煤層氣藏多層合采的影響因素分析

邵長金 邢立坤 李相方 溫聲明 胡愛梅

(1.中國石油大學理學院,北京 102249;2.中國石油大學石油工程學院,北京 102249;3.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028)

針對常規油氣藏的多層合采問題,已有許多研 究成果。煤層氣藏開發也常采用多層合采的方式,但煤層氣藏的特點決定了其合層開采與常規油氣藏的多層合采不同：一是煤層氣主要是以吸附狀態存在于煤層中,只有當煤層中的壓力降落到低于臨界解吸壓力時,煤層氣才從煤層基質上解吸出來,因此,煤層氣的產出與煤層水的產出密切相關;二是煤層一般較淺,煤層裂隙的閉合壓力較低,很小的壓力變化都會引起滲透率的較大變化,從而引起產能變化;三是煤粉產出對煤層氣井產能有重要影響。目前,國內外對煤層氣藏多層合采的研究還很少,根據我國煤層氣藏的特點,筆者對多層合采產能的影響因素進行了分析。

1 煤層氣藏多層合采模型分析

不失一般性,設合采煤層氣藏中心有一口井,該井穿透三個儲層 (厚度分別為hi,hj,hk,滲透率為ki,kj,kk),各層間由不滲透層隔開,不滲透層厚度各不相同。各儲層原始壓力可以不同,設滲流為徑向流,如圖1。

圖1 煤層氣藏多層合采模型

對飽和煤層氣藏,由于壓力一開始降落,就有煤層氣解吸出來,不存在水單相流階段。對未飽和煤層氣藏,在排水階段,壓力還沒有下降到臨界解吸壓力,整個煤儲層中只產水,為單相流。

不論是飽和煤層氣藏還是未飽和煤層氣藏,實際生產中都存在氣水兩相流階段。多層合采時,對每一單層,均是兩相流,經過推導,可得n層合采的一般產能方程為

從產能方程看,不論在排水階段還是氣水兩相流階段,煤層氣藏多層合采與單層開采具有相似的產能形式。但多層合采時的產能,除了與壓差 (或擬壓力差)有關外,還與各分層的地層系數 (滲透率與厚度的乘積)有關,地層系數作為權重因子決定了各分層的壓差 (或擬壓力差)對產能的貢獻。由于合層開采時,各層的壓力降落一般不同步,有的層處于排水階段,有的可能已經進入氣液兩相流階段,因此,相滲對產能會產生一定的影響,這一影響體現在擬壓力表達式中。

多層開采時,假定各分層具有相同的臨界解吸壓力,則合采時的產能特征由分層壓力降落是否同步決定。如果分層壓力降落同步,則兩個分層同時達到解吸壓力,同時達到最高峰值,合采時的產能與分層單采具有相同的特征,僅僅是合采的產量大一些。如果分層壓力降落不同步,則壓力降落速度大的層首先降低到解吸壓力,煤層氣開始解吸。而壓力降落速度小的層要延遲一段時間才能解析,從而使兩層的產氣峰值時間錯開,井的產量高峰不能集中 (這一點可從圖2和圖4看出)。

圖2 不同滲透率比值下合采與單層開采時的產能對比

圖3 不同滲透率比值下合采的產量和累產量

圖4 厚度對合采產能的影響

2 煤層氣藏多層合采的影響因素分析

2.1 不同滲透率的層進行合采

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層滲透率的比值,研究不同滲透率的層進行合采時的產能變化情況,并與單層開采時的情形進行對比,如圖2。將不同滲透率比值下合采的產量和累產量分別畫在圖3(a)和圖3(b)中。

由圖2可見,由于兩層的滲透率不同,壓力降落速度也不同,從而兩層的產氣峰值時間錯開。由圖3可見,合采時,分層滲透率比值增加,合采的產量不是線性提高,累加產量也不是線性提高。當以開采5年時的累產進行對比時,累產基本隨著滲透率比值增加而增加。當以開采10年的累產進行對比時,滲透率比值為1時效果最好。

2.2 不同厚度比的層進行合采

在其他條件相同的條件下,保持總厚度值為10m不變,改變上下兩層厚度的比值,研究不同厚度比的層進行合采時的產能變化情況,并與單層開采時的情形進行對比,圖4(a)給出的是h1=3m、h2=7m的情況。將不同厚度比值下的合采產量畫在圖4(b)中。

由圖4(a)和圖4(b)可見,當合采總厚度一定時,分層厚度大的層對合采的貢獻大,但合采的產量以及累加產量變化不大。這說明在討論合層開采時,滲透率比厚度的影響更大。

圖5 不同初始含氣飽和度比例下合采的產量

2.3 不同初始含氣飽和度的層進行合采

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層初始含氣飽和度的比值,研究不同初始含氣飽和度的層進行合采時的產能變化情況,如圖5。

由圖5可見,不同初始含氣飽和度的層進行合采時,初始含氣量越大,產量峰值越高,累產量越大。

2.4 不同解吸特性的層進行合采

圖6 不同解吸特性下的合采產量

圖7 W1-005井兩層合采的情況

以兩層合采為例,在其他條件相同的條件下,改變上下兩層蘭氏壓力 (pL)的比值,研究不同蘭氏壓力的層進行合采時的產能變化情況,并與單層開采時的情形進行對比,計算結果如圖6(a)。同理,得到不同蘭氏體積 (VL)的層進行合采時的產能變化情況,如圖6(b)。

由圖6可見,不同解吸特性的層合采時,分層之間的蘭氏壓力比值對合采產量的影響很小,但分層之間的蘭氏體積比值對合采產量的影響較明顯。

3 煤層氣藏多層合采實例分析

H地區煤層氣藏在縱向上可劃分為三個層,即：3#、5#和11#煤層氣藏。各儲層之間沒有水動力學連通,3#煤層底板主要為泥巖,厚度為1.15m～9.70m之間,含水性弱,滲透性差。5#煤層底板主要為砂質泥巖,厚度0.95m～10.30m,含水性弱,滲透性差。11#煤層底板主要為泥巖,厚度1.25m～10.50m之間,含水性弱,滲透性差-中。從投入生產的儲層看,兩相鄰儲層間隔在20～40m間,從實際勘探情況來看,3#煤儲層壓力為2.80MPa,5#煤儲層壓力為2.39MPa,11#煤儲層壓力為2.65MPa,平均臨界解吸壓力為1.4MPa。

3.1 3#和5#煤層氣合采的產能

以W1-005為例,該井3#和5#煤層氣合采,3#位于 390.45m,5#位于 417.5m,相差 27.05m。生產至5天時,共產水51.84m3,3#井底壓力降到2.355MPa。由于3#儲層壓力大于井底流壓,3#產水。此時,5#對應的井底流壓為2.625MPa,大于5#儲層壓力,說明此時5#層不產水。當排采到第21天,3#井底壓力進一步下降到1.915MPa時,對應的5#井底流壓為2.185MPa,兩個層的儲層壓力均大于對應的井底流壓,兩個層均產水,因此產水量增加 (由10.68m3增加到19.72m3),相應的產氣量也增加 (但這時的產氣不是解析氣,而是自由氣或溶解氣,由于自由氣或溶解氣總量有限,因此,會接著產生下降)。隨著地層壓力降低到臨界解吸壓力,產氣量上升,進入穩壓增產階段。

通過該井合采數據的歷史擬合和數值模擬,得到各分層水產量、氣產量、平均壓力變化情況,如圖7(a)-7(b)。從各分層水產量、氣產量看,由于5#層的厚度 (2.4m)比3#層 (1.65m)的大,因此5#層的產量也大,對合采的貢獻多。

從平均地層孔隙壓力 (包括割理和基質)看,在開采初期排水階段,由于兩個層的原始地層壓力均高于臨界解吸壓力,兩層均不產氣。3#層的原始壓力高于5#層的,同時,由于3#層的厚度小于5#層的,因此,3#層的壓力下降快。隨后,通過兩個層的壓力平衡調整,兩層壓力下降速度趨于相等 (在壓力-時間圖上表現為平行線段),最后兩個層達到壓力基本一致,共同對合采產生貢獻。

3.2 3#和11#煤層氣合采的產能

W2-005井為3#、11#合采,產氣量中等,說明3#、11#煤的合采效果較差。分析其原因,主要是3#、11#滲透率相差太大 (3#滲透率為1.61md,11#滲透率為0.02md),導致兩個合采層壓力降落不平衡,導致11#沒有得到利用,影響了產能。

通過W1-005和W2-005兩口不同合采井的情況,可以看出兩口井的生產狀況有很大差別,這說明了多層合采具有適應性與局限性。像3#、5#煤,因其單層厚度薄,分層采產量可能很低,且由于其距離相近,可以合采。但是,對于3#、5#煤與11#煤合采是否高效,要進行敏感性分析。如果將動液面降到11#煤頂部,3#、5#煤生產壓差較大,只要不產生明顯的如壓力敏感、產煤粉、壓裂性能劣化等,將會進一步解放11#煤的產能,這樣多層合采是合理的。否則,將會產生干擾。

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