淺析煤層氣井壓裂后壓降及放噴數(shù)據(jù)可分析性及重要性

高 宇 段衛(wèi)英 紀(jì)彥波 董建秋 關(guān)濟(jì)朋 姜文文

(1.中石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000；2.中國石油華北油田分公司第三采油廠，河北 062552)

由于煤巖物理特征的復(fù)雜性、煤巖力學(xué)性質(zhì)的特殊性，煤巖形成就受眾多復(fù)雜多變的因數(shù)影響，壓裂后裂縫形態(tài)特征又復(fù)雜多變難以預(yù)測。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的室內(nèi)、室外模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建數(shù)學(xué)、物理模型，通過軟件模擬計算，對煤層水力壓裂進(jìn)行了大量研究。針對煤巖的低滲及復(fù)雜性導(dǎo)致的特殊非線性滲流機(jī)理，眾多學(xué)者以油氣井傳統(tǒng)試井分析研究為基礎(chǔ)，對低滲儲層、煤層氣滲流機(jī)理及試井存在的特殊性復(fù)雜性及難點(diǎn)進(jìn)行了理論研究分析，煤層氣試井對于儲層評價具有較大意義，本文由壓裂后測壓降及放噴數(shù)據(jù)入手，對獲得的壓力、放噴液量時間變化進(jìn)行初步分析，認(rèn)為這些參數(shù)的獲取對于煤層儲層評價及效果預(yù)測具有一定的參考意義。

1 區(qū)塊概況

成莊合作區(qū)塊處于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，煤種為無煙煤，區(qū)塊3號煤層埋深較淺，平均440m，平均5.81m。含氣量平均19.21m3/t，臨儲比多大于0.5；3號煤儲層孔隙度平均5.80%，滲透率平均值2.67mD，滲透率高。15號煤層埋深較淺，平均490m，厚度平均3.90m。含氣量平均16.67m3/t。目前區(qū)塊主采3號煤層。15號煤作為接替產(chǎn)能逐步開發(fā)。

2 區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀

成莊合作區(qū)塊2009～2010年鉆井89口，采用單井單井場的開發(fā)方式對3號煤層進(jìn)行開發(fā)利用，建設(shè)產(chǎn)能0.8×108m3，至今已累計產(chǎn)氣9.7×108m3，開發(fā)效果較好，目前采出程度89.6%，3號煤層煤層氣資源嚴(yán)重枯竭，儲層壓力及地層能量基本釋放完畢，且區(qū)塊老井范圍內(nèi)存在3個煤礦，煤礦開采及瓦斯抽采的嚴(yán)重影響煤層氣的開采，2019年老井遞減率高達(dá)22.3%。

2019年成莊合作區(qū)塊開始進(jìn)行新的產(chǎn)建工作，對3號和15號煤進(jìn)行雙層合采，通過在老區(qū)單井井場加密鉆井和區(qū)塊剩余部分進(jìn)行鉆井，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊高效開發(fā)。截止2020年底共壓裂投產(chǎn)47口定向井(其中老區(qū)加密井23口)，部分井產(chǎn)氣效果較好，但也具有一定的差異性。

3 壓裂工程情況

3.1 前期壓裂施工情況分析

區(qū)塊2009～2010年產(chǎn)建時已完成83口直井的壓裂工作，對3號煤進(jìn)行開發(fā)利用，相關(guān)施工參數(shù)如下：

液體配方：清水+1%KCl；

支撐劑：蘭州石英砂，有兩種加砂方案，一種加入40～70目石英砂10m3，20～40目石英砂20～30m3，16～20目石英砂5m3；另一種加入16～20目石英砂25～30m3，15～19目8～10m3；

液體用量：500～700m3左右；施工排量：6～8m3/min。

放噴情況：關(guān)井90分鐘測壓降后用3mm油嘴進(jìn)行放噴。

已開發(fā)區(qū)為拉張應(yīng)力區(qū)，該壓裂模式下取得了良好的效果，表明采用的壓裂施工參數(shù)和工藝是適合該地區(qū)煤儲層特征的。

3.2 近期壓裂施工情況分析

2019年新的產(chǎn)建工作壓裂模式基本保持不變，開發(fā)區(qū)域?qū)儆谶^渡應(yīng)力區(qū)，部分井對壓裂液量大小進(jìn)行了對比分析，在老區(qū)加密井3號煤壓裂時適當(dāng)降低了壓裂規(guī)模，防止與鄰近老井壓竄。區(qū)塊2019年產(chǎn)建時已完成47口井的壓裂工作，相關(guān)施工參數(shù)如下：

液體配方：清水+1%KCl；

支撐劑：蘭州石英砂，有三種加砂方案，前置液加入40～70目石英砂1m3，攜砂液加入40～70目石英砂9m3，20～40目石英砂20或15或10m3，16～20目石英砂5m3；

液體用量：250～700m3左右；施工排量：6～8m3/min。

放噴情況：①壓后測壓降30min；②測完壓降后立即從套管進(jìn)行放噴，放噴壓力范圍與水嘴型號見表1。

表1 壓裂后放噴油嘴選擇表

4 壓裂后情況分析

4.1 壓裂停泵壓力分析

壓裂后的停泵壓力代表了地層裂縫延伸壓力，地層裂縫延伸壓力等于停泵壓力加上井筒的靜液柱壓力，該值的高低與儲層的巖石斷裂韌性、壓開的裂縫大小，即與施工規(guī)模的大小有關(guān)。更通俗意義上的含義就是恰好使裂縫保持不閉合所需要的流體壓力。根據(jù)老區(qū)加密井的壓裂數(shù)據(jù)，在壓裂規(guī)模沒有太大變化的情況下，通過比較同一井場兩個時期(相差10年)的閉合壓力變化，即第一批投產(chǎn)井同第二批投產(chǎn)井壓裂時的停泵壓力，動態(tài)分析區(qū)域煤層氣開采后煤層的壓力變化。由圖1可以看出總計10個井場共31口井，其中2009年投產(chǎn)老井10口(圖1黑色柱體)，2019年老區(qū)加密投產(chǎn)新井21口(圖1白色柱體)，其中新井閉合壓力小于同一井場老井的比例為62.0%，說明隨著煤層氣的開采，氣體、流體的產(chǎn)出，影響到了區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。初步分析為應(yīng)力集中區(qū)域，煤層氣的開采會導(dǎo)致應(yīng)力集中趨勢更為明顯，而應(yīng)力釋放區(qū)域正好相反。

圖1 老區(qū)加密井壓裂后閉合壓力柱狀圖

4.2 壓裂后測壓降分析

壓裂后封閉井口或管柱后測量壓降，觀察壓裂后壓力變化，一般觀察時間是半個小時到一個小時。整個過程可以看做是注入井筒及附近裂縫中的高壓流體向裂縫遠(yuǎn)端滲流的一個過程。因此井口壓力的降低的快慢及程度是對煤層滲流能力的一種反映(井筒或油管摩阻由于區(qū)塊內(nèi)同一煤層深度差異不大，可看做摩阻大小及變化趨勢一致便于分析)，這個過程的快慢由煤儲層本身的壓力(壓裂后遠(yuǎn)端孔隙流體壓力)及滲透能力大小共同決定的，也就是煤層本身的擴(kuò)散性。例如成莊合作部分井壓裂后的壓降曲線(圖2，圖3)，從圖中可以看出，在測壓降的過程中，不同煤層壓裂后的壓力變化及快慢存在一定的差異性。通過分析數(shù)據(jù)認(rèn)為：壓降初期可能受摩阻的影響較大，后期時的壓力大小和變化能夠在一定程度上反映出煤儲層的壓力大小及滲透性。但具體需要更加深入的分析研究，構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型，來研究壓力變化與儲層參數(shù)之間的關(guān)系，能夠進(jìn)一步地預(yù)測出煤儲層壓裂后的滲透率等參數(shù)，來指導(dǎo)排采生產(chǎn)及產(chǎn)量預(yù)估。

注：測壓降數(shù)據(jù)為每分鐘對應(yīng)的井口壓力圖2 老區(qū)加密井15號煤壓裂后壓降曲線

注：測壓降數(shù)據(jù)為每分鐘對應(yīng)的井口壓力圖3 老區(qū)加密井3號煤壓裂后壓降曲線

4.3 壓裂后放噴情況分析

根據(jù)前期壓裂經(jīng)驗(yàn)判斷，太快和太慢均會對壓后儲層造成傷害，因此普遍采用適中的放噴速度。但根據(jù)近幾年的壓裂放噴效果，當(dāng)壓力降低到放噴壓力時，對壓裂液進(jìn)行快速返排，效果普遍較好，但對于放噴時壓力、放噴液量的變化研究甚少。放噴時每兩個小時(根據(jù)放噴壓力變化情況實(shí)時調(diào)整)記錄井口壓力及返排流量，根據(jù)井口壓力大小選擇對應(yīng)的油嘴進(jìn)行放噴。這些數(shù)據(jù)是地層壓力及滲透性變化的最直接反映，雖然放噴時是儲層物性變化較大的一個過程，但通過對放噴時參數(shù)的分析研究，可以最直接更為接近的預(yù)測出生產(chǎn)時的最初滲透率及相關(guān)儲層參數(shù)。目前放噴時記錄的數(shù)據(jù)較少(表2)，只是記錄多個時間點(diǎn)的壓力大小及測量一下水量。不能完整的詳細(xì)的記錄井口壓力的變化。如果能獲得更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，再構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)、物理模型，通過軟件模擬計算，相信能夠得到更為準(zhǔn)確的煤儲層參數(shù)。

表2 壓裂后放噴數(shù)據(jù)表實(shí)例

4.4 壓裂后各參數(shù)與產(chǎn)氣情況關(guān)聯(lián)性

決定煤層氣開發(fā)效果的因數(shù)歸根結(jié)底就是資源量及滲透率。而資源量基本不會有明顯的變化(忽略協(xié)同開發(fā)的影響)，滲透率也只是人為的通過壓裂等工程手段去改善一下滲流通道。壓裂后各參數(shù)在一定程度上能夠反映改造后的煤層滲透性，如果區(qū)塊資源、地質(zhì)條件較好的話，則能夠得到較好的效益。但具體情況往往是從空間到時間等各種條件下的復(fù)雜耦合。壓裂后各參數(shù)只能在一定程度上反映出滲透性好壞，這種滲透性不僅預(yù)示著較好的運(yùn)移通道，也可能是高滲水、高逸散通道。

由于沒有直接的煤層氣含量這一準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，測井時預(yù)測的煤層氣含量參考價值不大。通過壓裂后數(shù)據(jù)和產(chǎn)氣量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，判斷壓裂后參數(shù)能否和滲透率和產(chǎn)氣量有一定的相關(guān)性。但是由于開發(fā)井是3號煤和15號煤分壓合采，產(chǎn)氣效果相關(guān)性受兩層煤產(chǎn)能的共同影響，因此關(guān)聯(lián)性分析存在一定的局限性。正如圖4所示，分析了壓裂后3號煤和15號煤的閉合壓力與投產(chǎn)后一年的日產(chǎn)氣量及累產(chǎn)水量之間的關(guān)系。雖然可以看出有一定的關(guān)聯(lián)性，但由于受地質(zhì)條件影響的復(fù)雜性，關(guān)聯(lián)性不是太強(qiáng)，需要更深入的研究分析。

圖4 壓裂后閉合壓力與產(chǎn)氣量關(guān)聯(lián)性分析

5 壓裂后放噴數(shù)據(jù)的可分析性及重要性

壓裂后壓降、放噴的過程相當(dāng)于對煤層改造后的一次滲透性測試，測壓降時是高壓流體由井筒及裂縫向遠(yuǎn)端滲透，放噴時是煤層改造后溝通裂隙內(nèi)的流體向井筒滲流。壓裂后壓降、放噴獲取的壓力、流量等參數(shù)對于煤儲層的滲流能力評價更接近生產(chǎn)實(shí)際，可以作為煤層氣試井的一種補(bǔ)充，也可能用來評估壓裂后滲透性的好壞，對于指導(dǎo)生產(chǎn)開發(fā)意義更大更準(zhǔn)確，在定性評價或者定量分析上都具有一定的參考價值。但是由于壓降時和放噴時是煤儲層壓力、能量變化較大較快的一個過程，這種劇烈變化必然影響著滲透率的變化，即壓降、放噴過程時滲透率是動態(tài)變化，甚至是突變的一個過程。因此需要進(jìn)一步的深入研究壓降、放噴過程的滲流機(jī)理，構(gòu)建更加精確的模型，用來動態(tài)的表征預(yù)估滲透率。這個動態(tài)的滲透率的最后狀態(tài)即是最接近生產(chǎn)狀態(tài)時的滲透率，對產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量將具有更準(zhǔn)確更清晰的預(yù)測。

6 結(jié)論和建議

(1)煤層氣井壓裂后測壓降和放噴數(shù)據(jù)對于研究儲層滲流能力意義重大，對生產(chǎn)排采和產(chǎn)量預(yù)測具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)壓裂后閉合壓力的大小在一定程度上代表了地層能量的高低，更準(zhǔn)確意義上的代表了壓裂有效范圍內(nèi)的圈閉能力。

(3)壓裂后測壓降時壓力變化快慢與地層滲流能力有關(guān)，但還需要深入的計算分析研究得出更加清晰準(zhǔn)確的結(jié)論。

(4)壓裂后放噴數(shù)據(jù)應(yīng)該全程記錄，通過自動化手段，對壓力和流量進(jìn)行更加清晰準(zhǔn)確的全程記錄，使后期分析研究更加準(zhǔn)確有效。

(5)壓裂后放噴時壓力變化及放噴液量與地層滲流能力有關(guān)，但還需要深入的計算分析研究得出更加清晰準(zhǔn)確的結(jié)論。

(6)測壓降及放噴滲流機(jī)理需要進(jìn)一步的研究分析，構(gòu)建適宜的模型用來解釋和預(yù)測滲透率的動態(tài)變化。