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        淺析煤層氣井壓裂后壓降及放噴數(shù)據(jù)可分析性及重要性

        2021-03-10 08:41:46段衛(wèi)英紀(jì)彥波董建秋關(guān)濟(jì)朋姜文文
        中國(guó)煤層氣 2021年6期
        關(guān)鍵詞:石英砂煤層氣滲流

        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。

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