煤層氣井排采階段定量化劃分研究

王丹

(國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院) 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042)

余莉珠，張海峰

(中石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司，山西 太原 041000)

康遠(yuǎn)波，潘林華

(國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院) 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042)

目前，國內(nèi)學(xué)者對我國煤層氣井排采階段滲流形態(tài)的研究，提出了多種數(shù)學(xué)模型；但是對于排采階段的劃分研究不多，而且主要是定性的，如：張繼東等[1]根據(jù)美國煤層氣井生產(chǎn)特征，將煤層氣井排采階段定性劃分為早期、過渡、晚期等3個階段；楊秀春[2]總結(jié)了潘河試驗區(qū)生產(chǎn)資料，將煤層氣井排采階段定性劃分為排水降壓、穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量遞減等3個階段，并對各階段排采參數(shù)特征進(jìn)行了描述；王興隆等[3]總結(jié)了沁南高階煤層氣井的生產(chǎn)特征，認(rèn)為其主要受控于含水飽和度及氣-水相對滲透率的變化，將排采階段劃分為3個階段；李夢溪[4]總結(jié)了沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣井生產(chǎn)特征，將煤層氣井排采階段定性劃分為排水、控壓產(chǎn)氣、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、衰竭等4個階段；韓保山從保護(hù)儲層的角度出發(fā)，將煤層氣排采從試抽開始至產(chǎn)氣衰減，定性劃分為6個階段，并提出了各排采階段的管理措施。關(guān)于煤層氣井排采階段的定量劃分鮮有涉及。因此，開展這方面的研究對于煤層氣的開發(fā)具有重要意義。

1 區(qū)塊煤層氣井排采現(xiàn)狀

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南端，煤層氣資源非常豐富，是我國煤層氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域之一[5～7]。該次研究主要是針對研究區(qū)的162口煤層氣生產(chǎn)井，排采時間5～7年，均已見套壓；儲層壓力6.0～12.0MPa，平均8.95MPa；井解吸壓力5.0～8.0MPa，平均6.73MPa；臨儲比均大于0.5，平均0.75；最高日產(chǎn)氣量2300m3。

2 排采階段劃分依據(jù)

煤層氣井的生產(chǎn)過程就是通過排水降壓得到煤層氣逐漸解吸并運移至井筒中的過程，也是煤層所受地應(yīng)力逐漸降低并得到擴(kuò)展、地層能量不斷釋放的過程。依據(jù)煤層氣“解吸-擴(kuò)散-滲流”基本理論，總結(jié)分析井底壓力、套壓、動液面、日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)水量等日常生產(chǎn)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合區(qū)塊內(nèi)煤層氣生產(chǎn)現(xiàn)場動態(tài)變化，可將研究區(qū)煤層氣井的整個生產(chǎn)過程分為排水降壓、不穩(wěn)定產(chǎn)氣、穩(wěn)定產(chǎn)氣和產(chǎn)氣衰減等4個階段(圖1)。與依據(jù)相態(tài)變化特征的煤層氣排采階段劃分方案相比，該方法更接近于生產(chǎn)實際[8]；與華北油田沁水區(qū)塊的基于各種壓力的劃分方案相比，該方法受到排采的影響因素相對較小[4,9]。

圖1 煤層氣井排采階段劃分模式圖

3 排采階段特征

3.1 排水降壓階段

國內(nèi)煤層多屬于非飽和狀態(tài)，儲層壓力高于臨界解吸壓力，通過排水實現(xiàn)降壓，采出水主要以返排壓裂液與地層水混合液為主，間或出現(xiàn)水、煤粉兩相流。如果單井煤層的排采(水)強度過大，極易引起煤層裂縫和割理閉合。因此，需要保持合理的排采(水)強度，才能保證在煤層排采通道(即煤巖中的裂縫和割理)不閉合。當(dāng)井底流壓降至臨界解吸壓力，煤層開始解吸氣體(即見套壓)是該階段的結(jié)束點。

3.2 不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段

根據(jù)產(chǎn)氣變化特征，將該階段分為初始產(chǎn)氣亞階段和產(chǎn)氣上升亞階段。

初始產(chǎn)氣亞階段：井底壓力降至煤層臨界解吸壓力，煤層氣開始解吸，單井套壓不穩(wěn)定且變化幅度較大，產(chǎn)氣量也不穩(wěn)定；煤層中出現(xiàn)氣、水兩相流或氣、水、煤粉三相流。

產(chǎn)氣上升亞階段：套壓趨于穩(wěn)定，產(chǎn)氣量持續(xù)上升或呈階梯狀上升，單井產(chǎn)水量呈逐漸減少的趨勢。隨著煤巖中流體的不斷排出，其泄壓面積逐漸擴(kuò)大，使得煤層遠(yuǎn)端的甲烷也逐漸解吸、產(chǎn)出。

3.2.1氣、水變化規(guī)律

生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段前期的初始產(chǎn)氣亞階段為產(chǎn)氣量相對上升階段，表現(xiàn)為其波動相對頻繁。實踐表明，產(chǎn)氣上升階段煤層氣井產(chǎn)水量遞減先快后慢；而產(chǎn)氣量隨時間表現(xiàn)為初期增長相對較快，若沒有層間干擾，后期增長相對較慢或不變的特點。也可以說，氣、水產(chǎn)量的變化主要受氣、水兩相滲透率的影響。在煤層氣排采過程中，Mclennan[10，11]對其中氣、水兩相滲透率的變化進(jìn)行了研究：

Krg=k(1-Sw)n

(1)

Krw=(Sw)m

(2)

式中：Krg為煤層中氣相相對滲透率，1；Krw為煤層中液相相對滲透率，1；Sw為煤層含水飽和度，1；n為煤層中氣相相對滲透率指數(shù)，1；k為煤層中氣相相對滲透率系數(shù)，1；m為煤層中液相相對滲透率指數(shù)，1。

3.2.2氣、水產(chǎn)出層位識別

研究區(qū)主要有2套主力煤層，一般均為兩層合采的方式進(jìn)行開發(fā)。因此，對煤層氣井氣、水產(chǎn)層的識別具有重要意義。在產(chǎn)氣上升亞階段，單井的產(chǎn)氣量逐步增大，對氣、水兩相流關(guān)系的判斷相對比較明顯。

若氣、水同層產(chǎn)出，由于煤層的絕對滲透率雖然為固定值，但是相滲透率卻是相對變量。朱啟明[12]認(rèn)為，水相滲透率隨著煤層中含水飽和度的降低而減小，但是氣相滲透率則呈相反規(guī)律。

實際生產(chǎn)中，單井產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量的變化規(guī)律決定于氣液兩相相對滲透率，因此，可以用其變化規(guī)律來判斷氣、水是否同層。以A井(合采兩層煤)為例，前期隨著產(chǎn)氣量的不斷上升，產(chǎn)水量有明顯下降；隨著排采的進(jìn)行，產(chǎn)氣量逐漸趨于穩(wěn)定。

若氣、水不同層，那么氣、水產(chǎn)出就無明顯的相關(guān)關(guān)系。以B井(合采兩層煤)為例，該井氣、水產(chǎn)出關(guān)系不明顯，說明其氣、水產(chǎn)出不同層。該井的生產(chǎn)測井資料同樣表明，其持水率曲線顯示在上主力煤層以下井段為水值；井溫曲線在兩主力煤層均有異常變化(說明均有物質(zhì)產(chǎn)出)；累積式氣體流量曲線僅在上主力煤層顯示氣體聚集；同位素追蹤曲線也顯示上主力煤層上部為主要產(chǎn)氣層，下主力煤層為主要產(chǎn)水層。

3.3 穩(wěn)定產(chǎn)氣階段

煤層氣井經(jīng)過排水降壓階段和不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的壓降區(qū)域，并逐步向外傳播，排采參數(shù)也基本趨于穩(wěn)定。研究區(qū)排采數(shù)據(jù)表明，該階段主要具有以下生產(chǎn)特征：①單井日常生產(chǎn)參數(shù)均保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；②單井產(chǎn)液量低于3m3/d；③若單井套壓較高，則可用于控制井底壓力。

該階段可以通過套壓來影響和控制井底壓力和單井產(chǎn)氣量。以吉C井為例，該井前期的套壓穩(wěn)定在3.5MPa附近，產(chǎn)氣量僅40m3/d左右。分析原因后調(diào)整套壓至2MPa，平均產(chǎn)氣量上升至400m3/d左右；后期控制套壓在1.5MPa，提升產(chǎn)氣量至500m3/d以上。因此，套壓在穩(wěn)產(chǎn)階段對產(chǎn)氣效果有明顯的影響和控制作用。

穩(wěn)定產(chǎn)氣階段的產(chǎn)氣量雖然已經(jīng)穩(wěn)定，但是如果產(chǎn)液量減少仍會引起產(chǎn)氣量的下降，所以，保證產(chǎn)液量仍是保證煤層氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件。以吉D井為例，該井前期保持產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1000m3/d以上，后由于泵效降低導(dǎo)致產(chǎn)液量減少，引起產(chǎn)氣量明顯遞減至400m3/d左右；之后，提沖次增加產(chǎn)液量，產(chǎn)氣量又逐步回升到高產(chǎn)水平。

3.4 產(chǎn)氣衰減階段

產(chǎn)氣衰減階段的主要特征為生產(chǎn)井井底流壓和套壓趨于零，單井井控范圍內(nèi)的地層壓力下降至枯竭壓力，產(chǎn)氣量自然下降，目前研究區(qū)無此階段井。

4 煤層氣井生產(chǎn)階段的定量化表征

煤層氣井的產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量各不相同，該次研究主要采用日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量和最大日產(chǎn)氣量、最大日產(chǎn)水量的比值進(jìn)行分析。依據(jù)無量綱產(chǎn)量分析法，主要采用無量綱產(chǎn)氣率作為煤層氣井排采階段定量化劃分的依據(jù)。其實質(zhì)就是在煤層氣井排采過程中，利用單井的氣、水產(chǎn)出量的關(guān)系進(jìn)行表征。

首先，定義無量綱產(chǎn)氣量ngD為日產(chǎn)氣量與最大日產(chǎn)氣量的比值，即：

(3)

式中：ngD為無量綱產(chǎn)氣量，1；qg為煤層氣井日產(chǎn)氣量，m3/d；qgmax為最大日產(chǎn)氣量，m3/d。

同理，定義無量綱產(chǎn)水量nwD，即：

(4)

式中：nwD為無量綱產(chǎn)水量，1；qw為煤層氣井日產(chǎn)水量，m3/d；qwmax為最大日產(chǎn)水量，m3/d。

經(jīng)過以上處理，可將qg、qw限定在一定的范圍內(nèi)，即ngD,nwD∈[0,1]。

定義無量綱產(chǎn)氣率NgD為ngD與ngD和nwD之和的比值，即:

(5)

據(jù)此，無量綱產(chǎn)氣率范圍NgD∈[0,1]。

所以，無量綱產(chǎn)氣率NgD對煤層氣井排水產(chǎn)氣過程的表征如下：

排水降壓階段：該階段只產(chǎn)水不產(chǎn)氣，N1為0。

不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段：產(chǎn)氣量逐漸上升，產(chǎn)水量呈下降趨勢，所以其無量綱產(chǎn)氣率逐漸升高，對應(yīng)區(qū)間為[N1，N2)；無量綱產(chǎn)氣率一般為0.05

穩(wěn)定產(chǎn)氣階段：產(chǎn)氣量穩(wěn)定在一個相對較高的水平，產(chǎn)水量穩(wěn)定在一個相對較低的水平；產(chǎn)水量偶爾可能出現(xiàn)較大波動；對應(yīng)于區(qū)間為[N2，N3)；無量綱產(chǎn)氣率一般為0.35

產(chǎn)氣遞減階段：產(chǎn)氣量開始呈遞減趨勢，產(chǎn)水量趨近于0；對應(yīng)于區(qū)間為[N3，1]。

利用該方法對研究區(qū)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以得到相應(yīng)的無量綱產(chǎn)氣率。研究結(jié)果表明：煤層氣井在排水降壓階段的計算值為0，不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段完成時的計算值可達(dá)到0.35左右，穩(wěn)定產(chǎn)氣階段完成時的計算值可達(dá)到0.70左右。值得注意的是，該方法雖定量劃分了排采階段，基本符合實際情況，但以上分析僅考慮了單井產(chǎn)氣和產(chǎn)水的因素，并未考慮其他等因素的影響，因此仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)論

1)通過對比，將研究區(qū)煤層氣排采井的排采時間劃分為排水降壓、不穩(wěn)定產(chǎn)氣、穩(wěn)定產(chǎn)氣和產(chǎn)氣衰減共4個階段，其中的不穩(wěn)定產(chǎn)氣階段又分為初始產(chǎn)氣亞階段和產(chǎn)氣上升亞階段。

2)利用無量綱產(chǎn)氣率對煤層氣井的排采階段進(jìn)行劃分，4個階段對應(yīng)的無量綱產(chǎn)氣率分別為0、0.05～0.35、0.35～0.70、0.70～1.0。

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