贵州煤层气新井压降测试分析

李　东　金　军　汪凌霞　白丽娜　周呈艳　易　旺

（贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州　贵阳　550081）



贵州煤层气新井压降测试分析

李东金军汪凌霞白丽娜周呈艳易旺

（贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州贵阳550081）

摘要准确获取煤层的渗透率、地层压力以及煤层的破裂压力和闭合压力等储层参数，是为下步增产措施和进一步评价该地区煤层气勘探开发前景提供依据的重要环节。为此分析了某矿区A井（新井）3号煤层注入压降测试和原地应力测试数据，通过双对数曲线、霍纳曲线以及压力拟合求取煤层参数，并用半对数曲线加以验证；在原地应力测试阶段通过时间平方根曲线分析求取储层的破裂压力和闭合压力等地层参数。结果表明：3号煤岩层渗透性较差，属于高压煤层，井筒储集系数较小，采用井下关井方式降低了井筒储集效应对测试数据分析的影响，井筒附近煤层完善程度较好，地应力梯度正常。

关键词煤层气注入压降试井地应力渗透率地层压力

0　引言

随着人们对环保要求的日益增加，煤层气（瓦斯）作为世界上公认的清洁能源之一，在非常规油气领域的地位得到显著提高。贵州省富煤、贫油、少常规天然气的特殊能源结构，为其煤矿安全生产、大气环境保护等造成巨大压力，一定程度上制约着该地区的经济发展。贵州作为我国南方煤层气资源量最为丰富的省份，其煤层气地质储量预测为（2.23～5.02）×1012m3，有其丰富的煤炭地质资料作基础，加上合理的开采工艺，煤层气的勘探开发前景不可限量［1］。如何充分利用其自身优势，使煤层气的开发利用成为新的经济增长点，改善民生，逐渐成为研究的热点。

1　煤层地层参数的求取方法

渗透率和原始地层压力是评价煤储层的重要参数。通常在室内通过岩心实验来评价煤岩的渗透率，然而，煤层的渗透率受地应力的影响较大，在室内是无法精准模拟地应力条件下煤岩的物性变化的［2-3］。因此，借鉴常规的天然气试井方法来求取煤层地层参数尤为重要。

常见的天然气试井方法包括：中途测试（DST）、段塞流测试（Slug）、注入压降测试以及压力恢复测试（PBU）等［4-5］。然而，煤储层不仅在成分、结构及其物理力学性质上与常规储层（如砂岩）有着明显的差异，而且在煤层气的赋存和采出机理上也有本质区别［6-7］。因而，常规的方法不一定完全适用于煤层当中。张兆新等人对煤层气DST试井方法进行了研究，结果表明：其测试难度大、测试时间较长而且成本较高、测试的地层半径小而很少被使用［8］。张文秀等人在煤层中进行Slug测试，测试结果表明：对于煤层气新井，Slug测试相对比较简单、可靠而且非常经济，能够用于低压储层，但是其波及半径较短，而且计算出的渗透率值受井储效应影响比较明显，测试结果准确性较差［9］。煤层气是通过排水降低地层压力来进行开采，目前国内煤层气产量普遍较低，因而压力恢复试井很难达到我们想要的结果。

新煤层气井的煤层往往被水所饱和，煤层裂缝中没有游离气，所有的气体都吸附在煤基质里面，只有在排水降压过程中气体才会被解析出来。压降测试则需要煤层中饱含水而且不含游离气，BFP-IFT是国内最常见的注水/压降测试方法，注入期间的井底压力小于破裂压力。通过压降测试，煤层气新井往往能获得比较准确的地层压力、表皮系数以及地层渗透率［10-16］。

2　注入压降试井设计

现代试井理论研究认为，在不稳定试井当中，早期曲线形态会受井储效应影响。采用井口关井时，井筒中充满水与液面低于井口两种情况下，井储系数会发生显著变化，对测试曲线有很大影响。为了获得更加准确的测试参数，在注入压降试井测试过程中，可采用井下关井的方法消除井储效应对测试结果的影响［5］。

2.1注水时间

对于低渗煤层，想要增加波及半径非常困难。为了保证测试期间的波及半径ri足够大，在进行试井设计时，必须要综合考虑波及半径和测试时间两个因素。根据波及半径计算公式可以推导出注水时间计算式：

式中，ri为波及半径，m；K为估计的最小渗透率，mD；tinj为注入时间，h；∅为孔隙度，%；μ为水的黏度；mPa·s；ct为地层综合缩系数，MPa-1。

测试前知道气藏压力，注水时间和关井时间可以相同。如果测试前不知道气藏压力，关井时间一般取注水时间的两倍。

2.2最大注入压力

测试压降要求井底压力必须低于煤层的破裂压力，否则煤层将会形成水力裂缝，分析结果将会失真［17-19］。井口最大注入压力为：

式中，σmin为煤层最小主应力梯度，MPa/m；ρw为注入流体相对密度；d为煤层中部深度，m；pinj为最大井口注入压力，MPa。

2.3注入速率

稳定的注入排量是准确控制液量获取高质量压力数据的前提，注入过程中要求排量的波动值不超过10%。注入速率计算式为：

式中，q为最大注入排量，m3/D；pr为地层压力，MPa；Bw为地层条件下水的体积系数，m3/sm3；rw为井筒半径，m；h为煤层厚度，m；s为表皮系数。

3　注入压降试井解释储层参数

在常规的压降测试当中，注入时间通常比关井时间要长很多。对于新煤层气井，要尽可能减少注入时间来节省测试费用。当注入时间和关井时间相对较长时，利用一个时间函数△te来分析测试数据，表达式为：

式中，△t为关井时间，h。

在常规的注入压降测试解释方法中，利用等效时间与压力的函数曲线来计算地层渗透率、表皮系数以及储层压力［20］。通过压力和等效时间的双对数曲线中切线的斜率可以计算渗透率。其表达式为：

式中，m为双对数曲线的斜率。

从式（6）可以看出，地层渗透率与水的黏度成正比。在煤层条件下，水的黏度与压力和矿化度的相关性较弱，与温度的相关性较强。因此，为了获得比较准确的地层水黏度，必须知道煤层的准确温度。

表皮系数s计算式为：

式中，p1h为等效时间为1 h外推的压力，MPa；pwf为关井后井底流动压力，MPa； ∅f为割理孔隙度，%；k为渗透率，mD。

4　原地应力测试分析

地应力测试是直接获取储层岩石力学参数的主要方法之一，由于其简单、快速、准确等特点被广泛用于煤层气新井当中，为后期钻井、压裂提供了大量重要资料。煤层中割理和微裂缝较为发育，当煤层破裂时压力变化不是特别明显，在裂缝闭合前后压力变化也是一个逐渐下降的过程。实践经验表明，利用双对数法和时间平方根方法可以准确确定煤层的破裂压力和闭合时间。

5　实例

A井是贵州省某矿区一口煤层气新井，3号煤层为其主要产气层之一。3号煤层埋深618 m，有效厚度为2.1 m，孔隙度为0.04，煤层饱含水，不含游离气，流体密度为1.00 g/cm3，流体黏度为0.97 mPa·s，综合压缩系数为4.44×10-3MPa-1。压裂前做压降测试，采用清水注入，注入时间为10 h，注入速率为0.38 L/min，总注入量为229.5 L，关井时间为20 h。

对3号煤层采用双对数拟合、Horner曲线分析方法，并辅以压力历史拟合、压力半对数曲线分析，对结果进行检验。试井解释结果如图1至图4所示。

通过对关井压降曲线双对数—导数曲线图形特征诊断分析（图1），前期双对数—导数曲线拟合显示井筒储集效应较低，曲线沿斜率1上升，井筒附近煤岩层物性较好；导数曲线中期是过渡阶段，出现径向流特征；后期双对数导数曲线显示煤岩层物性变差呈现边界地层特征。霍纳半对数曲线后期斜率增大（图2），煤岩层物性变差。

图1　3号煤层BFP-IFT关井压降双对数拟合曲线图

图2　3号煤层BFP-IFT关井压降霍纳曲线图

从拟合结果得知（图3），在前期曲线拟合程度很差，不过在后期曲线拟合程度很高。前期曲线拟合程度低可能是因为压力数据错误或者井筒附近地层的非均质性较强而造成的。

图3　3号煤层BFP-IFT关井压力拟合曲线图

通过对关井压降测试数据进行解释（图4），测点地层压力为6.944 49 MPa、压力系数为1.14，从压力系数分析本层属超压储层系统，地层静温为32.58℃。

图4　3号煤层BFP-IFT关井压降半对数拟合检验曲线图

通过现代试井理论拟合分析求得该煤层地层系数为0.26 mD·m，地层有效渗透率为0.106 mD，本次试井解释结果说明煤岩层渗透性较差。井筒储集系数5.4×10-4m3/MPa，井筒储集系数较小，说明采用井下关井方式工艺合理，有效降低了井筒储集效应对测试数据分析的影响；表皮系数为-1.46，表明井筒附近煤层完善程度较好。

在原地应力测试的4个循环中，选取破裂、闭合效果好的第3个循环，分析其关井段的压降数据，求取裂缝闭合压力，采用时间平方根法进行解释。通过微破裂测试获得煤层破裂压力为12.37 MPa（图5、图6），煤层闭合压力为10.15 MPa；原地应力重张压力为12.28 MPa，闭合压力为10.67 MPa。从原地应力梯度数值分析，介于煤岩层的平均值附近，属正常梯度范围。

图5　3号煤层原地应力测试阶段压力历史曲线图

图6　3号煤层地应力测试循环时间平方根曲线图

6　结论

1）注入压降测试方法可用于饱含水的煤层新井。

2）为了减少注入流体对煤层的伤害，应该选用清水为注入介质，采用井下关井方式减少井储效应对测试分析的影响。

3）压降测试获得煤层的绝对渗透率，井筒表皮系数，原始储层压力等参数准确可靠。

4）压降测试与原地应力测试相结合可以有效地降低施工成本，增加测试结果的准确性。科学技术，2014，6（6）：126-129.

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（编辑：李臻）

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修订回稿日期：2016-05-05

文献标志码：B

文章编号：2095-1132（2016）03-0035-04

基金项目：贵州省科技重大专项“贵州省煤层气地面抽采关键技术研究及工程示范”（黔科合重大专项字［2014］6002号）。

作者简介：李东（1989-），工程师，从事煤层气页岩气开发相关工作。E-mail：742779745@qq.com。