原位煤層氣排采儲層傷害機理與制度優化

全方凱 李鑫 魯軍

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 221116)

原位煤層氣排采儲層傷害機理與制度優化

全方凱 李鑫 魯軍

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 221116)

原位煤層氣排采過程中，人為控制的排液與產氣速度影響到煤儲層滲透率的變化。排采作業制度不合理，易造成煤巖破壞、煤粉堵塞等儲層傷害現象，并影響到煤層氣井產能?；诘叵滤畡恿W制定合理的排液速度，合理控制井底壓差，及時處理排采設備故障等措施可顯著降低排采所造成的儲層傷害，實現原位煤層氣井的高產穩產。

儲層傷害 作業制度 煤層氣 原位 排采

Abstract:In the process of in-situ coalbed methane drainage and production，human controlled flowing back and the rate of gas production affect the change of coal reservoir permeability．The unreasonable operation system of drainage and production maybe cause the phenomenon of reservoir damage，which includes damage of coal petrography and jam of coalbed ash，and impact on the coalbed methane production．Based on the condition of underground water，the rate of flowing back is confirmed．Bottom hole pressure difference is controlled reasonably．Dealing with the equipment failure of drainage and production timely can reduce reservoir damage observably in the process of drainage and production and realize that in-situ coalbed methane is produced efficiently and stably．

Keywords:Reservoir damage;operating system;coalbed methane;in situ;extraction

1 引言

原位煤層氣開發需進行排水降壓，這是吸附在煤基質表面的氣體隨儲層壓力下降而解吸，并通過割理裂隙擴散、滲流到井筒槳產出地面的過程。在原位煤層氣排采過程中，排采作業制度的選擇與優化是一個非常重要的問題，日產氣量、日產水量、生產壓差、動液面高度等參數的變化對煤層氣的產出過程具有顯著的影響。煤層氣排采初期，由于可借鑒的排采經驗很少，在排采過程中很可能造成儲層傷害。因此，以科學理論為指導，加強排采過程中的煤儲層保護，對提高煤層氣井產量至關重要。

2 原位煤層氣排采儲層傷害類型

2.1 地應力變化導致的儲層傷害

煤儲層具有機械強度低、脆而軟，既易壓性破裂又易張性破損的特點，因此具有較高的壓力敏感性。對于新投產的煤層氣井而言，隨著排水的持續進行，生產井筒內的動液面不斷下降，依靠流體對壓力的傳導作用，煤儲層孔隙壓力也隨之下降。在煤層圍巖壓力基本不變的情況下，煤儲層孔裂隙壓力差將逐漸增加。隨著應力差效應日益顯著，無論在煤層內的原生和次生裂隙、孔隙還是壓裂的裂縫，其有效的寬度和體積都將逐漸變窄和變小，并最終導致儲層滲透率下降，影響煤層氣的運移及產出。

2.2 煤基質收縮導致的儲層傷害

煤儲層是一個固、液、氣三相耦合系統。煤儲層中氣、水含量變化將會導致有效應力改變，并引起煤基質的自調節作用。煤基質塊體的內表面吸附甲烷時，其體積將發生膨脹，而甲烷解吸逸散后，其體積將會收縮。原位煤層氣井排采是一個排水降壓過程。儲層壓力降低，導致有效應力相對增高，煤儲層孔裂隙被壓縮，割理寬度變小，導致滲透率下降。在排采過程中，正、負調節作用同時進行，它們的綜合效果產生了煤基質自調節效應，導致排采過程中滲透率改變，煤層氣井產能發生動態變化。隨著氣體的解吸，煤基質收縮超過臨界值，將導致煤基質的應力閉合，增加了后期排采解吸氣的難度。

2.3 快速排液導致的儲層傷害

合理的排采工藝是煤層氣井高產的保障。如果排采速度過大，液面下降太快，井筒附近很快得到降壓，但快速排采致使支撐劑顆粒鑲嵌煤層，裂隙閉合現象來臨較快，壓敏、速敏效應隨之發生。因此，在快速排采條件下，煤層氣井氣產量在很短時間內達到一個較高值，但有效卸壓煤層范圍很小，氣源有限，高產無法長久持續。通過合理的排水作業，不僅降低了儲層壓力，同時降低了儲層中的水飽和度，增大了氣體的相對滲透率，從而增加解吸氣體通過裂隙系統向井筒運移的能力。

2.4 頻繁停抽導致的儲層傷害

在煤層氣井產氣初期，煤粉通常沿著較大裂隙隨水排出，運移時懸浮于水中或處于流體的底部。在煤粉運移過程中，遇到裂隙通道狹窄地帶，當前端流體速度由于某些原因突然變緩時，后端流體速度仍然快速運移。如果在煤粉高產出階段出現停抽，將導致煤粉在近井地帶沉積，極易導致近井地帶煤粉堵塞水和氣體運移通道。停抽時間較長或停抽頻繁，將使井內液面上升，井底流壓升高。當壓力超過解吸壓力時，近井地帶氣體停止解吸，而遠端氣體并未停止解吸，煤基質微孔隙和微裂隙內小氣泡會逐漸聚集成大氣泡，在排驅壓力較小的情況下大氣泡無法排出微孔隙堵塞住孔隙喉道，賈敏效應增強，易產生“氣鎖”傷害。

3 沁南煤層氣井排采曲線分析

選取沁水盆地南部qsh－6井與qsp－13井排采數據生成排采曲線，進一步說明排采過程中儲層傷害對煤層氣井產能的影響。

由圖1可以看出:排采112天后氣體開始解吸，然后加大排水量，由第127天的1.6m3迅速提高至146天的5.2m3，短時間內井筒附近氣體迅速解吸。產氣量最高僅達754m3，未達到預期產氣效果，產氣高峰過后，產氣速率迅速下降。排采200天后，盡管在逐漸降低排液速率，但產氣恢復效果較差，產氣量依然較低。分析原因:首先，由于煤層滲透率具有應力敏感性，前期快速排液造成不可恢復的應力性儲層傷害，導致儲層滲透率下降，不利于地層水的產出及壓降漏斗的繼續擴展，因此煤層氣井產氣速率呈現遞減的趨勢。其次，由于前期井筒液面下降迅速，遠離井筒的煤層氣未來得及解吸，而近井區域快速解吸，形成地層氣鎖，不僅造成滲透率下降，還使井底流壓得不到有效傳遞，影響了煤層氣的持續產出。

圖1 qsh－6井排采曲線

圖2 qsp－13井排采曲線

由圖2可以看出:排采121天后氣體開始解吸，隨后降低排液速率，在142天達到產氣高峰1459m3。在148天左右，排液強度大大降低，井底流壓升高，不利于煤層氣解吸。此外，排采168天與188天發生停泵，之后煤層氣產量一直在較低水平。究其原因:停抽或其他一些原因導致井筒液面上升迅速，近井地帶煤層氣停止解吸阻礙遠井地帶煤層氣的運移，形成氣鎖，降低了儲層滲透率，形成儲層傷害。攜帶煤粉的遠井地層水在停抽的情況下，在井口附近速度變緩，煤粉近井堆積造成儲層的嚴重傷害，這種儲層傷害往往很難恢復，致使產氣能力難以再次提高。

4 優化排采工作制度

為了使原位煤層氣排采獲得較高的經濟效益，應根據區域水文地質條件合理選擇排采設備，優化排采工藝。其基本原則為:

(1)基于煤層氣生產過程排水降壓的特點，結合地下水動力學原理對煤層氣排采數據和水位監測資料進行分析，運用無補給或有越流的承壓水完整井定流量非穩定流理論，反求地層水文地質參數，進一步預測未來某時刻煤層氣中得液面降，并依據等溫吸附曲線，預估相應的甲烷解吸量，或求取設定時間內達到一定降深的排水量，從而指導煤層氣井的排采工作。

(2)在排采初期，產水較多，應滿足在最小井底壓力采出最大水量的要求，將儲層壓力盡快降低到臨界解吸壓力之下，使煤層氣盡早解吸產出，獲得穩定氣流。

(3)排采工作進行了一段時間后，模擬預測煤層臨界破壞壓力以及煤粒采出的臨界生產壓差，降低生產壓差以減輕微粒運移對地層和裂縫的堵塞以及井筒的充填。

(4)提高現場工作人員的知識水平，對煤層氣生產所用到的排采設備原理有清晰了解，對故障進行綜合分析，能夠快速排除故障，避免在生產中出現停泵。

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Reservoir Damage Mechanism and System Optimization of In-situ Coalbed Methane Drainage and Production

Quan Fangkai，Li Xin，Lu Jun，Zhu Qipeng
(School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116)

中國礦業大學2011年校大學生實踐創新訓練計劃項目資助(X1029011071)。

全方凱，男，煤及煤層氣工程專業本科生。

(責任編輯 桑逢云)