沁南潘河煤层气田稳控精细排采技术

王国强 吴建光 熊德华 张占军 赵玉峰 郭晖

中联煤层气有限责任公司

沁南潘河煤层气田稳控精细排采技术

王国强 吴建光 熊德华 张占军 赵玉峰 郭晖

中联煤层气有限责任公司

“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程潘河先导性试验项目”自2009年10月竣工投产以来,取得了很好的排采效果。第一阶段共钻40口井,目前单井平均日产气量已超过5 000 m3;第二阶段110口井,目前单井平均日产气量已超过2 000 m3。在示范工程实施过程中,针对煤层气井的生产特征及煤层气井生产过程的不同阶段,制订了合理的生产管理制度,总结出一套既能保护储层,又兼顾单井和气田整体产能的精细稳控排采技术,并在生产中成功应用,避免了对煤层的伤害,排水降压平稳,扩大了压降范围,逐步提高了产量。正是由于精细稳控排采技术的实施,才保证了示范工程煤层气井排采的成功,也为类似煤层气田的开采提供了技术支撑。

沁水盆地 南部 潘河煤层气田 稳控精细排采技术 渗透率 含气饱和度 修井作业

潘河煤层气田位于山西省沁水县嘉峰镇,属于潘庄区块,面积24.2 km2。潘庄区块位于沁水盆地的东南缘,总体为单斜构造,倾向西北,地层倾角较小,多在5°～15°之间,区内构造简单,断层稀少,水文地质条件亦属于简单类型。在认定的探明储量范围内,其动用煤层气探明储量为35.5×108m3,可采储量为19.28 ×108m3。主要目标煤层为下二叠统山西组的3#煤层。

总体来说,简单的地质构造,较有利的煤层、煤质特征,较好的煤储层特征,有利于该区煤层气的富集成藏和勘探开发。

1 煤层气田的生产情况

潘河煤层气田一期150口井分为两个阶段实施,其中第一阶段潘河先导性试验项目共钻40口井,于2005年11月进入商业性试生产,总体排采效果良好,大部分井在经过一段时间的排水后,已经进入了气体稳产、高产阶段。目前,40口井单井平均日产气量已超过4 800 m3,创国内煤层气单井产量之最,截至2010年底,40口井已累计产气2.34×108m3。第二阶段110口井,于2009年10月建成投产,大部分井产气量尚处于增长阶段,目前单井平均日产气量已超过4 800 m3。

截至2010年底,全部150口井已累计产气3.26 ×108m3。

2 煤层气井稳控精细排采技术的实施

2.1 煤层气井的生产特征

煤层气特有的吸附、解吸特性决定了其在产出过程中有别于常规天然气藏。对于含水煤层来说,甲烷在煤层中的流动由3部分构成:从煤表面解吸,通过煤基质和微孔隙的扩散,甲烷通过割理系统的达西渗流。对应甲烷在煤层中的流动,井底煤层中流体相态及流动特征也要经过3个阶段的变化:地层水单相流动,非饱和地层水流动,气、水两相流流动。煤层甲烷的流动产出、煤层中流体相态及流动特征的变化,体现在煤层气井的生产过程中一般也表现为3个阶段:排水降压阶段、稳定生产阶段、产量递减阶段(图1)。

受煤层地质条件、煤储层条件、气水两相流流动机理及储层增产改造等因素的影响,区块内大部分煤层气井的排采曲线呈现出3种典型特征:中高产—低产—高产,中高产—高产,中高产—低产。另外由于地质构造等因素的影响,还有一些特殊生产特征的情况,如高产水井、初始产气量高的井等[1]。

图1 煤层气产出机理及生产阶段示意图

2.2 技术特点及其实施

煤层气井的生产管理,需要针对煤层气井的特点及煤层气井生产过程的不同阶段,有目的地制订合理的生产制度,在避免煤层受到二次伤害的前提下,稳定合理的提高单井产能,有意识地扩大单井压降扩散范围,从而实现单井和气田的长期稳定高产。

在对煤层气井产出机理、煤层气井不同阶段生产特征研究分析的基础上,总结出一套稳控精细排采技术。该技术的主要特点是:避免煤层伤害,平稳排水降压,扩大压降范围,逐步提高产量。正是由于稳控精细排采技术的实施,保证了本区煤层气生产的成功。

2.2.1 3种典型特征井

示范工程区块内大部分煤层气井的排采曲线呈现出3种典型特征:中高产—低产—高产,中高产—高产,中高产—低产。这3类典型生产特征的井,一般会经历煤层气井的3个生产阶段,即排水降压阶段,稳定生产阶段,产量递减阶段(区内的150口井由于生产时间的原因,目前均未到达产量递减阶段,故不作阐述)[2-3]。

2.2.1.1 排水降压阶段

这是煤层气井排采过程中至关重要的阶段,极易造成对煤层的伤害。该阶段宜采用定压降排采制度,控制重点是:尽量减少井底流压的变化幅度,合理选择泵型,制订合理的排采参数,减低排液速度,使得环空动液面平稳缓慢下降;在产气初期,适当回调排采参数,保持一定的动液面,缓慢提升气量。潘河煤层气田的排采井一般选用Ø44 mm口径管式泵,排采初期抽油机设定为最小冲次、冲程,观察煤层供液能力情况,定期调整抽油机冲次、冲程,原则上要求此阶段动液面日降速不超过10 m。在实际生产过程中,由于煤层供液能力大小不一,供液能力差的煤层动液面降速很难控制,因此,在选择泵型时,有针对性地选择一些间隙较大的管式泵,不过分追求高泵效(图2)。

图2 PH66-08井排采曲线图

2.2.1.2 稳定生产阶段

进入稳定生产阶段后,宜采用定产排采制度,此阶段应避免单井产气量的大幅度波动。需要进行单井产量调节时,一般通过调整动液面及套压进行产量调节,主要分两种情况:①动液面较高的井,主要通过增加抽油机冲程冲次或提高管式泵泵效的方法,通过降低动液面来降低井底流压,达到提产的目的;②动液面接近煤层顶板的井,一般通过调整套压调整井底流压,调压时一般单日内套压变化不超过0.2 MPa。

2.2.2 其他特征井

由于地质构造等因素的影响,还有一些特殊生产特征的情况,如高产水井、初始产气量高的井等。

2.2.2.1 高产水井

这类井一般处在区内向斜中心部位,这类井产水量大大超过区内平均产水量(区内单井平均产水量2～5 m3/d),最高超过50 m3/d。这类井产水周期较长,一般在相当长的时间内(有的井超过1年)达不到产气阶段。这类井虽然自身没有产气量,但其对整个气田的整体排水降压是很有贡献的,这类井缩短了气田内其他井的排水降压周期。针对这类井,并不追求其尽快产气,针对底层供液能力,控制其排水速度及动液面的降速,避免由于过早出现气水两相流,影响水相的相对渗透率,应尽量多地排出地层水。排水的过程就是地层压力整体下降的过程,对整个气田的长期稳产高产十分有利。

2.2.2.2 高产气井

这类井一般在储层改造的压裂液返排完毕后就不再有产水显示了,气产量较高且套压较高,一般井口套压均能超过1 MPa。针对这类井,在其排水周期结束后,利用锥形阀或油嘴控制井口套压,保持较高套压生产,适当控制产气速度,以避免高流速的气体携带出煤粉并由此造成储层的伤害(图3)。

图3 PH45-06井排采曲线图

3 作业措施在排采中所起的作用

煤层气井生产过程中,由于一些井下故障,需要对生产井进行修井作业,达到以下目的:①解决由于煤粉或压裂砂引起的卡泵问题;②解决管柱由于偏磨造成的油管漏失及油管强度降低的问题;③解决由于气锁或杂物引起的泵效较低的问题;④生产要求需要更改泵挂结构或泵挂深度的问题;⑤定期检修以及解决其他井筒内故障等。

在生产过程中,发现一些井经过修井后,在单井冲程、冲次、产水量、液面高度等生产参数以及泵型、泵效、泵挂结构等井筒内情况并未发生明显变化的情况下其单井产气量发生激增,由低产井迅速转变为高产井(图4)。

研究发现出现这种情况的井有以下特点:①这些井均经过相当长一段时间的生产,大多都处于排水降压阶段后期,产水量已经较低(日产水量低于1 m3),说明井筒附近地层中含水饱和度已经降低到一定程度;②由于已经经过一段时间的排水降压,这些井地层压力已经降低到一定程度,且压降波及范围也已扩大到一定程度,井筒远端煤层中,已有大量甲烷气解吸出来,形成一些高含气区;③修井作业前,这些井大多井底流压均超过1 MPa,产水产气基本稳定,井筒附近达到了一个平衡稳定状态。

图4 PH55-03井排采曲线图

在修井前,这些井动液面一般都接近煤层顶板,煤层所受回压主要是套压造成的。在修井过程中,出于安全,各井都会在起下管柱前,进行放压处理,即敞开井口,不控制套压放气,这就造成了井底流压降低,生产压差增大;煤层所受回压降低,井筒附近解吸气量增大,又因为井筒附近含水饱和度已经降低到一定程度,因此,气相渗透率会增加,水相渗透率会相应降低,这样就在井底形成了一条气的高速通道;另外,在修井过程中由于起下井内管柱,会有一定程度的压力波动,这都会打破修井前井筒附近建立的平稳状态。这种影响波及井筒远处高含气区后,这些井产气量会大幅增加,完成了向高产井的转变。在排采过程中,有意识地安排一些修井作业,从而获得了很好的效果。

4 结束语

煤层气排采控制技术具有其独特性,既要保护储层,又要兼顾单井、气田整体产能的精细稳控排采技术,从而保证了煤层气井的平稳生产和效益最大化。这开创了煤层气井规范化排采作业的先河,起到了应有的示范效应。

[1]王国强,席明扬,吴建光,等.潘河地区煤层气井典型生产特征及分析[J].天然气工业,2007,27(7):83-85.

[2]孙茂远,范志强.中国煤层气开发利用现状及产业化战略选择[J].天然气工业,2007,27(3):1-5.

[3]中国煤炭协会煤层气专业委员会.2008年煤层气学术研讨会论文集[M].北京:地质出版社,2008.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.008

2011-03-16 编辑 韩晓渝)

王国强等.沁南潘河煤层气田稳控精细排采技术.天然气工业,2011,31(5):31-34.

国家发展和改革委员会国家高技术发展专项“沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程”(编号:高技[2004] 2395)。

王国强,1978年生,工程师;从事煤层气的压裂、排采、地面集输等研究工作。地址:(100011)北京市东城区安外大街甲88号。电话:(010)64298883。E-mail:wangguoqiang@163.com