基于干扰试井技术的煤层气储层参数测定_景兴鹏.pdf

第 46 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.6 2018 年 12 月COALGEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract In order to remedy the problem of point replacing surface in the results of traditional injection pressure drop test, a CBM reservoir parameter measurement based on interference well testing was proposed. The basic principle, test and data analysis basis were described. Taking a well group composed of a stimulation well and 4 observation wells in the south of Qinshui basin as example, the results of earlier injection pressure drop and historical fitting of the well group were compared to the results of interference well testing and analyzed. The results showed that the permeability of different measurement points of the well group approximated the permeability from historical fitting using production data and was higher than the permeability measured from injection pressure drop, but the permeability obtained by the three s was of the same order of magnitude. The CBM interference well testing technology may reflect the characteristics of the regional permeability distribution of the tested well group consisting of 5 wells, at the southeast direction in the region, i.e the direction of development of the principal fracture, the permeability was higher. By combining the parameter values measured from the three s, it can be known that the CBM interference well testing can get not only the parameter value of the discrete points, but also the regional connectivity of well group and advantageous seepage direction, the results are helpful to know the regional reservoir parameters, provide direct data basis for the layout of further well grid and production wells. Keywords coalbed methane, interference well testing, permeability, semi-logarithmic analysis ChaoXing 第 6 期景兴鹏等 基于干扰试井技术的煤层气储层参数测定97 煤层气井试井就是对煤层气井进行测试，测试 项目包括储层动态的产量、压力和温度等。试井的 基础学科是渗流力学，其是通过数学的手段和现代 化测试技术对煤储层进行全面分析，从而对煤层气 储层参数做出准确的科学评价[1-3]。随着现代科学技 术和材料设备的不断更新发展， 煤层气试井储层参数 测试技术也出现一些新的研究成果和理论。 现阶段对 于试井技术的前期设计、 微破裂和水压致裂数据的基 本模型和数据处理方式进行了研究和分析[4-5]。刘立 军[6-7]等对注入压降的测定过程以及渗透率敏感性 影响因素进行了细致分析和研究。一些学者[8-9]对于 不同完井方式下的注入压降测定的结果和过程进行 对比分析，并提出不同完井方式下的试井适应测试 方法。国内通过试井方法对其研究区域的储层参数 进行综合分析和研究[10-11]。杨怀成等[12]对煤层气井 注入压降试井技术进行评述和问题分析。景兴鹏等[13] 提出了流体注入诊断测试的煤层气试井技术和方 法。 A. P. Bunger 等[14]研究和分析注入系统压缩性和 黏性流体流动对水压致裂破碎压力影响。 本文主要针对目前煤层气测试现状，解决传统 注入压降试井测试时间过长、测定数据结果只是表 征储层参数“点”的特征等问题，对煤炭行业内的煤 储层参数测试的技术方法进行改进，提出区别于传 统煤层试井技术方法的煤层气干扰试井技术方法， 补充和促进试井测试技术，为煤层气勘探开发参数 测定提供新的技术。煤层气干扰试井技术方法是利 用传统注入压降试井设备对现有煤层气区域井网进 行测定的一种方法，可以分析出区域参数的基本情 况，动态的了解区域储层的参数，增加了煤层参数 测试的效率并优化了测定技术工艺。 1煤层气干扰试井技术方法 1.1设备构成 煤层气干扰试井技术方法主要沿用了传统煤层 气试井技术方法的测定设备，主要包括泵注设备的 系统装置、高精度压力计检测系统和井组密封系统 3 个部分。泵注设备的系统主要包括高压 5 柱塞 注入泵、调频调速电机、计量水罐、高压管汇、压 力高压阀、流量调节计量阀、压力数值记录表等； 高精度压力计检测系统主要包括压力计托筒、随 井下放工具、高精度压力计等；井组密封系统主要 包括检测井的液压密封系统、井口密封系统和扰 动井的密封系统等。 1.2技术原理 煤层气干扰试井技术方法是最常用的一种多井 试井的特殊化， 在激动井中储层压裂注入一段时间， 在其他检测井中记录井底的压力变化，通过分析检 测井中的压力变化值， 即检测井的干扰信号的变化， 并且利用检测井的压力数据来计算区域几口井的储 层参数及区域参数。试井测试时，一般以一口井作 为激动井，另一口或数口井作为检测井。其测定系 统如图 1 所示。 图 1基于煤层气干扰试井的储层参数测定示意图 Fig.1Schematic diagram of reservoir parameter measurement based on interference well testing of coalbed methane 中国煤层气储层具有低渗低压特征，在进行煤 层气干扰试井测试时，为了达到干扰试井传播信号 的时间，现阶段一般采用的方式为在激动井中注入 高压水压裂，并改变井底的压力工作制度，使激动 井的地层压力产生压力波动常称为“干扰信号”， 在 检测井中检测到激动井压力波动对其检测井的压力 的扰动情况。从检测井接收到激动井“干扰”压力变 化，从激动井和检测井接收到压力变化的时间和规 律，利用专业分析测点数据可以计算得出各个井筒 点的流动参数、测点参数和区域参数。对于一个测 定的煤层气井组区域，在激动井中压裂后“注入加 压”方式改变井底压力工作制度， 当压力传输到检测 井时，用高精度压力计记录压力数据，最终通过分 析压力数据获得区域煤层气参数结果。 1.3煤层气干扰试井的技术步骤 ① 确定区域井组和井别根据区域井组地质 和排采资料，综合分析，估计测试层的基本参数， 对测试井选取几口排采井进行干扰试井测试，并确 定激动井和检测井； ② 干扰试井激动井测试前准备对测试设备、 仪表、压力计等进行性能检验，合格后方可使用； 对测试设备进行检查、保养；封隔器地面装配；依 据测试井的测井结果和压裂深度设计决定封隔器坐 封位置；记录激动井下井的部件及长度； ③ 干扰试井检测井工艺流程根据井组的特 征，在检测井中下入地面直读压力计，并在激动井 开始工作后随时关注检测井压力的变化并记录； ④ 干扰试井激动井工艺流程测试管柱下井， ChaoXing 98煤田地质与勘探第 46 卷 记录下入油管的根数及长度，计算管柱总质量；管 柱下井过程缓慢平稳，遇阻则查明原因，查清原因 并排除后继续下入管柱；测试管柱下井结束，校正 管柱的长度，保证深度无误；安装井口三通设备， 连接其他测试设备；开始管柱试压，压力控制在 4.57.5 MPa，保持压力 30 min 为合格； ⑤ 投球坐封封隔器，坐封后地面加压，检查 坐封情况；准备测试，压力计编程，通过检验程序 后，用钢丝绞车将压力计下入井中预计深度；激动 井注入排量的调节依据设计的要求，调节的基本原 则为排量尽可能保持稳定、调节排量时间不应超过 全部注入时间的三分之一；随时观察激动井注入压 力的变化，选择合适排量的进行注入测试；同时记 录激动井排量的注入时间、注入压力等基本数据； ⑥ 压力观测与关井在检测井中观测到压力 变化后，变化压差在 0.007 MPa 以上；记录变化压 力并在激动井中持续注入一段时间后关井；开始关 井压力恢复测试；关井压力恢复结束后，取出所有 压力计，分析测试数据；对激动井中封隔器解封， 起出测试管柱；完成煤层气干扰试井测试试验。 1.4干扰试井测试数据分析方法 煤层气干扰试井方法的数据分析假设忽略激 动井井筒储存效应和表皮效应，检测井没有表皮效 应。 对于区域井组有以下几个方面的前提假设条件 煤储层无限大没有外边界；煤储层的上下顶底板具 有不渗透边界层；激动井在注入测试前储层保持原 始状态且呈均质性。 根据煤层气试井的储层渗流力学性质，其压力 变化服从扩散方程 2 2 11 3.6 ppp rrt r      1 式中 压力 ppr,t，为 r 和 t 的函数，为 t 时间距离 井筒中心点 r 处压力，MPa； r 为离井筒中心点距离， m；t 为从关井点开始时间，h；η为导压系数。 t K C   2 式中 K 为储层渗透率，μm2；φ为储层孔隙度，无量 纲；μ为流体黏度，mPas；Ct为流体的综合压缩系 数。 由假设条件可知， 式1的定解、 边界条件为式3。 w i i 0 172.8π , r r ppt pq B r rKh ppr             ， （3 式中pi为初始时刻储层压力，MPa；h为储层厚度，m； rw为井筒半径，m；q为井排量，m3/d；B为储层的 体积系数，无量纲。 式1和式3联立求得式4。 2 i , Ei 345.6π14.4 q Br p r tp Kht        4 式中Ei为指数积分函数。 式4用井底流压和压差进行表示，可以得出测 试关井过程中压降表达式  3 wsi p 2.121 10 lg q Bt ptp Khtt      5 式中pws为井底流压，MPa；Δt为关井时间，h；tp 为注入测试时间，h。 在压降曲线中，当tpΔtmax时， ws plg p t tt   曲线成一条直线，直线的斜率m为 3 2.121 10q B m Kh    6 根据式6可以得出渗透率K的表达式 3 2.121 10q B K mh    7 由式5还可以得出当关井时间Δt→时， p tt t    →1， p lg t tt   →0， 因此， wsi pp。把直线段延长，使其与 p t tt   1相交，则相交的数据点就是pi，即储层压力。 利用试井压降公式5和试井测试数据，可分析 得出煤储层的基本参数。煤层气干扰试井的半对数 分析法根据压力数据在半对数分析曲线上画出半对 数直线段，根据直线的斜率m求出压力导数，或者 依据检测井的压力值出现的峰值，由微积分极值原 理求出压力导数。 2煤层气干扰试井技术试验 2.1试验区域基本情况 沁水盆地是煤层气商业开发利用较为成功区域。 该盆地南部含煤地层主要为石炭–二叠系太原组和二 叠系山西组，含煤地层总厚为137.87 m，共含煤 1416层；煤层总厚度为12.79 m，含煤系数9.28， 含可采煤层3层，总厚9.90 m。3号煤层位于山西组 下部，上距下石盒子组底砂岩K8约30 m，下距太原 组K6灰岩5.7115.00 m。煤层中含夹矸12层，煤 层结构属简单类型。 煤层直接顶板为黑色泥岩或粉砂 质泥岩， 底板为粉砂质泥岩或泥岩。 沁水盆地南部构 造总体为走向NW、倾向NE的单斜构造，地层倾角 变化不大，一般014，小型褶皱比较发育，并见 断层及陷落柱；地质构造属于简单类型。 ChaoXing 第6期景兴鹏等基于干扰试井技术的煤层气储层参数测定99 2.2试验情况 在沁水盆地南部某区共布置煤层气干扰试井5 口井组成一个井组图2，其中位于井组中央的 WP-1井作为激动井，其他4口井为检测井。4口检 测井分别为试-1井、试-2井、试-3井和试-4井，其 距离WP-1井的直线距离分布为350 m、220 m、172 m 和156 m。 对该井组进行煤层气干扰试井试验，试验煤层 为山西组3号煤层，煤层埋深626.38631.75 m，有 效厚度为5.70 m，测试层段中部深度629.07 m。对 图 2基于煤层气干扰试井井组井位分布示意图 Fig.2Schematic map of well group distribution based on interference well testing of coalbed methane 激动井WP-1进行清水大排量注入激动测试即干扰 激动信号源，试验持续时间2.65 h。压裂注入过程 压力稳定， 其压力曲线如图3所示， 累计注入量8.45 m3， 最大注入压力18.93 MPa，关井压力14.98 MPa。施 工过程破裂压力明显，其高压泵的注入排量稳定。 检测井试-1、试-2、试-3和试-4的压力变化曲 线如图4所示，由图中可知，试-1和试-2压力变化 较大，激动井压力变化对其影响较为明显，记录压 力最大值和最小值之差分别为2.78 MPa和0.018 7 MPa；试-3和试-4压力变化较小，压差分别为0.002 0 MPa和0.001 6 MPa。 图 3激动井 WP-1 井原始试验压力曲线图 Fig.3The original pressure curve of stimulation well WP-1 图 44 口检测井原始试验压力图 Fig.4The original pressure curve of 4 observation wells ChaoXing 100煤田地质与勘探第46卷 3测试数据分析及结果验证 分析激动井WP-1井和4口检测井的压力数据 时，需借助储层物性参数孔隙度、流体黏度、体 积系数等，这些物性参数主要是由前期勘探采样在 实验室所测，如表1所示。 表 1测试井组试井分析所用参数选值 Table 1Selected parameter values for well testing analysis 参数数值 孔隙度φ 0.04 流体黏度μ/mPas0.96 流体地层体积系数 B1.00 流体压缩系数 Cw/MPa-1 0.0004 综合压缩系数 Ct/MPa-1 0.0224 流体密度ρ/103kgm-3 1.00 井筒半径 rw/m 0.064 根据激动井WP-1压裂时压力数据和该井前期 的注入压降数据，利用煤层气试井PanSystem 3.4.0 分析软件分析，通过流体注入诊断法即煤层气干扰 试井的激动井方法[13]和注入压降法[3-4]可获得渗透 率、储层压力等参数值，同时结合激动井排采数据 拟合的渗透率进行对比分析，其结果见表2。 表 2激动 WP-1 井的 3 种方法测试结果对比表 Table 2Comparison of the test results of 3 s for stimulation well WP-1 方法 参数 储层压 力/MPa 储层压力梯 度/MPam-1 渗透率 K/10-3μm2 表皮 系数 S 注入压降测试1.983.1510-30.038–6.35 干扰试井2.033.2310-30.055–1.51 数据历史拟合0.061 由表2可知，激动井WP-1中，利用注入压降 法和干扰试井法，测得的储层压力分别为1.98 MPa 和2.03 MPa，两者相差不大，由于干扰试井是压裂 后的储层压力分析值，因此储层压力较注入压降测 值稍偏大；激动井2种方法获得的渗透率分别为 0.03810-3μm2和0.05510-3μm2，干扰试井测值比 注入压降法测值稍大，且与后期排采数据历史拟合 值较吻合。由此可知，利用干扰试井法测得的参数， 能够反映储层特征。与传统注入压降法相比，干扰 试井测试结果反映的是区域上参数值，且可反映参 数的大小和方向，弥补了注入压降法“离散散点”以 点盖面问题。 为了提高干扰测试的准确性，一般检测井的压 力差应大于0.007 MPa[3]。 根据4口检测井的干扰压 力数据可知，试-3和试-4压差分别为0.002 0 MPa 和0.001 6 MPa，无法对其进行数据分析。试-1和 试-2压差较大，分别为2.78 MPa和0.018 7 MPa， 激动井压力变化对其影响较为显著。 利用试井半对数分析方法对试-1和试-2井的观测 压力数据进行分析图5，由图5可知，试-1井和试-2 井直线斜率m分别为0.33和1.44，根据式6计算可得 渗透率K 试-1为2.8810-3μm2，K试-2为0.8510-3μm2； 同时结合试-1、试-2、试-3和试-4检测井的前期注入压 降和排采拟合渗透率进行对比分析，其结果见表3所 示。由表3可知，试-1和试-2井的渗透率，干扰试井 和历史拟合测值比注入压降渗透率大，整体的渗透率 也反映了两口井的基本情况。对比试-3和试-4检测井 的注入压降和历史拟合渗透率，其测值相差不大，历 史拟合的渗透率相对比注入压降稍大，也符合注入压 降和历史拟合渗透率的基本规律。 图 5试-1 和试-2 检测井压力半对数分析图 Fig.5Semilogarithm analysis of test wells 1 and 2 表 3不同方法获得的 4 口检测井渗透率结果对比 Table 3Comparison of permeability obtained from different s in 4 observation wells单位10-3μm2 井号注入压降干扰试井数据历史拟合 试-1 1.892.882.23 试-2 0.510.850.91 试-3 0.050.11 试-4 0.080.13 注试-3、试-4 检测井的干扰试井的压差太低，无法分析。 由激动井和4口检测井的干扰试井测定结果可 ChaoXing 第6期景兴鹏等基于干扰试井技术的煤层气储层参数测定101 推断，激动井和检测井的连通性为SE向的试-1和 试-2检测井与WP-1激动井是连通的，且裂隙发育 方向为SE向；试-3和试-4检测井与WP-1激动井 连通性较差，不是渗流的主方向；同时依据式2， 根据干扰试井各测点的渗透率值可得出导压系数， 从而判断区域参数的方向性。 通过以上5口井的煤层气干扰试井试验， 其井组 的基本连通性和裂隙的主方向为SE向，其渗透率较 大。 将干扰试井测试方法测值与注入压降参数测值和 历史拟合参数进行对比验证， 得出干扰试井测定方法 是可行的。 该方法可以很好地测得区域煤储层的参数 特征和分布情况。通过分析干扰试井压力点测试数 据， 可以反映该点渗透率的大小和方向， 与传统注入 压降法相比， 干扰试井测试法既可以反映单井组测点 的离散数据值，也可以对区域井组的连通性进行判 断， 从而判定区域裂隙发育方向， 为后期的井网和排 采井的布置提供较直接的数据依据。 4结 论 a. 基于WP-1激动井和4口检测井测试结果， 对比分析干扰试井法与注入压降法和历史拟合法， 结果表明，依据3种方法测得的储层渗透率相差不 大，干扰试井测值接近历史拟合值，并大于注入压 降法测值，因此，煤层气干扰试井法可以测试储层 渗透率、导压系数、井间连通性等参数。 b. 煤层气干扰试井法获得的渗透率可以反映 试验井组的区域渗透率分布方向，沁水盆地南部渗 透率SE向较大，主裂隙优势发育方向为SE向。 c. 煤层气干扰试井法试验时间较短，方法较简 单， 弥补了传统注入压降试井法的以点代面的问题， 为煤层气开发区生产井网的布置方案提供直接数据 依据。 参考文献 [1] 张新民，庄军，张遂安. 中国煤层气地质与资源评价[M]. 北 京科学出版社，20021–65. 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