煤层气井的排水量不一定等于煤层的产水量

邓　鹏，彭小龙，朱苏阳，王超文

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

煤层气井的排水量不一定等于煤层的产水量

邓鹏，彭小龙，朱苏阳，王超文

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610599）

煤层气井动态分析过程中，通常把井筒的排水量作为煤层的产水量。基于井筒储集效应，分析了井筒排水量与煤层产水量之间的关系，比较了动液面不同变化情况下的井筒排水量和煤层产水量，认为煤层气井的井筒排水量不一定等于煤层产水量，并建立了煤层产水量修正公式。在此基础上，利用沁水盆地TS井组XX井的生产数据进行计算，结果表明，井筒排水量和煤层产水量在生产第一阶段差值较大，其差值最高达到了井筒排水量的72%；在第二阶段和第三阶段由于存在压力的大幅度变化，最大煤层产水量高出最大井筒排水量25%.同时，根据生产数据通过机理模型模拟了沁水盆地TS井组XX井的井筒排水量和煤层产水量的差异对生产造成的影响，结果表明，将井筒排水量等效视为煤层产水量会加快地层压降的速度，见气时间提前79 d，同时产气高峰时间提前180 d.研究认为，在煤层压力改变时，井筒排水量不等于煤层产水量，将井筒排水量等效视为煤层产水量会对煤层气井的动态分析、生产制度的确定和实施以及数值模拟均带来错误的影响。

煤层气；排水量；产水量；动液面；井筒储集效应

煤层气的生产状况分析主要是通过动态分析[1-3]、物质平衡[4-6]以及数值模拟[7-9]等方法实现。由于动态分析方法需要数据较少，而且所需参数容易获取，因而成为常用的矿场分析方法之一[10-12]。但是煤层气生产动态分析必须建立在准确的生产数据之上，而通常是将井筒排水量等同于煤层产水量，因此，将会使煤层气井动态分析过程中的见气时间点、产气高峰到达时间以及压降漏斗分布等关键参数分析不准确。本文基于煤层气的井筒储集效应，分析了不同动液面变化情况下所对应的煤层气井井筒排水量与煤层产水量的差别，建立了煤层产水量修正公式，并利用沁水盆地TS井组XX井的生产数据对煤层产水量进行计算，同时根据生产数据通过机理模型模拟了井筒排水量和煤层产水量的差异对生产造成的影响。

1　煤层气的动态分析方法

大多数煤层气井开采过程中具有比较统一的排采特征[13-14]。在达到产气高峰前的早期流动主要可以分为3个阶段（图1）：第一阶段为排水降压阶段，裂缝中只有水相流动，储集层压力持续降低；第二阶段为压力降至临界解吸压力阶段，煤层气开始解吸出来，裂缝中存在着气水两相，但气体饱和度较小，流动仍为单相流动；第三阶段为产气量上升阶段，裂缝中气水两相同时流动，气井逐渐开始大量产气。

图1　煤层气井达到产气高峰前的早期流动阶段

煤层气动态分析应建立在准确的产气和产水数据基础上。煤层气井井筒排水量的大小直接影响到煤层的压降速度和压降范围，而压降的情况又决定煤层气从基质中解吸的速度。因而井筒排水量对煤层气的见气时间、产气量均有影响。

煤层气井的排水量是指泵在油管中抽出的水的体积，而煤层的产水量是指煤层中水由于压差作用向井筒流入的体积。动态分析中，主要关注的是代表储集层产水能力的产水量，目前普遍将煤层气井井筒的排水量视为储集层的产水量。由于井筒储集效应，为储集层的产出水提供了暂存的空间，而从油管中排出地层水的多少主要受现场工作制度的影响，二者并不完全相等。因此，煤层气井动态分析中不能把煤层气井井筒排水量直接等效视为煤层产水量。

2　井筒排水量与煤层产水量分析

煤层气井套管内由于井筒储集效应，存在着动液面（图2a）。气井开始排水后在压差作用下，储集层裂缝中的水不断的向井筒中流动，并在井筒中聚集，直到套管中的井底流压与储集层压力达到平衡，而此时井底流压为井口套压与动液面的静液柱压力之和[15]

式中pwf——井底流压，MPa；

pw——井口套压，MPa；

ρ——水密度，g/cm3；

h——井底至动液面高度，m.井筒中排出的水和煤层产出的水均来自于煤层，但由于井筒储集效应，煤层气井的井筒排水量不一定等于煤层产水量。在排采过程中，动液面的高度会随着工作制度和煤层供液能力的变化而下降或者上升（图2b），即井筒中储集的水也会降低或者增加。故井筒的排水量应为煤层的产水量与井筒中储集水的变化量之和，而井筒中储集水变化量为套管面积与油管面积之差与动液面变化高度的乘积，即

式中q产——煤层日产水量，m3/d；

q排——气井井口日排水量，m3/d；

ΔA——套管面积与油管面积之差，m2；

Δh——井筒中动液面日变化的高度差（动液面下降时Δh为正值），m/d.

图2　井筒排水量与煤层产水量关系

当Δh大于0时，动液面下降，其贯穿于煤层气生产的整个过程，在煤层气排采的第一阶段幅度最大。此时由于地层的产水速度低于煤气井的排水速度，煤层中新产出的地层水量不足以及时补充井筒中被排出的水量，造成井筒中储集的地层水减少，动液面下降。根据（2）式，此时井筒排水量大于地层产水量，且排水的速度越快，二者之间的差值越大。即在煤层气井中，当井底流压下降时，井筒排水量大于煤层产水量。

当Δh为0时，动液面高度不变，常规油气藏中的定压生产即属于此种情况，其对应的井底流压也不会改变。此时井筒排水量与煤层的产水量达到平衡状态，即在井底流压不变时,井筒排水量等于煤层产水量。

当Δh小于0时，动液面上升，这种情况主要发生在煤层气井关井期间、抽排速度过低的工况下或者煤层供水能力较高时。由于井筒排水量低于煤层的产水量，新产出的液体不能够及时排出井筒，留在井筒中聚集，此时动液面升高，对应的井底流压也上升。即在井底流压上升时，井筒排水量小于煤层产水量。

因此，在常规气藏定压生产阶段时，由于其井筒内动液面不会改变，井筒排水量在大多数时候等于煤层产水量。而在煤层气井中，由于压力波动较为频繁，井筒排水量大多时候不等于煤层产水量。

3　实例分析

3.1井筒排水量与煤层产水量差异比较

以沁水盆地TS井组XX井生产数据为依据，按照（2）式修正得到煤层日产水量，对煤层日产水量与井筒日排水量二者之间的差异进行比较（图3a）。在气井排采第一阶段，由于井筒大量排水，井底压力下降较快，井筒日排水量与煤层日产水量差异较大，其差异幅度最高达到了井筒日排水量的72%；在气井生产的第二阶段和第三阶段，煤层最大日产水量高出井筒最大日排水量的25%.

图3　沁水盆地TS井组XX井井筒日排水量和煤层日产水量及其差值与压差的关系

煤层产水量与井筒排水量差异最大的点主要发生在第一阶段，是由于此阶段煤层气井井筒大量排水所致，此阶段中井筒排水量与煤层产水量最大差异幅度达到了井筒排水量的72%；而在煤层气井生产的第二阶段和第三阶段，由于压力并不是稳定的下降，存在压力的大幅度变化，造成了最大煤层产水量高出最大井筒排水量25%.最大产水量是煤层气井动态分析过程中关键参数之一，最大产水量带来的压力激动对煤层中压降分布以及产气峰值均有重要影响。因此，产水量数据的准确性对煤层气动态分析及数值模拟研究具有重要意义。

井筒排水量与煤层产水量差异大小与井底压力变化的幅度呈正相关关系（图3b）。通过煤层产水量计算公式，煤层产水量和井筒排水量的差值是由井筒储集效应造成的，压力变化越大，井筒排水量与煤层产水量的差值也越明显。

3.2数值模拟分析

为计算井筒排水量和煤层产水量的差异对生产的影响，以沁水盆地TS井组XX井地质资料为依据，建立均质煤层的地质模型，表1为基础参数。模拟的煤层气井位于模型储集层的中间位置，将井筒排水量和煤层产水量分别导入模型用定水量的方式进行生产，模拟XX井自开井生产以来3 a的生产过程。

表1　均质煤层地质模型基础参数

在煤层气井生产的第一阶段，由于煤层产水量和井筒排水量之间较大的差异，在定井筒排水量和定煤层产水量2种生产模式下的见气时间点和初期产气量均不相同（图4a）：定井筒排水量生产模式下XX井排水75 d即可见气，而定煤层产水量生产模式下XX井需要排水154 d才能见气；在第二阶段和第三阶段，定井筒排水量和定煤层产水量2种模式下产气量基本相同，但产气高峰时的产量与时间均不同。而在煤层气动态分析中见气时间点和产气高峰均为重要的参考点，因而把井筒排水量作为煤层产水量对生产所产生的影响不可忽略。

煤层气生产一般需要人造压裂缝，在定井筒排水量和定煤层产水量2种模式下的见气时刻，沿垂直于压裂缝方向的压降漏斗（图4b）也具有较大的差异。由于此时刻处于第一阶段，煤层气井大量排水，压力下降较快，井筒排水量大于煤层产水量，二者井底流压差距达到23%，同时定井筒排水量生产模式下压降传播距离达到175 m，而定煤层产水量生产模式下仅有125 m.

因此，不能把井筒排水量等效视为煤层产水量。否则在煤层气井生产的第一阶段会出现煤层气井见气时间点提前、产气量偏大等问题。而在煤层气井生产的第二阶段和第三阶段则会出现产气高峰到达时间延后、最大产气量不相等以及压降漏斗传播距离偏大等问题。

图4　定井筒排水量和定煤层产水量2种模式下的生产差异

4　把井筒排水量视为煤层产水量产生的弊端

煤层气排采过程中，把井筒排水量等效视为煤层的产水量，会对动态分析、生产制度以及数值模拟均产生影响，主要表现在以下3个方面。

（1）对动态分析的影响煤层的排水量对煤层的压降速度和压降范围具有直接影响，进而对产气量和见气时间产生影响，同时煤层的含水率对煤层气的运移能力和赋存状态具有重要影响[16]。由于在煤层气排采过程中井筒排水量和煤层产水量会随着动液面的变化而出现不相等的情况，通过排水量而计算出的煤层含水率将会不等于煤层的实际含水率。因此，在动态分析过程中，对井筒排水量和煤层产水量不加以区分，将不能准确地反映储集层的渗流状况。

（2）对生产制度的影响矿场上煤层气井的排采制度主要是通过调整抽油机的冲程和冲次来实现对煤层产出水的抽排，制定的生产制度也是针对煤层产出水的排采控制方案。而由于井筒排水量不一定等于煤层产水量，仅仅只关注井筒排水量则不能完全实现对煤层产出水的排采控制，因此，通过研究排水量与产水量的关系，可以通过控制排水量的方式较好地控制产水量，从而调节生产制度。

（3）对数值模拟的影响建立数值模型的过程即是通过生产数据不断对模型进行调整的过程，最终使数值模型的模拟结果与生产数据达到一定吻合率，这个过程即称为历史拟合。而数值模型中计算的结果是煤层的产水量，现场得到的生产数据是井筒排水量，不区分排水量与产水量将会导致历史拟合过程不能顺利准确的进行，所建立的数值模型也与储集层的实际情况有一定的偏差，最终导致用数值模型所进行的产能预测以及动态分析结果与实际情况均会有一定偏差。

例如，在计算实例中，煤层气井早期通常大量排水，但主要排出的是井筒中的水，在排水量为4.0 m3/d的情况下，煤层产水量只有2.5 m3/d左右，若仍然按照4.0 m3/d的产水量进行历史拟合：则将孔隙度调整为原始孔隙度的1.3倍，渗透率调整为原始渗透率的2.8倍的情况下，模型中煤层气井第一阶段最高产水量可以达到3.8 m3/d，与历史生产数据基本吻合，但在生产的第二阶段和第三阶段模型中煤层气井产水量仍高达2.3 m3/d，而历史生产数据中煤层气井在第二阶段和第三阶段最高产水量仅为1.4 m3/d，故而用井筒排水量进行煤层气井数值模型的历史拟合将为模型带来错误的调整。

因而，根据井筒排水量、井筒动液面高度、套管半径以及油管半径数据，利用（2）式准确地计算出煤层产水量，这对于煤层气井的动态分析、生产方案的实施以及数值模拟均具有重要意义。

5　结论

（1）井筒中动液面变化时，井筒排水量不一定等于煤层产水量，动液面上升时，排水量小于产水量；动液面下降时，排水量大于产水量；而动液面保持不变时，二者相等。

（2）井筒排水量与煤层产水量之间的误差与压差的大小呈线性关系。压差越大，对应的井筒排水量与煤层产水量之间的误差也就越大。

（3）井筒排水量与煤层产水量的误差主要集中在煤层气井生产时压力变化较快的第一阶段，将排水量等效视为产水量会出现见气时间点提前，产量偏大等问题。

（4）在第二阶段和第三阶段由于煤层气井压力变化幅度较小，排水量和产水量之间的误差对其生产的整体情况不会造成太大的影响，但对产气高峰的时间点和产量会造成影响。

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（编辑杨新玲）

Water Discharge from Coalbed Methane(CBM)Well May Not Be Equal to Water Production from Coalbed

DENG Peng，PENG Xiaolong，ZHU Suyang,WANG Chaowen
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu,Sichuan 610500,China)

The water discharge from CBM well is usually regarded as the water production from coalbed during dynamic analysis of this kind of wells.Based on wellbore storage effect,the paper analyzes the relationship between water discharge from wellbore and water produc⁃tion from coalbed,compares the 2 water productions with different working fluid levels,concludes that wellbore water discharge may not be equal to water production from coalbed and establishes a modified formula of coalbed water production.Then the calculation results of the production data from Well XX of TS well group,Qinshui basin show that there is an obvious gap between wellbore water discharge and coal⁃bed water production during the first production stage with the peak value difference reaching 72%of wellbore water discharge;the maxi⁃mum coalbed water production is 25%higher than the maximum wellbore water discharge due to sharp pressure variations at the second and third production stages.Meanwhile,the influence of the difference between wellbore water discharge and coalbed water production on production is simulated with a mechanism model and based on production data in Well XX of TS well group,Qinshui basin.The result shows:if the wellbore water discharge is considered to be equal to the coalbed water production,coal seam pressure drop rate will be accel⁃erated,the gas breakthrough time will be 79 days in advance and the peak of gas production will be reached 180 days in advance as well.It is concluded that the water discharge from CBM well is not equal to the water production from coalbed when the pressure changes in the coal bed.Otherwise,dynamic analysis,production system determination and implementation and numerical simulation for CBM wells will be wrong.

CBM;water discharge;water production;working fluid level;wellbore storage effect

TE332

A

1001-3873（2016）06-0715-05

10.7657/XJPG20160615

2016-05-10

2016-08-23

国家自然科学基金（51504205）；国家科技重大专项（2016ZX05066）

邓鹏（1990-），男，四川江油人，硕士研究生，油藏工程和渗流力学，（Tel）13684028032（E-mail）362759480@qq.com