有关巨厚及超厚煤层试井的研究

杨新辉

(中煤科工集团西安研究院地质所,陕西 710054)

近几年来随着煤层气勘探力度的加大,巨厚煤层、超厚煤层中的煤层气资源引起人们的关注,同时对巨厚煤层、超厚煤层储层评价也越来越重视。目前获取煤储层信息的方法很多,试井就是一种重要手段。现阶段从采煤角度可将煤层按厚度划分为：极薄煤层 (0.3～0.5m)、薄煤层 (0.5～1.3m)、中厚煤层 (1.3～3.5m)、厚煤层 (3.5～8.0m)、巨厚煤层 (≥8.0m)。然而,我国许多地方陆续发现超过几十米,甚至上百米的煤层,有人认为单层厚度大于60m的煤层应称为超厚煤层,也有人认为大于40m就是超厚煤层[3,4]。对于中厚煤层、厚煤层基本是打穿煤层后试井,其技术以相对成熟;但是关于巨厚煤层、超厚煤层试井方面的研究在国内尚属少见。

1 基本微分方程和压降公式

水在煤层中的流动可以看成是一种单相弱可压缩且压缩系数为常数的液体,在水平、等厚、各向同性的均质弹性孔隙介质中渗流,经过简化其压力变化服从如下偏微分方程：

设在无限大地层中有一口井,在测试前整个地层具有相同的原始压力pi,从某t=0开始以恒定产量q生产,则初始条件如下：

式中p=p(r,t)——距井r(m)处在t(h)时的压力,MPa;

pi——原始地层压力,MPa;

r——距离井的距离,m;

K——煤层渗透率,;

h——煤层厚度,m;

μ——流体粘度,MPa.s;

φ——孔隙度,无量纲;

Ct——综合压缩系数,MPa-1;

rw——井筒半径,m;

q——井的产量,m3/d;

B——流体地层体积系数,无量纲;方程式 (1)在条件式 (2)下的解为：

式中：

η=——导压系数 ,μm2·MPa(MPa·s);

当出现径向流动时,井底流动压力

pwf(t) =p(rw,t)为：

S为表皮系数;·2S为井壁阻力引起的附加压降;所以压差

用来描述压降过程中的井底压力变化。

2 半球形流动和球形流动

若均质无限大地层中有一口井只打开巨厚煤层、超厚煤层顶部极小的一部分,此时煤储层中的流体将从四面八方类似半球体的方向流向煤层的打开部位,如图1所示,这种流动称之为半球形流动;或是,打穿煤层,下套管后射开巨厚煤层、超厚煤层中的一小部分,此时煤储层中的流体将从射开孔眼的上下四方流向井筒,如图2,这种流动称之为球形流动。

图1 半球形流动示意图

图2 球形流动示意图

事实上,从局部看,半球形流动和球形流动具有相同的流态具有类似的压力变化规律,其井底压力服从式(5)：

3 识别半球形球形流动阶段

在现代试井分析典型图版上,均质地层中一口井的现场实测不稳定压力曲线的图形特征能反映出随着时间推移流体在储层中的渗流动态特征,以及不同阶段表现出不同的流动状态。

根据式(5)可得：

同样,从式(5)可见Δp与呈线性关系,在球形流直角坐标系中,如图4,半球形球形流动阶段识别曲线是一条斜率为m=0.7184的直线。若得知m值,在其它参数已知时,可推算出K值。

图3 典型图版

图4 球形流直角坐标系

4 实例应用

对于煤层气井,在不同生产阶段具有不同的试井方法,诸如注入/压降测试、DST测试、水罐测试、段塞测试等等。目前大多数的勘探井采用钻遇裸眼注入/压降测试,有时也会用到DST测试。

(1)实例1

C04井是一口煤层气参数井,煤层埋深485.60～501.10m,煤厚15.50m,钻井采用二开井制,煤层顶部钻取5.00m后注入/压降试井。测试采用φ73.00mm油管,φ195.00mm封隔器,注入时间tinj=8.00h,关井时间tfall=24.00h,平均排量q=5.508m3/day。实测压力曲线双对数图如图5所示,井储段、过渡段之后出现径向流直线段,随后压力导数下降,斜率直线不是很明显,但在球形流直角坐标系中 (如图6),此阶段的压力与时间平方根的倒数呈线性关系。因此结合地质情况选择具有球形流动特征的模型进行分析。

图5 C04井实测压力双对数图

图6 C04井实测压力球形流动图

(2)实例2

当巨厚、超厚储层上下的纵向流动相对较好时,部分径向流阶段就不一定出现。

FC01井41#煤层埋深629.50～674.00m,煤厚44.50m,钻开煤层顶部5.00m后试井,注入/压降测试采用φ60.30mm油管,φ80.00mm封隔器,注入时间tinj=12.00h,关井时间tfall=30.60h,平均排量q=8.550m3/day。从实测压力曲线双对数图 (图7)可见井储段、过渡段之后压力导数呈斜率直线下降,表现出球形流动特征,在球形流直角坐标系图8中直线段非常明显。

图7 FC01井41#煤层实测压力双对数图

图8 FC01井41#煤层实测压力球形流动图

(3)实例3

若钻井钻穿巨厚超厚煤层再试井,则流体将从井筒周围流向井筒,如图9。

图9 穿层储层流体流动示意图

图10 DJ02井实测压力双对数图

DJ02井主煤层埋深655.50～724.70m,煤厚69.20m,钻穿煤层后 DST测试。测试采用φ73.00mm外加后油管,φ195.00mm封隔器,一开5.00min,一关 5.00h,二开 30.00min,二关12.00h,平均产量q=22.105m3/day。图10为二关压恢曲线双对数图,压力导数后期表现为径向流特征。

5 结语

(1)半球形流动和球形流动只是储层生产过程中的一个流动阶段,之后会很快进入全层径向流动。这一点可以从生产数据得到证明。

(2)从局部看,半球形流动和球形流动具有相同的流态。其特征状态在双对数图中表现为斜率直线;在球形流直角坐标系中表现为斜率m=的直线,且这两种形式会同时出现。

(3)部分打开的巨厚超厚煤储层试井大多数情况会出现半球形流动阶段,但部分径向流阶段不一定出现。

(4)打穿巨厚超厚煤层后再试井,不足之处是：若采用DST测试,煤储层能量释放时会将钻井侵入煤储层的钻井液反压回井筒,煤壁容易垮塌,且难以取到地层水样,同时可能会出现不利于解释分析的气水两相流状态;若采用注入/压降测试,井底钻井液不可能全部被置换成测试用液,势必会有一部分钻井液会被注入进煤层,同时井下设备有被埋的可能风险。因此建议巨厚超厚煤层应该采取部分打开后注入/压降测试,以便测试过程安全可靠,测试结果真实有效。

[1] 杨起,韩德馨.中国煤田地质学 (上册)[M].北京：煤炭工业出版社,1979.

[2] 吴冲龙,李绍虎,王根发,等.陆相断陷盆地超厚煤层异地堆积的新模式 [J].地球科学,2003,28(3)：289-296.

[3] 赵隆业.世界第三纪煤田 [M].北京：地质出版社,1982.

[4] 刘能强.实用现代试井解释方法 [M].北京：石油工业出版社,2003.