煤層氣井不同排采階段產(chǎn)水特征及排采管控方法研究與應(yīng)用

余恩曉 ，馬立濤 ，閆俊廷 ，周福雙

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083；2.河北坤石科技有限公司，河北 廊坊065000；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津300452；4.中石油華北油田 山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000；5.中石油大港油田 第六采油廠地質(zhì)研究所，天津300280）

煤層氣開采是通過持續(xù)排出煤層（或是侵入煤層）中的水，降低儲層壓力[1-2]，使儲層壓力降低至甲烷的解吸壓力后，吸附在煤基質(zhì)孔隙中的甲烷氣體解吸，后經(jīng)過擴散、滲流進入井筒中[3]。因此，煤層氣井排采要以井底流壓控制為核心，實現(xiàn)流壓平穩(wěn)下降。流壓精細控制的主要目的是為了防止由于管理不善導(dǎo)致儲層煤粉傷害、速敏傷害或應(yīng)力敏感性傷害[4-6]，保持煤儲層滲透率，使壓降漏斗有效擴展。

降壓目標(biāo)的達成取決于2個方面：①煤層向井筒中供液量與通過抽油機工作制度調(diào)節(jié)的井口產(chǎn)液量間的對比關(guān)系；②通過角閥開度調(diào)節(jié)的產(chǎn)氣量和煤層向井筒供氣量間的對比關(guān)系。而煤層向井筒的供氣、供液量是井底流壓精細控制的先決條件，是變量，而抽油機工作制度與角閥開度是因變量。因此，根據(jù)煤層氣井開發(fā)過程中不同的供水、供氣特征將其煤層氣井的整個排采過程分為單相流段，臨界解吸段，氣、水兩相流段3個階段[7]，根據(jù)不同階段儲層向井筒的供氣、供水量的變化，針對性地采取不同的井底流壓控制方法，保證井底流壓持續(xù)平穩(wěn)下降。

1 單相流段產(chǎn)水特征與排采控制方法

1.1 單相流段產(chǎn)水特征

單相流段即從新井投產(chǎn)至解吸前整個排水降壓的過程，該階段主要任務(wù)是有效排出水力壓裂過程中壓入煤層中的壓裂液，保護煤儲層[8]；有效排出煤層水，使煤儲層壓力整體降低至解吸壓力，擴大壓降漏斗范圍。由于該階段只產(chǎn)出水，流壓變化取決于煤層供水量與設(shè)備排水量之間的對比關(guān)系，因此流壓控制手段就是通過調(diào)節(jié)排采設(shè)備工作制度進而調(diào)節(jié)日排水量，而調(diào)節(jié)的依據(jù)就是煤層供水量的變化情況。

在單相水流段，煤層產(chǎn)出水的滲流遵循達西定律[9]，由于儲層壓力不變，隨著井底流壓降低，生產(chǎn)壓差持續(xù)增大，因此，煤層的產(chǎn)水量逐漸增大。開發(fā)時間表明，單相水流段，大部分井日產(chǎn)水量隨著井底流壓的降低呈線性增加（圖1）。

圖1 煤層氣井日產(chǎn)水量與井底流壓的關(guān)系

由圖1可知，隨著井底流壓降低，煤層向井筒的供水量不斷增加，因此，要保持井底流壓恒定的降壓速度，必須持續(xù)提高抽油機沖次，不斷增加排水量，使排水量與供水量達到平衡。

1.2 單相流段排采控制方法

在單相流階段，要求煤層氣井井底流壓保持恒定的日降壓速度進行排采。單向流段各排采參數(shù)間關(guān)系示意圖如圖2。要保持恒定降壓速度，則要求井底流壓隨排采時間的增加呈線性降低（圖2（a））。又由于該階段日產(chǎn)水量隨井底流壓的降低呈線性增加（圖2（b）），則日產(chǎn)水量隨排采時間的增加而呈線性增加（圖2（c））。在單相流段，由于產(chǎn)水量較大，能夠有效的攜帶出煤粉，因此抽油泵泵效在單向流段基本恒定。因此，對于固定的井，其抽油機、抽油泵、沖程不變時，在單相流段抽油機沖次與日產(chǎn)水量同樣為正相關(guān)線性關(guān)系（圖2（d））。那么只有使抽油機沖次隨著排采時間增加呈線性增加（圖2（e）），才能保證以恒定的速度降壓。

圖2 單向流段各排采參數(shù)間關(guān)系示意圖

2 臨界解吸段流壓精細控制方法

2.1 臨界解吸段產(chǎn)水特征

臨界解吸段即井底流壓降至該井控制范圍內(nèi)甲烷解吸壓力附近，煤基質(zhì)中吸附態(tài)的甲烷解吸前后的排采階段。該階段，煤層甲烷解吸初期，氣相以不連續(xù)氣泡分散存在于水相中[10]，氣泡占據(jù)部分滲流通道但并沒有形成連續(xù)流動，此時由煤層向井筒滲流的流體仍然是水，形成了不飽和單相流。隨著甲烷解吸量逐漸增加，氣泡不斷增加最后連成一片，形成了連片氣泡流。煤層向井筒滲流流體相態(tài)變化，導(dǎo)致煤層中含水飽和度、水相滲透率的大幅變化，導(dǎo)致該階段煤層向井筒供水量起伏較大。煤層氣井日產(chǎn)水量隨井底壓力變化規(guī)律如圖3。

圖3 臨界解吸段日產(chǎn)水量變化規(guī)律

由圖3可知，煤層甲烷解吸后，日產(chǎn)水量隨井底流壓的降低總體上呈下降趨勢，但存在1個短暫的回升的過程。這是由于，在煤層甲烷解吸初期的非飽和單相流段，氣體以孤立氣泡的形式存在，為非連續(xù)相，造成水相飽和度、水相滲透率降低，進而導(dǎo)致煤層向井底供水量降低，單位壓降下的井口產(chǎn)水量也隨之降低。而隨著排采持續(xù)進行，氣體解吸量增加，氣泡數(shù)量增多，此時，儲層壓力下降導(dǎo)致氣體體積膨脹，將孔隙中的水推向井筒，導(dǎo)致煤層向井筒供水量增加，單位壓降產(chǎn)水量也隨之升高。

由圖3還可知，供水量升高持續(xù)時間較短，一般只有7～12 d，這是因為隨著解吸氣量的進一步增大，氣體逐漸變?yōu)檫B續(xù)相，煤層中水相飽和度、水相滲透率進一步降低，氣體膨脹助推作用被抵消，致使煤層向井筒供水量逐漸降低，單位壓降下的井口產(chǎn)水量也降低。

2.2 臨界解吸段排采控制難點

由于該階段煤層供水量起伏變化較大，抽油機工作制度不能及時調(diào)節(jié)或錯誤調(diào)節(jié)都會造成井底流壓突升或突降，從而引起煤層應(yīng)力激動、造成煤層傷害。該階段流壓精細控制的難點有2個：①煤層向井底供水量減少階段，由于沖次過高而導(dǎo)致流壓大幅下降；②煤層向井底供水量短暫回升時，沖次調(diào)高幅度過大，而供水量降低后沖次調(diào)低不及時導(dǎo)致井底流壓大幅度降低。

2.3 臨界解吸排采控制方法

該階段流壓精細控制的方法包括以下2步：首先，應(yīng)該通過恒定工作制度下單位時間內(nèi)井底流壓降低速度變化程度確定煤層向井底供水量的變化趨勢，進而確定所處的排采階段。當(dāng)抽油機工作制度不變時，如果井底流壓降低速度持續(xù)增加，說明煤層向井底供水量持續(xù)降低，可能處于非飽和單相流階段或是氣體成為連續(xù)相階段；反之，說明煤層向井底供水量持續(xù)增多，處于氣體膨脹助推明顯的連片氣泡流階段；如果速度保持不變，說明煤層向井底供水量保持穩(wěn)定。

然后，應(yīng)通過實際降壓速度與合理降壓速度進行對比確定沖次調(diào)節(jié)方向和幅度。當(dāng)井底流壓的實際降壓速度大于合理降壓速度時，如果處于煤層向井底供水量持續(xù)增加階段，則可以保持原沖次排采，因為供水量不斷增多需要不斷增加沖次才能保持恒定的降壓幅度；而如果處于供水持續(xù)減少階段，則應(yīng)該持續(xù)小幅調(diào)慢沖次，否則降壓速度會越來越快，造成短期流壓大幅降低。

當(dāng)井底流壓實際降壓速度等于合理日降壓速度時，如果該井處于煤層向井底供水量持續(xù)增加階段，需要繼續(xù)小幅增加沖次才能保持恒定降壓速度；而如果該井處于煤層向井底供水量持降低階段，需要繼續(xù)小幅降低沖次。如果不根據(jù)煤層向井底供水量的變化趨勢調(diào)節(jié)沖次，必然會造成流壓大幅波動，造成儲層傷害。因此，明確排采階段，預(yù)判煤層向井底的供水量變化趨勢，能夠大大提高沖次調(diào)節(jié)的有效性和流壓控制的精確性。

該階段應(yīng)每2 h觀察1次流壓下降速度，單次沖次調(diào)節(jié)幅度不易過大，應(yīng)該遵循小幅度多頻次調(diào)參的原則。另外要密集核實產(chǎn)水量，通過產(chǎn)水量的變化輔助判定排采所處的階段，增強產(chǎn)水量預(yù)判的準(zhǔn)確性。

3 氣-水兩相流段產(chǎn)水特征及排采控制方法

3.1 氣-水兩相流段產(chǎn)水特征

煤層氣井初次放氣之后，氣-水兩相滲流形成，隨著氣體解吸量持續(xù)增大，煤層中氣相飽和度不斷增加，氣相滲透率增加導(dǎo)致液相滲透率減小[11]。由于本區(qū)煤層絕對滲透率為0.1×10-3μm2甚至更低，導(dǎo)致其束縛水飽和度非常高，普遍達到60%以上。根據(jù)相滲實驗結(jié)果：隨著氣相飽和度增加，水相滲透率急劇降低，當(dāng)氣相飽和度增加至10%以上時，水相滲透率降低50%，當(dāng)氣相飽和度增至20%時，水相滲透率基本趨于0。因此，氣-水兩相流階段，煤層向井底供水量持續(xù)降低，如果抽油機沖次調(diào)節(jié)不及時極容易造成井底流壓短時間內(nèi)大幅下降，該階段流壓精細控制主要目標(biāo)是防止流壓突降。

3.2 初次放氣時排采控制方法

初次放氣是流壓控制的1個關(guān)鍵階段。煤層氣井解吸后需要適度憋套壓，待煤層供氣穩(wěn)定后開始放氣，一般套壓在0.5～1 MPa之間開始放氣，如果放氣過早，煤層供氣能力不足，會導(dǎo)致套壓在放氣的一瞬間大幅降低，導(dǎo)致井底流壓大幅降低，造成煤層激動，產(chǎn)生煤粉、速敏、應(yīng)力敏感性等傷害；而如果放氣過晚會導(dǎo)致套壓過高，動液面過低，不利于后期排采控制。

放氣后，兩相流形成，水相滲透率急劇下降，煤層向井底供水量大幅減少，容易造成井底流壓迅速大幅下降，因此放氣前2 h降低沖次，放氣后持續(xù)降低沖次才能保證井底流壓平穩(wěn)下降。初次放氣必須從極小排量開始，避免供氣能力不足造成套壓大幅下降，在保持套壓穩(wěn)定前提下逐漸增大放氣量。

初次放氣及放氣后流壓控制方法如圖4，套壓為1 MPa時開始放氣，放氣前提前調(diào)慢沖次，避免流壓大幅下降，放氣后在套壓平穩(wěn)的基礎(chǔ)上穩(wěn)定逐步增氣，同時持續(xù)小幅降低工作抽油機沖次，保證了流壓平穩(wěn)下降，氣量平穩(wěn)上升。

圖4 初次放氣及放氣后流壓控制方法圖

3.3 提產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)階段排采控制方法

該階段，保證動液面持續(xù)穩(wěn)定下降，避免動液面回升。該階段，套壓逐漸成為流壓的主要構(gòu)成部分，合理控制套壓具有重要意義。套壓最高值是確保不將液柱壓入泵的吸入口，造成氣鎖，降低泵效；其最低值是保證氣體能夠克服阻力順利產(chǎn)吹，即應(yīng)大于管壓+摩阻；另外，冬季套壓應(yīng)盡量低些，經(jīng)統(tǒng)計套壓大于0.3 MPa后降壓吸熱會造成角閥凍堵。

此階段要求平緩降壓流壓，增氣嚴(yán)格遵循小幅多頻次的調(diào)氣原則，日產(chǎn)氣量大于1 000 m3的井單次調(diào)氣不超過100 m3，日產(chǎn)氣量小于1 000 m3的井單次加氣不超多50 m3，避免連續(xù)提氣，必須待套壓穩(wěn)定后再進行下一次提氣。通過小幅多頻次的調(diào)氣實現(xiàn)該階段流壓平穩(wěn)下降，氣量平穩(wěn)上升。

4 結(jié)論

1）單相水流段煤層向井筒供水持續(xù)增加，應(yīng)使沖次隨排采時間線性增加才能夠有效保持恒定壓降速度。

2）臨界解吸段，煤層供水量起伏較大，容易造成流壓大幅波動，需密切關(guān)注水量、井底流壓變化，持續(xù)、小幅調(diào)參。

3）氣-水兩相流階段，為了防止流壓大幅度下降，要提前放慢沖次，從極小量開始逐步增氣。穩(wěn)產(chǎn)階段要遵循小幅多頻次的提氣原則，保證套壓、產(chǎn)水平穩(wěn)。