成莊合作區塊負壓抽排實施效果分析

高 宇 紀彥波 董建秋 關濟朋 趙晨光 姜文文

(中石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開發分公司, 山西 048000)

1 區塊概況

成莊合作區塊處于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，煤種為無煙煤，區塊3號煤層埋深較淺，平均440m，平均5.81m。含氣量平均19.21m3/t； 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。目前區塊主采3號煤層，15號煤作為接替產能逐步開發。

2 區塊開發現狀

2.1 開發現狀

區塊開采已長達11年之久，采出程度89.6%，3號煤層煤層氣資源嚴重枯竭，儲層壓力及地層能量基本釋放完畢，且區塊老井范圍內存在3個煤礦，煤礦開采及瓦斯抽采的嚴重影響煤層氣的開采，已累計關停30口井，目前影響井31口。2019年老井遞減率高達22.3%。常規的儲層增產穩產措施對于采收率較大的井已經不適用，負壓抽排幾乎成為唯一的選擇。正如多數氣田在開發后期都會采用負壓抽排措施來穩產。而決定負壓抽排適用性的關鍵因素就是儲層滲透率，楊亞聰等人在對國內外負壓抽排采氣研究中表明評價產層透氣性的可抽放性指標為滲透率大于0.25mD可以抽放。成莊合作區塊滲透率平均值2.67mD，是可抽放性指標的十倍，因此這也是本區塊負壓抽排實施的前提。成莊區塊根據實際情況，在2019年開始逐漸增加負壓抽排措施規模，老井負壓抽排實施率已經達到54%，增產效果明顯。

2.2 管網集輸

成莊區塊管網復雜，存在自營、合作和中聯三方管線，氣量和管壓相互影響，這也是很多區塊集輸管網普遍存在自身復雜情況的一個縮影。

成莊合作區塊內三方管線整體集輸，集氣站來氣井數眾多，集氣站處理壓力較大。根據近三年的數據分析，管壓明顯抑制套壓的井數較多，老井套管閥門已經全部打開，很多井是管壓反過來使套壓“憋壓”，這種憋壓狀態使井筒以及煤層中的氣體處于抑制狀態，無法最大可能的運移擴散。

2.3 煤礦影響

已開發區內有3個煤礦(端氏、坪上、曲堤)。隨著煤礦采掘的不斷推進，受影響面積不斷擴大。煤礦影響存在兩個極端，一是正效應，煤礦挖掘造成地應力釋放，煤儲層卸壓裂縫張開，增大煤層滲透率。二是負效應，瓦斯抽放形成的負壓直接將煤層氣抽采，煤礦開采直接使物源枯竭。

煤礦井下布置的瓦斯抽采孔對煤層氣井的正常生產影響巨大，直接導致無法產氣，甚至井口出現倒吸的情況。這種情況即使上負壓設備也于事無補。成莊區塊存在三個井組，存在此情況，如圖1所示，受端氏煤礦布置的超長瓦斯抽采鉆孔已經穿過該井組，導致這些井組在負壓抽排的情況下也不產氣。可見煤礦瓦斯抽采對作用范圍內的煤層氣井是致命的。值得一提的是當不再有煤礦瓦斯抽采和煤的采出的本質影響后(即是沒有力的作用和資源的減少時)，地面煤層氣抽采也會取得一定的效果，采空區進行地面煤層氣抽采也是可行的。

3 負壓抽排選井原則

無論常規天然氣還是非常規天然氣在生產后期都會進行負壓抽排，眾多學者針對氣井生產后期負壓抽排情況都進行過研究，也制定過一些選井原則或方法。根據成莊區塊的生產情況、地質情況以及地面條件，綜合考慮各方面的因素制定以下原則。

(1)投產時間長，產水較少或基本不產水；

(2)氣量遞減且前期氣量較好；

(3)目前管壓導致套壓較高；

(4)前期氣量較好，目前氣量為氣量高峰水平的1/3～1/2的井；

(5)煤礦開采影響。

煤礦開采對于煤層氣井的正常生產影響極大，不論產氣情況如何，應盡快進行負壓抽排。

4 負壓抽排控制原則

負壓抽排至煤層氣井產氣后期的生產運行方式，正如煤層氣開采前期排水降壓一樣，同樣需要連續緩慢穩定的抽采方式。生產初期，地層壓力大，處在物性敏感期；生產后期，地層能量接近枯竭，處于物性脆弱期。在地層壓力及套壓均處于較低狀態小進行負壓后排，實際上就如同生產初期降流壓生產一個性質。生產后期，負壓設備將控制套壓降低產生運輸壓差來重新啟動煤層氣的運移產出。因此負壓抽排過程需要遵循以下原則：

(1)負壓設備運行連續穩定；

(2)在負壓設備能力范圍內，根據煤層氣井的套壓情況逐漸調整負壓設備的轉速。

(3)當閥組間多口井進行負壓抽排時，可通過井口大門來平衡各進氣管道的壓力平衡，避免相互影響。

正如圖2、3所示兩口多分支水平井負壓抽排的管理過程，效果迥異。一個是遞減的過程，一個是逐漸提升的過程。CZP1-1井由于負壓設備提氣太快，導致前期產量提升明顯但無法保持。CZP1-2井穩步提升，逐漸提高負壓設備轉速，根據套壓降低管壓，從而能保證產氣的穩定。

圖2 CZP1-1井負壓抽排管控效果圖

圖3 CZP1-2負壓抽排管控效果圖

5 效果分析

成莊項目至今已開發十余年，區內由于受煤礦開采影響，自2012年以來成莊項目已動用負壓設備十多臺，負壓抽排井次50余次，負壓抽排經驗豐富，效果顯著，近五年的負壓設備應用情況，分兩類來進行分析：煤礦影響井和管壓較高井。

(1)煤礦影響井

煤礦影響分兩種情況，一是煤礦開采，二是瓦斯抽采。

煤礦開采影響的井對煤層氣開采有很大的影響。但只對于滲透率來說，滲透率會得到一定程度的提升，因此對于負壓抽排的井是有利的。如果瓦斯逸散速度小于煤層氣開采速度，對煤層氣開采就是有利的。此類井對于多分支井最為有利，原因就是多分支控制的資源量足夠大，滲透率是制約產氣的關鍵。尤其是裸眼完井的多分支水平。成莊合作區塊兩口多分支水平井負壓抽排的效果就很好(表1)。這兩口井在煤礦開采影響范圍外端，周圍煤礦開采沒有直接影響到煤層氣含氣量，但是對整體區域降壓有一定的作用。煤層氣井距離煤礦開采影響范圍的距離的變化會產生的效果也會變化，一般情況下，由遠到近的過程，對煤層氣的作用效果為：正效應逐漸增強到減弱直至產生負效應。當正效應最強的時候負壓抽排效果最好，當在負效應的情況下，負壓設備只是一種彌補措施。

表1 負壓抽排效果表

煤礦井下瓦斯抽采對地面煤層氣開采起不到任何正效應。煤礦瓦斯抽采對煤層氣井正常生產以及負壓抽排影響巨大，只要在煤礦瓦斯抽采的范圍內，地面煤層氣井基本不會再產氣，負壓設備的能力遠低于煤礦井下的瓦斯抽采，在抽采范圍外的又不能提高儲層的滲透率，相反影響范圍外的煤層氣會緩慢的向瓦斯抽采部分擴散。

(2)管壓較高井

管壓較高井進行負壓抽排降管壓措施是煤層氣排采后期進行提氣穩氣的正常措施，此類井的效果分析及經驗更具有指導意義。此類井生產能力受管壓制約，煤層能量有限，地層壓力幾近枯竭。就算有氣，但苦于運移不出去。因此重啟一個運移的壓力梯度是煤層氣井生產后期提高采收率，穩產的關鍵。負壓抽排能夠有效的降低管壓，使煤層氣重新獲得一個支持運移的動力，從而明顯的提高產量。但是在所有的單井上進行負壓抽排從經濟角度是不現實的，因此普遍在閥組上進行負壓抽排，這就涉及到負壓抽排井互相影響的情況，負壓抽排設備能力有限，單井的產量和距負壓設備的距離對負壓抽排的效率有一定的影響。煤層氣井管線較長時管壓會較高，同時沿線的摩阻也會較大，這種情況下負壓設備能夠提供一個新的動力用來克服阻力來提升煤層氣井的產氣量。負壓抽排的能力是一定的，但具體作用到煤層氣井上時，會根據這口井的產氣能力、管壓、摩阻而產生實際的增產效果。如果一口井有一定的產氣能力且管壓和摩阻是制約這口井的主要因素，那么負壓設備的增產效果會是最大的。如果后期這口井的產氣能力本身就弱，再加上管壓和摩阻的抑制作用，增產效果也會受限。