樊 彬 秦 義 崔金榜 連小華

(1.中國石油華北油田采油工藝研究院,河北 062552;2.中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司,山西 048000)

1 引言

煤層氣儲層屬于非常規(guī)天然氣儲層, 其開發(fā)機理與天然氣截然不同。山西沁水盆地為我國煤層氣最為富集的地區(qū), 煤儲層滲透率低, 非均質(zhì)性強,儲層壓力低等特點表現(xiàn)明顯。

由于國內(nèi)開發(fā)煤層氣時間較短, 高階煤煤層氣開發(fā)尚未形成成熟開發(fā)理論。經(jīng)過實踐, 國內(nèi)相當(dāng)部分煤層氣井產(chǎn)量未達到預(yù)期產(chǎn)氣量, 井底壓力控制是重要因素之一。

煤儲層中的甲烷氣體主要以物理吸附狀態(tài)儲存于煤巖之中, 連續(xù)不斷的排水將使煤儲層中的壓力持續(xù)下降, 當(dāng)煤儲層中的孔隙、裂隙壓力低于煤儲層的臨界解吸壓力以下時, 煤層甲烷氣便從煤孔隙內(nèi)表面解吸為游離態(tài), 解吸出的甲烷氣體在壓力差和濃度差的雙重作用下擴散、滲流到井筒中, 通過井筒采到地面。

對于任何一口煤層氣井, 隨著井筒內(nèi)的動液面不斷下降, 煤層裂隙、孔隙的壓力也將隨之下降;不同的壓力下降速度, 會造成煤儲層的有效應(yīng)力變化不同, 進而影響滲透率變化。

本文通過分析壓降速度對生產(chǎn)的影響程度, 初步探討煤層氣井壓降速度控制的必要性, 結(jié)合高煤階煤儲層傷害實驗, 驗證壓降速度的重要性, 定性指出煤層氣開發(fā)的關(guān)鍵。

2 壓降速度對煤層氣井產(chǎn)量的影響

“降壓”貫穿了煤層氣開發(fā)的整個過程, 壓降速度引起煤巖應(yīng)力波動, 對煤巖滲透率造成嚴重影響。

壓降傳遞過快, 將導(dǎo)致煤基巖附近壓力急劇降低, 煤層基巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化, 當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化到一定程度, 煤層基巖發(fā)生應(yīng)力敏感, 基巖滲透率急劇降低, 導(dǎo)致裂隙、割理閉合, 井眼周圍煤儲層形成一個封閉圈, 阻礙儲層壓力波在煤層的傳播,外圍儲層煤層氣無法解吸出來, 無法形成產(chǎn)氣量。

2．1 煤層氣井生產(chǎn)現(xiàn)象分析

(1) 井底壓降速度過快對煤層氣井產(chǎn)氣量的影響

圖1 P1- 6 井生產(chǎn)曲線

通過P1- 6 井生產(chǎn)曲線 (圖1) 可以看出, 氣井井底壓力降低太快, 煤層近井筒地帶快速解吸,由于壓力變化引起的應(yīng)力敏感, 發(fā)生基巖彈性調(diào)節(jié)負效應(yīng), 割理、裂隙閉合, 儲層滲透率降低, 不利于儲層的遠端水向井筒滲流, 壓降傳遞無法實現(xiàn),遠端煤儲層無法解吸, 導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量一直處于低產(chǎn)期。所以在煤層氣井的排水降壓過程中, 控壓的第一個特點“緩慢”, 有利于壓降的穩(wěn)定傳遞, 形成最大的解吸面積。

(2) 井底壓降速度不穩(wěn)定將制約煤層氣井產(chǎn)量

圖2 P1- 11 井生產(chǎn)曲線

通過P1 - 11 井生產(chǎn)曲線 (圖2) 可以看出,在整個生產(chǎn)過程中, 動液面一直處于波動狀態(tài), 而且起伏比較大, 導(dǎo)致井底壓力變化大, 煤儲層發(fā)生應(yīng)力敏感, 基巖彈性負效應(yīng)起主導(dǎo)作用, 抑制了煤層氣從煤儲層中解吸出來, 氣井始終未形成產(chǎn)氣量。所以在排采過程中, 控壓的第二個特點“穩(wěn)定”, 有利于避免應(yīng)力敏感, 形成最大的解吸面積。

2．2 機理分析

壓降傳遞過快, 將導(dǎo)致煤基巖附近壓力急劇降低, 當(dāng)壓力低于煤巖解吸壓力, 氣體開始解吸, 如果壓降速度過快, 煤巖發(fā)生應(yīng)力敏感, 將抑制煤巖的持續(xù)解吸, 所以在生產(chǎn)上需要控制壓降傳遞速度, 根據(jù)生產(chǎn)的不同階段, 穩(wěn)定井底壓力一段時間, 讓煤巖持續(xù)解吸一段時間后, 保證煤巖解吸擴展, 然后進行下一階段壓降傳遞。

如圖3 所示, 當(dāng)壓降 (ΔP) 穿遞至A 點, 煤層氣從煤基巖內(nèi)表面解吸出來, 基質(zhì)收縮, 裂縫張開, 滲透率增加; 當(dāng)ΔP 從A 點像B 點傳遞過程中, 如果ΔP 過快, 將引起煤巖應(yīng)力敏感, 當(dāng)壓力傳遞至B 點, B 點出煤巖開始解吸, 但是A 點處煤巖由于應(yīng)力敏感, 裂縫閉合, 導(dǎo)致B 點解吸出來的氣體滲流不出去, 最終造成的結(jié)果是煤層氣井的實際解吸半徑只有rA, 壓降漏斗沒有延伸到B 點。

從以上分析可以看出, 在A 點向B 點的壓降傳遞過程中, 需要穩(wěn)定壓力一段時間, 保持ΔP 最小, 讓煤巖持續(xù)解吸, 裂縫擴張, 壓力才能保證傳遞到B 點, 且A 點出裂縫不會閉合。

圖3 煤層壓降傳遞示意圖

控制壓降速度其物理意義在于在一定的時間通過控制井底壓力變化值, 保證儲層滲透率不受到傷害, 形成最大解吸面積。

2．3 小結(jié)

從前面的結(jié)論來看, 時間又是決定壓降的一個重要的參數(shù), 過快、過慢都對產(chǎn)氣量有重大影響。因此, 煤層氣排采規(guī)律實際上是一個降壓規(guī)律,即：

3 煤巖應(yīng)力敏感實驗研究及分析

煤巖應(yīng)力敏感對于我們控制生產(chǎn)井的液面下降速度、控制井底的流動壓力、控制煤層的壓力下降、控制煤層氣井的產(chǎn)量都有重要的意義。

由于煤巖應(yīng)力敏感實驗尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 本實驗參考《砂巖儲層敏感性評價實驗方法SY/T5358 -2002》的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行, 定性分析應(yīng)力敏感對煤儲層傷害, 研究壓力波動對煤巖應(yīng)力敏感的影響程度。

實驗條件在常溫下, 采用美國產(chǎn)OPP- 1 型高壓孔滲儀對煤層巖心進行應(yīng)力敏感性測試。

為了保證實驗的科學(xué)性, 在樣品的選擇上, 選用現(xiàn)場樣品。實驗樣品主要包括： 清水、氮氣、沁水盆地3#煤巖、φ25mm 巖心。

實驗分以下幾個方面： 煤巖有效應(yīng)力對滲透率影響實驗、應(yīng)力往復(fù)變化對滲透率的影響實驗和孔隙壓力對滲透率的影響實驗。

3．1 煤巖有效應(yīng)力對滲透率影響

有效應(yīng)力是指作用于煤儲層的地應(yīng)力與其孔隙和裂隙內(nèi)的流體壓力之差。煤儲層流體壓力降低,有效應(yīng)力勢必增大, 煤儲層滲透率將會隨之減小,對應(yīng)煤巖彈性自調(diào)節(jié)負效應(yīng)。

1#煤樣裂隙發(fā)育比較好, 煤巖1#原始滲透率為15．7696×10-3μm2。圖4 是由巖心得到的有效覆壓與滲透率關(guān)系曲線, 實驗表明： 煤巖對應(yīng)力變化非常明顯, 隨著有效覆壓的增加, 煤巖滲透率下降, 尤其在應(yīng)力變化前期表現(xiàn)明顯。1#煤樣實驗過程中, 應(yīng)力變化在1～7MPa 范圍內(nèi), 滲透率下降了85．59%; 7～12MPa 范圍內(nèi), 滲透率下降了11．04%; 12MPa 以后, 滲透率變化比較小。

圖4 1#煤樣滲透率隨應(yīng)力變化曲線

實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 在煤巖應(yīng)力變化過程中,初始應(yīng)力變化段 (1～7MPa) , 滲透率急劇下降,該段應(yīng)力變化造成的滲透率傷害的主要因素; 致密煤巖比裂隙發(fā)育煤巖受應(yīng)力敏感影響更大。

3．2 壓降速度與對滲透率影響

對2#煤樣進行模擬孔隙壓力實驗, 實驗過程是保持煤樣圍壓壓力值不變, 緩慢增加進口壓力,每一壓力點持續(xù)30min 后, 測定巖樣滲透率。

圖5 2#驅(qū)替應(yīng)力與滲透率相關(guān)關(guān)系

通過2#煤樣實驗曲線 (圖5) 可以看出, 驅(qū)替壓差在0．06MPa, 對應(yīng)滲透率最接近煤樣初始滲透率, 傷害幾乎可以忽略; 當(dāng)驅(qū)替壓差增至0．1MPa, 煤巖滲透率傷害38%; 驅(qū)替壓差增大至1．4MPa, 煤巖滲透率傷害73%。

綜合煤巖驅(qū)替壓差實驗結(jié)果, 驅(qū)替壓差保持在0．06 左右時, 煤巖滲透率與煤巖原始滲透率最接近, 傷害最小。

該實驗結(jié)果揭示每一口煤層氣井需要不同的壓降速度, 避免滲透率損失。

4 結(jié)論

(1) 壓降速度的控制是制約煤層生產(chǎn)的關(guān)鍵因素, 且每一口煤層氣井均存在不同的壓降速度。

(2) 在不同的生產(chǎn)階段, 壓降速度不是一個固定值, 需要根據(jù)氣井的生產(chǎn)階段進行調(diào)整。

(3) 煤巖應(yīng)力敏感造成的儲層傷害十分嚴重,而且儲層傷害不可逆轉(zhuǎn), 應(yīng)力造成的煤巖的滲透率傷害平均大于70%。在煤層氣井生產(chǎn)過程中, 應(yīng)控制壓降速度, 避免井底壓力波動引起的應(yīng)力敏感。

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