韩城矿区煤层气井试井分析

李士才，邵先杰，乔雨朋，接敬涛，谢启红，张 珉

(燕山大学石油工程系，河北秦皇岛066004)

韩城矿区煤层气井试井分析

李士才，邵先杰，乔雨朋，接敬涛，谢启红，张 珉

(燕山大学石油工程系，河北秦皇岛066004)

注入/压降试井是确定中国中高煤阶煤层气渗透率的主要手段，具有重要意义。本文以无限大边界定产微分方程组为基础，在限定微分方程近似解所需要满足的假设条件基础上，详细推导了注入/压降试井求取渗透率等地层参数的公式。依据物质平衡原理，通过时间转化将多排量试井等效为单排量试井，使压力恢复试井法能够解决多排量试井问题，精度高。对韩城矿区试井资料、生产资料进行分析，求取了煤层的渗透率、原始地层压力、每米吸水指数等参数。煤层的渗透率普遍小于0.1×10-3μm2，含气饱和度低。把试井结果对比分析，吻合程度较高，试井结果可以作为求取煤层渗透率参数的一个重要依据。

注入/压降试井；煤层气渗透率；韩城矿区

中国煤层气资源量为36.8×1012m3，居世界第三位，作为接替能源，有非常大的潜力[1]。中国煤层气大多分布于石炭系、二叠系地层中，形成时期早，成熟度高，含气量高。但是物性差，实验室条件下难以获得准确的渗透率和孔隙度值[2]。试井分析是确定地层渗透率的主要手段，具有重要的意义[3-5]。中国煤层气地层大多为欠压实地层，注入/压降试井具有：①保证了在测试过程中为单相流；②探测半径较大；③时间相对较短；④可以用标准方法进行分析等优势[6]。本文对韩城矿区试井、生产数据进行分析，计算出渗透率和每米吸水指数等参数，与实际生产情况比较吻合。

1 方法介绍

煤层气井大多采用注入/压降试井来测试地层参数。在测试初期将水注入煤层提高地层压力，持续注入一段时间直到接近地层破裂压力，最后关井完成测试。在曲线拟合过程中，关井后的压力数据是主要的试井拟合段。利用压力恢复试井法可以求取地层参数。

有些注入/压降试井采用多个排量分段注入，然后关井测试。这样的测试结果不能直接使用压力恢复试井法。将排量等效处理，推导出以最大排量试井代替多排量试井的等效时间计算方法，并估计了误差大小。

压力恢复试井法的基础渗流方程如方程组(1)所示[7-9]。

(1)

式中，φ为地层孔隙度，小数；μ为水的粘度，Pa·s；ct为地层及其流体的综合压缩系数，Pa-1；k为地层渗透率，m2；pi为原始地层压力，Pa；q为地表产水量，m3/s；B为体积系数，小数；rw为井半径，m；h为地层厚度，m。

(2)

井底流压随时间的变化为

(3)

(4)

考虑到表皮因子S，式(4)为

式(5)为井底流压在产水量稳定制度下井底流压的变化情况。当煤层气井开井生产一段时间后开始关井，可利用叠加原理来预计井底流压的变化情况。如图1所示，一口井以产量为q生产t0时间后关井进行试井。可将此过程看作两口井的叠加：一口井从0时刻开始以q产量生产(虚线)，另一口井从t0时刻以q产量注入(虚线)。从而得到井底流压的变化情况。当t>t0时，

(6)

或者

(7)

图1 叠加原理示意图

(8)

(9)

当试井使用多个排量注入时，关井后的产量不能直接使用式(9)来拟合。需对数据进行一些处理。

根据叠加原理可知，地层产量越高，以该产量生产时间越长，地层的压力分布与以该产量产出时越接近。再考虑物质平衡，可用以最后一个排量(该排量也是最高排量)注入等量体积时地层压力分布近似代替，但须进行误差估计。

假设一口煤层气井在0时刻以q1产量开始生产，在t2时刻以q2(q2>q1)产量开始生产。当t>t2时对式(5)有

(10)

在时刻t时的累积产液量以q2产量生产所需时间为

(11)

对应的估计压力为

(12)

估计误差为

△p=pg(rw,t)-p(rw,t)

(14)

取μ=1 mPa·s，q2=2 m3/d，K=1×10-3μm2，h=10 m，t=2t2，B=1，估算得|△p|=0.023 MPa，误差非常小，满足近似计算的精度要求。这样，式(7)变为

(15)

式中，tx和tx0均为转化后的时间。

2 现场应用与实例分析

韩城矿区鄂尔多斯盆地东南缘，主力煤层3层，煤层稳定、分布范围广，煤层气资源丰富。该矿区煤层气的开发时间长，有丰富的试井、生产资料进行参考。实例选取了四口井的试井、生产资料进行分析，资料均来自于该矿区。

(1)HS3井

HS3井的试井层位为5#煤层，含气量7.08～12.97 m3/t，平均9.99 m3/t；原煤理论最大吸附量16.62～28.48 m3/t，平均为22.91 m3/t；煤层临界解吸压力1.33 MPa～1.75 MPa，平均1.50 MPa。

试井过程从开始注入到关井过程结束历经48 h，其中注入过程12 h，关井过程36 h。平均排量为1.781 m3/d，粘度为0.98 mPa·s，有效厚度4 m。由式(7)得到的压力恢复曲线如图2所示。

根据图2的拟合结果，得到原始地层压力pi为10.10 MPa，斜率m为2.604 MPa，算得的渗透率K为0.154×10-3μm2。再利用注入压力与原始地层压力，求得每米吸水指数为0.1243 m3/(d·MPa·m)。

图2 HS3井的压力恢复曲线

HS3井的生产层位为5#煤层。自2011年9月开始投产，产水量基本保持在1～3 m3/d之间，排水2年后开始明显产气，截止到2014年5月最高产气量小于300 m3/d，还处于增产初期阶段。

该井地层厚度中等，原始地层压力高，渗透性中等；但含气量低，临界解吸压力小。由于临界解吸压力只有1.5 MPa左右，过高的地层压力只能起到排水的作用，不能有效地转化成产能；而原始地层压力高也使得平均地层压力相对较高，抑制了煤层气的解吸；同时原始地层压力与临界解吸压力的过大差异使得地层能量不能得到煤层气的有效补充，加剧井周围地层应力分布不均，易导致应力敏感。这些作用限制了排水降压的速度，导致了该井排水时间长、见气晚的特点。

(2)HS11井

HS11井的试井层位为11#煤层，含气量11.43 m3/t，原煤理论最大吸附量23.07 m3/t，煤层临界解吸压力1.95 MPa。。

试井过程从开始注入到关井过程结束历经48 h，其中注入过程12 h，关井过程36 h。平均排量为0.461 m3/d，粘度为0.98 mPa·s，有效厚度2.3 m。

由式(7)得到的压力恢复曲线如图3所示。

图3 HS11井的压力恢复曲线

从图3可以看出，曲线在尾部斜率明显变小，受到供给边界影响。因此使用该曲线预测时，利用中部拟合线计算渗透率，尾部拟合线计算地层压力，得到原始地层压力pi为6.035 MPa，斜率m为3.6112 MPa。算得的渗透率K为0.0501×10-3μm2，每米吸水指数为0.0199 m3/(d·MPa·m)。

HS11井的生产层位为5#和11#煤层。自2010年7月开始投产，产水量基本保持在5 m3/d以上，产水量高，到2014年1月后开始明显产气，截止到2014年5月最高产气量在200 m3/d左右，处于增产初期阶段。

该井总生产厚度接近6 m，原始地层压力中等，渗透性差，含气量中等，临界解吸压力中等；但煤层含水量高，可能存在水源与煤层沟通的问题。该水源在试井曲线上也有表现。充足的地下水使得地层压力下降缓慢，排水期达三年半之久。

(3)H9-15井

H9-15井的试井层位为11#煤层。试井过程从开始注入到关井过程结束历经185.26 h。采用小排量计量泵进行了三个排量的注入：0.01 m3/d注入6.03 h，0.019 m3/d注入3.02 h，0.089 m3/d注入2.01 h，累计注入量0.0124 m3。关井测试174.2 h。流体粘度为1 mPa·s，有效厚度2.3 m。

由式(15)得到的压力恢复曲线如图4所示。

图4 H9-15井的压力恢复曲线

根据压力恢复曲线的拟合结果，得到原始地层压力pi为6.275 MPa，斜率m为19.018 MPa。算得的渗透率K为0.00187×10-3μm2，每米吸水指数为0.003962 m3/(d·MPa·m)。

H9-15井的生产层位为5#和11#煤层。自2012年2月开始投产，产水量基本保持在1 m3/d以下，产水量低，到2013年4月后开始明显产气，2014年1月之后产气量又开始下降。

该井总生产厚度6.2 m，原始地层压力中等。但由于该井地层渗透性很差，产水量小(小于1 m3/d)，压降漏斗扩展深度小，产气9个月之后气源解吸能力不足，产量开始下降。

(4)Y13-1井

Y13-1井的试井层位为5#煤层。试井过程从开始注入到关井过程结束历经38.5 h。采用小排量计量泵进行了三个排量的注入：0.061 m3/d注入8.1 h，0.169 m3/d注入2.1 h，0.259 m3/d注入2.7 h，累计注入量0.064 m3。关井测试25.6 h。流体粘度为1 mPa·s，有效厚度8.5 m。

由式(7)得到的压力恢复曲线如图5所示。

根据压力恢复曲线的拟合结果，得到原始地层压力Pi为15.078 MPa，斜率m为2.335 MPa。算得的渗透率K为0.012×10-3μm2，每米吸水指数为0.017569 m3/(d·MPa·m)。

Y13-1井厚度较大，试井压力曲线变化较剧烈。根据试井压力曲线，当注入压力大于12 MPa后，注入水开始进入地层，因此地层压力应小于12 MPa。测试结果与实际情况有较大矛盾，不能使用该试井结果。由于注水量整体较小，出现这种情况的原因可能是该处煤层亲水或煤层致密，束缚水含水饱和度值高，水注入地层后不能全部返排。一部分水在井附近形成局部高压区，一部分返回井筒，实际流量比拟合过程使用的流量(关井前的注入量)小，导致压力测试异常。

图5 Y13-1井的压力恢复曲线

Y13-1井的生产层位为5#煤层全层。自2012年5月开始投产，产水量基本保持在0.8 m3/d以下，产水量低；到2014年3月后开始产气，截止到2014年5月最高产气量在45 m3/d左右，处于增产初期阶段。

该井总生产厚度9.2 m，原始地层压力较高，但渗透性很差(渗透率小于0.012×10-3μm2)。考虑到应力敏感控制产水量，产水量小，排水期所用的时间也较长，接近2年。

3 评价与讨论

把4口井算得的每米吸水指数与渗透率进行分析(图6)，从图中可以看出，渗透率和每米吸水指数散点图的相关系数达0.95，与实际情况相一致，因此该试井分析结果是可靠的，可以作为气田的一个参考依据。

图6 每米吸水指数与渗透率散点图

注入/压降试井能够获得渗流方面的地层参数，但由于试井是在压裂之前进行的，当进行地层改造以后，渗透率、表皮系数等参数也会发生变化。因此，如何预测改造后的参数，是有待进一步解决的问题。由于地层渗流能力差、煤层气未饱和，煤层气解吸、扩散过程在生产前期基本看不到。如何通过测试手段预测与之有关的参数，也需要进一步的研究。

4 结论

(1)根据物质平衡方程，通过时间转化将多排量试井等效为单排量试井，解决了压力恢复试井法不能解释多排量试井的问题，精度高。

(2)煤层的渗透率低，普遍<0.1×10-3μm2；但原始地层压力高，普遍大于6 MPa。尽管原煤理论最大吸附量高，但含气量只有其一半左右，含气饱和度低，煤层的解吸压力低，小于3 MPa。

(3)注入/压降试井的分析结果相关系数高，与实际情况相符。试井分析结果可以作为煤层气开发分析的依据之一。

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[3]张裕虎，曲鹏程.注入/压降试井方法在煤层气井中的应用及其结果分析[J].中国煤层气，2013，10(5)：34-39.

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[责任编辑 李晓霞]

Analysis of CBM Well Test in Hancheng

LI Shi-cai,SHAO Xian-jie,QIAO Yu-peng,JIE Jing-tao,XIE Qi-hong,ZHANG MIN

(Department of Petroleum Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

Injection/fall well test is the primary means to obtain the permeability of Chinese high-rank coal,as is of great significance.Based on the differential equations on the conditions of infinite boundary & constant production, with the restraining of the assumptions,a detailed formula is derived to describe formation parameters (permeability for instance).With the material balance principle,the multi-displacement well test is equivalent to a single displacement by the transformation of time.Thus the pressure build-up test method can solve the problem of multi-well test displacement with a high accuracy.According the datas of well test and production in Hancheng,parameters are obtained such as the permeability of the coal seam, the original reservoir pressure and the injectivity index per meter.Permeability of coal seam is generally less than 0.1×10-3μm2,and the gas saturation is low as well.Comparing with the well-test results,a high degree of agreement appeared. And therefore the well test results can be used as an important basis for obtaining coal seam permeability parameters.

injection/fall well test; CBM permeability; Hancheng

2014-12-15

国家科技重大专项(2011ZX05038-001)

李士才(1990—)，男，河北邢台人，燕山大学在读硕士研究生。

TE373

A

1004-602X(2015)02-0031-05