煤層氣井排采過程中的儲層傷害機理研究

李仰民 王立龍 劉國偉 閆 玲 鄒志鋼

(中國石油華北油田煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000)

1 引言

煤層氣井在長期的排采過程中, 容易發生以下的問題, 造成煤層氣井產量的下降和滲透性的降低, 不利于煤層氣的開發。

(1) 由于停抽造成煤粉堵塞。

(2) 煤層具有機械強度弱, 脆而軟, 既易壓性破裂又易張性破損的特性, 這必然造成煤層的壓力敏感性, 煤層中的微孔隙、裂縫及孔隙候道受壓會變的更加細微或者變形, 甚至于閉合。

(3) 起壓初期停抽時間較長或停抽比較頻繁,井內液面升高, 近井地帶的氣體停止解吸, 而遠端的氣體并未停止解吸, 氣體會逐漸增大成氣泡, 堵塞住孔隙候道, 形成氣鎖。

2 煤層氣直井儲層排采傷害類型

2．1 煤粉堵塞傷害

煤巖的力學性質, 導致其容易破碎, 天然構造變動和壓裂施工過程中, 煤儲層受到外力作用與煤巖表面的剪切與磨損作用產生了大量的煤粉及大小不一的煤碎屑。這些顆粒聚集在一起, 不僅容易導致壓裂過程中施工壓力過高, 而且在排采過程中容易造成大量煤粉懸浮, 沉降聚集, 阻塞先期形成的流體的運移通道。我們將煤層流體運移過程中, 煤粉沉降, 阻塞煤層中已經形成的運移通道的現象稱為煤粉堵塞。

煤粉正常通過通道排出時, 順著較大裂隙, 隨水排出, 運移時懸浮于水中或處于流體的底部, 進入井筒后由泵排出。但當煤粉運移過程中, 遇到裂隙通道狹窄地帶, 當前端流體速度由于某些原因突然變緩時, 后端流體速度仍然較快速運移, 在這種速度差條件下, 極容易導致煤粉的堵塞 (圖1) 。

圖1 煤層氣井排采過程中煤粉運移示意圖(a) 理想情況煤粉在裂縫內運移; (b) 煤粉堵塞人工裂縫通道

在排采過程中, 投產初期或產氣初期, 由于水動力及氣體張力作用易攜帶煤粉產出, 常見水質發生明顯變化, 如此間出現停抽現象, 可能導致煤粉在近井地帶沉積, 堵塞水和氣體運移通道, 導致后期產水及產氣量變化明顯。

2．2 地層氣鎖傷害

煤層氣井見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 使井內液面上升, 井底流壓升高。這樣近井地帶的甲烷氣體停止解吸, 而遠端的氣體并未停止解吸, 煤基質微孔隙和微裂隙內小氣泡會逐漸聚集成大氣泡, 在排驅壓力較小的情況下大氣泡無法排出微孔隙堵塞住孔隙候道, 形成氣鎖[2]。

圖2 氣泡處于孔道中靜止狀態示意圖

孔道中毛細管效應附加阻力, 由于毛細管中毛細管壓力的存在, 多相流體在巖石中流動時, 出現附加阻力, 常見有三種形式[1]：

(1) 氣泡處于靜止狀態的阻力

氣柱兩端球面毛管力P′c在水平方向上大小相等, 方向相等, 因而相互抵消, 但它可以施加于管壁上, 可理解為液體壓強傳遞定律所致, 它使薄膜變薄。同時圓柱體曲面產生指向毛細管軸心的毛管力P′cz, 它使薄膜增厚。兩力保持液膜保持平衡厚度 (圖2) 。圓柱表面的液體薄膜具有高粘滯力和高強度, 因此, 在總毛管力作用下, 氣柱要移動,必須要有足夠的外加壓差, 才能克服薄膜造成的摩擦阻力。

(2) 在壓差作用下, 當氣柱欲移動時產生阻力

由于潤濕之后, 氣柱彎液面要產生變形, 導致彎液面兩端的曲率半徑不等。兩端毛管力P″、P′及其引起的附加阻力PⅠ, 它與流動方向相反, 故氣泡要移動, 則所加壓差大于 PⅠ, PⅡ、和液膜摩擦阻力之和。但不是簡單的相加, 還需要考慮管壁上氣柱的水膜的摩擦阻力系數等 (圖3) 。

圖3 氣泡處于孔道中運動狀態示意圖

圖4 氣泡處于孔道窄口運動狀態示意圖

(3) 當氣泡流到孔道窄口時

當氣泡流動到孔道窄口時 (由于其直徑大于孔道直徑) 遇阻變形, 前后端彎曲面曲率不相等, 產生第三種毛管效應附加阻力PⅢ, 又稱“氣阻效應”, 或賈敏效應 (Jamin) 。只有當氣泡前端變形到與孔道最狹窄出一樣大時, 該氣泡才能通過孔道狹窄口而流動, 因此只有當外加壓差大于PⅢ, 氣泡才能通過狹窄口 (圖4) 。

在煤層氣生產過程中, 多相流動 (氣水混流區) 現象經常會產生上述的阻力作用。盡管珠泡的阻力很大, 但并不意味著它將堵死氣流的渠道, 因為壓裂改造后煤巖的流體通道是不規則的、空間聯系的網絡, 一個空隙堵塞了, 其他氣泡還可以繞道迂回而過, 但當珠泡很多時堵死氣流渠道也是很可能的, 這種情況下就可能形成煤層氣的氣堵。煤層氣井不同程度氣堵, 將造成煤層氣壓降不能向更遠端延伸。

在煤層氣井生產中孔道大小不一、孔道很多,使得各種阻力效應十分明顯。當兩相流動時, 珠泡個數很多, 上述毛管效應累加起來, 阻力將是相當可觀的。毛細管阻力效應對煤層氣開采是有害的,在鉆井完井、井下作業及開發過程中, 避免出現兩相流。

2．3 應力敏感傷害

煤層是對地應力非常敏感的天然儲集層,煤層氣開采過程中由于排水降壓而使煤層氣井周圍地層有效應力重新分布;多項研究表明,煤層滲透率是有效應力的函數。排水降壓強度,直接關系到壓降的傳播程度和范圍,壓降不僅影響煤層氣的解吸過程,也改造了煤儲層的有效應力及滲透性指標[4-5]。

煤層滲透率的應力敏感機理可以通過煤儲層裂隙應力閉合和煤基質收縮兩方面來解釋。

(1) 有效應力增大導致裂縫閉合

高階煤煤儲層的滲透率與有效應力關系主要為： 滲透率隨有效應力的增加而呈現大幅度降低的趨勢, 可以用指數形式遞減趨勢表征, 但也具有一定的方向性。有效應力增大, 有利于割理和裂隙發育, 但隨著有效應力的增加, 滲透率明顯降低。當有效應力方向與巖層優勢裂隙組發育方向一致時,應力增大有利于裂隙空間的增大和滲透率的提高;相反, 可以導致裂隙面受到擠壓作用, 裂隙空間減小, 滲透率下降, 這種現象稱為煤儲層的裂隙應力閉合。

(2) 煤基質收縮導致儲層傷害

煤基質吸附氣、水發生膨脹, 當氣水介質被抽排后發生收縮, 這種有效應力的改變引起煤基質的自調節及收縮作用。目前研究者認為, 對于中低煤階煤煤層氣儲層, 隨著煤層氣排采時間的增長, 煤體發生收縮, 煤儲層的滲透率和抽放量不斷增大。而對于高煤階煤儲層來說, 煤基質自調節效應和儲層滲透率之間的關系并非完全如此。研究者表明,煤變質程度較高時 (Ro大于2%) 以后這種規律就不明顯, 在高煤級煤基質解析初期基質收縮可能造成煤層滲透率增大, 即對生產氣, 產生正效應, 但隨著氣體的解吸, 煤層的基質收縮超過某值, 在地應力作用下, 可能導致煤基質的應力閉合, 出現這種現象加大了后期排采解吸氣的難度[3]。

3 傷害類型生產現場分析

3．1 煤層氣低產井類型分析

華北油田自2006 年在沁水煤層氣田樊莊區塊投入大規模開發以來, 已經累計投產直井400 多口, 經過這3 年多的排采實踐, 目前有部分單井產量未達到2000m3。通過這幾年的綜合研究與分析,認為未達到2000m3的低效井, 原因主要是：

(1) 地質條件差, 含氣量低于12m3/t , 對于高階煤來說, 認為低于這指標, 單井產量很難達到2000m3的標準。

(2) 壓裂改造效果差, 煤層壓裂后的裂縫形態很不規則, 在裂縫的類型中沒有類似與常規油藏淺層形成的水平縫以及深層形成的垂直縫的特點, 裂縫形態的隨機性很大, 有部分井的裂縫延伸長度不夠。

(3) 排采控制差, 在生產的過程中, 因為外界因素和認識上的不足, 造成煤儲層的傷害, 影響了單井的產氣量, 這部分井占低效井總數的42．5%。通過對單井的分析, 屬于煤粉堵塞傷害的有20 多口, 屬于地層氣鎖傷害的有10 多口, 屬于應力閉合傷害的不足10 口。

3．2 排采傷害井生產表現

現就三種由于排采傷害生產表現進行一下分析：

(1) 煤粉堵塞傷害生產表現

沁水盆地樊莊區塊的ZJ1 井于2007 年6 月4 日投產, 投產初期產水量為2．5～3．0m3, 在產氣前,水量最高達到8．3m3。產水期間, 一直有大量的煤粉產出, 頻繁的停抽, 造成大量的煤粉堵塞近井地帶, 水量由8．3m3下降到后期的1．0m3, 產氣量由最初的2692m3銳減到后期的148m3(圖5) , 可見煤粉堵塞的嚴重。

圖5 樊莊ZJ1 井排采曲線圖

(2) 地層氣鎖傷害生產表現

沁水盆地樊莊區塊的ZJ2 井, 于2006 年11 月12 日投產, 投產初期水量最高為13．7m3, 見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 使井內液面上升, 井底流壓升高, 產水量銳減到了0．5m3, 產氣量也徘徊在500～800m3左右 (圖6) 。

(3) 應力閉合傷害生產表現

沁水盆地樊莊區塊的ZJ3 井, 于2007 年6 月28 日投產, 投產初期水量最高為14．2m3, 見氣起壓初期, 由于停抽時間較長或停抽比較頻繁, 造成井底流壓下降快, 產水量銳減到了0．9m3, 產氣量也由最初的2304m3下降到后期的773m3。井底壓力的急劇變化 (圖7) , 造成了煤層應力的變化, 影響了該井的正常產能的發揮。

4 結論

(1) 煤層氣排采是一項關鍵的技術, 為了獲得高的產氣量, 就應該充分排采的作用, 盡量減少傷害煤儲層的因素。

(2) 進一步加強排采傷害的理論研究, 根據不同的排采情況和不同施工中暴露出的問題, 有針對性的開展綜合研究, 不斷完善、持續深化理論研究, 達到提高排采水平的目的。

(3) 由于煤層介質的復雜性, 成熟的傷害理論很難再短期內形成, 應緊密的將現場與室內試驗相結合, 形成的室內研究成果將是修正傷害理論的有力保證。

圖6 樊莊ZJ2 井排采曲線圖

圖7 樊莊ZJ3 井排采曲線圖

(4) 煤儲層的傷害機理研究, 可以為后期儲層改造提供理論支持。

[1] 魏俊之楊勝來．油層物理學 [M] ．北京： 石油工業出版社, 2004： 214- 215．

[2] 姚艷斌, 劉大錳, 湯達禎, 唐書恒, 黃文輝．華北地區煤層氣儲集與產出性能 [J] ．石油勘探與開發,2007, 34 (6) ： 664- 668．

[3] 尚萬寧, 張耀剛, 李治, 曹成壽．氣井儲層水鎖效應解除措施應用 [J] ．天然氣工業, 2008, 28 (5) ：89- 90．