煤层气井产气机理和排采控压的研究

靳 鹏

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204)

引 言

煤层气是一种非常规天然气，属于清洁能源，其主要成分是甲烷，主要产生于煤层中。存在形式一般认为有以下三种。一种是吸附在煤层中的煤基粒中，与煤共生；一种是存在与煤层水中，呈水溶态；另一种则是以游离态存在于煤层地质缝隙中。我国煤层气储量居世界前列，科学合理地开发利用煤层气资源，逐步替代常规非清洁能源，对改善我国长期以煤炭开采利用为主的能源结构，缓解国内资源储备压力，促进我国逐步向低碳、低污染、节能减排的可持续发展模式转变具有重大意义。

1 煤层气产气机理

1.1 煤层气的成因

煤层气的成因主要有两种，即生物成因和热成因。生物成因主要是指地质结构中的微生物在复杂的化学条件下，将动植物等有机质通过一系列生物化学作用，转化为煤层气。热成因是指煤层在地热等诱因的作用下，其煤质本身发生的分解与裂解，从而形成煤层气。

1.2 煤层气排采流程

结合我国煤层气储存与地质条件的特点，经过多年探索研究，我国建立了一套自己独立的煤层气开采流程：排水-降压-解析-扩散-渗流-采气，该套流程也叫煤层气的抽采工艺。煤层气的排采工艺流程，是其利用的基础。合理的排采流程一方面可以保证开采效率，节约开采成本；另一方面可以减少开采煤层气的杂质含量[1]。

煤层气主要储存在煤质、煤层水以及煤层地质间隙中，储层压力的平衡使得其相对稳定。煤层气排采时，主要通过排水的方式降低煤层中的压力，煤层气在压力下降到一定临界值时，其吸附状态无法维持，逐步开始从吸附介质中解析出来，通过本井产出；还有一部分煤层气通过扩散和高渗流作用，位移到周边其他产气井产出。渗流速度与压力关系如图1所示。产出的煤层气通过集气加压等一系列工程手段，完成排采。

图1 煤样渗流速度与压力梯度的关系

2 煤层气排采制约因素

2.1 储层伤害

煤层气开发涉及的层面较广，包括地质结构、热力学、流体力学以及机械等方面。在排采过程中，煤层气井中会出现程度不同的储层伤害，影响煤层气的解析。出现储层伤害后，煤层的渗透率、煤层气在煤层间的扩散能力以及煤层间的导流渗流能力都会降低，使排水降压时间增加。而煤层气的吸附解析过程一般可以看做是可逆过程，即解析的时候，吸附作用同样在进行，当煤层气中储层压力大于煤层气解析压力时，煤层气处于吸附状态，为单相流状态；当煤层气中储层压力小于煤层气解析压力时，煤层气处于解析状态，为气水两相流状态，其流动状态取决于相对渗透率，流体状态示意图如图2所示。

图2 煤层气产出过程流体状态示意

储层伤害的形式多种多样，诱因大致可分为以下几种。1) 排采过程中经煤层气井流入的外来流体与煤层水的物理化学反应对储层的伤害[2]；2) 相态圈闭造成的水敏或液锁伤害；3) 排水是一个动态的过程，人为的促使储层流体的流动，导致其与煤层相互作用，改变了煤层的渗透性，并对煤层产生摩擦粉碎与煤粒迁移破坏；4) 煤层三相变化引起的煤层孔隙表面的吸附能力的变化，从而造成煤层润湿性变化与流体运移伤害；5) 固相物质的运移对储层孔隙率的伤害；6) 固相微粒伤害；7) 生物活动对储层渗透性的伤害等。

2.2 固相微粒

煤层气的储存条件与其排采过程，均会导致煤层气中含有固相微粒，这对开采工程是不利的。在煤层气排采工程中，所说的固相微粒大部分是煤粉，这些微粒受气-液-固三相流的耦合效应，在煤层气储层中的运移会在很大程度上影响煤储层开发与煤层气排采的最佳状态。固相微粒随排采在煤层等煤层气储层间隙中运移，富集在其中，使储层的孔隙率降低，导流能力减弱，从而阻塞解析出的煤层气的转移通道，降低煤层气本井和周边产气井的产量；而随着管道，固相微粒亦会进入集气加压机械设备，影响设备性能，会出现凡尔漏失、管道堵塞或泵塞等故障，影响排采效率，使经济效益受损。固相微粒力学生成机理为各工序中，包括钻井、射孔、压裂与排采等，机械设备与流体动能对煤层气储层造成的机械破坏与压力变化诱导。化学生成机理为储层围岩中与经煤层气井流入的外来流体的水岩反应[3]。

2.3 排采技术

在排采流程确定后，排采工作中的相关技术参数的选择，更会直接制约煤层气井产气量，这些指标主要包括井口回压、套压、动液面、井底流压等，而这些参数相互影响，存在一定的逻辑关系，并有着内在联系，耦合关系如图3所示。

技术参数选择的合理性，是排采工作的基础。一般来讲，参数的选择方向与煤层气产气量有如下关系：产气量随套压的减小而增加，随排采液面的变深而增加，随排水量的降低而减小。

图3 煤层气井筒各参数间耦合关系

3 排采控压

基于以上煤层气排采制约因素的分析，需要寻找合适的解决措施以消除或降低其影响。针对储层伤害问题，在排水降压阶段，首先需要控制排水速度，来降低抽排煤层水时的机械能，减少储层的伤害强度；裂压作业时，裂压压力的合理性也是降低储层伤害的有效措施。解决固相微粒危害的措施可以从减少其形成数量入手。1) 合理调控排采强度，减少储层所受到的外界压力；2) 保证煤层气排采连续稳定，使储层压力降连续稳定；3) 适度调控油套环空内气体压力与井底压力，使储层内压降漏斗平稳、持续与充分扩展；4) 改善排采工艺中进入储层中外来液体的数量与种类。排采技术中，各参数的确定并不是一个独立的问题，需要根据储层地质条件、排采工艺、煤层气含量以及排采设备效能共同决定，值得注意的是，各参数间相互影响，相互制约，是一个统一的整体。

3.1 压差控制

排采中固相微粒的产生大部分是由于压力对储层的作用，因此合理的控制排采时的压差，可以有效控制固相微粒的生成。如图3所示，排采工艺中，压差的直接调控方式是控制井底流压，控制的具体参数为控制产水量以调控动液面高度；调整油嘴大小以调整套压[4]。

3.2 固相微粒产出速度的控制

排采工艺从本质上来讲，就是通过压力的调控，使煤层气释放出来。而压差的存在或多或少都会都储层产生伤害，使固相微粒富集在管道或机械设备中，其危害上面以做叙述。但若不使固相微粒排出，同样也会对水平井段、人工裂缝、储层造成伤害。因此要想减轻危害，需要对固相微粒进行合理的抽排。目前的工艺中，固相微粒的主要抽排方式是通过采排工艺中的排水工序。控制排水的速度也即控制了固相微粒的抽排速度，其排水速度需针对煤层气储层的不同理化性质而有所不同。

3.3 排采技术要求及排采工作制度

压差的控制以及排水速度的控制，都需要工艺的连续性为保障。工艺的连续性同时取决于设备的性能以及排采的工作制度。排采设备必须具有可靠的性能，可以在复杂的工况下运行，且平时的维护保养简单易操作。同时，排液设备的额定功率区间范围要大，且排液能力要强。设备控压精度需要高，且压力检测反馈需要灵敏。根据排采原理和排采经验，煤层气井排采可采用的工作制度只有定压排采，无法实现定产排采。因为煤层气井排采应在有效控制煤粉产出速率和合理的工作压差的条件下，按照拟定的井底流压进行生产。

4 结语

作为储量大国，煤层气的开采利用有着重要的意义。作为高热值的新能源，其燃烧后的生成物与煤相比，对环境的污染非常小。降低煤炭的使用量，加大煤层气的开发量，可以有效改善我国的能源结构，并有助于降低天然气对外的依赖性。