鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采接替方案优化

2023-01-07朱苏阳张芬娜

煤炭学报 2022年11期

张健，申建，朱苏阳，张芬娜

(1.中海油研究总院有限责任公司非常规研究院，北京 100028；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；3.西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都 610500；4. 中国石油大学(华东) 机电工程学院,山东青岛 266580)

鄂尔多斯盆地东缘发育多套煤系非常规天然气储层，纵向上煤层气、致密砂岩气和过渡相页岩气储层呈现叠置赋存特征，具有良好的勘探开发潜力[1-4]。通过多层同井筒合采能够有效解决单层厚度小、单独开发产能低、综合效益差等问题，提高单井产气量和地下资源动用率。但是煤层气和致密砂岩气层具有不同的初始流体赋存状态、岩石性质、渗流能力以及开发方式[5-10]；复杂的储层接触关系导致合采过程中层间干扰严重影响气井产能[11-12]。目前煤系气的合采研究重点关注以静态地质参数形成的“合采窗”[13-14]以及合层压裂开展的合采可行性评价等方面[15-16]，对煤层气和致密气储层长期合采导致的储层压力影响和干扰特征、合采优化设计等缺乏深入研究。

笔者针对鄂尔多斯盆地东缘临兴区块，研究煤层和致密砂岩层在不同接触关系下的耦合流动、压力分布、产能干扰、层间接替及井筒耦合等规律，基于互层连通、近距耦合和远距扰动的三重耦合作用，采用数值模拟方法，阐明不同耦合关系条件下的动态合采特征，优化层位组合与接替方案，提出了合层排采工艺设计和设备选型方法，探索了煤系气高效合采模式，为加大我国煤系气综合勘探开发提供技术支持。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地东缘上古生界发育多套非常规天然气储层，包括有太原组和山西组2套煤层气储层和本溪组、太原组、山西组、上下石盒子组以及石千峰组的致密砂岩气储层[3,9]。除此之外，近年在太原组和山西组的煤系页岩中也发现了海陆过渡相页岩气。笔者选取目前作为主力开发层段的上下石盒子组中的盒4段和盒8段，以及山西组、太原组和本溪组中的砂岩、煤岩和页岩作为评价层段。这些层段主体储层类型、气层厚度和测井渗透率见表1。

表1 研究区目标气层分布

根据表1可知，研究区域致密气藏和煤层气藏厚度小，孔渗条件差异大，需要对石盒子组的致密气以及山西组、太原组和本溪组的煤层气开展精细地质建模并分析组合情况。

2 产层组合划分

2.1 产层地质模型建立

基于多重相控建模技术，根据沉积微相划分和对砂体的控制程度，研究通过Petrel软件，建立了研究区叠置气藏高精细地质模型，表征了临兴地区的煤层和致密砂岩层的不同空间地质接触关系。建模面积约为272.2 km2，共有天然气井数14口，井距为2～10 km，综合考虑开发井设计密度的需要，模型平面网格步长取50 m×50 m，东西方向网格数为314个，南北方向网格数为372个。目的层山西组、太原组和本溪组，厚度为197 m。考虑有效储层垂向厚度分布情况，将垂向网格平均厚度定为1 m，精细模型最终网格数为23 011 176个。储层相模型为储层内部不同相类型(沉积相、岩相或流动单元)的三维空间分布，该模型能定量表征储集体的大小、几何形态及三维空间分布，岩相建模可以反映不同的岩石类型的几何形态及其在三维空间的展布，研究区发育有泥岩、砂岩、煤、灰岩和白云岩(较少)，因此本次岩相建模的过程中应用了相应的4种岩相参数。相模型的建立首先对测井解释的岩相数据进行离散化，针对离散型数据的特点，采用最优法选择每个网格上出现最多的离散值作为粗化后的岩相值。结合沉积相图，首先将研究区16张沉积相图数字化，将有利砂发育的微相归为一类，横向约束模型砂层的分布，然后通过层位控制，进行变差函数数据分析，对储层展布进行约束。本次岩相模型采用序贯指示模拟方法，并通过纵向岩相概率曲线和沉积相图进行约束，通过模拟运算，得到了岩相模型。在以上相控分析基础上，采用序贯高斯模拟方法筛选出最符合地质体实际情况的储层含气饱和度模型和渗透率模型，结果如图1所示。

图1 临兴地区叠置气藏地质模型物性栅格场Fig.1 Property lattice field of multi-layeredgas reservoir in the Linxing block

根据示范区地质模型，地层自上而下依次为山2、山2上、4+5煤层、山2下、太1、太2、本1、8+9煤层、本1下、本2，临兴地区储集体含气饱和度分布较均匀(图1(a))，气藏渗透率非均质性强(图1(b))，需要深入分析以判断合采的可行性。以上基于Petrel软件建模的结果定量刻画了各类储层不同属性的空间展布特征，为产层组合优选和物理建模提供了地质基础。

本溪组、太原组及山西组的煤层为煤系气烃源岩，煤岩附近均发育了含气性较好的低渗和致密砂岩，二叠系下统的煤岩在地质演化过程中，多期充注上方的致密砂岩，形成了上石盒子组(盒4)及下石盒子组砂岩(盒8)的主力气层[17-18]。根据栅格模型的饱和度(图1(a))和渗透率(图1(b))分布情况，可以获取研究区首选单采的主力气层为上石盒子组的盒4段致密砂岩和下石盒子组盒8段致密砂岩气藏。另外，山2段、太原组和本溪组的致密砂岩气藏产能较差，但也可以作为次级可选的单采气藏。本溪组8+9号和山西组4+5号煤层可以作为接替气藏。

2.2 静态产层组合

煤系中煤层和致密砂岩层叠置分布，产层归类组合是合采研究的基础。临兴地区纵向上储层物性差异大，综合考虑不同合采方式，提出了地质工程结合开发工程的产层组合模式，考虑以下3个方面。

(1)储层地质条件。优选产层组合分布特征，如埋藏深度，储层展布、砂体大小等。优先组合物性条件，如孔隙度、渗透率、含气饱和度/含气量、储层压力、储层厚度等，增加合采开发效率。

(2)层间干扰影响。产层组合应避免层间压力差较大引起的产气抑制、水侵伤害等问题，优选压力接近的储层进行组合。应力干扰：不同岩性储层叠置分布时，储层岩石力学参数影响压裂缝扩展形态，进而影响合层压裂效果，优选近距离接触的储层作为整体开发。煤粉干扰：煤粉易堵塞渗流通道造成卡泵等事故，避免将易出煤粉煤层与疏松砂岩层进行合采。

(3)合采生产方式。距离较近的互层可通过压裂缝直接连通进行组合开发，储层相距较远时可通过井筒将储层连通实现合采。管柱结构：管柱设计优化以长期适用为原则，需考虑产层接替或层位调整需要，满足煤层气排水降压和致密气直接产气的要求。

根据产层组合的3个基本原则以及示范区地质模型中的参数特征，研究可以确定盒8段单采+山/本/太2段合采接替、盒4段单采+山/本/太2段合采接替、盒4/8段合采+山/本/太2段合采接替、本/太2段合采+盒4/8段合采接替、山/太2段合采+盒4/8段合采接替、山/本/太2段合采+盒4/8段合采接替、太2段砂岩气单采+盒4/8段合采接替、本2段砂岩气单采+盒4/8段合采接替以及山2段砂岩气单采+盒4/8段合采接替的9种静态合采和接替方式。

3 合采耦合模式与传质机理

根据静态地质特征的合采层位组合和可压性筛选，合采初期不会存在明显的干扰，然而，在生产一段时间后，单层气藏由于亏空程度不同和压裂缝沟通效应，出现明显的储层动态干扰问题，需要通过多层合采的储层耦合干扰方式进行分析研究。

3.1 合采耦合模式

针对研究区主要存在的煤层和致密砂岩层完全接触、煤层和致密砂岩被压裂缝间接沟通以及在井筒中连通的致密砂岩层3种耦合方式，建立了吸附层-基质-割理-压裂缝-井筒流动的煤层气传质链模型，以及微孔隙-微裂缝-压裂缝-井筒流动的致密气传质链模型，将鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采干扰分为互层联动、近距耦合和远距扰动3种类型，如图2所示。

图2 临兴地区煤层气-致密气合采的3种耦合干扰模式Fig.2 Three interference types of production from tight gas and coalbed methane from Linxing block

根据传质链耦合模型可知，决定产量的关键因素为传质链节点上通量最小的节点，耦合作用降低了煤层气和致密气合采的初期效果，但有利于长期稳产目标。

(1)互层联动。互层联动主要指煤层和致密砂岩直接接触的耦合干扰情况。鄂东地区的致密砂岩气主要是由下部煤层在热演化过程中多期充注形成，客观上存在游离气的运移通道。在合采过程中，解吸出的煤层气通过扩散和浮力作用向致密砂岩层流动，产气峰值会出现滞后。该现象主要出现在山西组的致密砂岩和山西组、太原组的煤层微纳孔隙内的气体压力联动过程，是煤系气藏圈闭特殊条件下游离气产出导致的储层内部压力干扰。

(2)近距耦合。近距耦合主要指煤层和致密砂岩在压裂缝沟通的间接接触耦合干扰情况。目前煤系气求产通常采用合层压裂，压裂缝在井筒附近连通了不相邻的煤层和砂岩层，造成压力、温度等形成干扰。该现象主要发生在山西组和下石盒子组的致密砂岩层和山西组的煤层之间，源于压裂缝沟通导致的近井地带气-水越层窜流，间接接触模型表征排采过程中压力扰动对煤层气生产动态的影响。

(3)远距扰动。远距扰动主要指相隔较远的气藏在井筒中沟通的耦合干扰情况。煤层和致密砂岩层相距较远时，储层之间不易产生干扰，进入井筒后，煤层产出水及煤粉对致密砂岩和泥页岩储层造成水敏、堵塞等伤害，致密砂岩气携液能力差异导致的井底积液造成煤层气解吸困难。该现象主要发生在太原组、本溪组的煤层气和石盒子组的致密砂岩气之间，表现为间距较远的储层产出水对彼此物性的伤害作用。

3.2 耦合传质数学模型

不同储层孔隙度、渗透率、毛管力、相渗曲线、吸附-解吸-扩散规律等差异明显，造成以下问题：① 逐层建立三维地质模型网格数量巨大；② 采用地质模型网格粗化减少计算量时，以单一粗网格属性代替多个精细网格值，不能反映不同类型岩石的渗流差异。为了解决上述问题，将不同储层视为不同种连续介质，建立互层状双重介质模型，一方面能够反映不同岩石的渗流差异，另一方面减少数值模型的网格数量，以提高模拟计算的效率。

模型假设条件为：① 中-高阶煤层是由气相吸附层、基质孔隙系统和裂缝系统构成；② 基质是煤层气的存储空间，裂缝-割理系统是流体的流动通道；③ 煤层气吸附符合Langmuir等温吸附原理，解吸为瞬态；④ 煤储层为均质、各向异性；⑤ 气、水在裂缝中的流动符合Darcy定律，气体在基质中的流动符合Fick扩散定律；⑥ 开采过程中煤层温度及上覆地层压力保持恒定。

3.2.1 改进窜流模型

储层中气相连续性方程：

(1)

水相连续性方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，A为接触面积；km1为介质m1的渗透率，10-15m2；Pm为基质内气体的压力，MPa；Pf为裂缝内气体的压力，MPa；Mg为气体的摩尔质量，kg/mol；Dk为扩散系数，kg/(m2·s)；C为气体摩尔分数，mol/mol。

裂缝的渗透率远大于基质，窜流量只与基质的渗透率有关，互层状双重介质模型中不能直接引用Kazemi的窜流模型。2种储层界面处的压力计算，需要联立2种岩层的窜流量计算，以Darcy窜流为例，其中，l代表气或水。

(6)

式中，km2为介质m2的渗透率，10-15m2；Pm1，Pm2为介质m1，m2的渗透率；n1，n2为2种储层介质的厚度。

3.2.2 井筒传质模型

气井生产时的井底流压由井口压力、气柱重力和井筒流动所产生的压力损失3部分组成，井底流压通常通过井底压力计实测或井口压力计算获得。推导垂直管流井底流压的一般表达式为

(7)

其中，d为油管内直径，m；p为井筒气体压力，MPa；Z为井筒气体偏差系数；T为井筒内绝对温度，K；f为Moody 摩阻系数；qsc为标态下气产量，m3/d；H为油管下到气层中部深度，m；γg为气体相对密度。井筒温度、气体偏差系数采用平均值，积分可得

(8)

结合气相连续方程、水相连续方程、压裂缝的连续方程、水相的运动方程、气相运动方程、裂缝系统气-水毛管压力方程、裂缝系统气-水饱和度方程、基质孔隙系统气-水毛管压力方程、基质孔隙系统气-水毛管压力方程，以及煤层气流动模型的内边界条件和煤层气的外边界条件建立耦合流动数学模型。其中，地质建模中(图1)包含了气层、含水气层和水层的模型信息，数值模拟中，模型的外边界统一为封闭边界，模型的内边界为井模型；历史拟合中，模型的内边界为定产气量边界(第2类边界条件)；产能预测中，模型的内边界为定流压边界(第1类边界条件)。近距耦合模拟中，通过在数值模拟软件中嵌入式离散裂缝的形式模拟压裂缝对上下气藏和水层的沟通情况，不需要建立新的数学模型进行描述。

4 合采接替方案优化

研究区域内气井的生产历史存在大量产水的情况，而大量产水明显降低了气井的合采效率，导致了气井提前关井。因此，研究需要明确有水气藏合采过程中的井筒生产条件，通过井内工具和管柱的优化，对井筒举升液体能力的上限进行分析研究，以明确气井生产过程中的关井条件。

4.1 合采管柱设计及排液效果分析

研究区叠置气藏多为煤层等烃源岩在下，致密砂岩等储集层在上，垂向距离较近，压力体系和物性接近，可以采用合层压裂、同压力体系开发的生产模式；垂向距离较远时，则构成2个组合成藏系统，单层开采不具有经济开发价值，可以采取基于井筒压力控制得当的自然接替生产模式，提升气田开发效益，研究提出了一种基于气举管柱的同井筒两气合采管柱与设备，如图3所示。

图3 气举合采管柱结构Fig.3 Structure diagram of gas lift commingled production string

该气举合采管柱采用“油管+封隔器+单向阀+气举阀”的闭式气举管柱结构，既可以防止合采过程中的层间压力干扰，又能利用下部致密气的气源，举升煤层和致密砂岩中的产出水。气举排液方式选择反举，封隔器防止高压致密砂岩气对煤层动液面造成压敏伤害，单向阀避免致密气进入油管对煤层造成压力干扰，防止油管内煤层产出液回流。

将上述气举设备进行室内物理模拟，以分析合采管柱的排水效果。实验采用鼓风机气量进入聚气腔模拟上部高压气层，单向阀模拟气举阀，供水系统模拟煤层和致密气层的产出液。物理模拟过程中，矿场和室内模拟的管柱长度比470∶1，直径比1.25∶1，压力比为58∶1，液量相似比为1∶1。实验模拟得出不同气举压力下实验气量与携带液量的关系，如图4所示。

图4 不同气举压力下实验气量与携带液量的关系Fig.4 Relationship between gas volume and liquidvolume under different pressures

室内模拟过程中的携带液量随着气量增加整体呈上升趋势(图4)。随着携带液量增大，所需气量增大，且液量越大，所需气量增幅越大。根据图4可以明确气体在不同流速条件下的最大携带液量，以确定气井在不同产水情况下的生产上限。该气举管柱在示范区应用取得了良好效果，实现了开发方案优化过程中得到的山西/太原/本溪组致密气和煤层气合采的生产方式。

4.2 合采优化技术流程

煤层气-致密气合采产能预测基于三维地质模型，标定单层的产量数据和地质数据。模型的初始设置主要包括初始气水分布，岩石孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力、压缩性，天然裂缝分布，应力场分布和气体物性参数[19-22]。结合压后裂缝长度、方位、导流能力等数据，设计合理的煤层气-致密气合采技术方案，技术流程如图5所示，根据图5，研究根据地质模型中得到的静态产层组合，以及多层合采耦合传质数学模型，对静态产层组合方式进行产层组合与接替方案进行优选。

图5 煤层气-致密气合采产能预测技术流程Fig.5 Technique workflow of productivity forecast onconcurrent production from tight gas and coalbed methane

4.3 组合接替方案优选

根据地质工程的静态产层组合研究结果，优选研究区致密气：盒4段、盒8段、山2段；煤层气：太2段、本2段进行产层组合与接替模式设计。

将压裂改造方式与层位接替正交组合完成开发方案，根据现场实际情况：单井初期配产1×104m3/d，裂缝导流能力25 μm2·cm。当先生产下部山西组/本溪组/太原组的致密气和煤层气时，为了避免出现下气倒灌干扰，接替时机的标准为：山西组/本溪组/太原组相较于石盒子组的压力差异不大于1.2倍。当先生产上部石盒子组的致密气时，接替时机的标准为：山西组/本溪组/太原组相较于石盒子组的压力差异不大于0.4倍。正交试验设计见表2。

表2 压裂改造程度与层位接替正交组合试验

4.4 优选结果分析

压裂缝模拟采用新一代商用数值模拟器tNavigator中的嵌入式离散裂缝方式进行模拟，研究提出的耦合传质数学模型，可以采用tNavigator中的窜流系数进行等效模拟。根据表2中不同接替方案与压裂改造方式的正交组合，对静态产层组合结果进行20 a的模拟生成计算，分析采出程度结果见表3，最佳层位组合与接替方案为：山2/本2/太2段合采+盒4/8合采接替，最佳压裂改造方式为裂缝半长180 m，裂缝高度40 m。合采过程中，造长缝的压裂方案虽然增加了单层生产能力，但是储层纵向动用效果不佳，20 a采出程度最低；以缝高换缝长的改造方式虽然纵向连通程度较好，但会导致单层动用效果差，采收程度不是最佳。由表3可知，盒4/盒8合采干扰程度较弱，山2/本2/太2段合采干扰程度较强，合采和单采的采收程度差别不大。

表3 正交组合方案20 a采出程度对比

由于压力不匹配导致的下气上灌，盒4/8段合采与山2/本2/太2段合采的相互接替方案，先采下部气层方案的采出程度均明显高于先采上部气层。对于最佳的压裂改造方式c，5种接替方案的生产动态如图6所示。当盒4、盒8先合采，山2、本2、太2段的煤层气和致密气接替时，全部气层合采接替的效果最好，此时上部气层压力下降幅度较小，后期下气上灌的程度有限，虽然发生一定的互层联动干扰，但是互层联动干扰并不影响长期的累产气量。而单层生产时，储层压力下降明显，接替后产气量增加幅度不高，但是递减较慢，这是下气上灌的明显表现(远距扰动)。

图6 临兴地区煤层气-致密气不同产层组合采产能预测Fig.6 Technique workflow of productivity forecast on concurrent production from tight gasand coalbed methane in Linxing Block under different formation combination

根据数值模拟过程可知，本2/太2段的煤层和致密砂岩存在明显的互层联动效应，互层联动过程并不会明显影响2层合采的效率，山2段的煤层和致密砂岩之间存在近距耦合的压裂缝沟通效果。当下部气层山2/本2/太2段先合采时，压力与上部气层盒4/盒8段压力匹配程度较高，上下2个位置的气层合采不会带来明显的气体倒灌，生产效果明显优于其他接替方案。对于致密气储层产水干扰问题，采用煤系气合采管柱设计和合采排液效果进行综合分析，以确定部分高产水气井的关井时间。先以山2段致密气产气作为气举气源，通过气举阀进入油管举升进行太2段煤层排水降压，实现山2/太2段合采；其次，随着煤层排水降压本2段煤层气达到临界解吸压力开始产气，进行接替开发；最后通过井口压力控制实现盒4/8致密气合采接替。通过同井筒排水管柱设计和优化，避免致密气合采中的各层产水干扰，实现山2/本2/太2合采+盒4/8合采接替优化。由此可知，根据静态地质参数得到的产层组合和接替方程，在动态生产过程中会出现明显的耦合干扰，并影响气井的生产效率，需要通过数值模拟的方案，以气藏动态的角度，优选不同的层位组合与接替方法。