王 喆，張培先，陳貞龍，郭 濤，王文進(jìn)

(中國石化華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京 210000)

截至2020年底，我國累計(jì)完鉆的煤層氣井已經(jīng)超過2萬口，產(chǎn)氣井超過13 000口[1]，但是經(jīng)過統(tǒng)計(jì)其中一半以上都是低產(chǎn)低效井，這些低產(chǎn)低效井的大量存在嚴(yán)重制約著我國煤層氣的下一步大規(guī)模產(chǎn)能開發(fā)建設(shè)。如何利用現(xiàn)有增產(chǎn)措施或者創(chuàng)新措施對這些低產(chǎn)低效的煤層氣井進(jìn)行治理一直是一個(gè)困擾廣大石油技術(shù)人員的技術(shù)和方法難題。以延川南煤層氣田為例，累計(jì)投產(chǎn)的煤層氣井有1 000余口，但是產(chǎn)氣量低于300 m3/d的低產(chǎn)低效井就有300余口，甚至還有一些日產(chǎn)氣量低于100 m3/d的超低產(chǎn)低效井。低產(chǎn)低效井分為多種類型，例如李勇等[2]就煤層氣低效井的成因?qū)ｉT構(gòu)建了一個(gè)體系，分類治理。近年來，國內(nèi)針對不同類型的低效井治理采取了很多措施，例如蘇士龍等[3]開展的可控沖擊波解堵試驗(yàn)取得了一定效果，李貴川等[4]試驗(yàn)了煤層氣水平井注氮?dú)饨舛录夹g(shù)，胡秋嘉等[5]嘗試了氮?dú)馀菽舛录夹g(shù)，崔彬等[6-7]進(jìn)行了氮?dú)馀菽瓑毫鸭夹g(shù)，楊琦[8]進(jìn)行了煤層氣壓裂新技術(shù)研究，常紅梅等[9]嘗試了一種新的煤層氣解堵技術(shù)，于澤蛟[10]進(jìn)行了等離子脈沖增產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐。這些技術(shù)都取得了一定的效果，但是成本高增產(chǎn)效果有限。在美國和加拿大同樣存在低產(chǎn)低效井的增產(chǎn)問題，先驅(qū)者嘗試了氮?dú)怛?qū)替增產(chǎn)改造技術(shù)和氮?dú)鈮毫鸭夹g(shù)，取得了一定效果，但是這2種技術(shù)僅僅適用于雙低壓煤儲(chǔ)層，有著很大的局限性[11]。

目前，氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)正在試驗(yàn)研究階段，中石化華東油氣分公司首次在延川南煤層氣田進(jìn)行了該項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)。本文將對試驗(yàn)效果、地質(zhì)和工程因素，以及氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)的增產(chǎn)機(jī)理以及效果進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)和試驗(yàn)井組概況

1.1 研究區(qū)煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征及低產(chǎn)井概況

(1)含煤地層和地質(zhì)構(gòu)造。延川南煤層氣田坐落于山西省和陜西省交界處，主要由3個(gè)小的構(gòu)造單元組成：譚坪構(gòu)造帶、西掌斷裂帶和萬寶山構(gòu)造帶[12-14](圖1)。山西組2號煤是主力煤層，煤層的水平分布在整個(gè)區(qū)塊都是穩(wěn)定的，平均厚度5 m，普遍有夾矸，平均厚度0.35 m[15]。

二疊系山西組和石炭系太原組為該區(qū)塊含煤層系[16-18]。其中，位于西部萬寶山構(gòu)造帶2號煤層為主力煤層，1 000 m埋深以深，鼻狀構(gòu)造是其構(gòu)造形態(tài)，較小的正斷層位于整個(gè)區(qū)域西北部；東部譚坪構(gòu)造帶，埋深1 000 m以淺，局部發(fā)育小斷層在部分地區(qū)發(fā)育，中心區(qū)域較平坦[19-20]。

(2)低產(chǎn)低效井分類。為了更好地治理延川南煤層氣田低產(chǎn)低效井，根據(jù)低產(chǎn)原因?qū)⒀哟厦簩託獾彤a(chǎn)低效井分為3種類型[21]：①后期低產(chǎn)井。這類煤層氣井曾經(jīng)高產(chǎn)并且大都已經(jīng)排采3～5年，進(jìn)入煤層氣排采的中后期，即煤層氣井的第3個(gè)生產(chǎn)階段(遞減階段)，通常主要表現(xiàn)為低產(chǎn)氣，低流壓，不產(chǎn)水或低產(chǎn)水[22]。增產(chǎn)措施主要是二次壓裂體積改造和可控電脈沖解堵[23]。②煤粉堵塞或其他鉆井壓裂等原因所造成的低產(chǎn)水、低產(chǎn)氣井。此類井通過可控電脈沖解堵，氮?dú)鈹_動(dòng)或者其他解堵措施，可以重新恢復(fù)高產(chǎn)，但是停止施工排采一段時(shí)間后由于堵塞會(huì)重新變成低產(chǎn)井[24]。③先天地質(zhì)條件造成的低產(chǎn)井，從未高產(chǎn)。此類低產(chǎn)井由于本身不具備高產(chǎn)潛力，目前還沒有適用的增產(chǎn)技術(shù)。本文主要論述使用氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)來治理第②類低產(chǎn)低效井。

圖1 延川南區(qū)塊構(gòu)造井位Fig.1 Structure and well location map of southern Yanchuan block

1.2 試驗(yàn)井組煤儲(chǔ)層特征

通過地質(zhì)和生產(chǎn)參數(shù)的篩選，在延川南煤層氣田優(yōu)選20余口低產(chǎn)井開展了氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)前的生產(chǎn)狀態(tài)可分為4大類(表1)。本文在20余口低產(chǎn)井氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)綜合研究的基礎(chǔ)上，對每一大類中選出一口典型井進(jìn)行重點(diǎn)分析。4口典型試驗(yàn)井儲(chǔ)層特征、排采生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

試驗(yàn)井目標(biāo)煤層2號煤埋深950～1 682 m，平均1 438 m；厚度3.4～5.4 m，平均厚4.55 m；初始儲(chǔ)層壓力4.66～11.63 MPa，平均8.26 MPa，氣含量11.9～14.6 m3/t，滲透率0.04×10-3～0.28×10-3μm2，孔隙度2.98%～8.2%，屬于低孔滲儲(chǔ)層。

2 氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)的機(jī)理、技術(shù)優(yōu)勢

2.1 氮?dú)鈹_動(dòng)機(jī)理

氮?dú)鈹_動(dòng)的具體工作原理是通過地面增壓系統(tǒng)，通過注入氮?dú)獍衙簩訅毫μ岣叩揭欢ǖ臄?shù)值，然后逐漸釋放壓力，當(dāng)壓力降到一定數(shù)值時(shí)，再進(jìn)行增壓。以此反復(fù)工作，達(dá)到煤層氣快速解吸的目的，并打通由于煤粉堵塞的滲流通道。低排量注氮?dú)庠黾觾?chǔ)層能量、改善裂隙，逐步降壓抽排，產(chǎn)生氮?dú)鈹_動(dòng)促進(jìn)解吸[25-26]。

表1 延川南煤層氣田氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)典型井基本地質(zhì)和生產(chǎn)參數(shù)Tab.1 Basic geological and production parameters of typical wells for nitrogen disturbance test in Southern Yanchuan coal field

氮?dú)鈹_動(dòng)的增產(chǎn)機(jī)理是利用氮?dú)膺M(jìn)行壓力擾動(dòng)，打通被煤粉堵塞的滲流通道，隨著壓力的降低，煤層氣大量解吸，從而增加煤層氣產(chǎn)量。當(dāng)注入氮?dú)夂笮纬梢粋€(gè)濃度差，井筒附近氮?dú)鉂舛雀?，遠(yuǎn)離井筒甲烷濃度高，受氮?dú)鈹_動(dòng)作用降低煤層中甲烷的有效分壓，促進(jìn)煤層氣持續(xù)解吸，濃度差導(dǎo)致煤層深處的甲烷向低濃度方向(井眼方向)流動(dòng)，煤層壓力再次達(dá)到平衡后，煤層滲透性改善、深部煤層氣被置換出來[27]。

2.2 氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)步驟和優(yōu)勢

氮?dú)鈹_動(dòng)實(shí)施步驟是，首先建立氮?dú)廨斔凸芫€，將制氮和注氮系統(tǒng)連接到井口，然后氮?dú)鈹_動(dòng)在試驗(yàn)井每天分3個(gè)階段進(jìn)行：先低排量注入一定量(100～200 m3)的低壓氮?dú)鈿怏w進(jìn)行壓力擾動(dòng)(約4 h)，然后關(guān)閉井口悶井一段時(shí)間(約4 h)，再進(jìn)行抽采(16 h)。如此反復(fù)達(dá)到壓力擾動(dòng)的目的。

使用氮?dú)饧夹g(shù)進(jìn)行煤層氣井的措施井增產(chǎn)，在國際國內(nèi)上已經(jīng)有很長的時(shí)間和應(yīng)用，然而在煤層氣井中應(yīng)用氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)這項(xiàng)新技術(shù)卻是首次。氮?dú)鈹_動(dòng)相比傳統(tǒng)煤層氣增產(chǎn)技術(shù)有無可比擬的優(yōu)勢：①煤儲(chǔ)層會(huì)在氮?dú)鈹_動(dòng)的作用下被微微撐開，從而使煤層滲透性有一定程度的提高。氮?dú)庾⑷朊簝?chǔ)層后會(huì)進(jìn)入原有壓裂改造的裂縫，并且會(huì)打開新的微裂縫，增加新的裂縫通道，加快煤層氣解吸[28]。此外，氮?dú)飧街诿簝?chǔ)層，在甲烷和氮?dú)鈨上啻嬖跁r(shí)，高壓氮?dú)庠隍?qū)替甲烷產(chǎn)出的同時(shí)，增加了煤層滲透性，也就是說，氮?dú)飧脑炀哂刑岣邇?chǔ)層滲透性的效應(yīng)[29-30]。②氮?dú)馐堑蛪汉透蓛?chǔ)層(不產(chǎn)水或少產(chǎn)水的儲(chǔ)層)最佳無污染改造流體。由于氮?dú)獾亩栊蕴卣?，它不與煤層和煤層中各類礦物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)作用，是低壓和干儲(chǔ)層最好的儲(chǔ)層保護(hù)流體。其不燃不爆特性也是保障煤層氣井作業(yè)安全可靠的基礎(chǔ)[31]。③高壓氮?dú)獯龠M(jìn)甲烷分壓降低和快速產(chǎn)出[32]。對于不飽和低解吸壓力的煤儲(chǔ)層，注入煤層的高壓氮?dú)鈱a(chǎn)生部分吸附，產(chǎn)生氮?dú)馕椒謮海瑫r(shí)降低甲烷吸附分壓，并促進(jìn)甲烷解吸和運(yùn)移產(chǎn)出[33-34]。④相對目前重復(fù)壓裂等措施，不破壞儲(chǔ)層，不影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。⑤無起下管柱作業(yè)等操作，節(jié)約成本，施工見效快。⑥氮?dú)庾⑷雺毫νǔＰ∮? MPa，安全穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)井噴井涌等大型事故。

3 氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施效果及分析

3.1 試驗(yàn)煤層氣井運(yùn)行情況

為證明該技術(shù)有效，對充氮?dú)馇啊⒊涞獨(dú)鈺r(shí)、充氮?dú)夂蟮臍怏w組分在實(shí)驗(yàn)中心分別進(jìn)行了測試。

(1)Y-A井。氮?dú)鈹_動(dòng)施工前Y-A井運(yùn)行情況是低產(chǎn)氣、低產(chǎn)水。氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)于2019年6月13日進(jìn)行，試驗(yàn)后的早期，日產(chǎn)水量無變化，約90 d后上漲至0.17 m3/d，擾動(dòng)約180 d后由于桿斷停抽產(chǎn)水量為0。擾動(dòng)后的日產(chǎn)氣較施工前有較大提高，最高產(chǎn)氣量1 079 m3/d，隨后產(chǎn)氣量穩(wěn)定在1 000 m3/d左右，150 d后產(chǎn)氣量快速下降，180 d后產(chǎn)氣量降為156 m3/d。早期流壓無變化，而后有小幅增長，6個(gè)月后為0.14 MPa。Y-A井生產(chǎn)曲線如圖2所示。

圖2 Y-A井生產(chǎn)曲線Fig.2 Production curves of Y-A Well

(2)Y-B井。氮?dú)鈹_動(dòng)施工前Y-B井運(yùn)行情況是低產(chǎn)氣、不產(chǎn)水。氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)于2019年10月15日進(jìn)行，試驗(yàn)后的早期，該井的日產(chǎn)水量急速抬升，產(chǎn)水量到最大值0.37 m3/d，但隨后逐漸下降，擾動(dòng)4個(gè)月后已經(jīng)不產(chǎn)水，擾動(dòng)6個(gè)月后仍然不產(chǎn)水。擾動(dòng)后日產(chǎn)氣較施工前有較大提高，但隨后產(chǎn)氣量有所波動(dòng)，最大值達(dá)694 m3/d，6個(gè)月后產(chǎn)氣量為383 m3/d。早期擾動(dòng)后流壓初期有所增加，增加到0.32 MPa，而后緩慢下降，6個(gè)月后為0.11 MPa。Y-B井生產(chǎn)曲線如圖3所示。

圖3 Y-B井生產(chǎn)曲線Fig.3 Production curves of Y-B Well

(3)Y-C井。氮?dú)鈹_動(dòng)施工前Y-C井運(yùn)行情況是不產(chǎn)氣、產(chǎn)水。氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)于2019年6月15日進(jìn)行，試驗(yàn)后的早期，該井的日產(chǎn)水量逐漸下降，到2019年11月30日產(chǎn)液量為 0.51 m3/d，隨后產(chǎn)水量出現(xiàn)抬升，180 d后產(chǎn)水量為1.05 m3/d，擾動(dòng)后的日產(chǎn)氣較施工前有較大提高，初期產(chǎn)氣量最高531 m3/d，但隨后產(chǎn)氣量出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，有時(shí)產(chǎn)氣，有時(shí)不產(chǎn)氣，最高產(chǎn)氣量在2019年11月11日出現(xiàn)，為614 m3/d，180 d后產(chǎn)氣量為458 m3/d。早期擾動(dòng)后流壓初期有所增加，增漲至1.47 MPa，而后出現(xiàn)波動(dòng)，180 d后為0.19 MPa。Y-C井生產(chǎn)曲線如圖4所示。

圖4 Y-C井生產(chǎn)曲線Fig.4 Production curves of Y-C Well

(4)Y-D井。氮?dú)鈹_動(dòng)施工前Y-D井運(yùn)行情況是不產(chǎn)氣、不產(chǎn)水。氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)于2019年8月23日進(jìn)行，試驗(yàn)后的早期，該井的日產(chǎn)水量升高，產(chǎn)水量1.96 m3/d，6個(gè)月后產(chǎn)水量為1.73 m3/d。擾動(dòng)后的日產(chǎn)氣較施工前有較大提高，初期產(chǎn)氣量最高為340 m3/d，隨后產(chǎn)氣量穩(wěn)定在300 m3/d左右，180 d后日產(chǎn)氣為0。流壓在擾動(dòng)后變化不大，180 d后為0.08 MPa。Y-D井生產(chǎn)曲線如圖5所示。

圖5 Y-D井生產(chǎn)曲線Fig.5 Production curves of Y-D Well

3.2 氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)增產(chǎn)效果分析

(1)典型井試驗(yàn)前后氣體組分對比。經(jīng)過對多口井氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)前后氮?dú)夂图淄楹康倪B續(xù)監(jiān)測(圖6)，氮?dú)夂砍蕯_動(dòng)前低、擾動(dòng)過程中高、擾動(dòng)停止后低的變化，而甲烷含量呈相反變化關(guān)系。

圖6 氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)井氣體組分監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curve of gas components in nitrogen disturbance test well

(2)氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)前后產(chǎn)氣對比。試驗(yàn)井組包含萬寶山、譚坪構(gòu)造帶不同位置的20余口煤層氣井，這些井有著不同的地質(zhì)構(gòu)造特征，前期壓裂改造規(guī)模都不同，在試驗(yàn)前的生產(chǎn)運(yùn)行情況都是低產(chǎn)氣或不產(chǎn)氣狀態(tài)，在氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)后，日產(chǎn)氣、日產(chǎn)液和流壓都有著不同程度的增加，試驗(yàn)后早期產(chǎn)氣量抬升的井占到總井?dāng)?shù)的9/10(圖7)，氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)180 d產(chǎn)氣量大于試驗(yàn)前的占到總井?dāng)?shù)的3/5。成果表明氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)在萬寶山、譚坪乃至整個(gè)延川南煤層氣田低產(chǎn)氣或不產(chǎn)氣井的治理上是有效的。

圖7 延川南煤層氣田氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)前后日產(chǎn)氣量對比Fig.7 Comparison of daily gas production before and after nitrogen disturbance test in South Yanchuan coal field

最具代表性的4口井試驗(yàn)前后運(yùn)行情況對比如圖8所示。4口井分別位于萬寶山、譚坪不同的位置，地質(zhì)構(gòu)造特征和前期壓裂改造規(guī)模不同，但試驗(yàn)前產(chǎn)氣運(yùn)行情況都非常糟糕，但經(jīng)過試驗(yàn)注氮?dú)鈹_動(dòng)后，早期4口井日產(chǎn)氣都出現(xiàn)大幅度抬升，其中最具代表性的Y-A井，擾動(dòng)后打通了由于煤粉堵塞的滲流通道，日產(chǎn)氣比試驗(yàn)前增長了10倍，并且非常穩(wěn)定，說明氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)開啟了新的通道，滲透性和孔隙度有不同程度的提高，試驗(yàn)效果良好。

此外還可以看到，在試驗(yàn)后日產(chǎn)氣到達(dá)峰值后都開始緩慢下降，并且在擾動(dòng)過程中產(chǎn)氣量盡管增長，但是都有著不同程度的波動(dòng)，說明氮?dú)鈹_動(dòng)對于地質(zhì)特征不好的煤儲(chǔ)層產(chǎn)生的能量有限，打開的滲透通道較小，增加的滲透性有限，其中最典型的是Y-D井(每日注入氮?dú)?20 m3)，擾動(dòng)過程增產(chǎn)的氣量有限并且不穩(wěn)定劇烈波動(dòng)。但是還應(yīng)該看到積極性的一面，4口井有2口井，井?dāng)_動(dòng)后180 d仍然高于試驗(yàn)前，說明氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)在低產(chǎn)低效井改造方面有著不錯(cuò)的效果。

圖8 氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)前后生產(chǎn)運(yùn)行情況對比Fig.8 Comparison of production operation before and after the test

3.3 氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)的適應(yīng)性分析

(1)對試驗(yàn)井煤儲(chǔ)層地質(zhì)特征的選井分析。分析21口試驗(yàn)井的前期地質(zhì)情況，有代表性的產(chǎn)氣量出現(xiàn)大幅度抬升的井均具有以下特征：①2號煤層整體上煤體結(jié)構(gòu)都比較完整，糜棱煤非常少；②2號煤層的初始儲(chǔ)層壓力在一個(gè)比較高的水平上(解吸壓力大于2.0 MPa)，煤層含氣性也比較高(含氣量大于10 m3)；③這些井早期生產(chǎn)運(yùn)行情況良好產(chǎn)氣量高，生產(chǎn)一定時(shí)間后日產(chǎn)氣量水平降低。

與之出現(xiàn)鮮明對比的產(chǎn)氣量沒有變化或者無效果的井：①煤的煤體結(jié)構(gòu)非常破碎，不夠完整；②煤初始儲(chǔ)層壓力在一個(gè)很低的水平上，煤層含氣性低；③這些井早期生產(chǎn)運(yùn)行情況糟糕，產(chǎn)氣量低或者從未產(chǎn)氣。

(2)對試驗(yàn)井壓裂工程參數(shù)的選井分析。分析試驗(yàn)井的前期壓裂改造情況，有代表性的增產(chǎn)明顯的井，具有以下特征：①壓裂改造曲線較平穩(wěn)，加砂加液相對容易；②壓裂體積改造比較充分，裂縫延伸得更遠(yuǎn)，進(jìn)入地層的壓裂支撐劑石英砂和壓裂液清水的總量較大，地層破裂壓力較低，破裂相對容易。

與之出現(xiàn)鮮明對比的產(chǎn)氣量沒有變化或者無效果的井：①壓裂改造曲線劇烈波動(dòng)變化，加砂加液困難；②壓裂體積改造不充分，裂縫延伸距離近，進(jìn)入地層的壓裂支撐劑石英砂和壓裂液清水的總量較小，地層破裂壓力較高，破裂相對困難。

4 結(jié)論及建議

(1)煤層氣低產(chǎn)低效井經(jīng)過氮?dú)鈹_動(dòng)試驗(yàn)后大幅度增產(chǎn)，而停止試驗(yàn)抽排一段時(shí)間后又恢復(fù)低產(chǎn)，說明氮?dú)鈹_動(dòng)是一種輔助增產(chǎn)手段，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益反復(fù)實(shí)施。部分井停止試驗(yàn)排采較長時(shí)間后仍然高產(chǎn)，說明疏通了煤粉堵塞通道。

(2)氮?dú)鈹_動(dòng)的核心是注入氮?dú)庑纬蓧毫Σ?，使壓力急速變化疏通煤粉堵塞通道，達(dá)到煤層氣快速解吸目的。氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)適用于通過水力壓裂、擁有完整裂縫通道、初期產(chǎn)量較高、抽采周期短、遞減率較高的低產(chǎn)低效井或停產(chǎn)井。應(yīng)用該技術(shù)的選井標(biāo)準(zhǔn)是高產(chǎn)遞減井、原生—碎裂煤、儲(chǔ)層有效改造的井。

(3)延川南煤層氣田氮?dú)鈹_動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)表明，該技術(shù)對低產(chǎn)井低效井和停產(chǎn)井增產(chǎn)改造具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義，是煤層氣低產(chǎn)井增產(chǎn)改造的創(chuàng)新性技術(shù)，值得在延川南煤層氣田進(jìn)一步探索和應(yīng)用推廣。