压降速度对煤层气井产量的影响分析

樊 彬 秦 义 崔金榜 连小华

(1.中国石油华北油田采油工艺研究院,河北 062552;2.中国石油华北油田煤层气勘探开发分公司,山西 048000)

1 引言

煤层气储层属于非常规天然气储层, 其开发机理与天然气截然不同。山西沁水盆地为我国煤层气最为富集的地区, 煤储层渗透率低, 非均质性强,储层压力低等特点表现明显。

由于国内开发煤层气时间较短, 高阶煤煤层气开发尚未形成成熟开发理论。经过实践, 国内相当部分煤层气井产量未达到预期产气量, 井底压力控制是重要因素之一。

煤储层中的甲烷气体主要以物理吸附状态储存于煤岩之中, 连续不断的排水将使煤储层中的压力持续下降, 当煤储层中的孔隙、裂隙压力低于煤储层的临界解吸压力以下时, 煤层甲烷气便从煤孔隙内表面解吸为游离态, 解吸出的甲烷气体在压力差和浓度差的双重作用下扩散、渗流到井筒中, 通过井筒采到地面。

对于任何一口煤层气井, 随着井筒内的动液面不断下降, 煤层裂隙、孔隙的压力也将随之下降;不同的压力下降速度, 会造成煤储层的有效应力变化不同, 进而影响渗透率变化。

本文通过分析压降速度对生产的影响程度, 初步探讨煤层气井压降速度控制的必要性, 结合高煤阶煤储层伤害实验, 验证压降速度的重要性, 定性指出煤层气开发的关键。

2 压降速度对煤层气井产量的影响

“降压”贯穿了煤层气开发的整个过程, 压降速度引起煤岩应力波动, 对煤岩渗透率造成严重影响。

压降传递过快, 将导致煤基岩附近压力急剧降低, 煤层基岩结构应力发生变化, 当结构应力变化到一定程度, 煤层基岩发生应力敏感, 基岩渗透率急剧降低, 导致裂隙、割理闭合, 井眼周围煤储层形成一个封闭圈, 阻碍储层压力波在煤层的传播,外围储层煤层气无法解吸出来, 无法形成产气量。

2．1 煤层气井生产现象分析

(1) 井底压降速度过快对煤层气井产气量的影响

图1 P1- 6 井生产曲线

通过P1- 6 井生产曲线 (图1) 可以看出, 气井井底压力降低太快, 煤层近井筒地带快速解吸,由于压力变化引起的应力敏感, 发生基岩弹性调节负效应, 割理、裂隙闭合, 储层渗透率降低, 不利于储层的远端水向井筒渗流, 压降传递无法实现,远端煤储层无法解吸, 导致气井产气量一直处于低产期。所以在煤层气井的排水降压过程中, 控压的第一个特点“缓慢”, 有利于压降的稳定传递, 形成最大的解吸面积。

(2) 井底压降速度不稳定将制约煤层气井产量

图2 P1- 11 井生产曲线

通过P1 - 11 井生产曲线 (图2) 可以看出,在整个生产过程中, 动液面一直处于波动状态, 而且起伏比较大, 导致井底压力变化大, 煤储层发生应力敏感, 基岩弹性负效应起主导作用, 抑制了煤层气从煤储层中解吸出来, 气井始终未形成产气量。所以在排采过程中, 控压的第二个特点“稳定”, 有利于避免应力敏感, 形成最大的解吸面积。

2．2 机理分析

压降传递过快, 将导致煤基岩附近压力急剧降低, 当压力低于煤岩解吸压力, 气体开始解吸, 如果压降速度过快, 煤岩发生应力敏感, 将抑制煤岩的持续解吸, 所以在生产上需要控制压降传递速度, 根据生产的不同阶段, 稳定井底压力一段时间, 让煤岩持续解吸一段时间后, 保证煤岩解吸扩展, 然后进行下一阶段压降传递。

如图3 所示, 当压降 (ΔP) 穿递至A 点, 煤层气从煤基岩内表面解吸出来, 基质收缩, 裂缝张开, 渗透率增加; 当ΔP 从A 点像B 点传递过程中, 如果ΔP 过快, 将引起煤岩应力敏感, 当压力传递至B 点, B 点出煤岩开始解吸, 但是A 点处煤岩由于应力敏感, 裂缝闭合, 导致B 点解吸出来的气体渗流不出去, 最终造成的结果是煤层气井的实际解吸半径只有rA, 压降漏斗没有延伸到B 点。

从以上分析可以看出, 在A 点向B 点的压降传递过程中, 需要稳定压力一段时间, 保持ΔP 最小, 让煤岩持续解吸, 裂缝扩张, 压力才能保证传递到B 点, 且A 点出裂缝不会闭合。

图3 煤层压降传递示意图

控制压降速度其物理意义在于在一定的时间通过控制井底压力变化值, 保证储层渗透率不受到伤害, 形成最大解吸面积。

2．3 小结

从前面的结论来看, 时间又是决定压降的一个重要的参数, 过快、过慢都对产气量有重大影响。因此, 煤层气排采规律实际上是一个降压规律,即：

3 煤岩应力敏感实验研究及分析

煤岩应力敏感对于我们控制生产井的液面下降速度、控制井底的流动压力、控制煤层的压力下降、控制煤层气井的产量都有重要的意义。

由于煤岩应力敏感实验尚无相关标准, 本实验参考《砂岩储层敏感性评价实验方法SY/T5358 -2002》的标准执行, 定性分析应力敏感对煤储层伤害, 研究压力波动对煤岩应力敏感的影响程度。

实验条件在常温下, 采用美国产OPP- 1 型高压孔渗仪对煤层岩心进行应力敏感性测试。

为了保证实验的科学性, 在样品的选择上, 选用现场样品。实验样品主要包括： 清水、氮气、沁水盆地3#煤岩、φ25mm 岩心。

实验分以下几个方面： 煤岩有效应力对渗透率影响实验、应力往复变化对渗透率的影响实验和孔隙压力对渗透率的影响实验。

3．1 煤岩有效应力对渗透率影响

有效应力是指作用于煤储层的地应力与其孔隙和裂隙内的流体压力之差。煤储层流体压力降低,有效应力势必增大, 煤储层渗透率将会随之减小,对应煤岩弹性自调节负效应。

1#煤样裂隙发育比较好, 煤岩1#原始渗透率为15．7696×10-3μm2。图4 是由岩心得到的有效覆压与渗透率关系曲线, 实验表明： 煤岩对应力变化非常明显, 随着有效覆压的增加, 煤岩渗透率下降, 尤其在应力变化前期表现明显。1#煤样实验过程中, 应力变化在1～7MPa 范围内, 渗透率下降了85．59%; 7～12MPa 范围内, 渗透率下降了11．04%; 12MPa 以后, 渗透率变化比较小。

图4 1#煤样渗透率随应力变化曲线

实验结果可以发现, 在煤岩应力变化过程中,初始应力变化段 (1～7MPa) , 渗透率急剧下降,该段应力变化造成的渗透率伤害的主要因素; 致密煤岩比裂隙发育煤岩受应力敏感影响更大。

3．2 压降速度与对渗透率影响

对2#煤样进行模拟孔隙压力实验, 实验过程是保持煤样围压压力值不变, 缓慢增加进口压力,每一压力点持续30min 后, 测定岩样渗透率。

图5 2#驱替应力与渗透率相关关系

通过2#煤样实验曲线 (图5) 可以看出, 驱替压差在0．06MPa, 对应渗透率最接近煤样初始渗透率, 伤害几乎可以忽略; 当驱替压差增至0．1MPa, 煤岩渗透率伤害38%; 驱替压差增大至1．4MPa, 煤岩渗透率伤害73%。

综合煤岩驱替压差实验结果, 驱替压差保持在0．06 左右时, 煤岩渗透率与煤岩原始渗透率最接近, 伤害最小。

该实验结果揭示每一口煤层气井需要不同的压降速度, 避免渗透率损失。

4 结论

(1) 压降速度的控制是制约煤层生产的关键因素, 且每一口煤层气井均存在不同的压降速度。

(2) 在不同的生产阶段, 压降速度不是一个固定值, 需要根据气井的生产阶段进行调整。

(3) 煤岩应力敏感造成的储层伤害十分严重,而且储层伤害不可逆转, 应力造成的煤岩的渗透率伤害平均大于70%。在煤层气井生产过程中, 应控制压降速度, 避免井底压力波动引起的应力敏感。

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