松河井田多煤層資源開發(fā)條件及合采儲(chǔ)層傷害特征

胡海洋，趙凌云，陳 捷

(貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081)

貴州省煤層氣資源總量為3.15萬億m3，約占全國煤層氣資源總量的10%，全國排名第二，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。通過分析貴州地區(qū)煤層氣井在開發(fā)利用過程中的傷害規(guī)律，制訂合理的煤層氣排采控制方案，降低煤層氣排采控制對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣量的影響，可有效緩解該地區(qū)燃?xì)赓Y源短缺的局面。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤層氣井排采過程中的傷害機(jī)理及變化規(guī)律的研究主要基于壓敏效應(yīng)、速敏效應(yīng)、賈敏效應(yīng)[1-3]，研究排采過程中壓降控制對(duì)煤層吐砂吐粉及產(chǎn)氣的影響，進(jìn)而分析不同排采階段的排采傷害機(jī)理[4-6]。根據(jù)煤層氣井的傷害機(jī)理并結(jié)合煤層氣井的實(shí)際排采資料，提出對(duì)應(yīng)的煤層氣控制措施，并對(duì)煤層氣井產(chǎn)能進(jìn)行研究[7-8]。

筆者以松河井田煤層氣井為例，根據(jù)研究區(qū)煤層氣資源開發(fā)條件，結(jié)合煤層氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析多煤層合層煤層氣排采過程中的儲(chǔ)層傷害特征，以期為多煤層合層開發(fā)煤層氣資源提供借鑒和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)資源與開發(fā)條件

1.1 資源條件

煤層氣資源量是煤層氣開發(fā)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。煤層氣資源量大小可以用資源豐度來表示，資源豐度越高，煤層氣開發(fā)潛力越大。貴州地區(qū)多煤層發(fā)育，其煤層氣資源豐度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為煤層氣資源豐度，108m3/km2；ρi為第i個(gè)煤層的密度，t/m3；hi為第i個(gè)煤層的厚度，m；Vi為第i個(gè)煤層的含氣量，m3/t。

根據(jù)式(1)可以看出，煤層密度、厚度、含氣量等參數(shù)對(duì)煤層氣資源豐度有影響。在同一個(gè)研究區(qū)內(nèi)，密度一般變化較小，但當(dāng)煤層厚度及含氣量變化較大時(shí)煤層氣資源豐度就主要受煤層厚度和含氣量的影響。

研究區(qū)龍?zhí)督M自下而上發(fā)育煤層40～70層，平均為48層，主要可采煤層有17層，含煤總厚度為 37～47 m，平均厚度為41 m，具有“煤層多、單層薄、累厚大、成群分布”的特點(diǎn)[9]，埋深均在1 000 m以淺，煤層含氣性較好，煤層氣資源豐度達(dá)到2.09×108m3/km2，屬于中等資源豐度的煤層氣開發(fā)區(qū)塊，高于華北區(qū)的煤層氣平均資源豐度[10]，可采取分段壓裂、合層排采的方式對(duì)多個(gè)煤層進(jìn)行煤層氣開發(fā)，開發(fā)潛力較大。

1.2 開發(fā)條件

煤層氣井開發(fā)地質(zhì)條件主要包括煤層的導(dǎo)流能力和地層能量。煤層導(dǎo)流能力好、地層能量高，有利于壓裂液快速返排和壓降漏斗擴(kuò)展，促進(jìn)煤層有效解吸半徑擴(kuò)大。煤層導(dǎo)流能力受煤層滲透率、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力的影響較大；煤層壓力系數(shù)、含氣飽和度、臨儲(chǔ)比等參數(shù)反映了地層能量的高低[11-12]。

1.2.1 煤層導(dǎo)流能力

1)地應(yīng)力與滲透率。地應(yīng)力對(duì)煤層滲透率起到至關(guān)重要的控制作用[11]，隨著地應(yīng)力增加，煤層滲透率出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。研究區(qū)最小水平主應(yīng)力為10.67～21.01 MPa，平均為13.98 MPa；最大水平主應(yīng)力為13.12～25.84 MPa，平均為16.65 MPa。根據(jù)試井解釋結(jié)果，該區(qū)煤層主要為中滲儲(chǔ)層，滲透率為(0.044～0.210)×10-15μm2，平均為0.113×10-15μm2。研究區(qū)最小水平主應(yīng)力、滲透率與煤層埋深關(guān)系如圖1 所示。

圖1 最小水平主應(yīng)力、滲透率與煤層埋深關(guān)系圖

從圖1可以看出，隨煤層埋深的增加，最小水平主應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，而滲透率的變化在埋深730 m左右處發(fā)生轉(zhuǎn)折，730 m以淺呈上升趨勢(shì)，730 m以深呈下降趨勢(shì)。

2)煤體結(jié)構(gòu)。煤體結(jié)構(gòu)受地應(yīng)力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響較大，原生結(jié)構(gòu)煤和完整性較好的碎裂煤，適合進(jìn)行煤層氣開發(fā)。而碎粒煤和完整性較差的糜棱煤，在目前的技術(shù)條件下不適宜進(jìn)行煤層氣開發(fā)。研究區(qū)內(nèi)煤層除中煤組的17#煤層之外，其余均為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，適合進(jìn)行分段壓裂、合層排采。

1.2.2 地層能量

1)壓力系數(shù)及含氣飽和度。根據(jù)注入壓降試井測(cè)試結(jié)果，研究區(qū)煤層為常壓至超壓煤層，壓力系數(shù)均大于1，最大達(dá)到1.37，說明地層能量較高，便于壓裂液的返排和壓降漏斗的擴(kuò)展，有利于煤層氣井形成高產(chǎn)氣流。根據(jù)等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果，確定煤層為飽和至過飽和煤層，最大含氣飽和度達(dá)到180%。數(shù)據(jù)表明煤層中存在大量的游離態(tài)氣體，地層能量高，排采過程中見套壓較快。研究區(qū)主要煤層含氣飽和度及壓力系數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)主要煤層含氣飽和度及壓力系數(shù)參數(shù)

2)臨儲(chǔ)比。煤層臨儲(chǔ)比越高，煤層氣井見套壓前壓降幅度越小，見氣時(shí)間短；降低見套壓前有效應(yīng)力對(duì)煤層滲透率的影響，擴(kuò)大基質(zhì)收縮引起的滲透率上升對(duì)煤層的影響，促進(jìn)煤層流體產(chǎn)出[13]。研究區(qū)煤層氣井壓裂煤層的解吸參數(shù)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 研究區(qū)煤層氣井煤層解吸參數(shù)數(shù)據(jù)

由表2可知，700 m以淺煤層的臨儲(chǔ)比相對(duì)較高，平均為0.71，如開采上部煤層，煤層氣井的產(chǎn)能突破1 000 m3/d的可能性較高；深部煤層受高原始儲(chǔ)層壓力的影響，臨儲(chǔ)比相對(duì)較低，煤層解吸前的壓降幅度大，對(duì)煤層滲透率的影響較700 m以淺的煤層更顯著。

2 煤層氣井生產(chǎn)特征

以貴州省松河井田3號(hào)煤層氣井為例，通過分析該井煤層氣正常排采階段和停抽階段的生產(chǎn)特征，全面分析煤層氣井在不同生產(chǎn)階段的儲(chǔ)層傷害特征，對(duì)指導(dǎo)煤層氣井各階段的生產(chǎn)，具有較大的指導(dǎo)意義。該井井深1 101 m，最大井斜69.3°，壓裂3段。2015年1月23日開始抽排，累計(jì)排采時(shí)間超過4 a，由于井斜大，采用同心水力泵進(jìn)行排采。

2.1 正常排采階段

根據(jù)3號(hào)煤層氣井排采資料，產(chǎn)氣800 m3/d以上90 d，平均日產(chǎn)氣1 050 m3，其中2015年5月7日至5月14日，日產(chǎn)氣從887 m3提高至1 863 m3。井底流壓從3.795 MPa下降至3.363 MPa，井底流壓下降0.432 MPa，井底流壓日降幅0.054 MPa，1+3#煤層的液柱高度為35.175 m。

2.2 停抽階段

根據(jù)3號(hào)煤層氣井排采資料，該井共修井3次。2015年5月30日至6月7日，累計(jì)修井作業(yè)9 d；2015年7月3日至7月16日，累計(jì)修井作業(yè)14 d；2015年8月15日至10月18日，累計(jì)修井作業(yè)65 d。第1次與第2次修井作業(yè)之間排采時(shí)間為25 d，第2次與第3次修井作業(yè)之間排采時(shí)間為29 d。第1次修井作業(yè)之前，日產(chǎn)氣量最高達(dá)1 863 m3，第3次修井作業(yè)之后最高日產(chǎn)氣量為421 m3，日產(chǎn)氣量下降了1 442 m3；3次修井作業(yè)累計(jì)停抽88 d，停抽時(shí)間較長，對(duì)煤層造成的永久性傷害較大。

3 合采儲(chǔ)層傷害特征及排采工藝對(duì)策

3.1 合采儲(chǔ)層傷害特征

該區(qū)3號(hào)煤層氣井在開抽后4個(gè)月時(shí)間內(nèi)的排采曲線如圖2所示。

圖2 3號(hào)煤層氣井開抽后至作業(yè)前排采曲線

由圖2可知，產(chǎn)水量維持在2 m3/d以上，最高產(chǎn)水量達(dá)到7 m3/d，且維持時(shí)間短。在4個(gè)月時(shí)間內(nèi)，日產(chǎn)水量達(dá)到最高后呈階梯式下降，產(chǎn)水量迅速下降至5 m3/d左右，且產(chǎn)水量大小頻繁波動(dòng)，此后日產(chǎn)水量經(jīng)過10 d左右的調(diào)節(jié)，下降至3 m3/d左右。3號(hào)煤層氣井采用同心水力泵進(jìn)行排采，調(diào)節(jié)沖次后，產(chǎn)水變化量具有滯后性，產(chǎn)水變化量滯后沖次調(diào)節(jié)8 h以上，而且同心水力泵在洗井過程中地層產(chǎn)水明顯減緩，導(dǎo)致產(chǎn)水量的不穩(wěn)定，頻繁波動(dòng)。

3號(hào)煤層氣井快排試驗(yàn)的排采曲線如圖3所示。

圖3 3號(hào)煤層氣井快排試驗(yàn)階段井底流壓變化曲線

由圖3可知，在快排試驗(yàn)的8 d時(shí)間內(nèi)，井底流壓下降了0.432 MPa，且井底流壓降幅呈上升趨勢(shì)，平均井底流壓降幅為0.054 MPa/d，在快排試驗(yàn)前1天的井底流壓降幅為0.007 MPa/d，在快排試驗(yàn)之前1個(gè)月內(nèi)的平均井底流壓降幅為0.011 MPa/d，由此可以看出，在快排階段的井底流壓降幅明顯增大，流體流速快速變化，此過程中的儲(chǔ)層傷害主要為速敏傷害?？炫沤Y(jié)束后第3天出現(xiàn)卡泵、井底流壓快速下降、不產(chǎn)水等情況，由于快排試驗(yàn)導(dǎo)致的速敏傷害顯現(xiàn)出來。

在停抽作業(yè)期間，井筒內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量支撐劑；在快排試驗(yàn)期間，井筒附近的支撐劑及煤粉等顆粒物隨水流排至井筒內(nèi)且大量聚集，當(dāng)泵筒內(nèi)的煤粉及支撐劑難以迅速排出時(shí)，就會(huì)因其沉積而引起卡泵現(xiàn)象。支撐劑大量排出也表明煤層的孔裂隙失去有效支撐，對(duì)煤層造成應(yīng)力敏感傷害。

井筒內(nèi)清洗出的固體顆粒物(見圖4)既有支撐劑，也有煤粉顆粒。對(duì)比壓裂支撐劑樣品與井筒內(nèi)撈出的支撐劑(見圖5)可知，煤層中返排的支撐劑以細(xì)砂、中砂為主，含少量粗砂。煤層氣井被壓裂過程，依次加入細(xì)砂、中砂、粗砂。煤層中返排的固體顆粒以細(xì)砂、中砂、煤粉為主，一方面說明快排試驗(yàn)期間，煤層孔裂隙中的流體流速較快，能夠?qū)⒖琢严吨械募?xì)砂、中砂及煤粉帶出；另一方面也說明煤層遠(yuǎn)處的煤粉顆粒流向煤層氣井井筒附近煤層，堵塞了煤層氣井井筒附近粗砂的間隙，對(duì)煤層滲透率造成二次傷害。

圖4 3號(hào)煤層氣井井筒內(nèi)清洗出的支撐劑及煤粉

圖5 3號(hào)煤層氣井壓裂支撐劑樣品與井筒內(nèi)

3號(hào)煤層氣井自始抽以來，累計(jì)停抽檢泵作業(yè) 3次，集中在2015年5月至10月期間。第1次檢泵作業(yè)前的井底流壓為3.255 MPa；第3次檢泵作業(yè)結(jié)束開抽時(shí)井底流壓為5.333 MPa，接近該井初始井底流壓(5.560 MPa)，井底流壓上升2.078 MPa，井底流壓回升幅度大；在停抽檢泵作業(yè)期間，煤層孔裂隙中的流體流速降低，由于氣體密度較小，水的密度相對(duì)較大，氣體聚集在裂隙上側(cè)，水聚集在裂隙下側(cè)，在煤層裂隙與裂隙相互連通的吼道處形成封堵，滲透率下降，形成賈敏傷害。

煤層氣井在正常排采期間，氣體和水基本上均勻分布在裂隙、吼道空間內(nèi)，氣體和水能夠順利通過吼道，如圖6所示。

圖6 流體流動(dòng)狀態(tài)下氣水經(jīng)過裂隙及吼道示意圖

在煤層氣井停抽或者裂隙、吼道內(nèi)的流體流速突然下降時(shí)，流體受力狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體和水在裂隙、吼道內(nèi)重新分布，氣、水流體容易在裂隙、吼道處形成氣水界面，如圖7所示。氣水界面會(huì)影響氣水流體的正常流動(dòng)，對(duì)煤層造成傷害。因此，煤層氣井在排采期間，要保持排采過程連續(xù)、穩(wěn)定，避免出現(xiàn)停抽、排采不穩(wěn)定狀況的發(fā)生。

圖7 流體靜止?fàn)顟B(tài)下氣水分布示意圖

3.2 排采工藝對(duì)策及應(yīng)用效果分析

3.2.1 排采工藝對(duì)策

1)單相水流階段。煤層氣井見套壓前是壓裂液返排的關(guān)鍵時(shí)期。見氣之后，在有限的裂隙通道內(nèi)產(chǎn)出的水會(huì)明顯減少。因此，在見套壓之前要盡量提高壓裂液的返排率，擴(kuò)大煤層壓降漏斗半徑。低滲儲(chǔ)層中的煤層氣井，在單相產(chǎn)水階段快速排采會(huì)引起應(yīng)力敏感，造成煤層滲透率快速下降，對(duì)煤層造成不可逆的傷害[13]。在產(chǎn)水階段，應(yīng)根據(jù)煤層的應(yīng)力敏感特征、產(chǎn)水能力、見套壓前的可降壓差、煤體結(jié)構(gòu)等因素，選擇合適的壓降速率。根據(jù)黔西地區(qū)煤層氣開發(fā)的效果，初始?jí)航邓俾士刂圃?.015～0.040 MPa/d內(nèi)較合適[5]。同時(shí)根據(jù)產(chǎn)水量的變化特征，采取低速—階梯式的方式降液面，控制液面穩(wěn)定下降，避免液面大幅變化。

2)以水為主的氣水兩相流階段。煤層氣井見套壓時(shí)，流體從單一的水相流變?yōu)橐运酁橹鞯臍馑畠上嗔?。在此過程中，對(duì)套壓進(jìn)行控制，抑制煤層快速解吸產(chǎn)氣，控制裂隙氣體流量，達(dá)到優(yōu)先產(chǎn)水的目的，進(jìn)一步擴(kuò)大煤層壓降漏斗半徑；在以水為主的氣水兩相流階段，煤層受解吸半徑小、氣體產(chǎn)出不穩(wěn)定、氣體產(chǎn)出引起液面不穩(wěn)定等因素的影響，引起儲(chǔ)層氣鎖傷害的可能性加大。為避免儲(chǔ)層氣鎖傷害，在見套壓初期采取穩(wěn)定井底流壓的方式，實(shí)現(xiàn)井筒液面穩(wěn)定并穩(wěn)定產(chǎn)出氣體。當(dāng)流體穩(wěn)定產(chǎn)出、液面及套壓無大幅度波動(dòng)時(shí)，逐漸提高井底流壓降幅，控制放氣時(shí)的套壓，觀察液面及套壓變化情況，控制井底流壓降幅，保證氣、水連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出[14]。在整個(gè)以水為主的氣水兩相流階段，主要控制原則：一方面是優(yōu)先產(chǎn)水、擴(kuò)大煤層壓降漏斗半徑；另一方面是控制氣水連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出，降低煤層氣鎖可能性。

3)以氣為主的氣水兩相流階段。煤層氣井降低套壓提產(chǎn)之后，煤層中流體產(chǎn)出從以水為主的氣水兩相流階段，逐漸轉(zhuǎn)為以氣為主的氣水兩相流階段，井底流壓緩慢下降并逐漸趨于穩(wěn)定，產(chǎn)出流體的氣水比率快速升高。提產(chǎn)階段氣水產(chǎn)出比率快速上升，煤層吼道產(chǎn)水受限，影響煤層正常產(chǎn)水，需要對(duì)提產(chǎn)階段井底流壓降幅及提產(chǎn)速度進(jìn)行控制，促使煤層產(chǎn)水、擴(kuò)大解吸半徑[15]；煤層自身含水性較弱，在以氣為主的氣水兩相流過程中，煤層產(chǎn)水較低，且排采時(shí)間逐漸延長，煤層氣井排采設(shè)備損耗逐漸加大，而對(duì)排采設(shè)備的性能要求并未降低，地面設(shè)備、井下泵組等出現(xiàn)故障導(dǎo)致排采中斷的可能性增加，需要主動(dòng)做好設(shè)備的事前維護(hù)保養(yǎng)，降低因設(shè)備故障導(dǎo)致排采中斷的可能性。

3.2.2 應(yīng)用效果分析

通過對(duì)松河井田3號(hào)煤層氣井生產(chǎn)階段的儲(chǔ)層傷害特征進(jìn)行分析，提出排采工藝對(duì)策，以期降低煤層氣井排采過程中的儲(chǔ)層傷害，避免對(duì)產(chǎn)氣量造成影響。

松河井田6號(hào)煤層氣井的應(yīng)用效果見圖8。可以看出，該煤層氣井在單相產(chǎn)水階段，平均井底流壓降幅為0.033 MPa/d。見套壓后控制日產(chǎn)氣量(低于500 m3)，抑制氣體產(chǎn)出，促進(jìn)產(chǎn)水及解吸半徑擴(kuò)大。在整個(gè)排采過程中，通過低速排采、控制套壓、抑制產(chǎn)氣，確保儲(chǔ)層連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)水，避免煤層氣井筒煤粉沉降引起的卡泵事故。并及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，保證設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，延長檢泵周期。最高產(chǎn)氣量接近3 000 m3/d，平均產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1 500 m3/d以上達(dá)到7個(gè)月，產(chǎn)氣效果較好。

圖8 6號(hào)煤層氣井排采曲線及階段劃分

4 結(jié)論及建議

1)分析了黔西松河井田多煤層合層排采煤層氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，表明煤層氣井排采過程中不合理的排采控制對(duì)煤層氣井的產(chǎn)氣量影響較大。

2)在煤層氣井不同排采階段，煤儲(chǔ)層的傷害類型不同。在排采初期以速敏傷害為主，在排采中期以氣鎖和應(yīng)力閉合傷害為主。

3)煤層氣井在修井及停抽期間，煤層中水的流動(dòng)發(fā)生停滯甚至回流、孔裂隙發(fā)生閉合、發(fā)生氣鎖現(xiàn)象及應(yīng)力閉合傷害的可能性增大。

4)根據(jù)不同排采階段的儲(chǔ)層傷害模式，在排采過程中加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析控制壓降速率，避免出現(xiàn)速敏傷害。加強(qiáng)排采監(jiān)控力度，確保連續(xù)穩(wěn)定排采，降低發(fā)生氣鎖現(xiàn)象及應(yīng)力閉合傷害的可能性。