全方凱 李鑫 魯軍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 221116)

原位煤層氣排采儲(chǔ)層傷害機(jī)理與制度優(yōu)化

全方凱 李鑫 魯軍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 221116)

原位煤層氣排采過(guò)程中，人為控制的排液與產(chǎn)氣速度影響到煤儲(chǔ)層滲透率的變化。排采作業(yè)制度不合理，易造成煤巖破壞、煤粉堵塞等儲(chǔ)層傷害現(xiàn)象，并影響到煤層氣井產(chǎn)能?；诘叵滤畡?dòng)力學(xué)制定合理的排液速度，合理控制井底壓差，及時(shí)處理排采設(shè)備故障等措施可顯著降低排采所造成的儲(chǔ)層傷害，實(shí)現(xiàn)原位煤層氣井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

儲(chǔ)層傷害 作業(yè)制度 煤層氣 原位 排采

Abstract:In the process of in-situ coalbed methane drainage and production，human controlled flowing back and the rate of gas production affect the change of coal reservoir permeability．The unreasonable operation system of drainage and production maybe cause the phenomenon of reservoir damage，which includes damage of coal petrography and jam of coalbed ash，and impact on the coalbed methane production．Based on the condition of underground water，the rate of flowing back is confirmed．Bottom hole pressure difference is controlled reasonably．Dealing with the equipment failure of drainage and production timely can reduce reservoir damage observably in the process of drainage and production and realize that in-situ coalbed methane is produced efficiently and stably．

Keywords:Reservoir damage;operating system;coalbed methane;in situ;extraction

1 引言

原位煤層氣開發(fā)需進(jìn)行排水降壓，這是吸附在煤基質(zhì)表面的氣體隨儲(chǔ)層壓力下降而解吸，并通過(guò)割理裂隙擴(kuò)散、滲流到井筒槳產(chǎn)出地面的過(guò)程。在原位煤層氣排采過(guò)程中，排采作業(yè)制度的選擇與優(yōu)化是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、生產(chǎn)壓差、動(dòng)液面高度等參數(shù)的變化對(duì)煤層氣的產(chǎn)出過(guò)程具有顯著的影響。煤層氣排采初期，由于可借鑒的排采經(jīng)驗(yàn)很少，在排采過(guò)程中很可能造成儲(chǔ)層傷害。因此，以科學(xué)理論為指導(dǎo)，加強(qiáng)排采過(guò)程中的煤儲(chǔ)層保護(hù)，對(duì)提高煤層氣井產(chǎn)量至關(guān)重要。

2 原位煤層氣排采儲(chǔ)層傷害類型

2.1 地應(yīng)力變化導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害

煤儲(chǔ)層具有機(jī)械強(qiáng)度低、脆而軟，既易壓性破裂又易張性破損的特點(diǎn)，因此具有較高的壓力敏感性。對(duì)于新投產(chǎn)的煤層氣井而言，隨著排水的持續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)井筒內(nèi)的動(dòng)液面不斷下降，依靠流體對(duì)壓力的傳導(dǎo)作用，煤儲(chǔ)層孔隙壓力也隨之下降。在煤層圍巖壓力基本不變的情況下，煤儲(chǔ)層孔裂隙壓力差將逐漸增加。隨著應(yīng)力差效應(yīng)日益顯著，無(wú)論在煤層內(nèi)的原生和次生裂隙、孔隙還是壓裂的裂縫，其有效的寬度和體積都將逐漸變窄和變小，并最終導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，影響煤層氣的運(yùn)移及產(chǎn)出。

2.2 煤基質(zhì)收縮導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害

煤儲(chǔ)層是一個(gè)固、液、氣三相耦合系統(tǒng)。煤儲(chǔ)層中氣、水含量變化將會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力改變，并引起煤基質(zhì)的自調(diào)節(jié)作用。煤基質(zhì)塊體的內(nèi)表面吸附甲烷時(shí)，其體積將發(fā)生膨脹，而甲烷解吸逸散后，其體積將會(huì)收縮。原位煤層氣井排采是一個(gè)排水降壓過(guò)程。儲(chǔ)層壓力降低，導(dǎo)致有效應(yīng)力相對(duì)增高，煤儲(chǔ)層孔裂隙被壓縮，割理寬度變小，導(dǎo)致滲透率下降。在排采過(guò)程中，正、負(fù)調(diào)節(jié)作用同時(shí)進(jìn)行，它們的綜合效果產(chǎn)生了煤基質(zhì)自調(diào)節(jié)效應(yīng)，導(dǎo)致排采過(guò)程中滲透率改變，煤層氣井產(chǎn)能發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。隨著氣體的解吸，煤基質(zhì)收縮超過(guò)臨界值，將導(dǎo)致煤基質(zhì)的應(yīng)力閉合，增加了后期排采解吸氣的難度。

2.3 快速排液導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害

合理的排采工藝是煤層氣井高產(chǎn)的保障。如果排采速度過(guò)大，液面下降太快，井筒附近很快得到降壓，但快速排采致使支撐劑顆粒鑲嵌煤層，裂隙閉合現(xiàn)象來(lái)臨較快，壓敏、速敏效應(yīng)隨之發(fā)生。因此，在快速排采條件下，煤層氣井氣產(chǎn)量在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高值，但有效卸壓煤層范圍很小，氣源有限，高產(chǎn)無(wú)法長(zhǎng)久持續(xù)。通過(guò)合理的排水作業(yè)，不僅降低了儲(chǔ)層壓力，同時(shí)降低了儲(chǔ)層中的水飽和度，增大了氣體的相對(duì)滲透率，從而增加解吸氣體通過(guò)裂隙系統(tǒng)向井筒運(yùn)移的能力。

2.4 頻繁停抽導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害

在煤層氣井產(chǎn)氣初期，煤粉通常沿著較大裂隙隨水排出，運(yùn)移時(shí)懸浮于水中或處于流體的底部。在煤粉運(yùn)移過(guò)程中，遇到裂隙通道狹窄地帶，當(dāng)前端流體速度由于某些原因突然變緩時(shí)，后端流體速度仍然快速運(yùn)移。如果在煤粉高產(chǎn)出階段出現(xiàn)停抽，將導(dǎo)致煤粉在近井地帶沉積，極易導(dǎo)致近井地帶煤粉堵塞水和氣體運(yùn)移通道。停抽時(shí)間較長(zhǎng)或停抽頻繁，將使井內(nèi)液面上升，井底流壓升高。當(dāng)壓力超過(guò)解吸壓力時(shí)，近井地帶氣體停止解吸，而遠(yuǎn)端氣體并未停止解吸，煤基質(zhì)微孔隙和微裂隙內(nèi)小氣泡會(huì)逐漸聚集成大氣泡，在排驅(qū)壓力較小的情況下大氣泡無(wú)法排出微孔隙堵塞住孔隙喉道，賈敏效應(yīng)增強(qiáng)，易產(chǎn)生“氣鎖”傷害。

3 沁南煤層氣井排采曲線分析

選取沁水盆地南部qsh－6井與qsp－13井排采數(shù)據(jù)生成排采曲線，進(jìn)一步說(shuō)明排采過(guò)程中儲(chǔ)層傷害對(duì)煤層氣井產(chǎn)能的影響。

由圖1可以看出:排采112天后氣體開始解吸，然后加大排水量，由第127天的1.6m3迅速提高至146天的5.2m3，短時(shí)間內(nèi)井筒附近氣體迅速解吸。產(chǎn)氣量最高僅達(dá)754m3，未達(dá)到預(yù)期產(chǎn)氣效果，產(chǎn)氣高峰過(guò)后，產(chǎn)氣速率迅速下降。排采200天后，盡管在逐漸降低排液速率，但產(chǎn)氣恢復(fù)效果較差，產(chǎn)氣量依然較低。分析原因:首先，由于煤層滲透率具有應(yīng)力敏感性，前期快速排液造成不可恢復(fù)的應(yīng)力性儲(chǔ)層傷害，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，不利于地層水的產(chǎn)出及壓降漏斗的繼續(xù)擴(kuò)展，因此煤層氣井產(chǎn)氣速率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。其次，由于前期井筒液面下降迅速，遠(yuǎn)離井筒的煤層氣未來(lái)得及解吸，而近井區(qū)域快速解吸，形成地層氣鎖，不僅造成滲透率下降，還使井底流壓得不到有效傳遞，影響了煤層氣的持續(xù)產(chǎn)出。

圖1 qsh－6井排采曲線

圖2 qsp－13井排采曲線

由圖2可以看出:排采121天后氣體開始解吸，隨后降低排液速率，在142天達(dá)到產(chǎn)氣高峰1459m3。在148天左右，排液強(qiáng)度大大降低，井底流壓升高，不利于煤層氣解吸。此外，排采168天與188天發(fā)生停泵，之后煤層氣產(chǎn)量一直在較低水平。究其原因:停抽或其他一些原因?qū)е戮惨好嫔仙杆?，近井地帶煤層氣停止解吸阻礙遠(yuǎn)井地帶煤層氣的運(yùn)移，形成氣鎖，降低了儲(chǔ)層滲透率，形成儲(chǔ)層傷害。攜帶煤粉的遠(yuǎn)井地層水在停抽的情況下，在井口附近速度變緩，煤粉近井堆積造成儲(chǔ)層的嚴(yán)重傷害，這種儲(chǔ)層傷害往往很難恢復(fù)，致使產(chǎn)氣能力難以再次提高。

4 優(yōu)化排采工作制度

為了使原位煤層氣排采獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件合理選擇排采設(shè)備，優(yōu)化排采工藝。其基本原則為:

(1)基于煤層氣生產(chǎn)過(guò)程排水降壓的特點(diǎn)，結(jié)合地下水動(dòng)力學(xué)原理對(duì)煤層氣排采數(shù)據(jù)和水位監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，運(yùn)用無(wú)補(bǔ)給或有越流的承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流理論，反求地層水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來(lái)某時(shí)刻煤層氣中得液面降，并依據(jù)等溫吸附曲線，預(yù)估相應(yīng)的甲烷解吸量，或求取設(shè)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定降深的排水量，從而指導(dǎo)煤層氣井的排采工作。

(2)在排采初期，產(chǎn)水較多，應(yīng)滿足在最小井底壓力采出最大水量的要求，將儲(chǔ)層壓力盡快降低到臨界解吸壓力之下，使煤層氣盡早解吸產(chǎn)出，獲得穩(wěn)定氣流。

(3)排采工作進(jìn)行了一段時(shí)間后，模擬預(yù)測(cè)煤層臨界破壞壓力以及煤粒采出的臨界生產(chǎn)壓差，降低生產(chǎn)壓差以減輕微粒運(yùn)移對(duì)地層和裂縫的堵塞以及井筒的充填。

(4)提高現(xiàn)場(chǎng)工作人員的知識(shí)水平，對(duì)煤層氣生產(chǎn)所用到的排采設(shè)備原理有清晰了解，對(duì)故障進(jìn)行綜合分析，能夠快速排除故障，避免在生產(chǎn)中出現(xiàn)停泵。

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Reservoir Damage Mechanism and System Optimization of In-situ Coalbed Methane Drainage and Production

Quan Fangkai，Li Xin，Lu Jun，Zhu Qipeng
(School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2011年校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(X1029011071)。

全方凱，男，煤及煤層氣工程專業(yè)本科生。

(責(zé)任編輯 桑逢云)