胡秋嘉,毛崇昊,石 斌,喬茂坡,劉世奇,劉昌平,劉明仁,毛生發(fā),陳志鑫

(1.中石油山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

目前山西沁水盆地南部高煤階煤層氣已實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，是中國重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地之一[1-2]。其中排采是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，前人研究成果認為，排采初期不合理的排采降壓強度會引起近井筒滲透率下降，制約壓降漏斗的傳播，導(dǎo)致單井產(chǎn)能低于預(yù)期;而解吸初期不合理的套壓會影響儲層中的流體狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降[3]。因此，在開發(fā)中正確認識氣水產(chǎn)出機理，制定合理的排采管控制度是實現(xiàn)高效排采的關(guān)鍵。在機理方面，諸多學(xué)者認為[4-11]，氣水在煤層中滲流是多相非線性的，其過程受“三敏”影響，基于此建立了非平衡吸附擬穩(wěn)態(tài)條件下的流動模型;并進一步分析了儲層敏感效應(yīng)對氣水產(chǎn)出的影響，總結(jié)了各排采階段氣水運移的敏感因素[5-7]。排采管控方面，將排采控制過程劃分為放噴階段、初期排水-降液面階段、憋壓階段、憋壓-控壓產(chǎn)氣階段、控壓穩(wěn)產(chǎn)階段和產(chǎn)氣量衰減階段，提出“緩慢、長期、持續(xù)、穩(wěn)定”的排采原則[1-2,12-13]。雖然排采對煤層氣井的開發(fā)非常重要，但我國高煤階煤層氣規(guī)模性地面開采仍處于摸索階段，還有待于形成一套適應(yīng)不同地質(zhì)條件的排采管理方法體系，以往研究多針對特定區(qū)塊、重點分析某一控制因素，而高煤階儲層具有孔裂隙復(fù)雜、滲透率低、敏感性強等特點，流體在儲層中受多因素共同控制，并不是單一控制因素就能解決的，然而中國煤層氣井排采過于依賴經(jīng)驗，研究形成的理論與實際難以有效結(jié)合。為此筆者以沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊為研究對象，探討了氣水產(chǎn)出的控制機理，重新劃分了排采階段，將理論與實際結(jié)合，提出了新的排采管控思路及方法，現(xiàn)場應(yīng)用后效果較好，保障了氣田的高效開發(fā)。

1 煤層氣井排采控制機理

1.1 煤儲層氣水產(chǎn)出過程

煤儲層是由宏觀裂隙(外生裂隙和割理)、微觀裂隙和孔隙組成的三元孔、裂隙系統(tǒng)，其中，孔隙是煤層氣的富集場所，宏觀裂隙是煤層氣和煤層水的運移通道，而微觀裂隙則即是煤層水的主要賦存場所，也是溝通孔隙與宏觀裂隙的橋梁[14-16]。沁水盆地南部高階煤儲層滲透率總體偏低，增加了煤層氣、水產(chǎn)出的難度，煤層氣井投產(chǎn)前普遍采用水力壓裂強化改造，而壓裂裂縫為煤層氣、水的產(chǎn)出提供了更有利的運移通道[17-18]?？紤]壓裂裂縫的情況下，按照孔裂隙發(fā)育尺度，煤層氣產(chǎn)出經(jīng)歷了基質(zhì)孔隙—微觀裂隙—宏觀裂隙—壓裂裂縫4級流動，最終到達井筒;而煤層水產(chǎn)出經(jīng)歷了基質(zhì)孔隙/微觀裂隙—宏觀裂隙—壓裂裂縫3級流動(圖1)。

圖1 煤儲層氣、水流動過程示意Fig.1 Flow process of gas and water in coal reservoirs

煤層氣井生產(chǎn)過程中，煤儲層中為氣-水兩相流動，存在氣-水兩相之間的相互作用。且氣、水在煤儲層孔裂隙通道內(nèi)運移時，受孔裂縫發(fā)育尺度的影響，表現(xiàn)出不同的兩相流運移規(guī)律。煤儲層孔裂隙中氣-水兩相之間的相互作用主要體現(xiàn)在氣-水相對滲透率變化中，反映了煤儲層中氣、水滲透性特征與兩相流體的產(chǎn)出特征，對煤層氣開發(fā)具有重要的指示意義。為此，以沁水盆地南部3號煤層為例，基于微觀裂隙氣-水相對滲透率曲線(圖2(a))，結(jié)合宏觀裂隙氣-水相對滲透率曲線(圖2(b))，探討煤儲層氣水產(chǎn)出過程，指導(dǎo)煤層氣井排采管控指標(biāo)的制定。

圖2 煤儲層裂隙中氣-水相對滲透率曲線Fig.2 Gas-water relative permeability curves in coal reservoir

由煤儲層裂隙中氣-水相對滲透率曲線可以看出，煤層氣井投產(chǎn)后，隨壓裂裂縫和宏觀裂隙中的水逐漸被排除，宏觀裂隙含水飽和度迅速下降(圖2(b))，同時煤儲層壓力降逐漸傳遞至微觀裂隙和煤基質(zhì)孔隙，微觀裂隙中賦存的煤層水在壓差作用下流向宏觀裂隙，微觀裂隙中含水飽和度逐漸下降(圖2(a)中A段)。沁水盆地南部3號煤層具有親水性，加之微觀裂隙開度較小，毛細管阻力明顯，造成微觀裂隙中含水飽和度下降緩慢(圖2(a)中A段)。至微觀裂隙中含水飽和度降至20%后，煤基質(zhì)孔隙中吸附態(tài)的甲烷氣體開始大量解吸，由于微觀裂隙中含水飽和度已降至較低水平，含氣飽和度迅速上升(圖2(a)中B段)。同樣由于沁水盆地南部3號煤層的親水性和強毛細管阻力，含氣飽和度達到80%后(圖2(a)中B,C段)，才開始出現(xiàn)氣相的連續(xù)流動。壓差作用下，微觀孔裂隙中的解吸氣進入宏觀裂隙，微觀裂隙中剩余煤層氣以氣泡的形式分散在煤層水中運移至宏觀裂隙，此過程可描述為“水帶氣”的過程(圖2(a)中B段等滲點右側(cè))。微觀孔裂隙中解吸氣的進入，促使宏觀裂隙中含氣飽和度上升，氣泡連續(xù)分布，在壓差下開始流動，表現(xiàn)為層流，宏觀裂隙中也逐漸進入“水帶氣”的過程(圖2(b)中A段等滲點右側(cè))。隨解吸面積進一步擴大，含氣飽和度進一步增加，甲烷占據(jù)微觀裂隙和宏觀裂隙主要通道，氣-水兩相流流動也逐漸由“水帶氣”變?yōu)椤皻馔扑?圖2(a)中B段等滲點左側(cè)和圖2(b)中A段等滲點左側(cè))，“氣推水”的過程促進了微觀裂隙中含水飽和度的進一步降低，并逐漸成為殘余水(圖2(a)中C段和圖2(b)中B段)，特別是微觀裂隙中“氣推水”的過程，促進了煤儲層壓力的整體下降。而當(dāng)水相飽和度低到一定程度時，由毛管效應(yīng)引起的流動阻力就會再次體現(xiàn)，泡流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳎霈F(xiàn)液阻現(xiàn)象，這種阻力在相滲的等滲點達到最大。這種變化在大型裂隙和壓裂裂縫中均有出現(xiàn)，而在水相滲透率幾乎為0的微小裂隙中很少出現(xiàn)。

由此可見，微觀裂隙作為煤層水的主要賦存場所，其內(nèi)賦存的煤層水產(chǎn)出是煤儲層壓力有效下降的重要因素，決定了煤儲層疏水降壓效果。作為煤層氣產(chǎn)出的重要通道，微觀裂隙存在氣-水兩相流動，由于微觀裂隙寬度較小(納米-微米尺度)，易形成氣水界面，毛細管阻力影響明顯，不利于氣、水高效產(chǎn)出;同時，相對于宏觀裂隙和壓裂裂縫，微觀裂隙應(yīng)力敏感性強，更易造成滲透率的應(yīng)力損傷，從而影響氣、水產(chǎn)出。因此，微觀裂隙中氣、水滲透性特征與兩相流體的產(chǎn)出特征，充分體現(xiàn)了煤層氣井生產(chǎn)過程中氣-水兩相之間的相互作用，決定了煤層氣井生產(chǎn)效果，是煤層氣井排采管控所考慮的關(guān)鍵。

1.2 煤儲層氣水產(chǎn)出影響因素

煤儲層氣、水產(chǎn)出，除兩相流體之間的相互作用，還受啟動壓力、毛細管力、滲透率的應(yīng)力敏感性等因素影響影響。

圖3 不同尺度裂縫水測滲透率及啟動壓力梯度Fig.3 Water permeability and starting stress in different fracture

(2)毛細管力。沁水盆地南部3號煤弱親水且微孔發(fā)育[21]，氣水產(chǎn)出過程中易形成氣水界面，存在毛細管阻力，裂縫寬度越小，其阻力就越大(圖4)，越不利于氣水的高效產(chǎn)出。在排采過程中，氣水通過基質(zhì)—原生微小裂隙—大型裂隙—壓裂裂縫4級流動，由小尺度裂隙向大尺度裂縫運移，毛管阻力逐級變小。

圖4 煤儲層毛管壓力曲線(壓汞實驗)Fig.4 Capillary pressure curves of coal reservoirs(mercury porosimetry)

(3)有效應(yīng)力。不同有效應(yīng)力、注入速率條件下，測試了有效應(yīng)力對天然裂縫、壓裂裂縫滲透率的影響，實驗表明，隨著有效應(yīng)力增大，宏觀裂隙滲透率較初始滲透率下降65.1%～79.6%(圖5(a));而在壓裂裂縫中，滲透率下降幅度較小，最終可維持在初始滲透率的50%(圖5(b))?？梢娫剂芽p對有效應(yīng)力的敏感性較強，壓裂裂縫受有效應(yīng)力的影響相對較小(圖5)。

圖5 煤儲層裂隙滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationship between permeability and effective stress of coal reservoirs

2 煤層氣井排采管控方法

2.1 煤層氣井排采管控階段劃分

基于上述煤儲層氣水產(chǎn)出機理，不同的排水降壓階段，流體產(chǎn)出的主要通道不同、流體相態(tài)也由單相轉(zhuǎn)為氣-水兩相，導(dǎo)致影響氣水產(chǎn)出的因素也在變化，微觀氣水運移特征亦不同。而宏觀上(或者說工程上)則表現(xiàn)為煤層氣井排采管控的壓力階段。故而，考慮微觀孔裂隙中氣驅(qū)水氣-水相對滲透率特征和煤儲層氣水產(chǎn)出影響因素，選擇“儲層壓力Pc、解吸壓力Pde、見氣壓力Pjq”3個重要壓力節(jié)點將煤層氣排采劃分為4個階段。

(1)階段Ⅰ:Pc

煤層氣井啟抽后，一般井底流壓Pjd>儲層壓力Pc(圖6)，是因壓裂注入液體使地層增壓所致[22]。因井筒內(nèi)的壓力大于儲層壓力，使壓裂液流向儲層，導(dǎo)致天然裂隙中水壓上升，原始氣水界面受力平衡被打破，水進入到了更微小的裂隙或孔隙，加大了微觀裂隙和孔隙內(nèi)的毛細管壓力。若持續(xù)維持這種高的壓差，進入微觀裂隙和孔隙內(nèi)的水會更多，毛細管壓力增加會更大，后期排水難度就會增大，影響疏水降壓效果。該階段由于Pjd>Pc為單相水流，有效應(yīng)力傷害、氣體啟動壓力和相對滲透率對儲層影響較小。因此該階段的排采應(yīng)重點應(yīng)考慮降低毛細管阻力，最大限度排水。

圖6 變速排采-低恒套壓排采管控模型Fig.6 Model of variable speed drainage-low casing pressure control method

(2)階段Ⅱ:Pde

此階段隨著煤層水的不斷產(chǎn)出，壓裂增壓作用持續(xù)減小。在持續(xù)降壓過程中，壓差逐漸增大，流體受到的驅(qū)動壓力不斷增加，煤層水逐漸由微觀裂隙向更大尺度裂隙運移，毛細管力作用逐級減弱;而此階段對應(yīng)于宏觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的A段靠右的部分和微觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的A段(圖2)，Pjd

對于我國的競技體育運動員來說，由于長期從事專業(yè)化訓(xùn)練，耽誤了最佳的學(xué)習(xí)時機，脫離了素質(zhì)教育體系，以致其就業(yè)能力不佳；大部分運動員沒有明確規(guī)劃，在心理上沒有做好就業(yè)準(zhǔn)備，對自身的發(fā)展沒有準(zhǔn)確的定位；運動員的項目和成績對其就業(yè)也有很大的影響[31-35]。

(3)階段Ⅲ:Pjq

此階段Pjd降低至Pde以下(圖6)，吸附在基質(zhì)孔隙表面的甲烷分子開始解吸，氣-水兩相流出現(xiàn)在宏觀裂隙和壓裂裂縫中，而其他3個因素的影響不會發(fā)生太大變化。此時的兩相流態(tài)有兩種形式，一種是含氣飽和度維持在較低水平，氣相滲透率緩慢增加，裂隙中形成連續(xù)泡流，對水的產(chǎn)出無明顯影響，呈“水帶氣”特征，對應(yīng)于微觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的B區(qū)等滲點右段和宏觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的A區(qū)等滲點右段(圖2);另一種是含氣飽和度快速上升，氣相滲透率迅速增加(對應(yīng)于微觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的B區(qū)等滲點左段和宏觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的A區(qū)等滲點左段)(圖2)，流態(tài)由“水帶氣”泡流轉(zhuǎn)變?yōu)椤皻馔扑倍稳?，這對水的產(chǎn)出具有明顯的抑制作用。因此該階段排采的重點應(yīng)考慮盡量減小氣對水的抑制作用。

(4)階段Ⅳ:Pjd

對應(yīng)于微觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的C區(qū)和宏觀裂隙氣-水相對滲透率曲線的B區(qū)(圖2)。進入該階段后，一方面，壓裂裂縫內(nèi)的壓裂液已基本被排出，此階段產(chǎn)水來源主要是在天然裂縫和基質(zhì)孔隙內(nèi)，流體的運移需要克服較大的啟動壓力，因此排采過程中需要較大的壓差，持續(xù)保持較高的驅(qū)動壓力。另一方面，由于甲烷分子解吸后流入壓裂裂縫內(nèi)，并大量聚集，含氣飽和度增加，氣相滲透率上升、水相滲透率下降，影響排水效率，因此在此階段需要加快放氣，保持在裂縫通道內(nèi)較低的含氣飽和度。

由此可見，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ階段為排水階段，僅有煤層水的產(chǎn)出，控制的是排水階段;Ⅳ階段煤層氣井開始產(chǎn)氣，進入產(chǎn)期階段。

2.2 定量化排采管控指標(biāo)

基于氣-水產(chǎn)出控制機理，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)資料，提出了新的煤層氣排采管控思路，建立“變速排采-低恒套壓”排采管控方法，并實現(xiàn)了定量化參數(shù)?！白兯倥挪?低恒套壓”排采管控方法的思路和定量化參數(shù)如圖6、表1所示，具體如下：

表1 高煤階儲層排采管控思路及參數(shù)量化Table 1 Thinking and parameter quantization of high-rank coal reservoir

(1)排水段(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)。應(yīng)采用“快、慢、緩”變速排采。階段Ⅰ(快)，采用較大的降液速度快速排出液體，壓降速度采用0.1 MPa/d，一是最大限度的減少液體流入儲層微孔隙內(nèi)，二是盡快形成高壓差，驅(qū)動氣水界面向大尺度裂隙運移，減小毛細管力作用(圖6、表1)。階段Ⅱ(慢)，應(yīng)采用慢排的方式，壓降速度采用0.05 MPa/d，減小有效應(yīng)力的增長速度，在滲透率損失之前盡可能多排水，確保解吸前排出更多的水，形成更大的降壓面積(圖6、表1)。階段Ⅲ(緩)，為避免氣相滲透率快速上升，減小氣相滲透率對水相的影響，應(yīng)采用較緩的降壓速度，壓降速度0.02 MPa/d，維持水相滲透率(圖6、表1)。

(2)產(chǎn)氣階段(Ⅳ)。采用“低恒套壓”變速排采。進入提產(chǎn)階段后，該階段保持較低的套壓，減少流體運移通道內(nèi)含氣飽和度，同時保持套壓恒定，以達到提高氣水產(chǎn)出效率的目的，并且小幅降壓，壓降速度0.01 MPa/d，并多頻次小幅度調(diào)氣，保持較低且恒定的套壓，通過區(qū)塊生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在套壓<流壓/2時，排水及產(chǎn)氣效果最好(圖6、表1)。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 應(yīng)用區(qū)儲層特征

上文研究成果在沁水盆地南部樊莊-鄭莊區(qū)塊開展了工業(yè)化應(yīng)用。該區(qū)域地層劃屬華北地層區(qū)山西地層分區(qū)晉東南小區(qū)，含煤地層為石炭二疊系，目前主要開發(fā)3號煤層，其厚度一般為5～8 m，埋深一般600～700 m，含氣量一般大于18 m3/t。由于區(qū)域內(nèi)3號煤演化程度較高(Ro介于3.5%～4.0%)，其孔滲條件一般較差，屬于低孔低滲儲層，平均孔隙度5.3%，平均滲透率0.3×10-15m2。

3.2 工程應(yīng)用效果對比

以研究區(qū)內(nèi)的2口井為例，均位于大型寬緩背斜的核部，地層傾角小于3°，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主，其地質(zhì)條件及開發(fā)技術(shù)相同(表2)，采用不同的排采方法。

表2 研究區(qū)試驗井地質(zhì)參數(shù)及開發(fā)參數(shù)對比Table 2 Comparison of geological parameters and development parameters of test well in study area

圖7 不同管控方式下煤層氣井生產(chǎn)曲線Fig.7 Daily production curves of CBM wells under different control modes

QN-1井采用傳統(tǒng)排采管控方式，即排水階段緩慢勻速降壓(日降壓0.03 MPa/d)，見氣后憋套壓排采方式(套壓≈流壓)。產(chǎn)氣前(排水階段和憋壓階段)，煤層氣井產(chǎn)水量較低(累計產(chǎn)水100 m3)，造成井控范圍內(nèi)煤儲層壓降面積以及壓降幅度較小(圖7(a));受其影響，進入產(chǎn)氣階段，日產(chǎn)氣量上漲較慢，而日水量下降較快，日產(chǎn)水量的下降又進一步阻礙了壓降面積擴展(圖7(a))。

QS-2井采用“變速排采、低恒套壓”管控方法。排水階段，煤層氣井產(chǎn)水量相對于QN-1井提高了2倍，井控范圍內(nèi)煤儲層壓降面積和壓降幅度均優(yōu)于QN-1井;進入產(chǎn)氣階段，實現(xiàn)了日產(chǎn)氣量穩(wěn)步提升，預(yù)期最高可達到2 000 m3/d以上，而日產(chǎn)水量持續(xù)穩(wěn)定，說明壓降面積在持續(xù)擴大，提產(chǎn)潛力再進一步增強(圖7(b))。

采用“變速排采、低恒套壓”管控方法的井，其資源動用效率明顯高于傳統(tǒng)方法(圖8)，見氣時間較以往縮短近30 d，排采500 d后的累產(chǎn)氣量增加近25%。

圖8 不同管控方式下煤層氣井累產(chǎn)曲線Fig.8 Cumulative production curves of CBM wells under different control modes

3.3 工程應(yīng)用效果定量分析標(biāo)準(zhǔn)

為了分析排采管控的4個階段疏水降壓效果，引入單位壓降產(chǎn)水量作為定量分析標(biāo)準(zhǔn)，并定量化對比研究了“變速排采-低恒套壓”排采管控方法與傳統(tǒng)方法下單位壓降產(chǎn)水量的特征。對比結(jié)果表明，4個排采階段均顯示，采用“變速排采-低恒套壓”排采管控方法單位壓降產(chǎn)水量均高于傳統(tǒng)排采管控方法下的單位壓降產(chǎn)水量，說明“變速排采-低恒套壓”排采管控方法排水效果相對較好，有助于流體在通道內(nèi)高效運移，利于解吸面積的持續(xù)擴大(圖9)。

圖9 4個階段不同排采制度與產(chǎn)水效果對比Fig.9 Comparison of water production effects with different methods in each drainage stage

4 結(jié) 論

(1)考慮高煤階煤層氣井氣水產(chǎn)出過程，其產(chǎn)出通道依次通過基質(zhì)孔隙、微觀裂隙、宏觀裂隙和人工裂縫，氣水流動及產(chǎn)出受4個主要因素控制，在通道尺度由小到大變化的過程中，其主要因素分別為毛細管力、有效應(yīng)力、啟動壓力、氣水相滲。毛細阻力會因壓裂增壓明顯加大、持續(xù)的排水降壓會使有效應(yīng)力增大至裂縫閉合、啟動壓力致使氣體產(chǎn)出滯后、解吸后氣水相滲影響流態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)該特征，可以利用“儲層壓力、解吸壓力、見氣壓力”3個壓力點將煤層氣井降壓產(chǎn)氣過程劃分為4個階段。不同階段的影響因素不同，需要制定針對性的排采管控對策，Pc

(2)在沁水盆地高煤階煤層氣開發(fā)中，Pc