沁水盆地南部煤层气井排采伤害判别模式

程 乔,胡宝林,徐宏杰,刘会虎,郑凯歌,刘兵昌

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054;3.甘肃省地质调查院,甘肃兰州 730000)

沁水盆地南部煤层气井排采伤害判别模式

程 乔1,胡宝林1,徐宏杰1,刘会虎1,郑凯歌2,刘兵昌3

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232001;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054;3.甘肃省地质调查院,甘肃兰州 730000)

为分析煤层气排采生产过程中储层伤害对煤层气井产能的影响,以沁水盆地南部成庄区块为例,对22口煤层气井排采生产特征进行了分析,划分了高、中、低产井和产水井,界定了不同产能井排采伤害发生的时间,建立了煤层气井的排采伤害判别模式。研究结果表明:成庄区块高、中、低产井和产水井排采前期易产生速敏效应,中期是地层气锁的高发期,后期会出现应力闭合伤害;3种主要排采伤害中,气锁发生的可能性比煤粉堵塞要大,速敏出现概率又比应力闭合大;高产井在生产过程中一般会发生一种类型的伤害,中产井中出现2种伤害类型的几率增大,低产井与产水井多为多种伤害类型组合甚至出现伤害的耦合效应。

沁水盆地;煤层气井;排采伤害;判别模式;成庄区块;应力闭合

沁水盆地是我国煤层气商业化开发的示范基地,了解该地区煤层气井排采伤害表现特征,不仅对煤层气采收率有决定性影响,直接影响到煤层气井的产能,而且对中国煤层气开发具有指示意义[1-2]。国内外学者通过对排采控制不当条件下的排采生产特征、不同条件下煤储层渗透率的变化以及气锁形成规律进行分析,从“三敏”(压敏、速敏、贾敏)形成机理入手,总结出排采过程中有煤粉堵塞、地层气锁、应力闭合3种伤害类型[3-8]。此外,基于各类排采伤害,不同学者有针对性地开展对煤层气排采控制技术的研究[9-15]。然而,对煤层气井不同排采阶段存在何种伤害类型及其发生条件,对不同类型产能煤层气井不同排采阶段的伤害类型如何判别,仍然缺乏基础研究工作。

笔者在前人研究的基础上,以收集的沁水盆地成庄区块22口煤层气井的排采生产资料为基础,根据生产表现特征将其划分为高产井、中产井、低产井和产水井,揭示不同产能井排采伤害的表现规律,建立高产井、中产井、低产井及产水井排采伤害特征的判别模式。

1 研究区地质及生产背景

成庄区块位于沁水复式向斜盆地的南部。盆地南部煤储层构造变形较弱,向斜内部断层较稀疏,封盖性好,煤层气逸散较少,研究区内煤储层成熟度高,吸附能力强,储层含气量普遍较高[16]。22口煤层气井中投产最早的是2006年4月开始投产的CZ-011井,较晚的于2009年1月投产。根据22口煤层气井的生产资料统计,研究区内排水期较长,一般都在半年以上,其中,高产井的排水期平均比中、低产井短。低产井具有排水期长、排水量大、高峰产气时间(指日均产气量在800 m3以上的天数)短等特点,且低产井日均产气量较小,为206.3～391.4 m3,10口低产井中已有4口井不产气。此外,22口煤层气井中有一口产水井。

2 研究区排采生产特征

2.1 排采参数变化特征

本次工作以研究区内煤层气井日均产气量800, 500和200 m3作为煤层气井产能分类指标,划分了煤层气井产能类型,将日均产气量大于800 m3的煤层气井定为高产井,将日均产气量在500～800 m3的煤层气井定为中产井,将日均产气量在200～500 m3的煤层气井定为低产井,将日均产气量小于200 m3的煤层气井定为产水井。根据2006年到2013年8月22日煤层气井排采生产资料显示:高产井有6口,中产井有5口,低产井10口,产水井1口,低产井和产水井数占总井数的50%;其中最大日排水量为234.0 m3,平均日产水量为0.4～13.1 m3,日均产水量在8.0 m3以上的有10口井,1口为高产井,2口为中产井,6口低产井,1口产水井;最高日产气量(高峰产气量)是5 752.0 m3,平均日产气量为140.3～2 828.5 m3;高产井高峰产气时间在559～1 432 d,中产井高峰产气时间在158～592 d,低产井高峰产气时间在0～199 d,产水井高峰产气时间为0。

2.2 排采参数之间的关系

煤层气井排采过程中涉及的排采动态参数众多,有产气量、产水量、套管压力、动液面、井底压力等。但在排采过程中,产水量变化能直接反映其他排采参数的变化。因而,此次研究工作重点为分析产气量和产水量的相互关系。

如图1(a)所示,6口高产井(800 m3/d以上)中有5口井分布在日均产水量小于8.0 m3的区域。中产井(500～800 m3/d)大部分分布在日均产水量小于8.0 m3的区域,而低产井(200～500 m3/d)则绝大部分分布于日均产水量8.0 m3以上区域,产水井日均产水量为8.5 m3。

图1(b)显示,高峰产气时间在200 d以上的煤层气井均为中、高产井,且这一范围内煤层气井日均产水量大部分分布在小于8.0 m3的区域,而高峰产气时间在200 d以下区域,除一口中产井,其他均为低产井和产水井。

图1(c)显示高峰产气量与日均产水量有以下关系:高峰产气量在1 500 m3/d以下的是5口低产井,其中4口井的日均产水量大于8.0 m3;高峰产气量在4 000 m3/d以上的是1口中产井和4口高产井,均分布在日均产水量小于8.0 m3的区域。通过图1,可以看出日均产气量、高峰产气时间、高峰产气量均与日均产水量呈负相关。

2.3 排采伤害表现特征

图1 日均产气量、高峰产气时间、高峰产气量与日均产水量的关系Fig.1 Relationship between average gas production rate,peak production time,peak gas production and average water production rate

由上所述,产气量与产水量呈现负相关的关系,产水量表现出对产气量的重要影响。煤层气井排采过程中,产水量的影响主要是因为它可能对排采生产造成不同类型的伤害:排采初期是煤储层中各种微粒产生高发期,高速水流携带的微粒易造成孔道堵塞,水速的急剧降低也可能使煤中微粒沉积,堵塞气体的运移通道;排采时煤层气井停抽或者排气孔道内出现断流,会引发煤储层中集聚大量气泡,当气泡变大后,同样可能造成排气孔道的堵塞;随着排采的持续进行,地层压力不断变化,地层岩石受到的压力增大,煤储层中的孔隙和裂隙将遭到破坏,渗透率也会发生改变,必然影响到生产排水能力。因此,在分析煤层气井排采伤害模式时,产水量是探讨的重要因素。

3 不同产能类型煤层气井排采伤害判别模式

在研究煤层气井排采的控制因素时,有学者统计了韩城地区100多口井的资料,根据煤层气排采时产气量的阶段性变化,提出了4种产能模式[17];另有学者研究了樊庄区块低产井主要排采伤害的表现形式,并给出了典型的生产曲线[18]。结合两者的研究方法,本文按照产气、产水量的变化特征将生产划分为排采前期、中期和后期,直接分析高产井、中产井、低产井和产水井的排采伤害表现特征,总结出排采伤害判别模式。

3.1 高产井排采伤害模式

6口高产井中取CZ-011,CZ-051做产气量、产水量与套管压力之间的关系图(图2)。图2(a)显示,CZ-011号井经过较长时间的排水过程,开始时采用的高排水量强排,随后,排水量逐渐下降。前期排水量绝大部分在10 m3/d以上,造成速敏效应,使在1 000 d左右时产气波动较大。排采中后期套管压力调节频繁,在第2 000天左右,套管压力直接降至0,产气量也骤然下降,中期稳产阶段排水量在4～8 m3/d间跳动。后期产气量呈直线下降趋势。CZ-051号井的日均产水量为7.6 m3,且中前期局部排采时段出现了贾敏效应。

图2 高产井产气量、产水量、套管压力随时间的变化Fig.2 Variation of gas production rate,water production rate and casing pressure with time from high productivity wells

归纳研究发现高产井有以下排采伤害表现特征:

(1)高产井产气量曲线在整体上不会出现多次大的起伏;

(2)高产井排采伤害主要集中在排采中期,前期有时也会出现少量伤害;

(3)前期出现的伤害多为高排水量强排造成的煤粉堵塞,引起不同程度的速敏效应,中后期主要是套管压力频繁调节引起的贾敏效应。

3.2 中产井排采伤害模式

中产井共5口,取其中2口井,各井产气量、产水量和套管压力之间的关系如图3所示。观察图3(a)可知,CZ-030号煤层气井在排采初进行了较稳定排水工作,排水量维持在5～10 m3/d;在排采第400天左右开始产气,排水量也逐渐加大;再经过800 d的生产,产气量出现了第1次明显下降,此时排水量也降低了,此为排水量连续大幅度调节的结果;随后此井在第2次伤害发生前经历了一段稳定的高产期。产气量的第2次剧烈变化发生在1 700 d左右,此时套管压力的变化超过0.15 MPa,达到0.30 MPa。伤害发生后产气量波动较大,且下降后日均产气量停留在小于500 m3的水平上,不能上扬,此时产水量仍然维持在5～10 m3/d。分析主要是煤储层中聚集大气泡,阻塞了排气孔隙,形成了贾敏效应。

图3 中产井产气量、产水量、套管压力随时间的变化Fig.3 Variation of gas production rate,water production rate and casing pressure with time from medium productivity wells

图3(b)显示排采前期出现排采停抽事故,后期也出现不产水现象,为压敏效应,通过二次压裂,排气量回升。此外,后期若出现压敏效应,则排采中期出现贾敏的可能性极大,分析主要原因是研究区域内煤储层中伊利石含量较高,伊利石的存在切割了大量孔隙吼道,使吼道口变窄,且伊利石在孔隙中沉淀使孔隙率降低[19]。由于孔隙吼道变窄,排采过程中,多相流动时气锁效应更易发生。当气锁效应时间过长,黏土矿物吸水膨胀后,气水介质抽排后引起储层的收缩伤害,造成应力敏感[6]。

对比总结5口中产井生产资料,归纳中产井有以下排采伤害表现特征:

(1)中产井稳产期比高产井稍短,且稳产阶段排水量在0～10 m3/d间跳动,排采后期也多因为排采伤害致使产气量急剧变化,没有逐渐下降这一过程;

(2)排采伤害主要集中在排采中、后期,两种伤害(多为速敏+贾敏)叠加的井数和单一伤害的井数相差不大;

(3)排采前期有高排水造成的速敏,排采中期伤害的类型以贾敏(气锁)居多。

3.3 低产井和产水井排采伤害模式

研究区低产井井口数较多,取其中2口井进行试验(图4)。如图4(b)所示,在排采初期经历了400多天的疏水作业,此期间套管压力为0,在第400天时,套管压力调节上升至0.15 MPa,调节后煤层气井产气量随排水量的逐渐加大开始上升。在经历了一段稳定的增长期后,产气量达到最高的1 100 m3/d。但长时间的高于15 m3/d大排水量给气井造成速敏效应,此外,如图4(b)圈1中所示,套管压力也在产气高峰期骤降,速敏和气锁的同时发生使产气量是在高峰产气期突然下跌。此后,为继续产气,进行了套管压力调节、稳定排水量等作业,取得了一定的效果,但产气量仍然不高,没有超过800 m3/d。中后期随着排水量的再次增大,发生速敏效应,气井不出气。伴随这一现象的还有套管压力下降至0(图4(b)圈2),说明后期的调节作用没能取得效果。

图4显示低产井稳产期排水量绝大部分大于10 m3/d,且稳产阶段产气量均不高,速敏和贾敏同时发生的几率极大。此外,排采后期会出现压敏或不稳定式低产气,波动较大。低产井和产水井也显示,随着日均产气量越来越小,套管压力大幅度调节的情况越来越密集。套管压力过低易产出煤粉,调节不当造成套管压力过大,使气水携带煤粉能力增大,又形成卡泵。此时的套管压力大幅度调节形成一个恶性循环,后期压裂措施效果不明显,小井眼侧钻可有效提高单井产量[20]。

图4 低产井产气量、产水量、套管压力之间相互关系Fig.4 Variation of gas production rate,water production rate and casing pressure with time from low productivity wells

通过产气量、产水量和套管压力的折线图发现,低产井和产水井有以下排采伤害表现特征:①两种类型气井的累计疏水时间相对比高、中产井长;② 普遍出现强排、停抽或频繁调节排水量以及频繁调节套管压力;③在整个排采过程中,大多数井均会出现煤粉堵塞、贾敏(气锁)、应力闭合中的2种或者3种,伤害出现的顺序一般为速敏(煤粉堵塞)→贾敏(气锁)→压敏(应力闭合);④ 有部分煤层气井出现排采伤害耦合效应。

3.4 高、中、低产井和产水井排采伤害判别模式

通过以上分析研究,总结出沁水盆地南部成庄区块高、中、低产井和产水井排采伤害表现特征的判别模式,见表1。不同产能类型井在排采前期均有发生速敏效应的可能,中期是地层气锁(贾敏)高发期,后期排采伤害多变。此外,排采过程中,排水量4～8 m3/d可作为稳定排水量值;排水量的调节应保证在10 m3/d以下,以防止较大的排水量波动造成煤粉堵塞;套管压力的调节应本着“稳定、渐变”的原则,避免跳跃式增加。煤层气井的排采伤害判别模式为生产实践中延长煤层气井生产年限提供了技术支持。在生产前期应该掌握煤层气井的排水区间,尽量避免进行强排或频繁调节;在排采中期,即使在稳定期仍要加强监控工作,及时应对可能出现的气锁现象;应力闭合对煤层气井伤害较大,应该特别注意排采前期和后期的停抽事故,防止煤储层基质压缩、停止产气。

表1 高、中、低及产水井伤害判别模式Table 1 The discriminant model on damage of high,medium,low and drainage production wells

4 结论及建议

(1)成庄区块高、中、低产井以及产水井排采前期易产生速敏效应,中期是贾敏效应的高发期,后期会出现应力闭合伤害。排采过程中,排水量 4～8 m3/d可作为稳定排水量参考值,套管压力的调节变动应保证在0.15 MPa,且坚持“稳定、渐变”的排采原则。排采过程中每次事故(停抽或者卡泵)的处理都应慎重对待,要合理控制套管压力,避免工作制度的频繁调节以及排采速度过快,防止出现套管压力的大幅度调节而形成恶性循环。

(2)统计各类产能类型井发现,贾敏(气锁)发生的可能性比速敏(煤粉堵塞)要大,速敏出现概率又比压敏(应力闭合)大。且如果排采后期出现应力敏感,则排采中期出现贾敏的可能性极大。

(3)高产井在生产过程中一般会发生一种类型的伤害,中产井中出现两种伤害类型的几率增大,低产井和产水井多为多种伤害类型组合甚至出现伤害的耦合效应。

(4)针对生产过程中的停抽或突发性停摆事故,应加强巡查力度或者建立一套现场监控系统,避免停抽时间过长。

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Discrimination model on damage mechanism in the extraction process of CBM wells in Southern Qinshui Basin

CHENG Qiao1,HU Bao-lin1,XU Hong-jie1,LIU Hui-hu1,ZHENG Kai-ge2,LIU Bing-chang3

(1.School of Earth and Environment,Anhui University of Science&Technology,Huainan 232001,China;2.Xi’an Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corp,Xi’an 710054,China;3.Gansu Institute of Geological Survey,Lanzhou 730000,China)

In order to analyze the effect of reservoir damage on the productivity of CBM wells during its production process,the Chengzhuang Block in Southern Qinshui Basin was investigated.The production characteristics of 22 CBM wells were analyzed and divided into high,medium,low productivity well and drainage well.Also,the occurrence time of the drainage damage of different production wells was defined.At the same time,the discrimination model of damage mechanism in the extraction process of CBM wells was established.The results show that the velocity sensitivity effect is easy to occur in the early stage of the production,and the peak period of gas lock appears in its middle stage,and the stress closure damage occurs in its late stage.In the above damages,that always occurs in high to low productivity wells in Chengzhuang Block,the possibility of gas lock is higher than that of the velocity sensitivity effect,while the velocity sensitivity effect occurrence probability is higher than that of the stress closure.The high productivity well usually results in one type damage during its production process,and the medium productivity well has a higher chance to occur two types damages,while the low well and drainage well normally result in a variety of damage types combinationand even have the damage coupling effect.

Qinshui Basin;coal-bed methane well;drainage damage;discrimination model;Chengzhuang Block;stress closure

P618.11

A

0253-9993(2014)09-1879-07

2014-05-13 责任编辑:常 琛

国家自然科学基金资助项目(41302129,41402140);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2012012008)

程 乔(1988—),男,安徽安庆人,硕士研究生。E-mail:651870899@qq.com。通讯作者:刘会虎(1978—),男,江西九江人,讲师。E-mail:xixiinformation@163.com

程 乔,胡宝林,徐宏杰,等.沁水盆地南部煤层气井排采伤害判别模式[J].煤炭学报,2014,39(9):1879-1885.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.8008

Cheng Qiao,Hu Baolin,Xu Hongjie,et al.Discrimination model on damage mechanism in the extraction process of CBM wells in Southern Qinshui Basin[J].Journal of China Coal Society,2014,39(9):1879-1885.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.8008