采用該種排采制度，避免造成產(chǎn)氣陡然降低的現(xiàn)象，影響煤層氣井整體的排采效果。

圖3 單峰快速上升型儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系

圖4 006 井產(chǎn)氣曲線特征

3.2 單峰穩(wěn)定上升型

單峰穩(wěn)定上升型產(chǎn)氣曲線表現(xiàn)為排采初期產(chǎn)氣量緩慢上升，隨后達到產(chǎn)氣高峰，形成單峰穩(wěn)定上升型，根據(jù)單峰穩(wěn)定上升型曲線(圖2b)特征，可以將其劃分為單相水流、峰前低產(chǎn)、產(chǎn)氣上升、產(chǎn)氣高峰和峰后低產(chǎn)5個階段。對53口井各階段持續(xù)時間統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單相水流階段為4~428 d，峰前低產(chǎn)階段為65~2 022 d，產(chǎn)氣上升階段為117~1 098 d，產(chǎn)氣高峰階段為204~2 077 d。

由儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系(圖5)可知，當儲層含氣量大于10 m3/t，含氣飽和度一般大于50%，初始滲透率為(0.01~0.6)×10-3μm2，臨儲比大于0.3，其滲透性整體較單峰快速上升型差，氣水運移阻力較大，根據(jù)儲層的供液、供氣能力，緩慢增加產(chǎn)氣量使其逐步達到產(chǎn)氣高峰且能夠維持較長的時間，進而表現(xiàn)出單峰穩(wěn)定上升的產(chǎn)氣曲線特征。

由儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系(圖5)還可以看出，當含氣量小于12 m3/t、含氣飽和度小于60%，滲透率小于0.1×10-3μm2和臨儲比小于0.4時，產(chǎn)氣量仍能達到500 m3/d，因此，該種產(chǎn)氣曲線對于儲層動力條件較差、滲透性較低的井比較適用。當資源量和儲層動力條件較好時，合理地控制產(chǎn)氣量的增速是決定排采效果的關鍵，產(chǎn)氣量增加過快時，氣體占用大量滲流通道，造成產(chǎn)液困難，影響降壓漏斗的擴展[19-20]；產(chǎn)氣量增加過慢，排采周期變長，造成經(jīng)濟浪費，并且近井地帶氣體未大量解吸之前，有效應力長時間起主導作用，滲透率長期處在較低水平，影響氣液的產(chǎn)出。

3.3 雙峰后低型

雙峰后低型產(chǎn)氣曲線表現(xiàn)為見氣經(jīng)歷短暫的低產(chǎn)階段或產(chǎn)氣上升階段后達到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣高峰維持時間較短，隨后進入較長的低產(chǎn)氣階段，降壓漏斗得到充分擴展后，產(chǎn)氣緩慢上升，達到第二個產(chǎn)氣高峰，但峰值產(chǎn)氣量遠遠低于第一個峰值產(chǎn)氣量。根據(jù)產(chǎn)氣特征(圖2c)可以劃分為單相水流、第一個低產(chǎn)、第一個產(chǎn)氣高峰、第二低產(chǎn)或產(chǎn)氣上升和第二產(chǎn)氣高峰等階段。對12口井各階段持續(xù)時間統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單相水流階段為1~199 d，第一個低產(chǎn)階段為30~244 d，第一個產(chǎn)氣高峰為54~829 d。

圖5 單峰穩(wěn)定上升型儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系

由儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系(圖6)可知，儲層原始滲透性好，初始滲透率較高(一般大于0.1×10-3μm2)，含氣量一般大于10 m3/t，含氣飽和度一般大于60 %，臨儲比大于0.4，該種產(chǎn)氣曲線類型的煤層氣井具有優(yōu)質的儲層地質條件，且壓裂效果好。因此，可以迅速形成第一個產(chǎn)氣高峰，但氣體未發(fā)生大面積解吸，造成產(chǎn)氣高峰難以維持；隨著降壓漏斗的進一步擴展，產(chǎn)氣量回升，表現(xiàn)出雙峰后低型的產(chǎn)氣曲線特征。

圖6 雙峰后低型儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系

如圖2c所示，較“單峰快速上升型”曲線，雙峰后低型產(chǎn)氣曲線缺少峰前的長時間單相水流或低產(chǎn)階段，降壓漏斗未得到有效擴展后突然增加產(chǎn)氣量，氣體占用大量滲流通道，產(chǎn)液困難，降壓漏斗擴展受限；遠端氣體難以快速補給，近井地帶解吸氣體有限，產(chǎn)氣量難以維持，造成產(chǎn)氣量不斷降低；儲層初始滲透性好，氣壓能夠不斷傳遞同樣促使氣體大量解吸，產(chǎn)氣量得以回升，但很難達到原有水平，影響最終的采收率。因此，不建議研究區(qū)采用該種排采方式。

3.4 雙峰后高型

該種產(chǎn)氣曲線表現(xiàn)為見氣后迅速形成一個產(chǎn)氣小高峰，但產(chǎn)氣量不大，隨后經(jīng)歷較長的低產(chǎn)階段或產(chǎn)氣上升階段后達到產(chǎn)氣高峰，根據(jù)產(chǎn)氣特征(圖2d)可以劃分為單相水流、產(chǎn)氣小高峰、峰前低產(chǎn)和產(chǎn)氣高峰等階段。對30口井各階段持續(xù)時間統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單相水流階段為7~495 d，產(chǎn)氣小高峰階段為35~502 d，峰前低產(chǎn)階段為264~2 732 d，產(chǎn)氣上升階段為55~1 044 d，產(chǎn)氣高峰階段為122~1 355 d。

該種產(chǎn)氣曲線類型的煤層氣井壓裂效果較好，初期壓裂縫所溝通區(qū)域內(nèi)的液體能夠快速排出，因此能夠產(chǎn)生第一個產(chǎn)氣小高峰；由儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系(圖7)可知，儲層初始滲透率為(0.02~ 0.7)×10-3μm2，相對雙峰后低型較差；含氣飽和度一般大于50%，臨儲比0.2~1；含氣量為8~23 m3/t；氣水運移阻力較大，降壓漏斗擴展較難，因此，第一個產(chǎn)氣小高峰難以維持較長時間，在經(jīng)歷較長時間的排采降壓后達到第二個產(chǎn)氣高峰并維持。

該種產(chǎn)氣曲線可進一步劃分為后峰快速上升型(圖8)和后峰穩(wěn)定上升型(圖2d)，其產(chǎn)氣曲線特征與儲層參數(shù)的匹配性對產(chǎn)氣產(chǎn)水效果影響較大，以典型的007井(后峰快速上升型)和003井(后峰穩(wěn)定上升型)為例，其儲層的主要參數(shù)如表1所示。

007井產(chǎn)氣特征：單相水流時間為98 d，平均動液面降速為2.3 m/d；第一個產(chǎn)氣高峰維持時間203 d，峰值產(chǎn)氣量為550 m3/d；隨后進入772 d的低產(chǎn)階段，檢泵后產(chǎn)氣量由200 m3/d陡增至1 300 m3/d，平均增速12.5 m3/d，產(chǎn)氣高峰維持335 d；截至2018年3月14日，最大產(chǎn)氣量為1 350 m3/d，累計產(chǎn)氣量為125.76萬m3，累計產(chǎn)水量2 215.6 m3。003井單相水流時間為30 d，平均動液面降速為9.4 m/d，第一個產(chǎn)氣高峰維持時間342 d，隨后進入450 d 的低產(chǎn)階段，檢泵后產(chǎn)氣量由680 m3/d 緩慢增至2 400 m3/d，平均增速2.4 m3/d，產(chǎn)氣高峰維持293 d，截至2018年3月14日，最大產(chǎn)氣量2 610 m3/d，累計產(chǎn)氣量253.30萬m3，累計產(chǎn)水量1 283.5 m3。

圖7 雙峰后高型儲層參數(shù)與產(chǎn)氣量關系

兩口井的含氣量相差不大，007井滲透性、含氣飽和度和臨儲壓力比等參數(shù)較003井好，并且由產(chǎn)液特征表明，前者供液能力較后者強，因此，007井應盡可能多地排除儲層中的液體，擴大排采影響范圍，采用快速產(chǎn)氣的方式，將影響液體的產(chǎn)出。相比之下，007井產(chǎn)氣曲線類型與儲層參數(shù)匹配性較差，導致其最大產(chǎn)氣量與累計產(chǎn)氣量僅是003井的一半。

圖8 雙峰后高型典型井產(chǎn)氣曲線特征-007井

表1 雙峰后高型典型井產(chǎn)氣特征

3.5 儲層類型

根據(jù)上述儲層參數(shù)與產(chǎn)氣曲線類型的關系，將研究區(qū)儲層劃分為7種類型(表2)，并提出了針對性的排采建議。

表2 儲層類型劃分及排采建議表

4 結論

a.儲層原始滲透性、壓裂效果和動力條件決定了產(chǎn)氣曲線特征，壓裂效果一般的井多表現(xiàn)為單峰型，壓裂效果較好的井多表現(xiàn)為雙峰型，儲層原始滲透性及動力條件影響產(chǎn)氣量的增速。

b.研究區(qū)產(chǎn)氣曲線可劃分為單峰快速上升型、單峰穩(wěn)定上升型、雙峰后高型和雙峰后低型4種類型。單峰快速上升型對儲層參數(shù)要求較為苛刻，排采過程中容易造成產(chǎn)氣驟降；單峰穩(wěn)定上升型能夠適用更廣泛的儲層條件，但要合理地控制產(chǎn)氣量的增速；雙峰后低型與儲層匹配性差；雙峰后高型適用的儲層條件較為廣泛，應重點控制后峰的產(chǎn)氣增速。

c. 基于不同儲層參數(shù)所表現(xiàn)出的產(chǎn)氣曲線特征，研究區(qū)儲層可劃分為7種類型，并給出了相應的排采建議，這對研究區(qū)及其相鄰區(qū)塊實施針對性的排采制度具有重要的指導意義。

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The matching of gas production curve characteristic and reservoir conditions in vertical coalbed methane wells

HAN Wenlong, WANG Yanbin, LIU Du, CHANG Hong, DING Tao

(School of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

The matching of coalbed methane(CBM) production curve type and geological conditions directly affects the gas production. Based on dividing gas production curves types of vertical CBM wells in the southern block of Shizhuang in Qinshui basin over 4 years, the characteristics of gas production curve were analyzed. The matching of gas production curve with reservoir parameters was further analyzed. The paper discovered and divided the gas production curve into four types: type of fast rising of single peak, type of stable rising of single peak, bimodal type of being low later and bimodal type of being high later. The original permeability, dynamic condition, and fracturing effect control the characteristics of gas production curve. The reservoir parameters of the type of fast rising of single peak has high gas content(>12 m3/d), high permeability(>0.1×10-3μm2), high specific value of critical desorption pressure and reservoir pressure(>0.4). This kind of curve is easy to cause sharp drop of gas production in the peak period. The type of stable rising of single peak is applicable in a wide range of reservoir conditions. Gas production of bimodal type of being low of is usually lower than other types. The gas production curve is poorly matched to the reservoir characteristics. The bimodal type of being high later is suitable for wells with better fracturing effect and have lower requirements for reservoir parameters. Gas production growth rate of the back peak determines the gas production effect. On the basis of above analysis, the reservoir is divided into seven types, which has important guiding significance for the implementation of the “one well and one scheme” drainage system in the study area and its adjacent blocks.

vertical coalbed methane wells; gas production curve characteristic; reservoir condition; matching; Qinshui basin

National Science and Technology Major Project(2017ZX05064-005)

韓文龍，1991年生，男，河北唐山人，博士研究生，從事非常規(guī)油氣地質及開發(fā)研究工作. E-mail：hanwl0417@126.com

韓文龍，王延斌，劉度，等. 煤層氣直井產(chǎn)氣曲線特征及其與儲層條件匹配性[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：97–104.

HAN Wenlong，WANG Yanbin，LIU Du，et al.The matching of gas production curve characteristic and reservoir conditions in vertical coalbed methane wells[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：97–104.

1001-1986(2019)03-097-08

P618. 11

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.016

2018-05-25

國家科技重大專項課題(2017ZX05064-005)

(責任編輯 范章群)