煤层气井越流补给的判识方法_张双斌.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 aALGEOIOOY 2.晋城职业技术学院矿业工程系，山西晋城048026 Vol. 41 No.5 Oct. 2013 摘要排水降压是煤层气开发的技术依据，及时判别煤层气井是否存在越流补给，将关乎到排采工作 制度的制定和产气量预测．通过煤层气井不同排采阶段的实际产水量与理论值的比较，并结合套压、 井底流压、动液面和产气量的变化特征，能够快速判识越流补给．若煤层气井实际产水量明显高于 理论值，且开始产气时动液面上升后不再下降，产气量和套压保持在较低水平，则认为该井存在越 流补给．在此基础上，根据动液面、套压和产气量特征划分越流补给井类型，确定合理的后续排采 制度．通过分析沁水盆地煤层气井的排采数据，验证了越流补给井及类型的快速识别方法． 关键词煤层气；排采；压降漏斗；越流补给 中图分类号P618.13文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.05.006 Identifying of leakage recharge in CBM wells ZHANG Shuangbin1气SUXianbo1, GUO Hong叭11 1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. College of Resou陀esand Environmental Engineering, Jincheng 协cationaland Technical College, Jincheng 048026, China Abstract Drainage and pressure lowering are echnical basis for coalbed methane development, and prompt leak- age recharge identification is related to the drainage working system and gas production forecast. Combined with the variation of bottom hole flowing pressure, casing pressure, producing fluid level and gas production of different drainage stages in CBM wells, the existence of leakage recharge is identified by comparison between theoretical and real water production. The paper points out that there is leakage recharge when the real water production is greater than the theoretical value, and the rose fluid level no longer declines after gas production, gas production and casing pressure缸emaintained at a low level. On this basis, according to the characteristics of dynamic fluid level, casing pressure and gas production, leakage recharge types are classified and the subsequent drainage work- ing system is determined reasonably. The production curves of CBM wells show也atthis approach is effective in southern Qinshui basin. Key words CBM；的inage;pressure wdown distribution; leakage recharg 煤层气主要以吸附态存在于煤储层中。根据等温 吸附理论，增温和降压是促使煤层气解吸的两条途 径。由于单井范围内煤储层的温度和性质稳定，只有 降压解吸可选。储层压力是煤储层中裂隙水或煤层气 的压力，因此，可以通过排水降低储层压力，达到煤 层气解吸的目的。目前，已经形成了“排水降压→储 层压力降低至临界解吸压力之下→基质块中的煤层 气解吸→由浓度梯度驱动从基质孔隙扩散至储层裂 隙网络→由压力差驱动从裂隙网络渗流至井筒产出” 的煤层气井排采模式［1-3）。但是，当煤层与顶（或底） 板中富含水区沟通，出现越流补给，压力传播路径发 收稿日期2012-09-21 生变化，产水量也随之变化，必然要求对排采制度做 出相应调整。采用水质分析方法判断有无越流补给， 需要时间长，会延误调整排采制度的时机［4）。因此， 在排采中，根据井口套压、井底流压、产水量和产气 量的变化规律，及时、准确识别有无越流补给及类型， 是确定产气后排采制度的关键，具有重要意义。 1 无越流补给井的井底流压和产水量及产气量 的变化规律 1.1 压降漏斗扩展模型及井底流压变化规律 在煤层气井排采过程中，随着井底流压的下降， 基金项目国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2009CB2l 960 l）；博士基金项目（B2012-015 作者简介张双斌（1977一），男，山西夏县人，博士研究生，讲师，研究方向为煤层气勘探与开发． ChaoXing 第41卷 式中k为煤层渗透率，10-3m2; h为煤层厚度，m R为储层压力，MPa;为粘度，mPas;R0为排水 影响半径，mRw为井筒半径，m。 进入非饱和水单相流阶段和气－水两相流阶段 后，由于煤层气解吸后会阻碍水的流动，使水的相 对渗透率下降，产水量随之下降［坷，产水量Qw可表 示为 煤田地质与勘探 30 2毗rwh（乓一凡f 叫去） 式中k 1W为水的相对渗透率。 在进入气－Jj两相流阶段后，随着压降漏斗的不 断扩展和气体的连续解吸产出，井口套压不断增大； 由于处于关井状态，产气量为零，此时煤储层中水的 相对渗透率仍较大，井筒周围储层仍然以水相流为 主。在套压大于0.4MPa时，通常采用套管针形阅或 较小油嘴控制开始产气，随着产气量逐渐增加，煤储 层中气相流动加快，水的相对渗透率下降，产水量也 随之下降。在保持动液面平稳下降的前提下，井口套 压、井底流压、产水量和产气量变化曲线如图2所示。 4 Qw -----” ;r 捏 丰k F主芸主司主；二| 士寸、 .----i二．. | 1－‘－吨二」田I- . I 巳孟d二d--.. I I 1 水流 段和相 阶 饱单 阶段2 非饱和水 单相流 距井筒的距离 －一一一一井口套压P, 一一一井底流压Pwr 一－一产水蓝鸟 产气盘Q.. f \ -－、Ii 、／〉’、“ 、、．．．’ ，『飞飞 、、、 、、 、、 －一－－－一” 井筒周围煤储层中会形成一个以井筒为中心，不断径 向扩展的压降漏斗（图1）。当井底流压高于临界解吸 压力时，煤层中只有单相水流，在井筒周围形成饱和 水单相流区域（5）。当井底流压降至临界解吸压力时， 煤层气开始解吸，并扩散到裂隙网络，水中煤层气气 泡逐渐增多，但气泡仍相互孤立，没有连成流线（6）。 此时，饱和水单相流区域外移，在井筒周围形成非饱 和水单相流区域。随着排水降压的进行，饱和水单相 流、非饱和水单相流区域不断外移，解吸气体越来越 多，水中的气泡逐渐连成线，在井筒周围形成一个气、 水两相流区域（7）。 唱－一一一水和气－一一一........ 一－－水－一一＋ 汽水两、’ 有在古＋←一一水流动 ＼土石／ k唱 1.0 M市嗣响曲聪灰黑 。 当煤层气井产气后，井底流压的大小可以通过井 底压力训量，也可通过井口套压Pi仙。a）、井口至 液面气柱压力AfgMPa）、液面至井底液柱压力 AfwMPa）之和进行计算［町，即 凡r＝乓＋＋8凡（1 由于100m空气柱和煤层气柱产生的压力分别 为0.00129MPa和0.00078岛fila，对井底流压的贡献 很小，进行计算时可以忽略不计，则式（1）可简化为 凡f＝乓＋8凡（2 1.2 产水量与产气量的变化规律 在饱和水单相流阶段，无煤层气解吸，只有单相 水的流动，产水量Qwm3/d）可表示为 2nkh R.－凡r 叫去） 无越流补给井的井口套压、井底流压、产水量和 产气量变化规律示意图 Fig. 2 The curve of casing pressure, bottom hole flowing pressure, water and gas production in CBM wells without leakage recharge 图2 图1排采压降漏斗模型 Pressure drawdown distribution of drainage Fig. 1 越流补给井的判识方法及意义 越流补给井的压降漏斗模型及井底流压变 化规律 在排采过程，出现越流补给的煤层气井相较于高 供液能力井具有典型的特征，具体表现在 a.当煤层顶底板围岩、的渗透率高于煤层时，压 力降主要在岩层中传递。当井底流压低于临界解吸压 力时，井筒附近小范围内煤层气解吸，套压较低，产 气后，供气能力不足。其井口套压、井底流压、产水 量和产气量变化如图3。 b.当煤层顶底板围岩与煤层渗透率相当时，压 2 2.1 3 Qw ChaoXing 第5期张双斌等煤层气井越流补给的判识方法 31 一－一一－兰卡门套压P, 一－－井底流压P时 一－一产水量Qw ．．产气量Q. 莲”hM 山 豆｜＼ ......... 、、、－’ ’气＼ \ 、、 、、 二、 , ，、 \,’ 生产时间Id 图3越流补给井的井口套压、井底流压、产水量和 产气量变化规律示意图 Fig. 3 The curve of casing pressure, bottom hole flowing pressure, water and gas production in CBM wells with leakage recharge 力降在煤岩层同时传递［叫。此时，煤层中的压降扩 展慢，套压增加较缓，供气能力一般。 c.当煤层渗透率高于煤层顶底板围岩时，压降 主要在煤层中传递，对套压和供气能力影响较小。 2.2 越流补给井的判识方法 根据越流补给井的特征，综合排采过程中煤层气 井的产水量、井底流压、套压和产气量变化情况，可 快速判识煤层气井的越流补给。 a.产水量明显高于理论值。煤层气井的实际产 水量明显高于式。）和式（4）计算的相应阶段的产水量 理论值。 b.开始产气时，保持产水量不变，动液面升高 后难以下降。煤层气井开始产气时，套压减小，在 井底流压不变的情况下，由式。）可知动液面必然上 升，且在套压下降0.1MPa时，动液面约上升lOm。 此时，由于水的饱和度降低，其相对渗透率下降， 由式（4）可知，在保持冲程、冲次不变的情况下，井 底流压的下降速率必然增大，即动液面下降幅度变 大。因此，开始产气时，若动液面短暂上升后，随着 排水的连续进行，产气量不断增加，动液面快速下降， 则不存在越流补给，须减小排水；若动液面上升后 25 T J.Q 不再下降，且套压和产气量始终保持在较低的水平， 则说明存在第1种越流补给，须加大排水；若动液 面缓慢下降，套压和产气量逐渐上升，则属第2类 型越流补给，可适当加大排水；第3种越流补给量 较小，套压和产气量特征与无越流补给井类似，要 适当减小排水。 2.3 越流补给井的判识意义 在排采过程中，及时判识存在的越流补给，具有 如下重要意义。 a.便于确定合理的后续排采制度。煤层气井产 气后，无越流补给井煤层中水的饱和度快速降低，水 的相对渗透率急剧减小，应及时调整冲程和冲次，减 小产水量，保持动液面缓慢下降；而越流补给井却须 加大产水量，才能使动液面下降。 b.预估产气量，进行排采的经济性评价。根据 煤层气井的井口套压、井底流压、产水量和产气量变 化特征，及时识别可能出现的越流补给及其类型，有 助于准确预估煤层气井的产气量，便于从经济性角度 决定是否继续排采。 3 实例分析 沁水盆地南部是迄今为止我国煤层气开发最活 跃、最成功的区块，排采时间较长，对其数据分析的 结果具有代表意义［II）。 3.1 煤层气井参数 沁水盆地南部煤层气A221和A114井分别于 2009年3月和5月开始排采，储层参数见表1，其排 采曲线分别如图4和图5。 表EA221和A114井储层参戴 Table 1 The reservoir parameters of wells A221 and A114 渗透率煤层厚度水的粘度储层压力井筒半径 井号 k/l0-3m2 him /mPas P.IMPa Rwlmm A221 13.29 8.65 0.85 3.53 62.13 A114 10.13 9.99 0.82 3.39 62.13 →－套压, 20 000 4一产水最 [20 0.8 t 0.6 毒帽i国草’ IO 。，4 5 0.2 。 。 一100 。 16α）（） [ 七 12 000 ., 制 sα）（） 礼 4α）（） T产气量 。 I 00 200 300 400 500 600 700 800 900 Iα）（） I 100 I 200 排采时间Id 图4A221煤层气井排采曲线 Fig. 4 The drainage curve in coalbed methane well A22 l ChaoXing 第41卷煤田地质与勘探 32 （丁咽毛）气酬旷礼 翩翩翩翩 。。 ZOAA哼码，＆ 10αm 。 I 400 t 500 －套压 产水量 ＋产气量 1.0 znhM 叫‘M刷刷附 。。 zoda 哼气 ，＆ Mll闯｜IM｜刊hr∞ AUAUAUAU 、J，l a句句 3 吨，＆，，‘－ （ 77E）气咽怜礼 50 1α刀I100 I 200 1300 图5A114煤层气井排采曲线 The drainage curve in coal bed methane well A 114 900 700 800 排采时间Id 600 500 400 300 200 100 。 井在排采中无越流补给；而A114井在见气后，实际 产水量是理论产水量2.1倍，并且由图4可知，开始 产气后，产水量一直保持较高水平，且套压小于0.1 MP a，动液面距井底127m不再下降，属于压降在煤 与围岩中同时传递的越流补给井。此后，A114井提 高产水量到20～43.3旷Id，经过近1.5a的强化排水， 套压上升至0.4MPa，动液面逐渐下降，产气量开始 缓慢上升到1000 旷Id以上，短时达到7200 m3/d, 便降至4000 m3/d左右。此时，煤层与顶底板含水层 已共同降压。 Fig. 5 3.2 越流补给判识 应用式（4）和式（5）分别计算A221井见气前后的 理论产水量，并分别与该井的实际产水量进行对比， 结果见表2。 从表2可以看出，见气前，A221和A114井的 实际产水量均低于理论产水量，受排采工作制度的控 制，无法区分有无越流补给。见气后，A221井的实 际产水量低于理论产水量，并且由图3可知，开始产 气后，产水量持续降低，其套压长时间高于0.5MPa, 产气量保持较快增长，最高时达到15583旷Id,A221 实际产水量 豆豆豆2 5.2 12.2 表2A221和All4井理论产水量与实际产水量对比 The comparison between theoretical and real water production of wells A221 and A114 见气前见气后 理论产水量实际产水量影响半径理论产水量 Q.Jm3d- QJm3d-1 RJm‘Q.Jm3d- 13.7 IO.I 120 6.2 12.9 7.3 . 100 5.8 Table 2 影响半径 RJm 60 50 井号 A221 All4 [3］倪小明，苏现波，张小东．煤层气开发地质学［M].北京化 学工业出版社，2009158170. 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