原位煤层气排采储层伤害机理与制度优化

全方凯 李鑫 鲁军

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 221116)

原位煤层气排采储层伤害机理与制度优化

全方凯 李鑫 鲁军

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 221116)

原位煤层气排采过程中，人为控制的排液与产气速度影响到煤储层渗透率的变化。排采作业制度不合理，易造成煤岩破坏、煤粉堵塞等储层伤害现象，并影响到煤层气井产能。基于地下水动力学制定合理的排液速度，合理控制井底压差，及时处理排采设备故障等措施可显著降低排采所造成的储层伤害，实现原位煤层气井的高产稳产。

储层伤害 作业制度 煤层气 原位 排采

Abstract:In the process of in-situ coalbed methane drainage and production，human controlled flowing back and the rate of gas production affect the change of coal reservoir permeability．The unreasonable operation system of drainage and production maybe cause the phenomenon of reservoir damage，which includes damage of coal petrography and jam of coalbed ash，and impact on the coalbed methane production．Based on the condition of underground water，the rate of flowing back is confirmed．Bottom hole pressure difference is controlled reasonably．Dealing with the equipment failure of drainage and production timely can reduce reservoir damage observably in the process of drainage and production and realize that in-situ coalbed methane is produced efficiently and stably．

Keywords:Reservoir damage;operating system;coalbed methane;in situ;extraction

1 引言

原位煤层气开发需进行排水降压，这是吸附在煤基质表面的气体随储层压力下降而解吸，并通过割理裂隙扩散、渗流到井筒桨产出地面的过程。在原位煤层气排采过程中，排采作业制度的选择与优化是一个非常重要的问题，日产气量、日产水量、生产压差、动液面高度等参数的变化对煤层气的产出过程具有显著的影响。煤层气排采初期，由于可借鉴的排采经验很少，在排采过程中很可能造成储层伤害。因此，以科学理论为指导，加强排采过程中的煤储层保护，对提高煤层气井产量至关重要。

2 原位煤层气排采储层伤害类型

2.1 地应力变化导致的储层伤害

煤储层具有机械强度低、脆而软，既易压性破裂又易张性破损的特点，因此具有较高的压力敏感性。对于新投产的煤层气井而言，随着排水的持续进行，生产井筒内的动液面不断下降，依靠流体对压力的传导作用，煤储层孔隙压力也随之下降。在煤层围岩压力基本不变的情况下，煤储层孔裂隙压力差将逐渐增加。随着应力差效应日益显著，无论在煤层内的原生和次生裂隙、孔隙还是压裂的裂缝，其有效的宽度和体积都将逐渐变窄和变小，并最终导致储层渗透率下降，影响煤层气的运移及产出。

2.2 煤基质收缩导致的储层伤害

煤储层是一个固、液、气三相耦合系统。煤储层中气、水含量变化将会导致有效应力改变，并引起煤基质的自调节作用。煤基质块体的内表面吸附甲烷时，其体积将发生膨胀，而甲烷解吸逸散后，其体积将会收缩。原位煤层气井排采是一个排水降压过程。储层压力降低，导致有效应力相对增高，煤储层孔裂隙被压缩，割理宽度变小，导致渗透率下降。在排采过程中，正、负调节作用同时进行，它们的综合效果产生了煤基质自调节效应，导致排采过程中渗透率改变，煤层气井产能发生动态变化。随着气体的解吸，煤基质收缩超过临界值，将导致煤基质的应力闭合，增加了后期排采解吸气的难度。

2.3 快速排液导致的储层伤害

合理的排采工艺是煤层气井高产的保障。如果排采速度过大，液面下降太快，井筒附近很快得到降压，但快速排采致使支撑剂颗粒镶嵌煤层，裂隙闭合现象来临较快，压敏、速敏效应随之发生。因此，在快速排采条件下，煤层气井气产量在很短时间内达到一个较高值，但有效卸压煤层范围很小，气源有限，高产无法长久持续。通过合理的排水作业，不仅降低了储层压力，同时降低了储层中的水饱和度，增大了气体的相对渗透率，从而增加解吸气体通过裂隙系统向井筒运移的能力。

2.4 频繁停抽导致的储层伤害

在煤层气井产气初期，煤粉通常沿着较大裂隙随水排出，运移时悬浮于水中或处于流体的底部。在煤粉运移过程中，遇到裂隙通道狭窄地带，当前端流体速度由于某些原因突然变缓时，后端流体速度仍然快速运移。如果在煤粉高产出阶段出现停抽，将导致煤粉在近井地带沉积，极易导致近井地带煤粉堵塞水和气体运移通道。停抽时间较长或停抽频繁，将使井内液面上升，井底流压升高。当压力超过解吸压力时，近井地带气体停止解吸，而远端气体并未停止解吸，煤基质微孔隙和微裂隙内小气泡会逐渐聚集成大气泡，在排驱压力较小的情况下大气泡无法排出微孔隙堵塞住孔隙喉道，贾敏效应增强，易产生“气锁”伤害。

3 沁南煤层气井排采曲线分析

选取沁水盆地南部qsh－6井与qsp－13井排采数据生成排采曲线，进一步说明排采过程中储层伤害对煤层气井产能的影响。

由图1可以看出:排采112天后气体开始解吸，然后加大排水量，由第127天的1.6m3迅速提高至146天的5.2m3，短时间内井筒附近气体迅速解吸。产气量最高仅达754m3，未达到预期产气效果，产气高峰过后，产气速率迅速下降。排采200天后，尽管在逐渐降低排液速率，但产气恢复效果较差，产气量依然较低。分析原因:首先，由于煤层渗透率具有应力敏感性，前期快速排液造成不可恢复的应力性储层伤害，导致储层渗透率下降，不利于地层水的产出及压降漏斗的继续扩展，因此煤层气井产气速率呈现递减的趋势。其次，由于前期井筒液面下降迅速，远离井筒的煤层气未来得及解吸，而近井区域快速解吸，形成地层气锁，不仅造成渗透率下降，还使井底流压得不到有效传递，影响了煤层气的持续产出。

图1 qsh－6井排采曲线

图2 qsp－13井排采曲线

由图2可以看出:排采121天后气体开始解吸，随后降低排液速率，在142天达到产气高峰1459m3。在148天左右，排液强度大大降低，井底流压升高，不利于煤层气解吸。此外，排采168天与188天发生停泵，之后煤层气产量一直在较低水平。究其原因:停抽或其他一些原因导致井筒液面上升迅速，近井地带煤层气停止解吸阻碍远井地带煤层气的运移，形成气锁，降低了储层渗透率，形成储层伤害。携带煤粉的远井地层水在停抽的情况下，在井口附近速度变缓，煤粉近井堆积造成储层的严重伤害，这种储层伤害往往很难恢复，致使产气能力难以再次提高。

4 优化排采工作制度

为了使原位煤层气排采获得较高的经济效益，应根据区域水文地质条件合理选择排采设备，优化排采工艺。其基本原则为:

(1)基于煤层气生产过程排水降压的特点，结合地下水动力学原理对煤层气排采数据和水位监测资料进行分析，运用无补给或有越流的承压水完整井定流量非稳定流理论，反求地层水文地质参数，进一步预测未来某时刻煤层气中得液面降，并依据等温吸附曲线，预估相应的甲烷解吸量，或求取设定时间内达到一定降深的排水量，从而指导煤层气井的排采工作。

(2)在排采初期，产水较多，应满足在最小井底压力采出最大水量的要求，将储层压力尽快降低到临界解吸压力之下，使煤层气尽早解吸产出，获得稳定气流。

(3)排采工作进行了一段时间后，模拟预测煤层临界破坏压力以及煤粒采出的临界生产压差，降低生产压差以减轻微粒运移对地层和裂缝的堵塞以及井筒的充填。

(4)提高现场工作人员的知识水平，对煤层气生产所用到的排采设备原理有清晰了解，对故障进行综合分析，能够快速排除故障，避免在生产中出现停泵。

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Reservoir Damage Mechanism and System Optimization of In-situ Coalbed Methane Drainage and Production

Quan Fangkai，Li Xin，Lu Jun，Zhu Qipeng
(School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116)

中国矿业大学2011年校大学生实践创新训练计划项目资助(X1029011071)。

全方凯，男，煤及煤层气工程专业本科生。

(责任编辑 桑逢云)