高 宇 段衛(wèi)英 紀(jì)彥波 董建秋 關(guān)濟(jì)朋 姜文文

(1.中石油華北油田分公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000；2.中國(guó)石油華北油田分公司第三采油廠，河北 062552)

由于煤巖物理特征的復(fù)雜性、煤巖力學(xué)性質(zhì)的特殊性，煤巖形成就受眾多復(fù)雜多變的因數(shù)影響，壓裂后裂縫形態(tài)特征又復(fù)雜多變難以預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的室內(nèi)、室外模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建數(shù)學(xué)、物理模型，通過(guò)軟件模擬計(jì)算，對(duì)煤層水力壓裂進(jìn)行了大量研究。針對(duì)煤巖的低滲及復(fù)雜性導(dǎo)致的特殊非線性滲流機(jī)理，眾多學(xué)者以油氣井傳統(tǒng)試井分析研究為基礎(chǔ)，對(duì)低滲儲(chǔ)層、煤層氣滲流機(jī)理及試井存在的特殊性復(fù)雜性及難點(diǎn)進(jìn)行了理論研究分析，煤層氣試井對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有較大意義，本文由壓裂后測(cè)壓降及放噴數(shù)據(jù)入手，對(duì)獲得的壓力、放噴液量時(shí)間變化進(jìn)行初步分析，認(rèn)為這些參數(shù)的獲取對(duì)于煤層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及效果預(yù)測(cè)具有一定的參考意義。

1 區(qū)塊概況

成莊合作區(qū)塊處于沁水盆地東南部晉城斜坡帶，煤種為無(wú)煙煤，區(qū)塊3號(hào)煤層埋深較淺，平均440m，平均5.81m。含氣量平均19.21m3/t，臨儲(chǔ)比多大于0.5；3號(hào)煤儲(chǔ)層孔隙度平均5.80%，滲透率平均值2.67mD，滲透率高。15號(hào)煤層埋深較淺，平均490m，厚度平均3.90m。含氣量平均16.67m3/t。目前區(qū)塊主采3號(hào)煤層。15號(hào)煤作為接替產(chǎn)能逐步開(kāi)發(fā)。

2 區(qū)塊開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

成莊合作區(qū)塊2009～2010年鉆井89口，采用單井單井場(chǎng)的開(kāi)發(fā)方式對(duì)3號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，建設(shè)產(chǎn)能0.8×108m3，至今已累計(jì)產(chǎn)氣9.7×108m3，開(kāi)發(fā)效果較好，目前采出程度89.6%，3號(hào)煤層煤層氣資源嚴(yán)重枯竭，儲(chǔ)層壓力及地層能量基本釋放完畢，且區(qū)塊老井范圍內(nèi)存在3個(gè)煤礦，煤礦開(kāi)采及瓦斯抽采的嚴(yán)重影響煤層氣的開(kāi)采，2019年老井遞減率高達(dá)22.3%。

2019年成莊合作區(qū)塊開(kāi)始進(jìn)行新的產(chǎn)建工作，對(duì)3號(hào)和15號(hào)煤進(jìn)行雙層合采，通過(guò)在老區(qū)單井井場(chǎng)加密鉆井和區(qū)塊剩余部分進(jìn)行鉆井，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊高效開(kāi)發(fā)。截止2020年底共壓裂投產(chǎn)47口定向井(其中老區(qū)加密井23口)，部分井產(chǎn)氣效果較好，但也具有一定的差異性。

3 壓裂工程情況

3.1 前期壓裂施工情況分析

區(qū)塊2009～2010年產(chǎn)建時(shí)已完成83口直井的壓裂工作，對(duì)3號(hào)煤進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，相關(guān)施工參數(shù)如下：

液體配方：清水+1%KCl；

支撐劑：蘭州石英砂，有兩種加砂方案，一種加入40～70目石英砂10m3，20～40目石英砂20～30m3，16～20目石英砂5m3；另一種加入16～20目石英砂25～30m3，15～19目8～10m3；

液體用量：500～700m3左右；施工排量：6～8m3/min。

放噴情況：關(guān)井90分鐘測(cè)壓降后用3mm油嘴進(jìn)行放噴。

已開(kāi)發(fā)區(qū)為拉張應(yīng)力區(qū)，該壓裂模式下取得了良好的效果，表明采用的壓裂施工參數(shù)和工藝是適合該地區(qū)煤儲(chǔ)層特征的。

3.2 近期壓裂施工情況分析

2019年新的產(chǎn)建工作壓裂模式基本保持不變，開(kāi)發(fā)區(qū)域?qū)儆谶^(guò)渡應(yīng)力區(qū)，部分井對(duì)壓裂液量大小進(jìn)行了對(duì)比分析，在老區(qū)加密井3號(hào)煤壓裂時(shí)適當(dāng)降低了壓裂規(guī)模，防止與鄰近老井壓竄。區(qū)塊2019年產(chǎn)建時(shí)已完成47口井的壓裂工作，相關(guān)施工參數(shù)如下：

液體配方：清水+1%KCl；

支撐劑：蘭州石英砂，有三種加砂方案，前置液加入40～70目石英砂1m3，攜砂液加入40～70目石英砂9m3，20～40目石英砂20或15或10m3，16～20目石英砂5m3；

液體用量：250～700m3左右；施工排量：6～8m3/min。

放噴情況：①壓后測(cè)壓降30min；②測(cè)完壓降后立即從套管進(jìn)行放噴，放噴壓力范圍與水嘴型號(hào)見(jiàn)表1。

表1 壓裂后放噴油嘴選擇表

4 壓裂后情況分析

4.1 壓裂停泵壓力分析

壓裂后的停泵壓力代表了地層裂縫延伸壓力，地層裂縫延伸壓力等于停泵壓力加上井筒的靜液柱壓力，該值的高低與儲(chǔ)層的巖石斷裂韌性、壓開(kāi)的裂縫大小，即與施工規(guī)模的大小有關(guān)。更通俗意義上的含義就是恰好使裂縫保持不閉合所需要的流體壓力。根據(jù)老區(qū)加密井的壓裂數(shù)據(jù)，在壓裂規(guī)模沒(méi)有太大變化的情況下，通過(guò)比較同一井場(chǎng)兩個(gè)時(shí)期(相差10年)的閉合壓力變化，即第一批投產(chǎn)井同第二批投產(chǎn)井壓裂時(shí)的停泵壓力，動(dòng)態(tài)分析區(qū)域煤層氣開(kāi)采后煤層的壓力變化。由圖1可以看出總計(jì)10個(gè)井場(chǎng)共31口井，其中2009年投產(chǎn)老井10口(圖1黑色柱體)，2019年老區(qū)加密投產(chǎn)新井21口(圖1白色柱體)，其中新井閉合壓力小于同一井場(chǎng)老井的比例為62.0%，說(shuō)明隨著煤層氣的開(kāi)采，氣體、流體的產(chǎn)出，影響到了區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力。初步分析為應(yīng)力集中區(qū)域，煤層氣的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中趨勢(shì)更為明顯，而應(yīng)力釋放區(qū)域正好相反。

圖1 老區(qū)加密井壓裂后閉合壓力柱狀圖

4.2 壓裂后測(cè)壓降分析

壓裂后封閉井口或管柱后測(cè)量壓降，觀察壓裂后壓力變化，一般觀察時(shí)間是半個(gè)小時(shí)到一個(gè)小時(shí)。整個(gè)過(guò)程可以看做是注入井筒及附近裂縫中的高壓流體向裂縫遠(yuǎn)端滲流的一個(gè)過(guò)程。因此井口壓力的降低的快慢及程度是對(duì)煤層滲流能力的一種反映(井筒或油管摩阻由于區(qū)塊內(nèi)同一煤層深度差異不大，可看做摩阻大小及變化趨勢(shì)一致便于分析)，這個(gè)過(guò)程的快慢由煤儲(chǔ)層本身的壓力(壓裂后遠(yuǎn)端孔隙流體壓力)及滲透能力大小共同決定的，也就是煤層本身的擴(kuò)散性。例如成莊合作部分井壓裂后的壓降曲線(圖2，圖3)，從圖中可以看出，在測(cè)壓降的過(guò)程中，不同煤層壓裂后的壓力變化及快慢存在一定的差異性。通過(guò)分析數(shù)據(jù)認(rèn)為：壓降初期可能受摩阻的影響較大，后期時(shí)的壓力大小和變化能夠在一定程度上反映出煤儲(chǔ)層的壓力大小及滲透性。但具體需要更加深入的分析研究，構(gòu)建合理的數(shù)學(xué)模型，來(lái)研究壓力變化與儲(chǔ)層參數(shù)之間的關(guān)系，能夠進(jìn)一步地預(yù)測(cè)出煤儲(chǔ)層壓裂后的滲透率等參數(shù)，來(lái)指導(dǎo)排采生產(chǎn)及產(chǎn)量預(yù)估。

注：測(cè)壓降數(shù)據(jù)為每分鐘對(duì)應(yīng)的井口壓力圖2 老區(qū)加密井15號(hào)煤壓裂后壓降曲線

注：測(cè)壓降數(shù)據(jù)為每分鐘對(duì)應(yīng)的井口壓力圖3 老區(qū)加密井3號(hào)煤壓裂后壓降曲線

4.3 壓裂后放噴情況分析

根據(jù)前期壓裂經(jīng)驗(yàn)判斷，太快和太慢均會(huì)對(duì)壓后儲(chǔ)層造成傷害，因此普遍采用適中的放噴速度。但根據(jù)近幾年的壓裂放噴效果，當(dāng)壓力降低到放噴壓力時(shí)，對(duì)壓裂液進(jìn)行快速返排，效果普遍較好，但對(duì)于放噴時(shí)壓力、放噴液量的變化研究甚少。放噴時(shí)每?jī)蓚€(gè)小時(shí)(根據(jù)放噴壓力變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整)記錄井口壓力及返排流量，根據(jù)井口壓力大小選擇對(duì)應(yīng)的油嘴進(jìn)行放噴。這些數(shù)據(jù)是地層壓力及滲透性變化的最直接反映，雖然放噴時(shí)是儲(chǔ)層物性變化較大的一個(gè)過(guò)程，但通過(guò)對(duì)放噴時(shí)參數(shù)的分析研究，可以最直接更為接近的預(yù)測(cè)出生產(chǎn)時(shí)的最初滲透率及相關(guān)儲(chǔ)層參數(shù)。目前放噴時(shí)記錄的數(shù)據(jù)較少(表2)，只是記錄多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力大小及測(cè)量一下水量。不能完整的詳細(xì)的記錄井口壓力的變化。如果能獲得更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，再構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)、物理模型，通過(guò)軟件模擬計(jì)算，相信能夠得到更為準(zhǔn)確的煤儲(chǔ)層參數(shù)。

表2 壓裂后放噴數(shù)據(jù)表實(shí)例

4.4 壓裂后各參數(shù)與產(chǎn)氣情況關(guān)聯(lián)性

決定煤層氣開(kāi)發(fā)效果的因數(shù)歸根結(jié)底就是資源量及滲透率。而資源量基本不會(huì)有明顯的變化(忽略協(xié)同開(kāi)發(fā)的影響)，滲透率也只是人為的通過(guò)壓裂等工程手段去改善一下滲流通道。壓裂后各參數(shù)在一定程度上能夠反映改造后的煤層滲透性，如果區(qū)塊資源、地質(zhì)條件較好的話，則能夠得到較好的效益。但具體情況往往是從空間到時(shí)間等各種條件下的復(fù)雜耦合。壓裂后各參數(shù)只能在一定程度上反映出滲透性好壞，這種滲透性不僅預(yù)示著較好的運(yùn)移通道，也可能是高滲水、高逸散通道。

由于沒(méi)有直接的煤層氣含量這一準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，測(cè)井時(shí)預(yù)測(cè)的煤層氣含量參考價(jià)值不大。通過(guò)壓裂后數(shù)據(jù)和產(chǎn)氣量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，判斷壓裂后參數(shù)能否和滲透率和產(chǎn)氣量有一定的相關(guān)性。但是由于開(kāi)發(fā)井是3號(hào)煤和15號(hào)煤分壓合采，產(chǎn)氣效果相關(guān)性受兩層煤產(chǎn)能的共同影響，因此關(guān)聯(lián)性分析存在一定的局限性。正如圖4所示，分析了壓裂后3號(hào)煤和15號(hào)煤的閉合壓力與投產(chǎn)后一年的日產(chǎn)氣量及累產(chǎn)水量之間的關(guān)系。雖然可以看出有一定的關(guān)聯(lián)性，但由于受地質(zhì)條件影響的復(fù)雜性，關(guān)聯(lián)性不是太強(qiáng)，需要更深入的研究分析。

圖4 壓裂后閉合壓力與產(chǎn)氣量關(guān)聯(lián)性分析

5 壓裂后放噴數(shù)據(jù)的可分析性及重要性

壓裂后壓降、放噴的過(guò)程相當(dāng)于對(duì)煤層改造后的一次滲透性測(cè)試，測(cè)壓降時(shí)是高壓流體由井筒及裂縫向遠(yuǎn)端滲透，放噴時(shí)是煤層改造后溝通裂隙內(nèi)的流體向井筒滲流。壓裂后壓降、放噴獲取的壓力、流量等參數(shù)對(duì)于煤儲(chǔ)層的滲流能力評(píng)價(jià)更接近生產(chǎn)實(shí)際，可以作為煤層氣試井的一種補(bǔ)充，也可能用來(lái)評(píng)估壓裂后滲透性的好壞，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)意義更大更準(zhǔn)確，在定性評(píng)價(jià)或者定量分析上都具有一定的參考價(jià)值。但是由于壓降時(shí)和放噴時(shí)是煤儲(chǔ)層壓力、能量變化較大較快的一個(gè)過(guò)程，這種劇烈變化必然影響著滲透率的變化，即壓降、放噴過(guò)程時(shí)滲透率是動(dòng)態(tài)變化，甚至是突變的一個(gè)過(guò)程。因此需要進(jìn)一步的深入研究壓降、放噴過(guò)程的滲流機(jī)理，構(gòu)建更加精確的模型，用來(lái)動(dòng)態(tài)的表征預(yù)估滲透率。這個(gè)動(dòng)態(tài)的滲透率的最后狀態(tài)即是最接近生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)的滲透率，對(duì)產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量將具有更準(zhǔn)確更清晰的預(yù)測(cè)。

6 結(jié)論和建議

(1)煤層氣井壓裂后測(cè)壓降和放噴數(shù)據(jù)對(duì)于研究?jī)?chǔ)層滲流能力意義重大，對(duì)生產(chǎn)排采和產(chǎn)量預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)壓裂后閉合壓力的大小在一定程度上代表了地層能量的高低，更準(zhǔn)確意義上的代表了壓裂有效范圍內(nèi)的圈閉能力。

(3)壓裂后測(cè)壓降時(shí)壓力變化快慢與地層滲流能力有關(guān)，但還需要深入的計(jì)算分析研究得出更加清晰準(zhǔn)確的結(jié)論。

(4)壓裂后放噴數(shù)據(jù)應(yīng)該全程記錄，通過(guò)自動(dòng)化手段，對(duì)壓力和流量進(jìn)行更加清晰準(zhǔn)確的全程記錄，使后期分析研究更加準(zhǔn)確有效。

(5)壓裂后放噴時(shí)壓力變化及放噴液量與地層滲流能力有關(guān)，但還需要深入的計(jì)算分析研究得出更加清晰準(zhǔn)確的結(jié)論。

(6)測(cè)壓降及放噴滲流機(jī)理需要進(jìn)一步的研究分析，構(gòu)建適宜的模型用來(lái)解釋和預(yù)測(cè)滲透率的動(dòng)態(tài)變化。