煤層氣藏多層合采的影響因素分析

邵長金 邢立坤 李相方 溫聲明 胡愛梅

(1.中國石油大學(xué)理學(xué)院,北京 102249;2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,北京 102249;3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028)

針對常規(guī)油氣藏的多層合采問題,已有許多研 究成果。煤層氣藏開發(fā)也常采用多層合采的方式,但煤層氣藏的特點(diǎn)決定了其合層開采與常規(guī)油氣藏的多層合采不同：一是煤層氣主要是以吸附狀態(tài)存在于煤層中,只有當(dāng)煤層中的壓力降落到低于臨界解吸壓力時(shí),煤層氣才從煤層基質(zhì)上解吸出來,因此,煤層氣的產(chǎn)出與煤層水的產(chǎn)出密切相關(guān);二是煤層一般較淺,煤層裂隙的閉合壓力較低,很小的壓力變化都會(huì)引起滲透率的較大變化,從而引起產(chǎn)能變化;三是煤粉產(chǎn)出對煤層氣井產(chǎn)能有重要影響。目前,國內(nèi)外對煤層氣藏多層合采的研究還很少,根據(jù)我國煤層氣藏的特點(diǎn),筆者對多層合采產(chǎn)能的影響因素進(jìn)行了分析。

1 煤層氣藏多層合采模型分析

不失一般性,設(shè)合采煤層氣藏中心有一口井,該井穿透三個(gè)儲(chǔ)層 (厚度分別為hi,hj,hk,滲透率為ki,kj,kk),各層間由不滲透層隔開,不滲透層厚度各不相同。各儲(chǔ)層原始?jí)毫梢圆煌?設(shè)滲流為徑向流,如圖1。

圖1 煤層氣藏多層合采模型

對飽和煤層氣藏,由于壓力一開始降落,就有煤層氣解吸出來,不存在水單相流階段。對未飽和煤層氣藏,在排水階段,壓力還沒有下降到臨界解吸壓力,整個(gè)煤儲(chǔ)層中只產(chǎn)水,為單相流。

不論是飽和煤層氣藏還是未飽和煤層氣藏,實(shí)際生產(chǎn)中都存在氣水兩相流階段。多層合采時(shí),對每一單層,均是兩相流,經(jīng)過推導(dǎo),可得n層合采的一般產(chǎn)能方程為

從產(chǎn)能方程看,不論在排水階段還是氣水兩相流階段,煤層氣藏多層合采與單層開采具有相似的產(chǎn)能形式。但多層合采時(shí)的產(chǎn)能,除了與壓差 (或擬壓力差)有關(guān)外,還與各分層的地層系數(shù) (滲透率與厚度的乘積)有關(guān),地層系數(shù)作為權(quán)重因子決定了各分層的壓差 (或擬壓力差)對產(chǎn)能的貢獻(xiàn)。由于合層開采時(shí),各層的壓力降落一般不同步,有的層處于排水階段,有的可能已經(jīng)進(jìn)入氣液兩相流階段,因此,相滲對產(chǎn)能會(huì)產(chǎn)生一定的影響,這一影響體現(xiàn)在擬壓力表達(dá)式中。

多層開采時(shí),假定各分層具有相同的臨界解吸壓力,則合采時(shí)的產(chǎn)能特征由分層壓力降落是否同步?jīng)Q定。如果分層壓力降落同步,則兩個(gè)分層同時(shí)達(dá)到解吸壓力,同時(shí)達(dá)到最高峰值,合采時(shí)的產(chǎn)能與分層單采具有相同的特征,僅僅是合采的產(chǎn)量大一些。如果分層壓力降落不同步,則壓力降落速度大的層首先降低到解吸壓力,煤層氣開始解吸。而壓力降落速度小的層要延遲一段時(shí)間才能解析,從而使兩層的產(chǎn)氣峰值時(shí)間錯(cuò)開,井的產(chǎn)量高峰不能集中 (這一點(diǎn)可從圖2和圖4看出)。

圖2 不同滲透率比值下合采與單層開采時(shí)的產(chǎn)能對比

圖3 不同滲透率比值下合采的產(chǎn)量和累產(chǎn)量

圖4 厚度對合采產(chǎn)能的影響

2 煤層氣藏多層合采的影響因素分析

2.1 不同滲透率的層進(jìn)行合采

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層滲透率的比值,研究不同滲透率的層進(jìn)行合采時(shí)的產(chǎn)能變化情況,并與單層開采時(shí)的情形進(jìn)行對比,如圖2。將不同滲透率比值下合采的產(chǎn)量和累產(chǎn)量分別畫在圖3(a)和圖3(b)中。

由圖2可見,由于兩層的滲透率不同,壓力降落速度也不同,從而兩層的產(chǎn)氣峰值時(shí)間錯(cuò)開。由圖3可見,合采時(shí),分層滲透率比值增加,合采的產(chǎn)量不是線性提高,累加產(chǎn)量也不是線性提高。當(dāng)以開采5年時(shí)的累產(chǎn)進(jìn)行對比時(shí),累產(chǎn)基本隨著滲透率比值增加而增加。當(dāng)以開采10年的累產(chǎn)進(jìn)行對比時(shí),滲透率比值為1時(shí)效果最好。

2.2 不同厚度比的層進(jìn)行合采

在其他條件相同的條件下,保持總厚度值為10m不變,改變上下兩層厚度的比值,研究不同厚度比的層進(jìn)行合采時(shí)的產(chǎn)能變化情況,并與單層開采時(shí)的情形進(jìn)行對比,圖4(a)給出的是h1=3m、h2=7m的情況。將不同厚度比值下的合采產(chǎn)量畫在圖4(b)中。

由圖4(a)和圖4(b)可見,當(dāng)合采總厚度一定時(shí),分層厚度大的層對合采的貢獻(xiàn)大,但合采的產(chǎn)量以及累加產(chǎn)量變化不大。這說明在討論合層開采時(shí),滲透率比厚度的影響更大。

圖5 不同初始含氣飽和度比例下合采的產(chǎn)量

2.3 不同初始含氣飽和度的層進(jìn)行合采

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層初始含氣飽和度的比值,研究不同初始含氣飽和度的層進(jìn)行合采時(shí)的產(chǎn)能變化情況,如圖5。

由圖5可見,不同初始含氣飽和度的層進(jìn)行合采時(shí),初始含氣量越大,產(chǎn)量峰值越高,累產(chǎn)量越大。

2.4 不同解吸特性的層進(jìn)行合采

圖6 不同解吸特性下的合采產(chǎn)量

圖7 W1-005井兩層合采的情況

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層蘭氏壓力 (pL)的比值,研究不同蘭氏壓力的層進(jìn)行合采時(shí)的產(chǎn)能變化情況,并與單層開采時(shí)的情形進(jìn)行對比,計(jì)算結(jié)果如圖6(a)。同理,得到不同蘭氏體積 (VL)的層進(jìn)行合采時(shí)的產(chǎn)能變化情況,如圖6(b)。

由圖6可見,不同解吸特性的層合采時(shí),分層之間的蘭氏壓力比值對合采產(chǎn)量的影響很小,但分層之間的蘭氏體積比值對合采產(chǎn)量的影響較明顯。

3 煤層氣藏多層合采實(shí)例分析

H地區(qū)煤層氣藏在縱向上可劃分為三個(gè)層,即：3#、5#和11#煤層氣藏。各儲(chǔ)層之間沒有水動(dòng)力學(xué)連通,3#煤層底板主要為泥巖,厚度為1.15m～9.70m之間,含水性弱,滲透性差。5#煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖,厚度0.95m～10.30m,含水性弱,滲透性差。11#煤層底板主要為泥巖,厚度1.25m～10.50m之間,含水性弱,滲透性差-中。從投入生產(chǎn)的儲(chǔ)層看,兩相鄰儲(chǔ)層間隔在20～40m間,從實(shí)際勘探情況來看,3#煤儲(chǔ)層壓力為2.80MPa,5#煤儲(chǔ)層壓力為2.39MPa,11#煤儲(chǔ)層壓力為2.65MPa,平均臨界解吸壓力為1.4MPa。

3.1 3#和5#煤層氣合采的產(chǎn)能

以W1-005為例,該井3#和5#煤層氣合采,3#位于 390.45m,5#位于 417.5m,相差 27.05m。生產(chǎn)至5天時(shí),共產(chǎn)水51.84m3,3#井底壓力降到2.355MPa。由于3#儲(chǔ)層壓力大于井底流壓,3#產(chǎn)水。此時(shí),5#對應(yīng)的井底流壓為2.625MPa,大于5#儲(chǔ)層壓力,說明此時(shí)5#層不產(chǎn)水。當(dāng)排采到第21天,3#井底壓力進(jìn)一步下降到1.915MPa時(shí),對應(yīng)的5#井底流壓為2.185MPa,兩個(gè)層的儲(chǔ)層壓力均大于對應(yīng)的井底流壓,兩個(gè)層均產(chǎn)水,因此產(chǎn)水量增加 (由10.68m3增加到19.72m3),相應(yīng)的產(chǎn)氣量也增加 (但這時(shí)的產(chǎn)氣不是解析氣,而是自由氣或溶解氣,由于自由氣或溶解氣總量有限,因此,會(huì)接著產(chǎn)生下降)。隨著地層壓力降低到臨界解吸壓力,產(chǎn)氣量上升,進(jìn)入穩(wěn)壓增產(chǎn)階段。

通過該井合采數(shù)據(jù)的歷史擬合和數(shù)值模擬,得到各分層水產(chǎn)量、氣產(chǎn)量、平均壓力變化情況,如圖7(a)-7(b)。從各分層水產(chǎn)量、氣產(chǎn)量看,由于5#層的厚度 (2.4m)比3#層 (1.65m)的大,因此5#層的產(chǎn)量也大,對合采的貢獻(xiàn)多。

從平均地層孔隙壓力 (包括割理和基質(zhì))看,在開采初期排水階段,由于兩個(gè)層的原始地層壓力均高于臨界解吸壓力,兩層均不產(chǎn)氣。3#層的原始?jí)毫Ω哂?#層的,同時(shí),由于3#層的厚度小于5#層的,因此,3#層的壓力下降快。隨后,通過兩個(gè)層的壓力平衡調(diào)整,兩層壓力下降速度趨于相等 (在壓力-時(shí)間圖上表現(xiàn)為平行線段),最后兩個(gè)層達(dá)到壓力基本一致,共同對合采產(chǎn)生貢獻(xiàn)。

3.2 3#和11#煤層氣合采的產(chǎn)能

W2-005井為3#、11#合采,產(chǎn)氣量中等,說明3#、11#煤的合采效果較差。分析其原因,主要是3#、11#滲透率相差太大 (3#滲透率為1.61md,11#滲透率為0.02md),導(dǎo)致兩個(gè)合采層壓力降落不平衡,導(dǎo)致11#沒有得到利用,影響了產(chǎn)能。

通過W1-005和W2-005兩口不同合采井的情況,可以看出兩口井的生產(chǎn)狀況有很大差別,這說明了多層合采具有適應(yīng)性與局限性。像3#、5#煤,因其單層厚度薄,分層采產(chǎn)量可能很低,且由于其距離相近,可以合采。但是,對于3#、5#煤與11#煤合采是否高效,要進(jìn)行敏感性分析。如果將動(dòng)液面降到11#煤頂部,3#、5#煤生產(chǎn)壓差較大,只要不產(chǎn)生明顯的如壓力敏感、產(chǎn)煤粉、壓裂性能劣化等,將會(huì)進(jìn)一步解放11#煤的產(chǎn)能,這樣多層合采是合理的。否則,將會(huì)產(chǎn)生干擾。

[1] Lefkovits H C,Hazebrook P,Allen E E.A study of the behavior of bounded reservoirs composed of stratified layers[J].SPE J,1961(3)：43-58.

[2] Ahmed Aly,Chen H Y,Lee W J.A new technique for analysisof wellbore pressure from multi-layered reservoirs with unequal initial pressures to determine individual layer properties[R].SPE29176,1994,181-95.

[3] Larsen L.Wells producing commingled zones with unequal initial pressures and reservoir properties[R].SPE10325,1981.

[4] Kuchuk J F and Wilkinson DJ.Transient pressure behavior of commingled reservoirs[R].SPE18125,1988.

[5] 劉新福,吳建軍,綦耀光,等.煤層氣井氣體對有桿泵排采的影響 [J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(4)：144-149.

[6] 張健,汪志明.煤層應(yīng)力對裂隙滲透率的影響 [J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào),2008,32(6)：92-95.

[7] 倪小明,蘇現(xiàn)波,李廣生.樊莊地區(qū)3#和15#煤層合層排采的可行性研究 [J].天然氣地球科學(xué),2010,21(1)：144-149.