煤層氣井滲透率時空變化規律研究及應用

胡海洋，倪小明，朱陽穩，金 軍

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081；2.河南理工大學，河南 焦作 454000；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣協同創新中心，河南 焦作 454000)

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煤層氣井滲透率時空變化規律研究及應用

胡海洋1，倪小明2，3，朱陽穩2，金 軍1

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081；2.河南理工大學，河南 焦作 454000；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣協同創新中心，河南 焦作 454000)

針對煤層氣井排采過程中滲透率變化規律認識不清的問題，利用煤層氣產出過程中的正、負效應，滲流及等溫吸附理論，得到排采過程中煤儲層滲透率隨時間及距離變化的數學模型。研究表明：單相水流階段，液面降速越慢，負效應導致的滲透率降幅越小；氣水兩相流階段，適當提高液面降速，正效應越顯著；在排采過程中，滲透率呈非對稱“V” 型變化；對于臨儲壓力比較高的煤儲層，采取“低降幅憋套壓”的方式能夠擴大煤儲層的氣體解吸范圍。研究成果為煤層氣井的現場排采控制提供理論指導。

煤層氣；排采；滲透率；彈性正負效應

0 引 言

煤層氣井主要是通過“排水—降壓”使煤層氣從吸附態逐漸轉變為游離態，煤儲層孔隙流體相態發生變化，引起煤基質發生彈性正、負效應[1]，而實驗室測試驗證了正、負效應對滲透率變化的影響[2]。根據滲透率耦合模型[3]，滲透率在排采過程中呈現“先減少后增加”的變化規律。考慮時間、距離參數對滲透率的影響，建立滲透率時空變化數學模型，研究煤層氣井排采時距離井筒不同位置處滲透率的時空變化規律，以期為不同儲層條件下煤層氣井的排采控制提供理論依據。

1 排采過程中滲透率時空變化數學模型

1.1 單相水流階段滲透率變化數學模型

根據試井及滲流原理[4]，結合有效應力與滲透率之間的關系，可以得出排采時單相水流階段距井筒r處壓力為：

(1)

式中：pi為排采ti時刻距井筒r處壓力，MPa；pe為儲層壓力，MPa；pw為排采ti時刻井底流壓，MPa；rw為生產套管外徑，m；K0為儲層原始滲透率，10-3μm2；he為初始動液面高度，m；hi為排采ti時刻對應的動液面高度，m；CP為孔隙體積壓縮系數，MPa-1；α為有效應力系數；r為影響半徑范圍內任意一點距井筒中心的距離，m；vd為降液速度，m/d；φ為煤儲層孔隙度；u為流體流動的黏度，mPa·s；Ct為地層綜合壓縮系數，MPa-1。

根據單相水流階段煤儲層孔隙度與距離的關系及煤儲層的孔隙度與滲透率的關系，得到煤層氣在排采過程中，當單相水流階段的動液面下降到hi處時，距離井筒中心任意距離r處滲透率的變化為：

(2)

式中：C1為氣體壓縮系數，MPa-1；Kw為單相水流階段距離井筒任意距離r處滲透率，10-3μm2。

1.2 氣水兩相流階段滲透率變化數學模型

根據氣體試井、滲流原理，可計算出氣體解吸引起的負效應對孔隙度的影響為：

(3)

式中：Δφw為彈性自調節負效應引起的孔隙度變化；Kdrwo為氣水兩相流階段初始水相相對滲透率(實驗得出)，10-3μm2，h1為單向流階段結束時的液面高度，m；h2為氣水兩相流階段排采時間t2時的液面高度，m。

氣、水兩相流階段，基質收縮引起正效應為：

(4)

式中：Vh為含氣量，m3/t；pL為蘭氏壓力，MPa；VL為蘭氏體積，m3/t；ρc為煤基質密度，t/m3；a為干燥條件下測得的最大吸附量，m3/t；R為普適氣體常數，8.31J/(K·mol)；T為絕對溫度，K；Ej為煤基質的楊氏模量，MPa；φ0為原始孔隙度；b為朗繆爾壓力常數，MPa-1；V0為標準狀況下摩爾體積，22.4 L/mol；μ為泊松比；Δφg為解吸范圍內基質收縮引起孔隙度變化；rg為解吸范圍內任意一點距井筒中心的距離，m。

則氣、水兩相流階段煤儲層滲透率隨r的變化為：

Kg=Kdrwo·

(5)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；pl為臨界解吸壓力，MPa；Sg為氣、水兩相流中的含氣飽和度；Kg為氣、水流階段距離井筒任意距離r處滲透率，10-3μm2。

2 排采過程中滲透率時空變化規律

根據所建滲透率時空變化數學模型，以某煤層氣區塊儲層參數為例，選取參數對排采過程中滲透率的變化規律進行研究。分別探討不同降液速度、不同見氣時間以及不同臨儲壓力比條件下，同一時刻不同影響距離處滲透率變化規律。數學模型所需基本參數見表1。

表1 單相流階段滲透率模型所需基本參數

2.1 不同降液速度滲透率時空變化規律

2.1.1 單相流階段不同降液速度下的滲透率時空變化規律

單相水流階段，假設排采20 d，則根據所建模型計算得到降液速度分別為1、2、3、4 m/d時滲透率值，并繪制變化曲線(圖1)。

由圖1可知，在排采的過程中，由于煤儲層產水導致煤儲層的有效應力增加，引起煤儲層的裂隙閉合，導致煤儲層的滲透率降低，顯示出煤儲層的彈性自調節的正效應。同時，在井筒近端，由于產水較多的緣故，井筒近端的滲透率的下降比遠端顯著。

對比不同降液速度的滲透率變化曲線可知，在單相水流階段，隨著降液速度的減小，滲透率降低幅度小。因此，在煤層氣排采過程的單相水流階段，應緩慢降液面進行排采，以防液面降速過快造成儲層激勵，導致滲透率下降嚴重而造成儲層傷害。

圖1 單相水流階段不同降液速度滲透率變化

2.1.2 氣水兩相流階段不同降液速度下的滲透率時空變化規律

假設氣水兩相流階段排采20 d，根據所建立的數學模型，計算出降液速度分別為1、2、3、4 m/d時滲透率值，并繪制變化曲線(圖2)。

圖2 氣水兩相流階段不同降液速度滲透率變化

由圖2可知，氣水兩相流階段煤儲層氣體解吸引起基質收縮，導致井筒近端的滲透率要高于遠端的滲透率，顯示出煤儲層的彈性自調節正效應。同時，由于井筒近端解吸產氣較多的緣故，井筒近端的滲透率的上升比遠端更顯著。

對比不同降液速度的滲透率變化曲線可知，在氣水兩相流階段，由于彈性自調節正效應的影響，降液速度越大，滲透率上升越顯著，但在產氣的同時也在產水，也會產生彈性自調節負效應，需要控制合理的降液速度，將彈性自調節負效應對煤儲層滲透率的影響降低到最低限度。因此，結合單相水流階段、氣水兩相流階段不同降液速度滲透率變化的趨勢，在氣水兩相流階段可適當提高降液速度，突出排采過程中的煤基質收縮對煤儲層滲透率的調節作用，有利于擴大煤儲層的氣體解吸半徑和提高煤層氣井的產氣量。

2.2 不同見氣時間下的滲透率時空變化規律

根據所建模型，選取模型所需參數，計算出不同見氣時間下的滲透率值，繪制不同見氣時間下的滲透率值變化曲線(圖3)。

圖3 不同見氣時間下滲透率變化

見氣時間是指從煤層氣井開始排采至解吸產氣的時間段。根據儲層壓力、臨界解吸壓力及降液速度可以計算出理論見氣時間。在相同的儲層壓力、臨界解吸壓力條件下，見氣時間越短，降液速度越快，在單相水流階段煤儲層的滲透率降低幅度變化越大。

由圖3可知，見氣時間越長，產水的影響半徑越大，煤儲層各點處的滲透率下降越緩慢，有利于提高煤層氣井的產氣量。因此，在達到臨界解吸壓力之前，應盡量降低降液速度，擴大產水的影響半徑，以便于提高煤層氣井的產氣量。

2.3 不同臨儲壓力比下的滲透率時空變化規律

根據所建模型，選取模型所需參數，計算出氣水兩相流階段，不同臨儲壓力比下的滲透率值，并繪制滲透率的變化曲線(圖4)。

由圖4可知，氣水兩相流階段，由于氣體解吸產生基質收縮效應，導致近井地帶煤儲層的滲透率上升，氣體解吸越多，基質收縮效應越顯著，而井筒遠端的煤儲層尚未解吸，處于單相水流階段，滲透率呈降低的趨勢。因此，隨著距井筒中心距離的增加，滲透率出現先下降后上升的變化規律。

圖4 不同臨儲壓力比下滲透率變化

由圖4可知，臨儲壓力比越高，氣體解吸越容易，井筒近端的氣體解吸越多，滲透率上升越顯著，而井筒遠端的氣體解吸較少。因此，對于臨儲壓力比較高的煤儲層，在解吸初期，建議采取“低降幅憋套壓”的方式擴展煤儲層的氣體解吸范圍，以利于提高煤層氣井的產氣量。

3 現場應用

某煤層氣開發區塊進行的2個階段煤層氣開發的過程中，第1階段的煤層氣開發試驗井采用常規活性水加砂壓裂工藝，根據裂縫監測結果顯示，壓裂裂縫半長為150～200 m時壓裂效果較好。在排采過程中，單相流階段、氣水兩相流階段的井底流壓壓降速率沒有控制好，壓降速率過快，平均壓降速率達到0.058 MPa/d，最大壓降速率達到0.115 MPa/d，在進入氣水兩相流階段時，沒有進行有效的“憋套壓穩流壓”排采控制，導致煤儲層在單相流階段出現“吐砂、吐粉”嚴重，各個排采階段的滲透率下降較快，直接導致第1階段的開發試驗井產氣量不理想，最高產氣量為2 000 m3/d，但穩產時間短，單井平均產氣量為600～800 m3/d。

第2階段在第1階段的試驗井控制區塊內進行煤層氣開發，壓裂工藝與第1階段相同，裂縫檢測顯示壓裂效果也較好。在排采過程中，有效控制單相流階段和氣水兩相流階段井底流壓壓降速率，

單井平均壓降速率控制在0.010～0.040 MPa/d，最快時的壓降速率不超過0.080 MPa/d，有效控制了單相流階段的“吐砂、吐粉”現象。在氣水兩相流階段，采取“憋套壓穩流壓”的控制方式，有效避免了煤層氣井排采過程中出現滲透率急劇下降的情況。根據滲透率的時空變化規律，采取合理的排采控制方法，第2階段煤層氣開發井的單井平均產氣量為1 500～2 000 m3/d，煤層氣井的最高產氣量控制在2 000～2 500 m3/d，有效保障了煤層氣井的高產穩產時間及單井產氣量。

4 結論及建議

(1) 由于彈性自調節負效應的影響，單相水流階段的降液速度越低，井筒附近煤儲層的滲透率下降幅度越小，因此，煤層氣井在單相水流階段建議采取“低降幅”的方式進行排采控制，延長煤儲層的見氣時間，擴大煤儲層的產水影響半徑。

(2) 由于彈性自調節正負效應的影響，氣水兩相流階段降液速度越快，滲透率增加越顯著，因此，煤層氣井在氣水兩相流階段，建議適當增加降液速度，以提高煤儲層的產水影響半徑和解吸半徑。

(3) 在氣水兩相流階段，對于臨儲壓力比相對較高的煤儲層，采取“低降幅憋套壓”的方式，能夠擴大煤儲層的產水影響半徑和解吸半徑。

(4) 根據煤層氣井排采過程中煤儲層的滲透率時空變化規律，對井底流壓和套壓進行有效控制，為煤層氣井的現場開發進行指導，能顯著提高煤層氣井的單井平均產氣量。

[1] 傅雪海，李大華，秦勇，等. 煤基質收縮對滲透率影響的實驗研究[J]. 中國礦業大學學報，2002，31(2)：22-24，30.

[2] 許江，葉桂兵，劉東，等. 長期荷載作用下煤層滲透率演化規律的試驗分析[J]. 重慶大學學報，2013，36(9)：1-7.

[3] 吳世躍，趙文. 含吸附煤層氣煤的有效應力分析[J]. 巖石力學與工程學報，2005，24(10)：1674-1678.

[4] 葛家理. 現代油藏滲流力學原理[M]. 北京：石油工業出版社，2003：81-89.

編輯 張耀星

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.026

20160312；改回日期：20160708

貴州省科技重大專項“貴州省煤層氣地面抽采關鍵技術研究及工程示范”(20146002)

胡海洋(1989-)，男，助理工程師，2012年畢業于河南理工大學煤及煤層氣工程專業，2015年畢業于該校礦業工程專業，獲碩士學位，現從事煤層氣勘探開發研究工作。

TE349

A

1006-6535(2016)05-0106-04