壓降速度對煤層氣井產量的影響分析

樊 彬 秦 義 崔金榜 連小華

(1.中國石油華北油田采油工藝研究院,河北 062552;2.中國石油華北油田煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

1 引言

煤層氣儲層屬于非常規天然氣儲層, 其開發機理與天然氣截然不同。山西沁水盆地為我國煤層氣最為富集的地區, 煤儲層滲透率低, 非均質性強,儲層壓力低等特點表現明顯。

由于國內開發煤層氣時間較短, 高階煤煤層氣開發尚未形成成熟開發理論。經過實踐, 國內相當部分煤層氣井產量未達到預期產氣量, 井底壓力控制是重要因素之一。

煤儲層中的甲烷氣體主要以物理吸附狀態儲存于煤巖之中, 連續不斷的排水將使煤儲層中的壓力持續下降, 當煤儲層中的孔隙、裂隙壓力低于煤儲層的臨界解吸壓力以下時, 煤層甲烷氣便從煤孔隙內表面解吸為游離態, 解吸出的甲烷氣體在壓力差和濃度差的雙重作用下擴散、滲流到井筒中, 通過井筒采到地面。

對于任何一口煤層氣井, 隨著井筒內的動液面不斷下降, 煤層裂隙、孔隙的壓力也將隨之下降;不同的壓力下降速度, 會造成煤儲層的有效應力變化不同, 進而影響滲透率變化。

本文通過分析壓降速度對生產的影響程度, 初步探討煤層氣井壓降速度控制的必要性, 結合高煤階煤儲層傷害實驗, 驗證壓降速度的重要性, 定性指出煤層氣開發的關鍵。

2 壓降速度對煤層氣井產量的影響

“降壓”貫穿了煤層氣開發的整個過程, 壓降速度引起煤巖應力波動, 對煤巖滲透率造成嚴重影響。

壓降傳遞過快, 將導致煤基巖附近壓力急劇降低, 煤層基巖結構應力發生變化, 當結構應力變化到一定程度, 煤層基巖發生應力敏感, 基巖滲透率急劇降低, 導致裂隙、割理閉合, 井眼周圍煤儲層形成一個封閉圈, 阻礙儲層壓力波在煤層的傳播,外圍儲層煤層氣無法解吸出來, 無法形成產氣量。

2．1 煤層氣井生產現象分析

(1) 井底壓降速度過快對煤層氣井產氣量的影響

圖1 P1- 6 井生產曲線

通過P1- 6 井生產曲線 (圖1) 可以看出, 氣井井底壓力降低太快, 煤層近井筒地帶快速解吸,由于壓力變化引起的應力敏感, 發生基巖彈性調節負效應, 割理、裂隙閉合, 儲層滲透率降低, 不利于儲層的遠端水向井筒滲流, 壓降傳遞無法實現,遠端煤儲層無法解吸, 導致氣井產氣量一直處于低產期。所以在煤層氣井的排水降壓過程中, 控壓的第一個特點“緩慢”, 有利于壓降的穩定傳遞, 形成最大的解吸面積。

(2) 井底壓降速度不穩定將制約煤層氣井產量

圖2 P1- 11 井生產曲線

通過P1 - 11 井生產曲線 (圖2) 可以看出,在整個生產過程中, 動液面一直處于波動狀態, 而且起伏比較大, 導致井底壓力變化大, 煤儲層發生應力敏感, 基巖彈性負效應起主導作用, 抑制了煤層氣從煤儲層中解吸出來, 氣井始終未形成產氣量。所以在排采過程中, 控壓的第二個特點“穩定”, 有利于避免應力敏感, 形成最大的解吸面積。

2．2 機理分析

壓降傳遞過快, 將導致煤基巖附近壓力急劇降低, 當壓力低于煤巖解吸壓力, 氣體開始解吸, 如果壓降速度過快, 煤巖發生應力敏感, 將抑制煤巖的持續解吸, 所以在生產上需要控制壓降傳遞速度, 根據生產的不同階段, 穩定井底壓力一段時間, 讓煤巖持續解吸一段時間后, 保證煤巖解吸擴展, 然后進行下一階段壓降傳遞。

如圖3 所示, 當壓降 (ΔP) 穿遞至A 點, 煤層氣從煤基巖內表面解吸出來, 基質收縮, 裂縫張開, 滲透率增加; 當ΔP 從A 點像B 點傳遞過程中, 如果ΔP 過快, 將引起煤巖應力敏感, 當壓力傳遞至B 點, B 點出煤巖開始解吸, 但是A 點處煤巖由于應力敏感, 裂縫閉合, 導致B 點解吸出來的氣體滲流不出去, 最終造成的結果是煤層氣井的實際解吸半徑只有rA, 壓降漏斗沒有延伸到B 點。

從以上分析可以看出, 在A 點向B 點的壓降傳遞過程中, 需要穩定壓力一段時間, 保持ΔP 最小, 讓煤巖持續解吸, 裂縫擴張, 壓力才能保證傳遞到B 點, 且A 點出裂縫不會閉合。

圖3 煤層壓降傳遞示意圖

控制壓降速度其物理意義在于在一定的時間通過控制井底壓力變化值, 保證儲層滲透率不受到傷害, 形成最大解吸面積。

2．3 小結

從前面的結論來看, 時間又是決定壓降的一個重要的參數, 過快、過慢都對產氣量有重大影響。因此, 煤層氣排采規律實際上是一個降壓規律,即：

3 煤巖應力敏感實驗研究及分析

煤巖應力敏感對于我們控制生產井的液面下降速度、控制井底的流動壓力、控制煤層的壓力下降、控制煤層氣井的產量都有重要的意義。

由于煤巖應力敏感實驗尚無相關標準, 本實驗參考《砂巖儲層敏感性評價實驗方法SY/T5358 -2002》的標準執行, 定性分析應力敏感對煤儲層傷害, 研究壓力波動對煤巖應力敏感的影響程度。

實驗條件在常溫下, 采用美國產OPP- 1 型高壓孔滲儀對煤層巖心進行應力敏感性測試。

為了保證實驗的科學性, 在樣品的選擇上, 選用現場樣品。實驗樣品主要包括： 清水、氮氣、沁水盆地3#煤巖、φ25mm 巖心。

實驗分以下幾個方面： 煤巖有效應力對滲透率影響實驗、應力往復變化對滲透率的影響實驗和孔隙壓力對滲透率的影響實驗。

3．1 煤巖有效應力對滲透率影響

有效應力是指作用于煤儲層的地應力與其孔隙和裂隙內的流體壓力之差。煤儲層流體壓力降低,有效應力勢必增大, 煤儲層滲透率將會隨之減小,對應煤巖彈性自調節負效應。

1#煤樣裂隙發育比較好, 煤巖1#原始滲透率為15．7696×10-3μm2。圖4 是由巖心得到的有效覆壓與滲透率關系曲線, 實驗表明： 煤巖對應力變化非常明顯, 隨著有效覆壓的增加, 煤巖滲透率下降, 尤其在應力變化前期表現明顯。1#煤樣實驗過程中, 應力變化在1～7MPa 范圍內, 滲透率下降了85．59%; 7～12MPa 范圍內, 滲透率下降了11．04%; 12MPa 以后, 滲透率變化比較小。

圖4 1#煤樣滲透率隨應力變化曲線

實驗結果可以發現, 在煤巖應力變化過程中,初始應力變化段 (1～7MPa) , 滲透率急劇下降,該段應力變化造成的滲透率傷害的主要因素; 致密煤巖比裂隙發育煤巖受應力敏感影響更大。

3．2 壓降速度與對滲透率影響

對2#煤樣進行模擬孔隙壓力實驗, 實驗過程是保持煤樣圍壓壓力值不變, 緩慢增加進口壓力,每一壓力點持續30min 后, 測定巖樣滲透率。

圖5 2#驅替應力與滲透率相關關系

通過2#煤樣實驗曲線 (圖5) 可以看出, 驅替壓差在0．06MPa, 對應滲透率最接近煤樣初始滲透率, 傷害幾乎可以忽略; 當驅替壓差增至0．1MPa, 煤巖滲透率傷害38%; 驅替壓差增大至1．4MPa, 煤巖滲透率傷害73%。

綜合煤巖驅替壓差實驗結果, 驅替壓差保持在0．06 左右時, 煤巖滲透率與煤巖原始滲透率最接近, 傷害最小。

該實驗結果揭示每一口煤層氣井需要不同的壓降速度, 避免滲透率損失。

4 結論

(1) 壓降速度的控制是制約煤層生產的關鍵因素, 且每一口煤層氣井均存在不同的壓降速度。

(2) 在不同的生產階段, 壓降速度不是一個固定值, 需要根據氣井的生產階段進行調整。

(3) 煤巖應力敏感造成的儲層傷害十分嚴重,而且儲層傷害不可逆轉, 應力造成的煤巖的滲透率傷害平均大于70%。在煤層氣井生產過程中, 應控制壓降速度, 避免井底壓力波動引起的應力敏感。

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