锻造煤层气开发独门利器

文／李云龙

华北油田勘探开发研究院自主研发“疏导式定量排采控制技术”，开辟煤层气开发新路。

●华北油田锻造的煤层气开发利器已在现场实现规模推广。 供图/李云龙

2020 年11 月中旬，中国石油华北油田沁水煤层气田樊庄区块“3 亿方开发调整项目”25 口L 形水平新井投产现场，技术人员井然有序地准备部署采用自主研发的“疏导式定量排采控制技术”。

最新数据显示，华北油田已在煤层气所有在建区块应用这项“独门利器”。在生产主力樊庄区块、郑庄区块已实现规模推广，达产时间平均缩短80 天，排采时效提高8 个百分点。

找寻破题之道

煤层气的开采机理是排水降压，甲烷解吸产气。因此，排采控制是煤层气产出的最后一个关键阶段。

“排得好可以达到煤储层的最大单井日产气量，并获得较高的采收率。反之，煤层气的单井产量低，且很快进入递减。”华北油田煤层气勘探开发领域首席技术专家杨延辉说。

在传统的“缓慢、长期、持续、稳定”排采理念指导下，樊庄区块煤层气开发取得了较好的效果，但在沁南、夏店、郑庄等区块大规模开发中并未有效地提升产量、释放产能。

一个显而易见的问题摆在研究人员面前：对于复杂的煤层气地质构造，“一招鲜”不可能百试百灵。只有通过技术创新，方可破题解困。

采取不同于传统排采理念的差异化控制技术，也就是“如何利用高压改善储层物性并加快排采速度，释放煤层气潜能”，成为华北油田勘探开发研究院煤层气先导实验基地的一个重要攻关课题。

“我们项目组调研了排采相关中英文文献500 余篇，一方面学习前人的地质研究与模型建立过程，一方面寻找灵感。”华北油田勘探开发研究院科研人员王晶说。

科研人员系统研究传统排采理念发现，多数文献均基于煤岩应力敏感性特性，认为快速降压会导致井筒周边煤岩渗透率快速下降，进而造成产气量下降。这一理论认识，对20 世纪90 年代中国境内煤层气开发井大多呈现到达产气高峰后产量快速下降的现象，提供了一个可能的解释。后续大多数研究者利用数值模拟技术在这一领域进行大量研究，逐渐巩固了煤层气排采降压需要“缓慢、长期”的认识。

科研人员再次详细分析这些文献资料认识到，利用数值模拟进行的理论模型计算及分析，忽略了慢速降压带来的排采降压时间延长造成的影响。虽然慢速降压排采后得到了更大的波及体积，但并不意味着可以获得更高的平均日产气量。如果采取快速排采，是否能够提高单井产量？

科技创新解难题

有句话说得好，思路一变天地宽。科研人员突破固有思路，开始快速排采相关领域的新一轮研究。

以往，理论模型计算大多是基于压降漏斗以井筒为圆点放射状向四周扩散的井筒模型。而实际生产时，煤层气井均需要进行压裂。压裂后的渗流模型与理论模型完全不同，模拟计算结果会有偏差。

科研人员重新对沁水盆地南部区块煤层气开发井资料进行分析发现，由于煤粉产出对排采设备堵塞而造成频繁停泵，致使排采不连续，是造成煤层气井前期产气量快速下降最重要的影响因素，而排水期的降压速率快慢造成的影响则不明确。

为了检验理论分析正确与否，试验基地安排了室内及现场试验同时进行研究。

“研究过程中，大量单井排采数据中隐藏的规律等待我们去不断挖掘。大家经常为了获得一个准确的计算数据讨论至深夜。”华北油田勘探开发研究院科研人员王宁回忆说。

经过2016、2017 两年时间的缜密实验，终于获得了可靠的实验结论——无论排水降压速率快慢，高阶煤的吸附气均能有效解吸，甲烷最终解吸率均较高，产气速率均在煤块整体解吸后得到大幅提升。不同降压速率下甲烷产出曲线均有一个明显的拐点，拐点之后甲烷产出速度大幅提升。

实验结果显示：快速产气阶段发生在煤体整体解吸之后，产气速率受当时煤体两端压差控制。甲烷的解吸—流动耦合速率受压差的影响较大，高压差有利于气体的快速解吸。无论是煤块整体降到解吸压力之下的时间，还是大部分吸附气（约占66%）解吸出来的总时间，加快降压速度的策略更有经济效益。

汇聚智慧持续完善

理论指导实践，实践检验理论。

2016 年，试验基地在郑庄区块同步安排了4 口实验井，进行了加快降压速度排采试验，将降压速度总体提高到原来的1.5 倍。其中，流压在地层压力之上时，提高3～5 倍降压速度；流压在地层压力和解吸压力之间时，提高1.3 倍降压速度；解吸初期不再像以往那样控制排采速度。

试验结果显示，加快降压速度排采试验井的见气时间、达产时间缩短，日产气量达到预期目标，峰值气量是相邻老井的2 倍以上。

室内和现场试验取得可相互印证的结果，科研人员坚定了煤层气降压排采可以相对快速的信心。

科研人员从煤层气渗流全过程影响因素的角度去审视，发现压裂通道的渗流能力是影响降压速度的因素。基于这一认识，试验基地逐步完善了煤层气直井、水平井排采最佳降压速率计算模型，将煤储层含气性、物性、吸附解吸规律、压裂效果等综合考虑，实现特定地质条件下的最佳降压速度定量化计算。

通过两年持续完善，基于实际地质条件的“个性化、智能化、强可控、低成本”的“疏导式定量排采控制技术”已经得到煤层气业内专家的认可。

在试验基地，为降本增效地推进“疏导式定量排采控制技术”，针对煤层气井数多、平均产量低、管控难度高的特点，重点发展了“智能排采+远程监控+无人巡检”的管理模式，大大降低了生产管控成本。

同时，生产中创新升级了以“水力管式泵”为代表的无杆泵排采设备，排采时效从开发初期的90%大幅提高到98%以上，保证了排采的连续、稳定。

目前，“疏导式定量排采控制技术”以及配套排采设备，已逐步实现规模化推广应用。结合国家专项近年来发展的区块优选、高效开发、疏导式压裂等技术系列，华北油田煤层气逐渐走上了以自主技术为基础的低成本快速发展道路，有望实现煤层气产量、效益的双丰收，为中国煤层气大发展提供了一个可供参考与推广的样板和范例。