王丹

(國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質礦產研究院) 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042)

余莉珠，張海峰

(中石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司，山西 太原 041000)

康遠波，潘林華

(國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室(重慶地質礦產研究院) 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042)

目前，國內學者對我國煤層氣井排采階段滲流形態(tài)的研究，提出了多種數(shù)學模型；但是對于排采階段的劃分研究不多，而且主要是定性的，如：張繼東等[1]根據(jù)美國煤層氣井生產特征，將煤層氣井排采階段定性劃分為早期、過渡、晚期等3個階段；楊秀春[2]總結了潘河試驗區(qū)生產資料，將煤層氣井排采階段定性劃分為排水降壓、穩(wěn)產、產量遞減等3個階段，并對各階段排采參數(shù)特征進行了描述；王興隆等[3]總結了沁南高階煤層氣井的生產特征，認為其主要受控于含水飽和度及氣-水相對滲透率的變化，將排采階段劃分為3個階段；李夢溪[4]總結了沁水盆地樊莊區(qū)塊煤層氣井生產特征，將煤層氣井排采階段定性劃分為排水、控壓產氣、穩(wěn)產高產、衰竭等4個階段；韓保山從保護儲層的角度出發(fā)，將煤層氣排采從試抽開始至產氣衰減，定性劃分為6個階段，并提出了各排采階段的管理措施。關于煤層氣井排采階段的定量劃分鮮有涉及。因此，開展這方面的研究對于煤層氣的開發(fā)具有重要意義。

1 區(qū)塊煤層氣井排采現(xiàn)狀

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶南端，煤層氣資源非常豐富，是我國煤層氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域之一[5～7]。該次研究主要是針對研究區(qū)的162口煤層氣生產井，排采時間5～7年，均已見套壓；儲層壓力6.0～12.0MPa，平均8.95MPa；井解吸壓力5.0～8.0MPa，平均6.73MPa；臨儲比均大于0.5，平均0.75；最高日產氣量2300m3。

2 排采階段劃分依據(jù)

煤層氣井的生產過程就是通過排水降壓得到煤層氣逐漸解吸并運移至井筒中的過程，也是煤層所受地應力逐漸降低并得到擴展、地層能量不斷釋放的過程。依據(jù)煤層氣“解吸-擴散-滲流”基本理論，總結分析井底壓力、套壓、動液面、日產氣量和日產水量等日常生產參數(shù)的變化規(guī)律，結合區(qū)塊內煤層氣生產現(xiàn)場動態(tài)變化，可將研究區(qū)煤層氣井的整個生產過程分為排水降壓、不穩(wěn)定產氣、穩(wěn)定產氣和產氣衰減等4個階段(圖1)。與依據(jù)相態(tài)變化特征的煤層氣排采階段劃分方案相比，該方法更接近于生產實際[8]；與華北油田沁水區(qū)塊的基于各種壓力的劃分方案相比，該方法受到排采的影響因素相對較小[4,9]。

圖1 煤層氣井排采階段劃分模式圖

3 排采階段特征

3.1 排水降壓階段

國內煤層多屬于非飽和狀態(tài)，儲層壓力高于臨界解吸壓力，通過排水實現(xiàn)降壓，采出水主要以返排壓裂液與地層水混合液為主，間或出現(xiàn)水、煤粉兩相流。如果單井煤層的排采(水)強度過大，極易引起煤層裂縫和割理閉合。因此，需要保持合理的排采(水)強度，才能保證在煤層排采通道(即煤巖中的裂縫和割理)不閉合。當井底流壓降至臨界解吸壓力，煤層開始解吸氣體(即見套壓)是該階段的結束點。

3.2 不穩(wěn)定產氣階段

根據(jù)產氣變化特征，將該階段分為初始產氣亞階段和產氣上升亞階段。

初始產氣亞階段：井底壓力降至煤層臨界解吸壓力，煤層氣開始解吸，單井套壓不穩(wěn)定且變化幅度較大，產氣量也不穩(wěn)定；煤層中出現(xiàn)氣、水兩相流或氣、水、煤粉三相流。

產氣上升亞階段：套壓趨于穩(wěn)定，產氣量持續(xù)上升或呈階梯狀上升，單井產水量呈逐漸減少的趨勢。隨著煤巖中流體的不斷排出，其泄壓面積逐漸擴大，使得煤層遠端的甲烷也逐漸解吸、產出。

3.2.1氣、水變化規(guī)律

生產數(shù)據(jù)表明：不穩(wěn)定產氣階段前期的初始產氣亞階段為產氣量相對上升階段，表現(xiàn)為其波動相對頻繁。實踐表明，產氣上升階段煤層氣井產水量遞減先快后慢；而產氣量隨時間表現(xiàn)為初期增長相對較快，若沒有層間干擾，后期增長相對較慢或不變的特點。也可以說，氣、水產量的變化主要受氣、水兩相滲透率的影響。在煤層氣排采過程中，Mclennan[10，11]對其中氣、水兩相滲透率的變化進行了研究：

Krg=k(1-Sw)n

(1)

Krw=(Sw)m

(2)

式中：Krg為煤層中氣相相對滲透率，1；Krw為煤層中液相相對滲透率，1；Sw為煤層含水飽和度，1；n為煤層中氣相相對滲透率指數(shù)，1；k為煤層中氣相相對滲透率系數(shù)，1；m為煤層中液相相對滲透率指數(shù)，1。

3.2.2氣、水產出層位識別

研究區(qū)主要有2套主力煤層，一般均為兩層合采的方式進行開發(fā)。因此，對煤層氣井氣、水產層的識別具有重要意義。在產氣上升亞階段，單井的產氣量逐步增大，對氣、水兩相流關系的判斷相對比較明顯。

若氣、水同層產出，由于煤層的絕對滲透率雖然為固定值，但是相滲透率卻是相對變量。朱啟明[12]認為，水相滲透率隨著煤層中含水飽和度的降低而減小，但是氣相滲透率則呈相反規(guī)律。

實際生產中，單井產氣量、產水量的變化規(guī)律決定于氣液兩相相對滲透率，因此，可以用其變化規(guī)律來判斷氣、水是否同層。以A井(合采兩層煤)為例，前期隨著產氣量的不斷上升，產水量有明顯下降；隨著排采的進行，產氣量逐漸趨于穩(wěn)定。

若氣、水不同層，那么氣、水產出就無明顯的相關關系。以B井(合采兩層煤)為例，該井氣、水產出關系不明顯，說明其氣、水產出不同層。該井的生產測井資料同樣表明，其持水率曲線顯示在上主力煤層以下井段為水值；井溫曲線在兩主力煤層均有異常變化(說明均有物質產出)；累積式氣體流量曲線僅在上主力煤層顯示氣體聚集；同位素追蹤曲線也顯示上主力煤層上部為主要產氣層，下主力煤層為主要產水層。

3.3 穩(wěn)定產氣階段

煤層氣井經過排水降壓階段和不穩(wěn)定產氣階段已經形成了相對穩(wěn)定的壓降區(qū)域，并逐步向外傳播，排采參數(shù)也基本趨于穩(wěn)定。研究區(qū)排采數(shù)據(jù)表明，該階段主要具有以下生產特征：①單井日常生產參數(shù)均保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；②單井產液量低于3m3/d；③若單井套壓較高，則可用于控制井底壓力。

該階段可以通過套壓來影響和控制井底壓力和單井產氣量。以吉C井為例，該井前期的套壓穩(wěn)定在3.5MPa附近，產氣量僅40m3/d左右。分析原因后調整套壓至2MPa，平均產氣量上升至400m3/d左右；后期控制套壓在1.5MPa，提升產氣量至500m3/d以上。因此，套壓在穩(wěn)產階段對產氣效果有明顯的影響和控制作用。

穩(wěn)定產氣階段的產氣量雖然已經穩(wěn)定，但是如果產液量減少仍會引起產氣量的下降，所以，保證產液量仍是保證煤層氣井高產穩(wěn)產的先決條件。以吉D井為例，該井前期保持產氣量穩(wěn)定在1000m3/d以上，后由于泵效降低導致產液量減少，引起產氣量明顯遞減至400m3/d左右；之后，提沖次增加產液量，產氣量又逐步回升到高產水平。

3.4 產氣衰減階段

產氣衰減階段的主要特征為生產井井底流壓和套壓趨于零，單井井控范圍內的地層壓力下降至枯竭壓力，產氣量自然下降，目前研究區(qū)無此階段井。

4 煤層氣井生產階段的定量化表征

煤層氣井的產水量、產氣量各不相同，該次研究主要采用日產氣量、日產水量和最大日產氣量、最大日產水量的比值進行分析。依據(jù)無量綱產量分析法，主要采用無量綱產氣率作為煤層氣井排采階段定量化劃分的依據(jù)。其實質就是在煤層氣井排采過程中，利用單井的氣、水產出量的關系進行表征。

首先，定義無量綱產氣量ngD為日產氣量與最大日產氣量的比值，即：

(3)

式中：ngD為無量綱產氣量，1；qg為煤層氣井日產氣量，m3/d；qgmax為最大日產氣量，m3/d。

同理，定義無量綱產水量nwD，即：

(4)

式中：nwD為無量綱產水量，1；qw為煤層氣井日產水量，m3/d；qwmax為最大日產水量，m3/d。

經過以上處理，可將qg、qw限定在一定的范圍內，即ngD,nwD∈[0,1]。

定義無量綱產氣率NgD為ngD與ngD和nwD之和的比值，即:

(5)

據(jù)此，無量綱產氣率范圍NgD∈[0,1]。

所以，無量綱產氣率NgD對煤層氣井排水產氣過程的表征如下：

排水降壓階段：該階段只產水不產氣，N1為0。

不穩(wěn)定產氣階段：產氣量逐漸上升，產水量呈下降趨勢，所以其無量綱產氣率逐漸升高，對應區(qū)間為[N1，N2)；無量綱產氣率一般為0.05

穩(wěn)定產氣階段：產氣量穩(wěn)定在一個相對較高的水平，產水量穩(wěn)定在一個相對較低的水平；產水量偶爾可能出現(xiàn)較大波動；對應于區(qū)間為[N2，N3)；無量綱產氣率一般為0.35

產氣遞減階段：產氣量開始呈遞減趨勢，產水量趨近于0；對應于區(qū)間為[N3，1]。

利用該方法對研究區(qū)的生產數(shù)據(jù)進行處理，就可以得到相應的無量綱產氣率。研究結果表明：煤層氣井在排水降壓階段的計算值為0，不穩(wěn)定產氣階段完成時的計算值可達到0.35左右，穩(wěn)定產氣階段完成時的計算值可達到0.70左右。值得注意的是，該方法雖定量劃分了排采階段，基本符合實際情況，但以上分析僅考慮了單井產氣和產水的因素，并未考慮其他等因素的影響，因此仍需進一步優(yōu)化。

5 結論

1)通過對比，將研究區(qū)煤層氣排采井的排采時間劃分為排水降壓、不穩(wěn)定產氣、穩(wěn)定產氣和產氣衰減共4個階段，其中的不穩(wěn)定產氣階段又分為初始產氣亞階段和產氣上升亞階段。

2)利用無量綱產氣率對煤層氣井的排采階段進行劃分，4個階段對應的無量綱產氣率分別為0、0.05～0.35、0.35～0.70、0.70～1.0。

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