楊新輝

(中煤科工集團(tuán)西安研究院地質(zhì)所,陜西 710054)

近幾年來隨著煤層氣勘探力度的加大,巨厚煤層、超厚煤層中的煤層氣資源引起人們的關(guān)注,同時(shí)對(duì)巨厚煤層、超厚煤層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)也越來越重視。目前獲取煤儲(chǔ)層信息的方法很多,試井就是一種重要手段?，F(xiàn)階段從采煤角度可將煤層按厚度劃分為：極薄煤層 (0.3～0.5m)、薄煤層 (0.5～1.3m)、中厚煤層 (1.3～3.5m)、厚煤層 (3.5～8.0m)、巨厚煤層 (≥8.0m)。然而,我國許多地方陸續(xù)發(fā)現(xiàn)超過幾十米,甚至上百米的煤層,有人認(rèn)為單層厚度大于60m的煤層應(yīng)稱為超厚煤層,也有人認(rèn)為大于40m就是超厚煤層[3,4]。對(duì)于中厚煤層、厚煤層基本是打穿煤層后試井,其技術(shù)以相對(duì)成熟;但是關(guān)于巨厚煤層、超厚煤層試井方面的研究在國內(nèi)尚屬少見。

1 基本微分方程和壓降公式

水在煤層中的流動(dòng)可以看成是一種單相弱可壓縮且壓縮系數(shù)為常數(shù)的液體,在水平、等厚、各向同性的均質(zhì)彈性孔隙介質(zhì)中滲流,經(jīng)過簡化其壓力變化服從如下偏微分方程：

設(shè)在無限大地層中有一口井,在測試前整個(gè)地層具有相同的原始?jí)毫i,從某t=0開始以恒定產(chǎn)量q生產(chǎn),則初始條件如下：

式中p=p(r,t)——距井r(m)處在t(h)時(shí)的壓力,MPa;

pi——原始地層壓力,MPa;

r——距離井的距離,m;

K——煤層滲透率,;

h——煤層厚度,m;

μ——流體粘度,MPa.s;

φ——孔隙度,無量綱;

Ct——綜合壓縮系數(shù),MPa-1;

rw——井筒半徑,m;

q——井的產(chǎn)量,m3/d;

B——流體地層體積系數(shù),無量綱;方程式 (1)在條件式 (2)下的解為：

式中：

η=——導(dǎo)壓系數(shù) ,μm2·MPa(MPa·s);

當(dāng)出現(xiàn)徑向流動(dòng)時(shí),井底流動(dòng)壓力

pwf(t) =p(rw,t)為：

S為表皮系數(shù);·2S為井壁阻力引起的附加壓降;所以壓差

用來描述壓降過程中的井底壓力變化。

2 半球形流動(dòng)和球形流動(dòng)

若均質(zhì)無限大地層中有一口井只打開巨厚煤層、超厚煤層頂部極小的一部分,此時(shí)煤儲(chǔ)層中的流體將從四面八方類似半球體的方向流向煤層的打開部位,如圖1所示,這種流動(dòng)稱之為半球形流動(dòng);或是,打穿煤層,下套管后射開巨厚煤層、超厚煤層中的一小部分,此時(shí)煤儲(chǔ)層中的流體將從射開孔眼的上下四方流向井筒,如圖2,這種流動(dòng)稱之為球形流動(dòng)。

圖1 半球形流動(dòng)示意圖

圖2 球形流動(dòng)示意圖

事實(shí)上,從局部看,半球形流動(dòng)和球形流動(dòng)具有相同的流態(tài)具有類似的壓力變化規(guī)律,其井底壓力服從式(5)：

3 識(shí)別半球形球形流動(dòng)階段

在現(xiàn)代試井分析典型圖版上,均質(zhì)地層中一口井的現(xiàn)場實(shí)測不穩(wěn)定壓力曲線的圖形特征能反映出隨著時(shí)間推移流體在儲(chǔ)層中的滲流動(dòng)態(tài)特征,以及不同階段表現(xiàn)出不同的流動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)式(5)可得：

同樣,從式(5)可見Δp與呈線性關(guān)系,在球形流直角坐標(biāo)系中,如圖4,半球形球形流動(dòng)階段識(shí)別曲線是一條斜率為m=0.7184的直線。若得知m值,在其它參數(shù)已知時(shí),可推算出K值。

圖3 典型圖版

圖4 球形流直角坐標(biāo)系

4 實(shí)例應(yīng)用

對(duì)于煤層氣井,在不同生產(chǎn)階段具有不同的試井方法,諸如注入/壓降測試、DST測試、水罐測試、段塞測試等等。目前大多數(shù)的勘探井采用鉆遇裸眼注入/壓降測試,有時(shí)也會(huì)用到DST測試。

(1)實(shí)例1

C04井是一口煤層氣參數(shù)井,煤層埋深485.60～501.10m,煤厚15.50m,鉆井采用二開井制,煤層頂部鉆取5.00m后注入/壓降試井。測試采用φ73.00mm油管,φ195.00mm封隔器,注入時(shí)間tinj=8.00h,關(guān)井時(shí)間tfall=24.00h,平均排量q=5.508m3/day。實(shí)測壓力曲線雙對(duì)數(shù)圖如圖5所示,井儲(chǔ)段、過渡段之后出現(xiàn)徑向流直線段,隨后壓力導(dǎo)數(shù)下降,斜率直線不是很明顯,但在球形流直角坐標(biāo)系中 (如圖6),此階段的壓力與時(shí)間平方根的倒數(shù)呈線性關(guān)系。因此結(jié)合地質(zhì)情況選擇具有球形流動(dòng)特征的模型進(jìn)行分析。

圖5 C04井實(shí)測壓力雙對(duì)數(shù)圖

圖6 C04井實(shí)測壓力球形流動(dòng)圖

(2)實(shí)例2

當(dāng)巨厚、超厚儲(chǔ)層上下的縱向流動(dòng)相對(duì)較好時(shí),部分徑向流階段就不一定出現(xiàn)。

FC01井41#煤層埋深629.50～674.00m,煤厚44.50m,鉆開煤層頂部5.00m后試井,注入/壓降測試采用φ60.30mm油管,φ80.00mm封隔器,注入時(shí)間tinj=12.00h,關(guān)井時(shí)間tfall=30.60h,平均排量q=8.550m3/day。從實(shí)測壓力曲線雙對(duì)數(shù)圖 (圖7)可見井儲(chǔ)段、過渡段之后壓力導(dǎo)數(shù)呈斜率直線下降,表現(xiàn)出球形流動(dòng)特征,在球形流直角坐標(biāo)系圖8中直線段非常明顯。

圖7 FC01井41#煤層實(shí)測壓力雙對(duì)數(shù)圖

圖8 FC01井41#煤層實(shí)測壓力球形流動(dòng)圖

(3)實(shí)例3

若鉆井鉆穿巨厚超厚煤層再試井,則流體將從井筒周圍流向井筒,如圖9。

圖9 穿層儲(chǔ)層流體流動(dòng)示意圖

圖10 DJ02井實(shí)測壓力雙對(duì)數(shù)圖

DJ02井主煤層埋深655.50～724.70m,煤厚69.20m,鉆穿煤層后 DST測試。測試采用φ73.00mm外加后油管,φ195.00mm封隔器,一開5.00min,一關(guān) 5.00h,二開 30.00min,二關(guān)12.00h,平均產(chǎn)量q=22.105m3/day。圖10為二關(guān)壓恢曲線雙對(duì)數(shù)圖,壓力導(dǎo)數(shù)后期表現(xiàn)為徑向流特征。

5 結(jié)語

(1)半球形流動(dòng)和球形流動(dòng)只是儲(chǔ)層生產(chǎn)過程中的一個(gè)流動(dòng)階段,之后會(huì)很快進(jìn)入全層徑向流動(dòng)。這一點(diǎn)可以從生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到證明。

(2)從局部看,半球形流動(dòng)和球形流動(dòng)具有相同的流態(tài)。其特征狀態(tài)在雙對(duì)數(shù)圖中表現(xiàn)為斜率直線;在球形流直角坐標(biāo)系中表現(xiàn)為斜率m=的直線,且這兩種形式會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

(3)部分打開的巨厚超厚煤儲(chǔ)層試井大多數(shù)情況會(huì)出現(xiàn)半球形流動(dòng)階段,但部分徑向流階段不一定出現(xiàn)。

(4)打穿巨厚超厚煤層后再試井,不足之處是：若采用DST測試,煤儲(chǔ)層能量釋放時(shí)會(huì)將鉆井侵入煤儲(chǔ)層的鉆井液反壓回井筒,煤壁容易垮塌,且難以取到地層水樣,同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)不利于解釋分析的氣水兩相流狀態(tài);若采用注入/壓降測試,井底鉆井液不可能全部被置換成測試用液,勢必會(huì)有一部分鉆井液會(huì)被注入進(jìn)煤層,同時(shí)井下設(shè)備有被埋的可能風(fēng)險(xiǎn)。因此建議巨厚超厚煤層應(yīng)該采取部分打開后注入/壓降測試,以便測試過程安全可靠,測試結(jié)果真實(shí)有效。

[1] 楊起,韓德馨.中國煤田地質(zhì)學(xué) (上冊(cè))[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1979.

[2] 吳沖龍,李紹虎,王根發(fā),等.陸相斷陷盆地超厚煤層異地堆積的新模式 [J].地球科學(xué),2003,28(3)：289-296.

[3] 趙隆業(yè).世界第三紀(jì)煤田 [M].北京：地質(zhì)出版社,1982.

[4] 劉能強(qiáng).實(shí)用現(xiàn)代試井解釋方法 [M].北京：石油工業(yè)出版社,2003.