煤层气-致密气合采层间干扰特征及选层建议

徐兵祥 白玉湖 陈 岭 陈桂华 李彦尊

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

近些年非常规气勘探开发迅速发展，深层煤层气及煤系非常规天然气勘探开发受到国内高度关注。文献调研结果显示，美国风河盆地和皮申斯盆地煤层气-砂岩气层合采试验均获得成功，我国辽宁阜新矿区同样进行了11口煤层与砂层合采，合采井具有起套压快、产气量较高、产气量稳定等特点，说明煤层气-致密气合层开发已成为该类气藏开发的有效手段。鄂尔多斯东缘临兴地区具有煤层资源潜力大、煤系致密砂岩产层数较多、单层薄的特点，煤层气-致密气合层开发是该地区提高单井产能的手段之一。但由于煤层气、致密气赋存方式不一，前者是吸附气赋存为主，后者以游离气为主；二者开发方式也存在差异，煤层气采用排水-降压-产气的方式进行开发，而致密气是直接降压-产气；另外储层物性、压力等层间差异引起的气水倒灌现象等等，这些势必给煤层气-致密气合采带来挑战。本文从层间干扰机制出发，分析了倒灌现象、物性差异以及开发方式对层间压力干扰的影响，并运用数值模拟手段进行合采生产特征和控制因素分析，在此基础上提出合采选层建议。

1 层间干扰机制分析

煤层气-致密气合采层间干扰指的是合采后一层对另一层产量造成一定的影响，分析认为，煤层气-致密气层间干扰表现在三个方面：气水倒灌进入储层的现象；开发方式差异造成合采效果欠佳；各层物性差异造成开发的不均衡。下面分别说明。

1.1 倒灌现象

两气合采倒灌主要考虑煤层中的水通过井筒倒灌进入致密层的现象，倒灌现象发生有两个作用力，分别是压力差和毛细管力。在两者作用下水倒灌进入致密层中引起水锁效应或水淹，进而限制致密层产能发挥。分析得到，两气合采倒灌现象发生有以下特点：

(1)毛细管力引起致密层吸水，吸水能力与致密层原始含水有关。两气合采时，经射孔压裂、通过井筒连通后，煤层中的水会在井筒内上返到一定高度形成液面，而致密层多是亲水的，若致密层原始含水低于束缚水饱和度，则井筒中的水在毛细管力作用下进入致密层，造成水锁效应甚至水淹。若致密层含水饱和度高于束缚水饱和度，致密层吸水能力减弱，甚至不吸水。临兴区块致密层普遍产水，说明含有一定可动水，因此，由于吸水作用造成的倒灌现象不明显。

(2)压差引起的水倒灌现象在一定条件下发生。临兴区块煤层气-致密气按照纵向叠置分类可分为上煤下气、下煤上气、煤气互层等多种形式(图1)。由于临兴区块煤层割理饱和水，致密层或含一定可动水，合采后采用排水降压的方式进行生产，此时油管产水、套管产气。合采初期，两气压力差异是决定倒灌现象发生与否的关键因素。若两气纵向分布为“下煤上气”，共井筒合采开始时，假定两气压力差(Pcbm>Ptg)大于两层间水柱高度压力(即ΔP>ρgh，h为层间距)，则发生倒灌，否则不发生，此时若致密层压力大于煤层，则倒灌现象不发生。临兴区块两气分布大多属于“下煤上气”型，且煤层、致密气均为欠压储层，无异常压力层，因此，初期合采不发生倒灌。合采过程中，工作制度影响倒灌现象发生与否。如合采时，若控制产气速度高、排水速度慢，引起致密气衰竭快，而井筒液面快速上升，造成井底压力大于致密层压力的情况，会出现倒灌现象，随着水的进入，致密层压力回升，抑制了倒灌持续发生，因此这种倒灌现象持续时间不长，但在合采过程中，常会出现抽油机故障、停电等，造成这种短时倒灌现象在合采过程中频繁出现。

图1 煤层气-致密气纵向叠置模式(表示煤层，表示致密层)

尽管倒灌现象在频繁的工作制度调整变化下时有发生，但只要致密层水锁特征不明显，这种现象会很快得到抑制甚至解除，对总产量及采收率影响不大。但致密层水锁特征明显时，倒灌造成的影响就很大。

1.2 开发方式差异

煤层气与致密气赋存方式的差异，导致二者开发方式不同。煤层气主要以吸附态赋存在基质内孔隙表面，而割理系统主要饱和水，煤层气产出首先需要进行排水降压，吸附气解吸后进入割理，流入井筒，而致密气可直接降压生产。煤层气排水降压须遵循缓慢稳定的原则，合采时，为保护煤层合理有效开发，降压速度也是较缓慢的，导致合采前期致密气产量低，影响整体开发经济性。从该角度来说，各层工作制度要求对合采效果有一定的干扰。同理，若致密层存在边水或应力敏感强，需要控制压差生产，而煤层气需要降压到解吸压力才能产气，这同样是干扰合采效果的关键因素。

1.3 物性差异

物性差异也是合层开发干扰的一项重要参考指标。通过数值模拟试验表明：合层开发时渗透率差异越大，则低渗层产能受限越大。若配产不合理，高渗层流体可能倒灌进入低渗层，但随着时间推移，倒灌现象逐渐消失。再比如说含水性差异，若致密层不含可动水，合采后水倒灌进入致密层，势必对致密气产量和采收率有一定影响；但若致密层含可动水，合采会否影响采收率尚不明确。另外，煤层的解吸压力高低是决定合采效果好坏的重要参数，若解吸压力很低，则需要很长的排水降压时间，合采经济性必然不好。

2 两气合采生产特征及产量控制因素

基于层间干扰机制的分析，通过数值模拟方法进一步研究两气合采生产特征，挖掘两气合采产量主控因素。模拟参数参考临兴区块某口两气合采试验井参数，该井盒8段致密层与其下面的7+8+9号煤层进行合层开发，采用煤层气的排采控制方式进行生产。

2.1 两气合采生产特征

图2(a)为两气合采产量曲线，可看出合采后产量整体出现先上升后下降的趋势，与煤层气生产特征相似。从分层产量来看，煤层经一段时间的排水期，之后产气，产量迅速上升；致密层产量先上升，当煤层气产出后，出现气液两相，阻力增大，此时工作制度不变，压降速度减缓，致密层产量出现下降趋势。从产气峰值来看，合采后可能出现“双峰”现象。第一个峰值表征煤层气产出对产气造成影响，第二个峰值表征由于储层能量不足，井底流压降到最低值后，产量开始出现递减趋势。当然，随着参数变化，第一个峰值会消失，图2(b)为不同排水量合采产量曲线，可以看出曲线依然保持煤层气生产特征，但随着含气量增加，第一个峰值消失，第二个峰值提前。

图2 煤层气-致密气合采生产曲线

2.2 渗透率差异对合采效果影响

在研究渗透率差异对产量影响时，常规研究方法是保持分层渗透率和不变，对比不同分层渗透率比值对产量影响，该做法可分析渗透率非均质性对产量的影响，但并不能说明非均质性程度对层间干扰的影响。如两层合采时，假设渗透率和为1mD，对比两种渗透率情况0.5mD/0.5mD和0.1mD/0.9mD的产量，若后者累产较前者要低，并不能说明后者干扰程度大、不适合合采，因为0.1mD渗透率所在层采出程度不高，导致合采产量不高，但该层仍旧对合采产量有所贡献，只要具有经济性，就适合合采。因此，引入合采效率的概念，表征合采产量与单采各层产量和的比值，定义为：

其中η为合采效率，%；Gpt为合采累产量，Gpi为单采时第i层累产量。

设定致密层渗透率为0.04mD，煤层渗透率分别为0.01mD、0.04mD、0.1mD、0.4mD、0.8mD、1.2mD，则煤层/致密层渗透率比值分别为0.25、1、2.5、10、20、30，对比了不同渗透率比情况下两气合采效率。图3(a)为煤层/致密层渗透率比为10时气井合采效率随时间变化情况，可见，合采效率随时间推移有增加趋势，且第9年以后合采效率保持在99%以上，说明合采与单采最终采出量差异不大。图3(b)为不同渗透率比情况下合采效率，渗透率比值不同时，合采效率没有明显规律，说明渗透率比值差异与合采效果无关。

图3 两气联采合采效率

虽然渗透率差异对合采效率影响不大，但渗透率值对合采产量影响显著。以煤层渗透率为例，合采累产量随渗透率增大而大幅增加(图4)。若煤层渗透率太低，对合采产量贡献不大，考虑到合采煤层可能带来的煤粉产出、堵塞、频繁修井风险，此时不建议合采该煤层。

图4 煤层渗透率对合采累产量影响

图5 致密层含水性对合采效果影响分析

2.3 致密层含水性对合采效果影响

含水性通常用含水饱和度来表征，影响着合采效果。当原始含水饱和度小于束缚水饱和度时，致密层遇水后吸水，发生水锁效应。当原始含水饱和度大于束缚水饱和度时，致密层遇水后水锁效应不明显。

可以用相渗曲线来示意说明。图5(a)所示为临兴地区某层段岩心相渗曲线，束缚水饱和度为50%，若储层原始含水为30%，低于束缚水饱和度，则气相相渗为0.3，若储层含水等于束缚水饱和度，此时气相相渗为0.21。对于原始含水低于束缚水饱和度储层，遇水后发生吸水现象，有效渗透率下降，有效渗透率下降30%。

图5(b)对比了该相渗曲线下致密层原始含水30%、50%和60%情况下两气合采时致密层采出程度，可以看出，含水饱和度小于束缚水饱和度时，合采后20年采出程度从55.7%降到35.9%，而当含水饱和度大于束缚水饱和度时，合采后20年采出程度与含水饱和度等于束缚水饱和度时相差不大。进一步说明两气合采时，若致密气含可动水，煤层水对致密层影响不大，若致密层不含可动水，此时煤层水对致密气产量影响大，不建议合采。

2.4 煤层解吸压力对合采效果影响

解吸压力是煤层气开发关键参数，当地层压力低于解吸压力时，煤层吸附气开始解吸产出。对于煤层气-致密气合采情况，地层压力低于解吸压力是煤层气开始贡献产量的先决条件。由于合采时煤层-致密层共用一个井筒，井底流压低于该解吸压力时煤层才会产气，若煤层解吸压力低，合采时，最极端的情况是致密气衰竭开发完或大部分已开发完，煤层才会贡献，此时合采变成接替开发。从该角度来说，低解吸压力煤层不适合于致密气合采。

图6为煤层不同解吸压力时合采20年累产量对比，可以看出，解吸压力为2MPa时，累产2000万m3，当解吸压力增加到6MPa时，累产为4000万m3，解吸压力对累产量具有较大影响，直接影响合采经济性。

图6 煤层解吸压力对合采产量影响

3 合采选层建议

通过前文合采干扰机制与产量控制因素的分析，煤层气-致密气合采选层应注意几个关键点：

(1)致密层含水性及水锁特征

致密层含水性是决定是否适合合采的关键因素。由于煤层气开发排水降压产气的特点，会造成或多或少的水倒灌进入致密层，若致密层水锁现象不明显，则该作用对合采效果影响不大，若致密层水锁现象明显，则该致密层不适合合采，建议单独开发以规避风险。因此，对不含层内可动水的致密层，不建议与煤层合采。

(2)煤层气解吸压力

煤层气解吸压力是煤层气解吸产出的临界压力。在合采确定前，需判断煤层气临储比，临储比过小不适合合采。合采时解吸压力和临储比需满足的条件要结合经济性进行判断。

(3)两气工作制度的特殊要求

煤层气缓慢稳定的排采降压要求限制了致密气的产气速度，使得整体投资回收期延长。因此，在两气合采优选时，要充分考虑煤层气排采工作制度对整体产量和经济效益的影响。

(4)是否具有经济性

是否具有经济性是决定两气合采适合与否的最终指标。合采时，单层开发收益应至少大于该层压裂费用，合采开发收益应满足在指定折现率时净现值大于零。同时应对比合采开发是否优于分层开发、接替开发等。