文／李云龍

華北油田勘探開發(fā)研究院自主研發(fā)“疏導(dǎo)式定量排采控制技術(shù)”，開辟煤層氣開發(fā)新路。

●華北油田鍛造的煤層氣開發(fā)利器已在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣。 供圖/李云龍

2020 年11 月中旬，中國石油華北油田沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊“3 億方開發(fā)調(diào)整項(xiàng)目”25 口L 形水平新井投產(chǎn)現(xiàn)場，技術(shù)人員井然有序地準(zhǔn)備部署采用自主研發(fā)的“疏導(dǎo)式定量排采控制技術(shù)”。

最新數(shù)據(jù)顯示，華北油田已在煤層氣所有在建區(qū)塊應(yīng)用這項(xiàng)“獨(dú)門利器”。在生產(chǎn)主力樊莊區(qū)塊、鄭莊區(qū)塊已實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣，達(dá)產(chǎn)時間平均縮短80 天，排采時效提高8 個百分點(diǎn)。

找尋破題之道

煤層氣的開采機(jī)理是排水降壓，甲烷解吸產(chǎn)氣。因此，排采控制是煤層氣產(chǎn)出的最后一個關(guān)鍵階段。

“排得好可以達(dá)到煤儲層的最大單井日產(chǎn)氣量，并獲得較高的采收率。反之，煤層氣的單井產(chǎn)量低，且很快進(jìn)入遞減。”華北油田煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域首席技術(shù)專家楊延輝說。

在傳統(tǒng)的“緩慢、長期、持續(xù)、穩(wěn)定”排采理念指導(dǎo)下，樊莊區(qū)塊煤層氣開發(fā)取得了較好的效果，但在沁南、夏店、鄭莊等區(qū)塊大規(guī)模開發(fā)中并未有效地提升產(chǎn)量、釋放產(chǎn)能。

一個顯而易見的問題擺在研究人員面前：對于復(fù)雜的煤層氣地質(zhì)構(gòu)造，“一招鮮”不可能百試百靈。只有通過技術(shù)創(chuàng)新，方可破題解困。

采取不同于傳統(tǒng)排采理念的差異化控制技術(shù)，也就是“如何利用高壓改善儲層物性并加快排采速度，釋放煤層氣潛能”，成為華北油田勘探開發(fā)研究院煤層氣先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地的一個重要攻關(guān)課題。

“我們項(xiàng)目組調(diào)研了排采相關(guān)中英文文獻(xiàn)500 余篇，一方面學(xué)習(xí)前人的地質(zhì)研究與模型建立過程，一方面尋找靈感?！比A北油田勘探開發(fā)研究院科研人員王晶說。

科研人員系統(tǒng)研究傳統(tǒng)排采理念發(fā)現(xiàn)，多數(shù)文獻(xiàn)均基于煤巖應(yīng)力敏感性特性，認(rèn)為快速降壓會導(dǎo)致井筒周邊煤巖滲透率快速下降，進(jìn)而造成產(chǎn)氣量下降。這一理論認(rèn)識，對20 世紀(jì)90 年代中國境內(nèi)煤層氣開發(fā)井大多呈現(xiàn)到達(dá)產(chǎn)氣高峰后產(chǎn)量快速下降的現(xiàn)象，提供了一個可能的解釋。后續(xù)大多數(shù)研究者利用數(shù)值模擬技術(shù)在這一領(lǐng)域進(jìn)行大量研究，逐漸鞏固了煤層氣排采降壓需要“緩慢、長期”的認(rèn)識。

科研人員再次詳細(xì)分析這些文獻(xiàn)資料認(rèn)識到，利用數(shù)值模擬進(jìn)行的理論模型計(jì)算及分析，忽略了慢速降壓帶來的排采降壓時間延長造成的影響。雖然慢速降壓排采后得到了更大的波及體積，但并不意味著可以獲得更高的平均日產(chǎn)氣量。如果采取快速排采，是否能夠提高單井產(chǎn)量？

科技創(chuàng)新解難題

有句話說得好，思路一變天地寬?？蒲腥藛T突破固有思路，開始快速排采相關(guān)領(lǐng)域的新一輪研究。

以往，理論模型計(jì)算大多是基于壓降漏斗以井筒為圓點(diǎn)放射狀向四周擴(kuò)散的井筒模型。而實(shí)際生產(chǎn)時，煤層氣井均需要進(jìn)行壓裂。壓裂后的滲流模型與理論模型完全不同，模擬計(jì)算結(jié)果會有偏差。

科研人員重新對沁水盆地南部區(qū)塊煤層氣開發(fā)井資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于煤粉產(chǎn)出對排采設(shè)備堵塞而造成頻繁停泵，致使排采不連續(xù)，是造成煤層氣井前期產(chǎn)氣量快速下降最重要的影響因素，而排水期的降壓速率快慢造成的影響則不明確。

為了檢驗(yàn)理論分析正確與否，試驗(yàn)基地安排了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)同時進(jìn)行研究。

“研究過程中，大量單井排采數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律等待我們?nèi)ゲ粩嗤诰?。大家?jīng)常為了獲得一個準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)討論至深夜?！比A北油田勘探開發(fā)研究院科研人員王寧回憶說。

經(jīng)過2016、2017 兩年時間的縝密實(shí)驗(yàn)，終于獲得了可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論——無論排水降壓速率快慢，高階煤的吸附氣均能有效解吸，甲烷最終解吸率均較高，產(chǎn)氣速率均在煤塊整體解吸后得到大幅提升。不同降壓速率下甲烷產(chǎn)出曲線均有一個明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后甲烷產(chǎn)出速度大幅提升。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：快速產(chǎn)氣階段發(fā)生在煤體整體解吸之后，產(chǎn)氣速率受當(dāng)時煤體兩端壓差控制。甲烷的解吸—流動耦合速率受壓差的影響較大，高壓差有利于氣體的快速解吸。無論是煤塊整體降到解吸壓力之下的時間，還是大部分吸附氣（約占66%）解吸出來的總時間，加快降壓速度的策略更有經(jīng)濟(jì)效益。

匯聚智慧持續(xù)完善

理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐檢驗(yàn)理論。

2016 年，試驗(yàn)基地在鄭莊區(qū)塊同步安排了4 口實(shí)驗(yàn)井，進(jìn)行了加快降壓速度排采試驗(yàn)，將降壓速度總體提高到原來的1.5 倍。其中，流壓在地層壓力之上時，提高3～5 倍降壓速度；流壓在地層壓力和解吸壓力之間時，提高1.3 倍降壓速度；解吸初期不再像以往那樣控制排采速度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，加快降壓速度排采試驗(yàn)井的見氣時間、達(dá)產(chǎn)時間縮短，日產(chǎn)氣量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，峰值氣量是相鄰老井的2 倍以上。

室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)取得可相互印證的結(jié)果，科研人員堅(jiān)定了煤層氣降壓排采可以相對快速的信心。

科研人員從煤層氣滲流全過程影響因素的角度去審視，發(fā)現(xiàn)壓裂通道的滲流能力是影響降壓速度的因素。基于這一認(rèn)識，試驗(yàn)基地逐步完善了煤層氣直井、水平井排采最佳降壓速率計(jì)算模型，將煤儲層含氣性、物性、吸附解吸規(guī)律、壓裂效果等綜合考慮，實(shí)現(xiàn)特定地質(zhì)條件下的最佳降壓速度定量化計(jì)算。

通過兩年持續(xù)完善，基于實(shí)際地質(zhì)條件的“個性化、智能化、強(qiáng)可控、低成本”的“疏導(dǎo)式定量排采控制技術(shù)”已經(jīng)得到煤層氣業(yè)內(nèi)專家的認(rèn)可。

在試驗(yàn)基地，為降本增效地推進(jìn)“疏導(dǎo)式定量排采控制技術(shù)”，針對煤層氣井?dāng)?shù)多、平均產(chǎn)量低、管控難度高的特點(diǎn)，重點(diǎn)發(fā)展了“智能排采+遠(yuǎn)程監(jiān)控+無人巡檢”的管理模式，大大降低了生產(chǎn)管控成本。

同時，生產(chǎn)中創(chuàng)新升級了以“水力管式泵”為代表的無桿泵排采設(shè)備，排采時效從開發(fā)初期的90%大幅提高到98%以上，保證了排采的連續(xù)、穩(wěn)定。

目前，“疏導(dǎo)式定量排采控制技術(shù)”以及配套排采設(shè)備，已逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用。結(jié)合國家專項(xiàng)近年來發(fā)展的區(qū)塊優(yōu)選、高效開發(fā)、疏導(dǎo)式壓裂等技術(shù)系列，華北油田煤層氣逐漸走上了以自主技術(shù)為基礎(chǔ)的低成本快速發(fā)展道路，有望實(shí)現(xiàn)煤層氣產(chǎn)量、效益的雙豐收，為中國煤層氣大發(fā)展提供了一個可供參考與推廣的樣板和范例。