馬歆寧 劉羽欣 王小東 楊 昊 魏康強(qiáng)

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司研發(fā)中心，山西 030032)

地面煤層氣開采井存在儲層壓力低、單井產(chǎn)量低、單井壓力低等‘三低’特征，使得氣田采氣速度和采收率難以提升。動壓調(diào)節(jié)技術(shù)指在煤層氣采氣井口上，安裝單井及閥組增壓機(jī)，通過降低井口套壓，根據(jù)壓力傳遞效應(yīng)進(jìn)而降低井底流壓，增大生產(chǎn)壓差，提高產(chǎn)氣速度和產(chǎn)水速率，增加局部滲透率，形成排水降壓采氣的正向促進(jìn)作用，有利于煤層氣的解吸和產(chǎn)出，從而提高煤層氣井的產(chǎn)量及最終采收率。自動壓調(diào)節(jié)技術(shù)在PH區(qū)塊、SZN區(qū)塊應(yīng)用以來，取得了良好的效果，下面就動壓調(diào)節(jié)技術(shù)機(jī)理及選井預(yù)測進(jìn)行分析：

1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

沁水盆地中生代晚期存在一期強(qiáng)烈的構(gòu)造熱事件，導(dǎo)致距離巖漿侵入中心較近的南部PH區(qū)塊受巖漿熱變質(zhì)影響較大，煤的變質(zhì)程度較高，Ro為3.6～4.0，北部SZN區(qū)塊距離巖漿侵入中心較遠(yuǎn)，受巖漿熱變質(zhì)作用較弱，Ro為2.8～3.6，熱演化程度不同導(dǎo)致PH區(qū)塊和SZN區(qū)塊的3號煤儲層物性有所差異。PH區(qū)塊儲層含氣量高，滲透率好，開發(fā)特征表現(xiàn)為PH區(qū)塊上產(chǎn)時間快，峰值產(chǎn)氣量高，采收率高，但是在相同井網(wǎng)和井控面積下，穩(wěn)產(chǎn)時間短，遞減率高。

統(tǒng)計近年來動壓調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用情況，PH區(qū)塊煤層氣自2005年陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)，自2016年以來開始在各個閥組采用動壓調(diào)節(jié)技術(shù)，累計增產(chǎn)1.2×108m3。以PH區(qū)塊4號閥組為例，4號閥組所屬19口井控制面積地質(zhì)儲量3.66×108m3，目前累產(chǎn)氣量2.6×108m3(圖1)，將生產(chǎn)曲線按照目前生產(chǎn)遞減率趨勢擬合初算，預(yù)計到達(dá)2025年累產(chǎn)氣量2.95×108m3，2017年7月應(yīng)用動壓調(diào)節(jié)技術(shù)后，日增產(chǎn)氣量約1.50×104m3/d，截止2021年3月底，已增產(chǎn)氣量1.99×107m3/d，預(yù)計到達(dá)2025年還將增加產(chǎn)氣量2.20×107m3/d，采收率可達(dá)到81.9%。

圖1 PH區(qū)塊4#閥組井生產(chǎn)曲線

SZN區(qū)塊煤層氣自2009年陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)，自2019年以來開始試驗(yàn)使用動壓調(diào)節(jié)技術(shù)，累計增產(chǎn)約3.7×106m3/d，初見成效。以SZN區(qū)塊ZY區(qū)1號、2號閥組為例，SZN區(qū)塊ZY區(qū)1號、2號閥組所屬20口井控制面積地質(zhì)儲量1.4×108m3，目前累產(chǎn)氣量0.62×108m3(圖2)，2020年4月應(yīng)用動壓調(diào)節(jié)技術(shù)后，日增產(chǎn)氣量3000m3/d，將生產(chǎn)曲線按照目前生產(chǎn)遞減率趨勢擬合初算，預(yù)計到達(dá)2025年累產(chǎn)氣量0.79×108m3，截止2021年3月底，已增產(chǎn)氣量1.06×106m3，預(yù)計到達(dá)2025年還將增加產(chǎn)氣量6.27×106m3，采收率可達(dá)到56.4%。

圖2 SZN區(qū)塊ZY區(qū)1#、2#閥組井生產(chǎn)曲線

2 適應(yīng)性分析

通過動壓調(diào)節(jié)技術(shù)在SZN區(qū)塊的應(yīng)用，對已實(shí)施的井增產(chǎn)量統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，增產(chǎn)量與累產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、液柱高度的相關(guān)性較好。初步分析認(rèn)為這些井累產(chǎn)達(dá)到了動用儲量的30%以上，進(jìn)入了排采中期，排采階段逐漸由氣水兩相流向氣體單向流過渡，產(chǎn)水逐漸減少，使用動壓調(diào)節(jié)技術(shù)提高壓差，直接作用于煤儲層上，更有利于降低儲層壓力，促進(jìn)煤層氣解吸。同時，高產(chǎn)水井對動壓調(diào)節(jié)設(shè)備的工藝及穩(wěn)定運(yùn)行時間要求較高?？紤]以上因素，從資源潛力、儲層連通性、儲層滲透率、地層水條件等方面，考慮進(jìn)行生產(chǎn)井優(yōu)選。

煤層氣井資源計算有體積法、類比法。對于預(yù)測剩余儲量，歷史擬合和數(shù)值模擬在界定了儲層基本地質(zhì)參數(shù)外，充分考慮了生產(chǎn)井的實(shí)際生產(chǎn)情況，可以作為評價剩余資源量評價的一種方法。導(dǎo)入靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)，用前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)調(diào)整，根據(jù)滲透率動態(tài)變化模型，可以初步計算出解吸半徑，評價出剩余儲量。

在設(shè)計煤層氣井不同壓降時機(jī)的負(fù)壓模擬時，選取相同目標(biāo)負(fù)壓值，在不同的時間點(diǎn)上代入其對應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史擬合以及目標(biāo)值下的產(chǎn)能預(yù)測，并且統(tǒng)一模擬結(jié)束時間使模擬結(jié)果可對比，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減期和上升期不同階段模擬，可以看出(圖3)，不論動壓如果調(diào)節(jié)，衰減期增壓方式累積產(chǎn)氣量都比上升期增壓方式累積產(chǎn)氣量高，說明煤層氣井適合在衰減期增壓，應(yīng)力敏感在生產(chǎn)早期更容易發(fā)生，動壓調(diào)節(jié)適合在衰減期增壓。調(diào)整不同的目標(biāo)負(fù)壓值，隨著負(fù)壓值的增大，負(fù)壓增產(chǎn)量有明顯的的上升。

圖3 不同目標(biāo)值下擬合增產(chǎn)量

根據(jù)朗格繆爾Langmuir煤層氣等溫吸附公式，變換得出解吸效率曲線(圖4)，可以看出解吸效率是非線性的，求導(dǎo)后可以得出解吸效率變化大小，按照蘭氏壓力PLC=2.2MPa，蘭氏體積VLC=22m3/t值可以理論計算出三個段對應(yīng)的壓力值：

圖4 解吸效率曲線曲率

啟動壓力：

(1)

敏感壓力：

(2)

轉(zhuǎn)折壓力：

(3)

其中，PA=7.21MPa，PB=4.76MPa，PC=2.12MPa。按單井實(shí)際生產(chǎn)曲線散點(diǎn)圖作出單井的流壓產(chǎn)氣散點(diǎn)圖，PA=1.17MPa，PB=0.67MPa，PC=0.38MPa，和理論計算差距較大，分析認(rèn)為，主要取決于儲層連通性和滲透性差異，按照實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和理論計算的差值，將該值定義為該井的傳導(dǎo)效率，用此值來量化該井的滲透性和連通條件，如C-4井，如圖5所示，傳導(dǎo)效率為5.6～7.1，取B點(diǎn)傳導(dǎo)效率7.1來取值，該值越小越說明連通性越強(qiáng)。

圖5 煤層氣井C-4井底流壓氣量圖版

以上為單煤層氣井動壓調(diào)節(jié)分析選井，對于多口井并聯(lián)煤層氣井(閥組)動壓調(diào)節(jié)技術(shù)選井來說，用理論計算采收率法更為快捷和簡便。煤層氣主要以吸附態(tài)存在于煤基質(zhì)微孔的表面，忽略少量溶解氣和游離氣，根據(jù)等溫吸附公式，可以求得某個地層壓力下的采收率。煤儲層中原始含氣量吸附氣體量為：

(4)

式中，G為原始吸附氣體量，108m3；A為氣藏面積，km2；h為煤層厚度，m；ρB為煤層密度，g/cm3；Sgi為原始含氣飽和度;VL為蘭式體積，m3/t；PL為蘭式壓力，MPa；Pi為原始儲層壓力，MPa。

當(dāng)儲層壓力下降至P時，煤儲層累計產(chǎn)氣量為

(5)

式中，GP為累計產(chǎn)氣量，108m3；P為當(dāng)前儲層壓力，MPa。

采收率為儲層壓力降為P時的累計產(chǎn)量/原始吸附氣量，即推導(dǎo)出：

(6)

式中，RF為煤層氣藏采收率。

通過計算，給定不同的儲層壓力、蘭氏壓力，初步模擬動壓調(diào)節(jié)技術(shù)降低壓力ΔP后，采收率的變化關(guān)系(圖6)。并以此計算出不同區(qū)域動壓調(diào)節(jié)后能夠提高的采收率(表1)，需要說明的是，因?yàn)榈貐^(qū)滲透率不同，可認(rèn)為設(shè)備對儲層造成的壓降有所差別，到達(dá)廢棄壓力時的年限也有所不同。

表1 模擬不同地區(qū)動壓調(diào)節(jié)前后采收率

圖6 煤儲層壓力變化和采收率關(guān)系圖

用理論計算采收率法，和實(shí)際曲線擬合后吻合也較好，參考單井選井適應(yīng)性分析，確定動壓選井條件，符合條件越多的井，預(yù)計效果越好，相關(guān)參數(shù)評價參考表2。

表2 相關(guān)參數(shù)界定表

3 后續(xù)推廣情況

動壓調(diào)節(jié)技術(shù)主要實(shí)施手段依靠撬裝式增壓氣體壓縮裝置，該設(shè)備成本包括固定成本(采購費(fèi)、安裝費(fèi))和變動成本(維護(hù)費(fèi)、電費(fèi)等)。一臺1.0×104m3處理能力的撬裝式螺桿干式動壓調(diào)節(jié)設(shè)備購置和安裝成本約60萬元，年保養(yǎng)費(fèi)用約6萬元，年維護(hù)費(fèi)及電費(fèi)約44萬方。對計劃采用動壓調(diào)節(jié)設(shè)備的生產(chǎn)井進(jìn)行初步核算，結(jié)合前面的理論分析，可以優(yōu)選出較為合適的單井及閥組應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。

結(jié)合單井評價和理論計算采收率，對21號、22號、23號閥組所轄井進(jìn)行單井綜合評價，評價結(jié)果分為三類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如圖7，因21號、23號中優(yōu)選井較多，建議優(yōu)選21號、23號閥組。同時采用理論計算采收率法，21號、23號閥組應(yīng)用后預(yù)計降低壓差ΔP為0.1MPa，提高采收率6.94%，按照10年達(dá)到廢棄壓力計算最終增加產(chǎn)氣量1.36×107m3，日均增產(chǎn)氣量約3700m3/d。經(jīng)濟(jì)評價該項(xiàng)技術(shù)不到1年即可收回成本，效益顯著。2020年10月，對ZY區(qū)21號閥組、ZY區(qū)23號閥組應(yīng)用后(圖8)，日增產(chǎn)量達(dá)到了5000m3/d，超過預(yù)期效果，為后續(xù)繼續(xù)推廣提供相關(guān)研究依據(jù)。

圖7 SZN區(qū)塊21號、22號、23號閥組評價結(jié)果

圖8 ZY區(qū)21號、23號閥組生產(chǎn)曲線