煤層氣-致密氣合采層間干擾特征及選層建議

徐兵祥 白玉湖 陳 嶺 陳桂華 李彥尊

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

近些年非常規(guī)氣勘探開發(fā)迅速發(fā)展，深層煤層氣及煤系非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)受到國內(nèi)高度關(guān)注。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，美國風(fēng)河盆地和皮申斯盆地煤層氣-砂巖氣層合采試驗(yàn)均獲得成功，我國遼寧阜新礦區(qū)同樣進(jìn)行了11口煤層與砂層合采，合采井具有起套壓快、產(chǎn)氣量較高、產(chǎn)氣量穩(wěn)定等特點(diǎn)，說明煤層氣-致密氣合層開發(fā)已成為該類氣藏開發(fā)的有效手段。鄂爾多斯東緣臨興地區(qū)具有煤層資源潛力大、煤系致密砂巖產(chǎn)層數(shù)較多、單層薄的特點(diǎn)，煤層氣-致密氣合層開發(fā)是該地區(qū)提高單井產(chǎn)能的手段之一。但由于煤層氣、致密氣賦存方式不一，前者是吸附氣賦存為主，后者以游離氣為主；二者開發(fā)方式也存在差異，煤層氣采用排水-降壓-產(chǎn)氣的方式進(jìn)行開發(fā)，而致密氣是直接降壓-產(chǎn)氣；另外儲(chǔ)層物性、壓力等層間差異引起的氣水倒灌現(xiàn)象等等，這些勢必給煤層氣-致密氣合采帶來挑戰(zhàn)。本文從層間干擾機(jī)制出發(fā)，分析了倒灌現(xiàn)象、物性差異以及開發(fā)方式對層間壓力干擾的影響，并運(yùn)用數(shù)值模擬手段進(jìn)行合采生產(chǎn)特征和控制因素分析，在此基礎(chǔ)上提出合采選層建議。

1 層間干擾機(jī)制分析

煤層氣-致密氣合采層間干擾指的是合采后一層對另一層產(chǎn)量造成一定的影響，分析認(rèn)為，煤層氣-致密氣層間干擾表現(xiàn)在三個(gè)方面：氣水倒灌進(jìn)入儲(chǔ)層的現(xiàn)象；開發(fā)方式差異造成合采效果欠佳；各層物性差異造成開發(fā)的不均衡。下面分別說明。

1.1 倒灌現(xiàn)象

兩氣合采倒灌主要考慮煤層中的水通過井筒倒灌進(jìn)入致密層的現(xiàn)象，倒灌現(xiàn)象發(fā)生有兩個(gè)作用力，分別是壓力差和毛細(xì)管力。在兩者作用下水倒灌進(jìn)入致密層中引起水鎖效應(yīng)或水淹，進(jìn)而限制致密層產(chǎn)能發(fā)揮。分析得到，兩氣合采倒灌現(xiàn)象發(fā)生有以下特點(diǎn)：

(1)毛細(xì)管力引起致密層吸水，吸水能力與致密層原始含水有關(guān)。兩氣合采時(shí)，經(jīng)射孔壓裂、通過井筒連通后，煤層中的水會(huì)在井筒內(nèi)上返到一定高度形成液面，而致密層多是親水的，若致密層原始含水低于束縛水飽和度，則井筒中的水在毛細(xì)管力作用下進(jìn)入致密層，造成水鎖效應(yīng)甚至水淹。若致密層含水飽和度高于束縛水飽和度，致密層吸水能力減弱，甚至不吸水。臨興區(qū)塊致密層普遍產(chǎn)水，說明含有一定可動(dòng)水，因此，由于吸水作用造成的倒灌現(xiàn)象不明顯。

(2)壓差引起的水倒灌現(xiàn)象在一定條件下發(fā)生。臨興區(qū)塊煤層氣-致密氣按照縱向疊置分類可分為上煤下氣、下煤上氣、煤氣互層等多種形式(圖1)。由于臨興區(qū)塊煤層割理飽和水，致密層或含一定可動(dòng)水，合采后采用排水降壓的方式進(jìn)行生產(chǎn)，此時(shí)油管產(chǎn)水、套管產(chǎn)氣。合采初期，兩氣壓力差異是決定倒灌現(xiàn)象發(fā)生與否的關(guān)鍵因素。若兩氣縱向分布為“下煤上氣”，共井筒合采開始時(shí)，假定兩氣壓力差(Pcbm>Ptg)大于兩層間水柱高度壓力(即ΔP>ρgh，h為層間距)，則發(fā)生倒灌，否則不發(fā)生，此時(shí)若致密層壓力大于煤層，則倒灌現(xiàn)象不發(fā)生。臨興區(qū)塊兩氣分布大多屬于“下煤上氣”型，且煤層、致密氣均為欠壓儲(chǔ)層，無異常壓力層，因此，初期合采不發(fā)生倒灌。合采過程中，工作制度影響倒灌現(xiàn)象發(fā)生與否。如合采時(shí)，若控制產(chǎn)氣速度高、排水速度慢，引起致密氣衰竭快，而井筒液面快速上升，造成井底壓力大于致密層壓力的情況，會(huì)出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，隨著水的進(jìn)入，致密層壓力回升，抑制了倒灌持續(xù)發(fā)生，因此這種倒灌現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間不長，但在合采過程中，常會(huì)出現(xiàn)抽油機(jī)故障、停電等，造成這種短時(shí)倒灌現(xiàn)象在合采過程中頻繁出現(xiàn)。

圖1 煤層氣-致密氣縱向疊置模式(表示煤層，表示致密層)

盡管倒灌現(xiàn)象在頻繁的工作制度調(diào)整變化下時(shí)有發(fā)生，但只要致密層水鎖特征不明顯，這種現(xiàn)象會(huì)很快得到抑制甚至解除，對總產(chǎn)量及采收率影響不大。但致密層水鎖特征明顯時(shí)，倒灌造成的影響就很大。

1.2 開發(fā)方式差異

煤層氣與致密氣賦存方式的差異，導(dǎo)致二者開發(fā)方式不同。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在基質(zhì)內(nèi)孔隙表面，而割理系統(tǒng)主要飽和水，煤層氣產(chǎn)出首先需要進(jìn)行排水降壓，吸附氣解吸后進(jìn)入割理，流入井筒，而致密氣可直接降壓生產(chǎn)。煤層氣排水降壓須遵循緩慢穩(wěn)定的原則，合采時(shí)，為保護(hù)煤層合理有效開發(fā)，降壓速度也是較緩慢的，導(dǎo)致合采前期致密氣產(chǎn)量低，影響整體開發(fā)經(jīng)濟(jì)性。從該角度來說，各層工作制度要求對合采效果有一定的干擾。同理，若致密層存在邊水或應(yīng)力敏感強(qiáng)，需要控制壓差生產(chǎn)，而煤層氣需要降壓到解吸壓力才能產(chǎn)氣，這同樣是干擾合采效果的關(guān)鍵因素。

1.3 物性差異

物性差異也是合層開發(fā)干擾的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。通過數(shù)值模擬試驗(yàn)表明：合層開發(fā)時(shí)滲透率差異越大，則低滲層產(chǎn)能受限越大。若配產(chǎn)不合理，高滲層流體可能倒灌進(jìn)入低滲層，但隨著時(shí)間推移，倒灌現(xiàn)象逐漸消失。再比如說含水性差異，若致密層不含可動(dòng)水，合采后水倒灌進(jìn)入致密層，勢必對致密氣產(chǎn)量和采收率有一定影響；但若致密層含可動(dòng)水，合采會(huì)否影響采收率尚不明確。另外，煤層的解吸壓力高低是決定合采效果好壞的重要參數(shù)，若解吸壓力很低，則需要很長的排水降壓時(shí)間，合采經(jīng)濟(jì)性必然不好。

2 兩氣合采生產(chǎn)特征及產(chǎn)量控制因素

基于層間干擾機(jī)制的分析，通過數(shù)值模擬方法進(jìn)一步研究兩氣合采生產(chǎn)特征，挖掘兩氣合采產(chǎn)量主控因素。模擬參數(shù)參考臨興區(qū)塊某口兩氣合采試驗(yàn)井參數(shù)，該井盒8段致密層與其下面的7+8+9號煤層進(jìn)行合層開發(fā)，采用煤層氣的排采控制方式進(jìn)行生產(chǎn)。

2.1 兩氣合采生產(chǎn)特征

圖2(a)為兩氣合采產(chǎn)量曲線，可看出合采后產(chǎn)量整體出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與煤層氣生產(chǎn)特征相似。從分層產(chǎn)量來看，煤層經(jīng)一段時(shí)間的排水期，之后產(chǎn)氣，產(chǎn)量迅速上升；致密層產(chǎn)量先上升，當(dāng)煤層氣產(chǎn)出后，出現(xiàn)氣液兩相，阻力增大，此時(shí)工作制度不變，壓降速度減緩，致密層產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢。從產(chǎn)氣峰值來看，合采后可能出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象。第一個(gè)峰值表征煤層氣產(chǎn)出對產(chǎn)氣造成影響，第二個(gè)峰值表征由于儲(chǔ)層能量不足，井底流壓降到最低值后，產(chǎn)量開始出現(xiàn)遞減趨勢。當(dāng)然，隨著參數(shù)變化，第一個(gè)峰值會(huì)消失，圖2(b)為不同排水量合采產(chǎn)量曲線，可以看出曲線依然保持煤層氣生產(chǎn)特征，但隨著含氣量增加，第一個(gè)峰值消失，第二個(gè)峰值提前。

圖2 煤層氣-致密氣合采生產(chǎn)曲線

2.2 滲透率差異對合采效果影響

在研究滲透率差異對產(chǎn)量影響時(shí)，常規(guī)研究方法是保持分層滲透率和不變，對比不同分層滲透率比值對產(chǎn)量影響，該做法可分析滲透率非均質(zhì)性對產(chǎn)量的影響，但并不能說明非均質(zhì)性程度對層間干擾的影響。如兩層合采時(shí)，假設(shè)滲透率和為1mD，對比兩種滲透率情況0.5mD/0.5mD和0.1mD/0.9mD的產(chǎn)量，若后者累產(chǎn)較前者要低，并不能說明后者干擾程度大、不適合合采，因?yàn)?.1mD滲透率所在層采出程度不高，導(dǎo)致合采產(chǎn)量不高，但該層仍舊對合采產(chǎn)量有所貢獻(xiàn)，只要具有經(jīng)濟(jì)性，就適合合采。因此，引入合采效率的概念，表征合采產(chǎn)量與單采各層產(chǎn)量和的比值，定義為：

其中η為合采效率，%；Gpt為合采累產(chǎn)量，Gpi為單采時(shí)第i層累產(chǎn)量。

設(shè)定致密層滲透率為0.04mD，煤層滲透率分別為0.01mD、0.04mD、0.1mD、0.4mD、0.8mD、1.2mD，則煤層/致密層滲透率比值分別為0.25、1、2.5、10、20、30，對比了不同滲透率比情況下兩氣合采效率。圖3(a)為煤層/致密層滲透率比為10時(shí)氣井合采效率隨時(shí)間變化情況，可見，合采效率隨時(shí)間推移有增加趨勢，且第9年以后合采效率保持在99%以上，說明合采與單采最終采出量差異不大。圖3(b)為不同滲透率比情況下合采效率，滲透率比值不同時(shí)，合采效率沒有明顯規(guī)律，說明滲透率比值差異與合采效果無關(guān)。

圖3 兩氣聯(lián)采合采效率

雖然滲透率差異對合采效率影響不大，但滲透率值對合采產(chǎn)量影響顯著。以煤層滲透率為例，合采累產(chǎn)量隨滲透率增大而大幅增加(圖4)。若煤層滲透率太低，對合采產(chǎn)量貢獻(xiàn)不大，考慮到合采煤層可能帶來的煤粉產(chǎn)出、堵塞、頻繁修井風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)不建議合采該煤層。

圖4 煤層滲透率對合采累產(chǎn)量影響

圖5 致密層含水性對合采效果影響分析

2.3 致密層含水性對合采效果影響

含水性通常用含水飽和度來表征，影響著合采效果。當(dāng)原始含水飽和度小于束縛水飽和度時(shí)，致密層遇水后吸水，發(fā)生水鎖效應(yīng)。當(dāng)原始含水飽和度大于束縛水飽和度時(shí)，致密層遇水后水鎖效應(yīng)不明顯。

可以用相滲曲線來示意說明。圖5(a)所示為臨興地區(qū)某層段巖心相滲曲線，束縛水飽和度為50%，若儲(chǔ)層原始含水為30%，低于束縛水飽和度，則氣相相滲為0.3，若儲(chǔ)層含水等于束縛水飽和度，此時(shí)氣相相滲為0.21。對于原始含水低于束縛水飽和度儲(chǔ)層，遇水后發(fā)生吸水現(xiàn)象，有效滲透率下降，有效滲透率下降30%。

圖5(b)對比了該相滲曲線下致密層原始含水30%、50%和60%情況下兩氣合采時(shí)致密層采出程度，可以看出，含水飽和度小于束縛水飽和度時(shí)，合采后20年采出程度從55.7%降到35.9%，而當(dāng)含水飽和度大于束縛水飽和度時(shí)，合采后20年采出程度與含水飽和度等于束縛水飽和度時(shí)相差不大。進(jìn)一步說明兩氣合采時(shí)，若致密氣含可動(dòng)水，煤層水對致密層影響不大，若致密層不含可動(dòng)水，此時(shí)煤層水對致密氣產(chǎn)量影響大，不建議合采。

2.4 煤層解吸壓力對合采效果影響

解吸壓力是煤層氣開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀诮馕鼔毫r(shí)，煤層吸附氣開始解吸產(chǎn)出。對于煤層氣-致密氣合采情況，地層壓力低于解吸壓力是煤層氣開始貢獻(xiàn)產(chǎn)量的先決條件。由于合采時(shí)煤層-致密層共用一個(gè)井筒，井底流壓低于該解吸壓力時(shí)煤層才會(huì)產(chǎn)氣，若煤層解吸壓力低，合采時(shí)，最極端的情況是致密氣衰竭開發(fā)完或大部分已開發(fā)完，煤層才會(huì)貢獻(xiàn)，此時(shí)合采變成接替開發(fā)。從該角度來說，低解吸壓力煤層不適合于致密氣合采。

圖6為煤層不同解吸壓力時(shí)合采20年累產(chǎn)量對比，可以看出，解吸壓力為2MPa時(shí)，累產(chǎn)2000萬m3，當(dāng)解吸壓力增加到6MPa時(shí)，累產(chǎn)為4000萬m3，解吸壓力對累產(chǎn)量具有較大影響，直接影響合采經(jīng)濟(jì)性。

圖6 煤層解吸壓力對合采產(chǎn)量影響

3 合采選層建議

通過前文合采干擾機(jī)制與產(chǎn)量控制因素的分析，煤層氣-致密氣合采選層應(yīng)注意幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)致密層含水性及水鎖特征

致密層含水性是決定是否適合合采的關(guān)鍵因素。由于煤層氣開發(fā)排水降壓產(chǎn)氣的特點(diǎn)，會(huì)造成或多或少的水倒灌進(jìn)入致密層，若致密層水鎖現(xiàn)象不明顯，則該作用對合采效果影響不大，若致密層水鎖現(xiàn)象明顯，則該致密層不適合合采，建議單獨(dú)開發(fā)以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。因此，對不含層內(nèi)可動(dòng)水的致密層，不建議與煤層合采。

(2)煤層氣解吸壓力

煤層氣解吸壓力是煤層氣解吸產(chǎn)出的臨界壓力。在合采確定前，需判斷煤層氣臨儲(chǔ)比，臨儲(chǔ)比過小不適合合采。合采時(shí)解吸壓力和臨儲(chǔ)比需滿足的條件要結(jié)合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行判斷。

(3)兩氣工作制度的特殊要求

煤層氣緩慢穩(wěn)定的排采降壓要求限制了致密氣的產(chǎn)氣速度，使得整體投資回收期延長。因此，在兩氣合采優(yōu)選時(shí)，要充分考慮煤層氣排采工作制度對整體產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響。

(4)是否具有經(jīng)濟(jì)性

是否具有經(jīng)濟(jì)性是決定兩氣合采適合與否的最終指標(biāo)。合采時(shí)，單層開發(fā)收益應(yīng)至少大于該層壓裂費(fèi)用，合采開發(fā)收益應(yīng)滿足在指定折現(xiàn)率時(shí)凈現(xiàn)值大于零。同時(shí)應(yīng)對比合采開發(fā)是否優(yōu)于分層開發(fā)、接替開發(fā)等。