張遂安,曹立虎,杜彩霞

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102249;2.中國石油大學(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;3.中國石油大學(北京)煤層氣研究中心,北京 102249)

煤層氣井產(chǎn)氣機理及排采控壓控粉研究

張遂安1,2,3,曹立虎1,2,3,杜彩霞1,2,3

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102249;2.中國石油大學(北京)氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心,北京 102249;3.中國石油大學(北京)煤層氣研究中心,北京 102249)

煤層氣吸附/解吸特征、滲流機理和排采控制是煤層氣井生產(chǎn)的重要因素。為此,進行了煤層氣吸附解吸實驗和滲流特征實驗,結果表明:煤層氣吸附/解吸是可逆的,存在“解吸滯后現(xiàn)象”;煤層氣滲流呈現(xiàn)二級滲流特征,即煤的基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的滲流呈非達西滲流和天然裂隙及大孔隙內(nèi)流體的滲流呈達西滲流;煤層氣排采過程中,隨著排水降壓,規(guī)模開發(fā)可導致“氣水分異”,局部高點氣產(chǎn)量高、水產(chǎn)量低,相對低點產(chǎn)水量高、產(chǎn)氣量低。同時,煤層氣井排采過快、洗井修井、停抽關井、液面低于煤層頂面等易造成污染,致使氣水產(chǎn)量銳減,其傷害機理主要是煤粉堵塞傷害、應力敏感傷害和氣鎖/水鎖傷害?；趥μ攸c及傷害機理,結合多年的排采經(jīng)驗,確立了以定壓排采、控制合理工作壓差和控制煤粉適度產(chǎn)出等排采工作制度。

煤層氣;產(chǎn)氣機理;控壓;控粉;排采

在原始煤層氣儲層(以下簡稱“煤儲層”)條件下,煤層氣以吸附態(tài)賦存于煤儲層之中[1-2]。基于煤層氣吸附理論,美國煤層氣產(chǎn)業(yè)界創(chuàng)立了經(jīng)典的煤層氣開采理論——“排水—降壓—解吸—擴散—滲流—解吸—產(chǎn)出”理論[3],有力地推動了美國煤層氣產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展?；诖?我國煤層氣業(yè)界探索并形成了一套獨特的煤層氣井排水采氣工藝技術(我國煤層氣產(chǎn)業(yè)界將其簡稱為“排采”)。

由于美國、加拿大、澳大利亞的煤層氣儲層滲透率遠高于我國煤層的滲透率,且其煤層結構較我國的煤層結構更有利煤層氣開發(fā),因此我國煤層氣井排采遇到了美國、加拿大、澳大利亞未遇到的問題,如煤粉傷害和應力敏感傷害等問題。針對上述問題,國內(nèi)雖開展了一系列研究,但都未系統(tǒng)的進行闡述[4-9]。為此,系統(tǒng)研究了煤層氣的產(chǎn)氣機理和排采過程中的傷害機理,結合筆者20余年煤層氣開發(fā)領域的研究和實踐,提出以定壓排采、控制合理工作壓差和控制煤粉適度產(chǎn)出等排采工作制度。

1 煤層氣產(chǎn)出機理

由于煤層氣獨特的吸附態(tài)賦存特征,決定了煤層氣產(chǎn)出的先決條件是由吸附態(tài)轉變?yōu)橛坞x態(tài)(此過程稱為“解吸”)?；诿簩託猱a(chǎn)出機理,開展了煤層氣解吸機理和排水降壓機理研究。

1.1 排水降壓與區(qū)域壓力降

煤層氣井排采的本質(zhì)是通過排水,降低井底流壓,進而降低儲層內(nèi)流體壓力,從而使吸附態(tài)的煤層氣因降壓而被解吸,由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài),為煤層氣產(chǎn)出提供條件。儲層流體壓降的基本特征是壓降后的流體壓力的等壓曲線呈現(xiàn)為漏斗狀(被稱為“壓降漏斗”),隨著持續(xù)排水降壓,壓降漏斗會不斷向外擴展[10-11]。

研究表明,煤層氣井附近儲層內(nèi)的壓降漏斗形態(tài)和擴展速率,不僅取決于該井的排水速率,同時還取決于煤層本身的孔隙度、滲透率等儲層特征。在排采過程中,在一定的井底流壓條件下,煤層氣儲層的滲透率越高,其壓降漏斗的形態(tài)就越平緩,滲流率越低其形態(tài)越陡。壓降漏斗形態(tài)和擴展速率,決定著煤層氣的解吸總量和孔隙內(nèi)的氣、水飽和度,從而決定了該排采井的煤層氣產(chǎn)出速率和產(chǎn)出總量。

在開發(fā)過程中,并非井底流壓或近井筒流體壓力低于臨界解吸壓力就會大規(guī)模解吸和產(chǎn)氣。實際上,只有當煤儲層中流體壓力低于臨界解吸壓力的區(qū)域才會發(fā)生煤層氣解吸。根據(jù)沁水盆地南部的煤層氣勘探和開發(fā)實踐發(fā)現(xiàn),從井底流壓低于臨界解吸壓力到大規(guī)模產(chǎn)氣,一般需要井底流壓低于臨界解吸壓力0.8 MPa才會出現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)氣,可把這個開始大規(guī)模產(chǎn)氣的臨界井底流壓點定義為“臨界產(chǎn)氣井底流壓”。

井間干擾,會導致常規(guī)天然氣井的單井產(chǎn)量大幅度銳減,表明井網(wǎng)設計不合理。而井間干擾對煤層氣生產(chǎn)則是一項最有效的實現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)的技術措施。

從產(chǎn)出機理看,只有當煤儲層內(nèi)的流體壓力降至臨界解吸壓力之下,吸附態(tài)煤層氣才可能被解吸,由吸附態(tài)轉化為游離態(tài)。但由于煤儲層的滲透率比較低,所以單井的臨界解吸壓力等值線壓降漏斗的擴展區(qū)域會受到滲透率的局限。也就是說,僅僅靠單井排水降壓是很難實現(xiàn)大面積的煤儲層內(nèi)流體壓力降到臨界解吸壓力之下。

根據(jù)井間干擾原理,可以通過調(diào)整開發(fā)井網(wǎng)的井間距,使相鄰井的壓降漏斗產(chǎn)生井間干擾,從而擴大煤層氣解吸區(qū)域,實現(xiàn)煤層氣規(guī)模開發(fā)井網(wǎng)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

1.2 煤層氣降壓解吸機理

為深入研究煤層氣的吸附/解吸機理,進一步指導煤層氣開發(fā),依托國家重點研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目“煤層氣開采基礎理論研究”和國家自然科學基金項目“煤層氣解吸動力學特征及解吸行為研究”,利用自主研發(fā)的AST-2000型大樣量煤層氣吸附解吸仿真實驗裝置,深入開展了煤層氣解吸機理實驗研究。

不同煤樣對CH4,CO2,N2等單組分氣體的吸附/解吸實驗結果表明,不同煤樣、不同氣體的等溫解吸曲線和等溫吸附曲線有所相同。即:在同壓力點,被吸附的氣體分子并不能被全部解吸,總會有部分氣體分子仍然被吸附,因此解吸過程具有顯著的壓力滯后現(xiàn)象,如圖 1所示,筆者將其稱為“解吸滯后效應”[12-13]。

多年的煤層氣產(chǎn)出機理實驗研究和開發(fā)實踐發(fā)現(xiàn),煤層氣的吸附是偶于地質(zhì)時期煤的熱演化生烴、排烴過程之中的一個漫長(以百萬年計的地質(zhì)時間)的吸附過程(稱之為“自發(fā)過程”),而煤層氣開發(fā)所涉及的煤層氣的解吸問題是一個物理解吸問題,是一個人為的“排水—降壓—解吸”過程(“被動過程”)[14]。

圖1 煤層氣解吸滯后效應示意Fig.1 CBM desorption delayed effect

基于煤層氣的吸附/解吸機理實驗研究發(fā)現(xiàn),雖然用Langmuir方程擬合等溫解吸實驗數(shù)據(jù)的效果尚可,但用Weibull模型擬合的效果更好[15],其Weibull方程為

式中,V為解吸到壓力p下的殘余的吸附量,mL/g;a為煤樣最大吸附容量,mL/g;b為吸附速度/解吸速度與吸附熱/解吸熱的綜合函數(shù),MPa-1;c為匱乏壓力下的殘余吸附量,mL/g。

多年的煤層氣解吸機理實驗以及煤層氣開發(fā)實踐還發(fā)現(xiàn),由于煤吸附煤層氣是基于兩者之間的分子間范德華力,甲烷分子的吸附狀態(tài)是一種動態(tài)平衡狀態(tài),其解吸是一個瞬間的過程,所以開發(fā)過程中不會因所謂的煤層氣的解吸速度影響到煤層氣的產(chǎn)量。

1.3 煤層氣滲流機理

通過煤樣滲流機理實驗,首次發(fā)現(xiàn)煤層具有顯著的二級滲流特征,即基質(zhì)孔隙的非達西滲流和天然裂隙的達西滲流。

為探索煤儲層基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的滲流機理,順煤樣分層鉆取了樣柱(稱之為“順層樣柱”),并對順層樣柱進行了滲流實驗。實驗結果表明,流體在基質(zhì)孔隙中的流動呈典型的非達西滲流,如圖2所示。此成果的實驗條件為:實驗圍壓為5 MPa,實驗流體滲出口壓力為0.10 MPa。

1.4 規(guī)模開發(fā)過程中的飽和度變化

在規(guī)模開發(fā)過程中,隨著持續(xù)的排水-降壓,煤儲層孔隙中的流體不斷產(chǎn)出,煤儲層內(nèi)的流體壓力也在持續(xù)降低,從而導致一些吸附態(tài)煤層氣被解吸和產(chǎn)出。隨著煤層氣的解吸和產(chǎn)出,煤儲層孔隙中的氣飽和度、水飽和度不斷發(fā)生著變化。

以臨界解吸壓力等壓線為界,在高于臨界解吸壓力的區(qū)域,煤層氣未被解吸,為單相流狀態(tài);低于臨界解吸壓力的區(qū)域,煤層氣被不同程度地解吸,呈現(xiàn)出水和氣兩相流狀態(tài),兩相流的流動狀態(tài)取決于相對滲透率。如圖3所示。

圖2 煤樣滲流速度與壓力梯度的關系Fig.2 Relationship between low rate and pressure gradient

圖3 煤層氣產(chǎn)出過程流體狀態(tài)示意[16]Fig.3 Diagram of fluid state during CBM production[16]

1.5 規(guī)模開發(fā)過程中氣水分異現(xiàn)象

通過對研究區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在煤層氣規(guī)模開發(fā)條件下,相對高部位井產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水量低、甚至只產(chǎn)氣不產(chǎn)水,低部位井的產(chǎn)水量高、產(chǎn)氣量低、甚至只產(chǎn)水不產(chǎn)氣。此現(xiàn)象被稱之為“氣水分異現(xiàn)象”。

在煤層氣規(guī)模開發(fā)條件下形成氣水分異現(xiàn)象的主要原因主要有以下3方面:

(1)壓降-解吸作用,隨著區(qū)域壓降,煤層氣從吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài);

(2)重力-浮力,水受重力的作用,從高部位向低部位流動,從而使得低部位井水產(chǎn)量較高;煤層氣受浮力作用,從低部位向高部位流動,從而使得高部位井氣產(chǎn)量較高;

(3)氣頂現(xiàn)象,氣水分異導致在相對高部位形成煤層氣規(guī)模開發(fā)過程中的“氣頂”,從而使得高部位井氣產(chǎn)量高,甚至只產(chǎn)氣不產(chǎn)水。

2 排采過程的煤儲層傷害機理

20世紀90年代初期,我國曾有一批煤層氣生產(chǎn)試驗井因排采過程中速度控制不當導致產(chǎn)量銳減。如沁水盆地南部的TL-006井、河北大城DC-001井等。研究發(fā)現(xiàn),導致這些煤層氣開發(fā)試驗井產(chǎn)量銳減的主要原因有排采過快、修井作業(yè)和關井停產(chǎn)。

2.1 排采過快

(1)情形1,應力敏感性傷害。多年的開發(fā)實踐發(fā)現(xiàn),煤層氣井排采過快,尤其是動液面較接近煤層時,會出現(xiàn)氣、水產(chǎn)量銳減。為進一步探索應力敏感傷害的機理,通過采集不同地區(qū)、不同變質(zhì)程度、不同巖石力學性質(zhì)、不同滲透率煤樣進行應力敏感實驗,大量的煤樣應力敏感實驗結果顯示,煤儲層滲透率對有效應力非常敏感。即:隨著有效圍壓增加,煤樣的滲透率被快速降低;而在有效圍壓逐步遞減過程中,雖然滲透率有所增加,但卻無法恢復到原來的滲透率,出現(xiàn)較大差距。此現(xiàn)象就是有效應力對煤樣滲透率造成的傷害。所以排采過快導致井底流壓與煤儲層中流體壓力之間的壓差過大時,近井筒地帶的煤儲層滲透率就會受到應力敏感性傷害,從而致使煤層氣井的水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)情形2,氣鎖或水鎖傷害。排采過快,極易造成大量煤粉產(chǎn)出,煤粉極易對泵體形成卡泵,卡泵造成停排,停排使得流動的氣水兩相流驟然停止,從而會出現(xiàn)氣水分異現(xiàn)象。由于煤儲層的孔喉半徑較小,毛細管現(xiàn)象顯著,所以氣水分異會導致煤儲層的氣鎖或水鎖傷害,從而導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(3)情形3,煤粉堵塞傷害。排采過快,易導致大量煤粉產(chǎn)出,煤粉堵塞泵體而造成卡泵,卡泵造成停抽,停抽會導致流動中的煤粉沉積而堵塞人工裂縫及天然裂縫,導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

2.2 修井作業(yè)

(1)情形1,敏感性傷害。修井作業(yè)會因外來液體進入煤儲層,對煤儲層造成水敏、酸敏等敏感性傷害,從而導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)情形2,煤粉堵塞傷害。修井作業(yè),循環(huán)液體會把人工裂縫中及井筒內(nèi)的煤粉推入到天然裂縫和人工裂縫之中,從而形成煤粉堵塞傷害,導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(3)情形3,氣鎖或水鎖傷害。在修井作業(yè)過程中,會因外來液體進入煤儲層,造成對煤儲層的氣鎖或水鎖現(xiàn)象,從而導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

2.3 關井停產(chǎn)

(1)直井。關井停產(chǎn)導致煤粉滯留在支撐裂縫,煤粉滯留堵塞裂縫,導致支撐裂縫導流能力降低甚至喪失,從而造成水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減;關井停產(chǎn),使?jié)B流中的氣液兩相流體形成氣鎖或水鎖,導致水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

(2)水平井。關井停產(chǎn)導致大量煤粉滯留在水平井近生產(chǎn)井井筒,堵塞井筒,從而造成水產(chǎn)量和氣產(chǎn)量銳減。

綜上所述,煤層氣井排采對煤層氣儲層及其人工裂縫可能造成的傷害有三大類,即:① 煤粉堵塞傷害;②應力敏感傷害;③氣鎖水鎖傷害。

3 煤層氣井控壓控粉排采技術

基于上述煤層氣井排采過程中的傷害特點及傷害機理,結合多年的煤層氣井排采實踐經(jīng)驗,確立了嚴格控制合理的工作壓差(特指井底流壓與儲層壓力之間的壓差)和精確控制煤粉適度的產(chǎn)出速度等關鍵的控制要素。

3.1 井底流壓、套壓與產(chǎn)量的關系

從煤層氣井排采技術的角度,制約煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量的主要參數(shù)包括井口回壓、套壓、動液面、井底流壓等,而這些參數(shù)本身又存在著相互作用、彼此影響的內(nèi)在聯(lián)系,如圖4所示。

圖4 煤層氣井筒各參數(shù)間耦合關系Fig.4 Coupling relationship of parameters of coal-bed methane well

3.2 排采技術要求及排采工作制度

為降低排采過程中的傷害,煤層氣井的排采設備選擇應以保障長期、穩(wěn)定和連續(xù)排采為前提條件。排采設備必須性能可靠,持久耐用,節(jié)能低耗,易于維修保養(yǎng)。同時,要有從低排量到高排量較大范圍內(nèi)的排液能力與控制排液能力,還要有較強的和較靈敏的井口及產(chǎn)氣系統(tǒng)的壓力控制能力。

根據(jù)多年煤層氣井排采取得的經(jīng)驗和教訓,煤層氣井排采可采用的工作制度只有定壓排采,無法實現(xiàn)定產(chǎn)排采。即:煤層氣井排采應在有效控制煤粉產(chǎn)出速率和合理的工作壓差的條件下,按照擬定的井底流壓進行生產(chǎn)。

3.3 合理工作壓差的控制

基于上述煤層氣儲層易受到應力敏感傷害,確立了控制合理工作壓差的排采控制理論。

如圖4所示,在煤層氣井排采過程中,控制工作壓差的方式是控制井底流壓,控制井底流壓的重要途徑是控制動液面的高度和油套環(huán)空的氣體壓力(套壓)?？刂苿右好娴挠行У氖侄问峭ㄟ^調(diào)整工作制度控制產(chǎn)水速率,從而控制動液面的高度;通過有效地調(diào)整油嘴大小,調(diào)整套壓。

3.4 適度的煤粉產(chǎn)出速度的控制

多年的排采實踐發(fā)現(xiàn),無論是通過水力壓裂的直井還是水平井,都會產(chǎn)出一定數(shù)量的煤粉。煤粉的產(chǎn)出,極易導致卡泵,停排后煤粉又會對人工裂縫、水平井段、儲層造成傷害。但若不讓煤粉產(chǎn)出,同樣也會對人工裂縫、水平井段、儲層造成傷害。為避免煤粉造成的系列傷害,可以采取有效的“疏導”方式使其產(chǎn)出。從排采技術的角度考慮,控制煤粉以適度的速度產(chǎn)出的重要手段是合理控制產(chǎn)水量。

4 結 論

(1)煤層氣開發(fā)所能涉及的煤層氣吸附/解吸主要是物理吸附和物理解吸,物理吸附的作用力是甲烷分子與煤分子的分子間力(范德華力)。鑒于這種作用力較小,所以煤層氣的物理吸附過程和物理解吸過程是可逆的,但存在“解吸滯后現(xiàn)象”(因解吸需克服范德華力)。由于物理吸附是一種動態(tài)平衡過程,因此煤層氣解吸是一個瞬間過程,所以不存在煤層氣解吸速率影響煤層氣產(chǎn)量。

(2)煤層氣滲流為典型的二級滲流,即:煤基質(zhì)孔隙內(nèi)的流體流動多為非達西滲流,煤的天然裂隙及較大孔隙內(nèi)的滲流為達西滲流,且存在啟動壓力、滑脫效應等超低滲儲層所有的相關現(xiàn)象。

(3)在排采過程中,通過定壓排采,控制合理的工作壓差(特指井底流壓與儲層壓力之間的壓差),精確控制煤粉適度的產(chǎn)出速度可有效預防煤粉堵塞、應力敏感和氣鎖/水鎖傷害,保證煤層氣井安全、有效排采。

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Study on CBM production mechanism and control theory of bottom-hole pressure and coal fines during CBM well production

ZHANG Sui-an1,2,3,CAO Li-hu1,2,3,DU Cai-xia1,2,3

(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;2.Gas Energy Development Research Center of the Ministry of Education,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;3.Coalbed Methane Research Centre,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)

The characteristics of adsorption/desorption of coal-bed methane,percolation mechanism and drainage control are important factors in the process of CBM production.The experiments on adsorption/desorption of CBM and characteristics of percolation were carried out in this study.The results show that the process of adsorption/desorption of CBM is reversible,while the“desorption hysteresis”occurs in the process.The seepage of CBM presents the characteristics of secondary percolation,which means that the seepage flow in coal matrix porosity is non-Darcy flow and the flow in natural fractures and large pore is Darcy flow.In addition,the study has found a phenomenon of“gas-water difference”in coal seams at a large scale development for the drainage decompression in the process of gas recovery.The gas yield is high with low water production at local high locations,while the water yield is high with low gas production at relatively low locations.At the same time,the damage process includes fast production,work over,stop pumping and shut-in and low fluid level below the top surface of coal seam can easily lead to pollutions which result in the sharp decrease of gas-water production.Its damage mechanism mainly includes pulverized coal jam damage,stress sensitivity damage,air lock damage and water lock damage.Based on the damage characteristics,damage mechanisms andmany years’practical experience on CBM production,a drainage working system has been developed including draining with constant pressure,controlling a reasonable working pressure difference and maintaining a sound pulverized coal production rate.

coal-bed methane;CBM production mechanism;bottom-hole pressure;coal fines;production

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1927-05

2014-07-20 責任編輯:韓晉平

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05034-003,2011ZX05042-001,2011ZX05063)

張遂安(1957—),男,山東菏澤人,教授,博士生導師。Tel:010-89734802,E-mail:sazhang@263.net

張遂安,曹立虎,杜彩霞.煤層氣井產(chǎn)氣機理及排采控壓控粉研究[J].煤炭學報,2014,39(9):1927-1931.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8025

Zhang Suian,Cao Lihu,Du Caixia.Study on CBM production mechanism and control theory of bottom-hole pressure and coal fines during CBM well production[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1927-1931.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8025