裂縫應力敏感性對煤層氣井單相流段產水影響及排采對策

賈慧敏 胡秋嘉 劉 忠 劉春春 喬茂坡 秦 宇

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

裂縫應力敏感性對煤層氣井單相流段產水影響及排采對策

賈慧敏 胡秋嘉 劉 忠 劉春春 喬茂坡 秦 宇

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司,山西 048000)

為了研究應力敏感性對煤層氣井單相流段產水規律的影響，文章通過理論推導建立基于煤層應力敏感性的單相流段產水量模型，并在擬合研究區生產井排采數據的基礎上，預測應力敏感性對產水規律的影響。研究結果表明，煤巖滲透率與有效應力呈負指數冪關系，應力敏感性系數越大，煤巖應力敏感性越強；且隨著應力敏感性系數的增大，產水量曲線由持續上升型轉變為先升后降型，且上升段持續縮短，因此不同的應力敏感性儲層應該采用不同的生產壓差和降壓速度，保障最佳排水效率。

煤層氣井 應力敏感性 單相流 產水規律 排采對策

本文研究區位于沁水盆地南部，煤層氣藏為承壓水煤層氣藏，煤層氣開發需要通過持續排水降低儲層壓力，使煤層中吸附態的甲烷氣體解吸，然后擴散、滲流至井筒。在一定程度上，采出水量決定了壓降波及面積及甲烷解吸面積，從而決定了單井產量和穩產期。由于煤儲層具有孔隙、裂隙雙重孔隙結構，煤巖裂縫系統復雜，應力敏感性較強，許多學者通過室內試驗對煤巖的應力敏感性進行了研究。在排水降壓過程中，隨著生產壓差不斷擴大，煤層產水動力增強，但煤層所受有效應力也持續增加，滲透率不斷降低，產水阻力逐漸增強。可見，井底流壓的降低對煤儲層產水量具有雙重作用。本文通過建立基于應力敏感性的單相流段產水模型，研究應力敏感性對產水量變化的影響，旨在建立不同應力敏感性儲層合理的排采制度，實現高效排水降壓，不斷擴大壓降解吸面積，保障煤層氣單井產能的有效釋放，并延長穩產期。

1 區域概況

沁水盆地整體為一近南北向的大型復式向斜，盆地內次級褶曲發育，斷層以北東、北北東向高角度正斷層為主，集中分布在盆地西北部、西南部及東南部邊緣。盆地南部東西兩翼為斜坡帶，中間為洼槽區，夏店區塊位于東部斜坡帶，區內分布有文王山斷層和二崗山斷層兩大張剪性斷裂和一系列小斷層，煤巖裂縫系統發育。

研究區內自上而下發育4套含煤層系，10～16套煤層，其中本溪組和下石盒子組僅含薄煤層或煤線，石炭系上統的太原組和二疊系下統的山西組為主要含煤層系。其中，山西組發育1號～4號煤，3號煤分布穩定，厚度在3.8～8.4m之間，平均為5.82m，是本區目前煤層氣勘探開發的主要目的層。3號煤層煤巖鏡質體反射率分布在1.9%～2.7%之間，平均2.35%，屬于中、高階煤。滲透率分布在0.006～0.19×10-3μm2之間，平均0.04×10-3μm2，屬于低滲、特低滲儲層。孔隙度在3%～7%之間，平均4.5%，屬于低孔隙度儲層，物性較差。

2 煤儲層裂縫應力敏感性分析

煤層與常規天然氣儲層不同，其作為煤層氣的源巖和儲集層，是一種雙孔隙巖層，由基質孔隙和裂隙組成，且其自身發育獨特的割理系統。煤巖基質孔隙滲透率極低，基本不具備滲流能力，其割理裂隙系是煤層氣滲流的主要貢獻者。煤層氣開發儲層具備復雜的天然-人工裂縫網絡，主要包括在成煤過程中由于煤基質收縮作用產生的內生裂隙、受古構造運動影響形成的外生裂隙以及大規模水力壓裂形成的人工裂縫。

研究表明，裂縫滲透率主要取決于其寬度，且對寬度非常敏感，即在其他參數不變時裂縫寬度微小的變化都會導致滲透率的極大變化。裂縫滲透率與寬度的關系為：

(1)

式中，Kf為裂縫滲透率，b為裂縫寬度，L為裂縫長度，A為滲流面積。

蔣官澄等、李相臣等通過室內試驗研究了不同應力條件下的煤巖裂縫寬度的變化，結果表明裂縫寬度與其所受的有效應力成負指數關系：

bi=b0e-α(δi-δ0)

(2)

式中，σ0，σi分別為作用于裂縫的初始有效應力和排采過程中i時刻的有效應力，b0為σ0對應的裂縫寬度，bi為σi對應的裂縫寬度。

設Kf0，Kfi分別為σ0，σi對應的裂縫滲透率，則由式(1)、式(2)可得：

Kfi=Kf0e-α(δi-δ0)

(3)

由式(3)可知裂縫滲透率隨作用于其上的有效應力的增加呈負指數形式降低，式中α為應力敏感性系數，可以定量評價應力敏感性的大小，α值越大煤巖應力敏感性越強。

3 考慮裂縫應力敏感性的單相流段滲流產水量模型

3.1 單相流段排采過程中應力變化分析

如圖1所示，在排水降壓前，煤基質所受的壓力(Pm)、煤層中流體壓力(Pr)與上覆巖層壓力(Po)三者處于平衡狀態：Po=Pm+Pr。其中，上覆地層壓力Po為上覆巖層重力對煤層所產生的壓力，為一定值。在煤層氣井生產后，煤層氣井持續排水使原有應力平衡系統被打破：儲層流體壓力Pr不斷降低，煤基質所受壓力Pm逐漸增加，致使煤層裂隙系統承受的有效應力增加，裂縫寬度減小甚至閉合，煤巖裂縫滲透率降低。排水降壓過程中煤巖有效應力的變化可以用流體壓力與井底流壓值差表示。

圖1 煤層氣井單相流段應力敏感性示意圖

3.2 單相流段考慮應力敏感性的產水量模型

假設煤層均質、等厚，流體流動為穩定流動，符合達西定律，則煤層氣井解吸前單相流段平面徑向流公式為:

(4)

式中，qw為日產水量，m3/s；h為煤層厚度，m；K(p)為煤層滲透率，為儲層壓力的函數，m2，pr為煤層壓力，Pa; pwf為井底流壓，Pa;Bw為液體體積系數，無量綱量；μw為液體粘度，Pa·s；rw為井筒半徑，m；re為井筒控制半徑，m。

考慮壓裂后儲層表皮系數上式變為：

(5)

式中，S為表皮系數，煤層氣井經過壓裂改造，近井地帶物性得到改善，所以S均為負值。

將式(3)帶入式(6)可得考慮應力敏感性的煤層單相流段產液量公式：

(6)

4 實例擬合與討論

根據試井解釋、煤巖室內實驗等資料確定X-1井地質及流體參數：滲透率K0=0.06×10-3μm2，煤層厚度h=3.5m，液體體積系數Bw=1，液體粘度μw=0.99mPa·s，井筒半徑rw=0.11m，井筒控制半徑re=100m，根據試井解釋給出表皮系數S=-4，煤層儲層壓力pr=4.5MPa。

根據上述參數，利用式(6)對X-1井解吸前生產資料進行擬合，結果如圖2所示，當應力敏感性系數值為0.89時，式(6)可以很好地與X-1井產水量數據擬合，說明式(6)能夠表明煤層氣井單相流段日產水量隨井底流壓的變化規律。

在對X-1井擬合基礎上，利用式(6)預測出不同應力敏感性系數對煤層氣井單相流段產水規律的影響，結果如圖3所示。

圖3表明，在相同生產壓差下，隨著應力敏感性系數增大，煤層氣井日產水量降低，這主要是由于煤層應力敏感性增強導致滲透率下降幅度增大，滲流阻力增加，因此對于不同應力敏感性的儲層應該采用差異化的排采制度，采用相同的排采制度可能導致完全不同的結果。

圖3還表明，應力敏感性系數值不僅影響煤層氣井日產水量的大小，同時也影響日產水量的曲線形態。應力敏感性系數以0.5為界限，日產水量隨著生產壓差的增加而表現出3種變化形態：當αlt;0.5時，日產水量持續上升；當α=0.5時，日產水量先上升后平穩；當αgt;0.5時，則日產水量先上升后下降，且開始下降時的生產壓差持續降低。這是由于生產壓差增加一方面導致煤層水滲流動力增加，另一方面導致煤層裂縫系統所受的有效應力增大，滲透率降低，滲流阻力增加。而對于研究區塊，當α=0.5時，由于生產壓力增加而造成的動力增量等于阻力增量。這說明，該區塊應當根據不同的值制定差異化的排采制度。

圖2 式(7)對X-1井生產曲線擬合結果

圖3 應力敏感性對產水量的影響

5 不同應力敏感性儲層差異化排采控制方法

煤層氣井單相流段應遵循“以水換氣”基本理念，首要任務是盡可能多排水，通過持續排水，增加壓降波及面積，擴大解吸范圍，為后續持續高產穩產奠定基礎，因此該階段最佳的工作制度應保障日產水量持續處于最高水平。

而產水量主要受儲層應力敏感性系數影響，煤層應力敏感性較強時，滲透率下降程度較大，阻力成為主要因素，產水量下降；應力敏感性較弱時，滲透率下降程度較小，動力成為主要因素，產水量上升；且應力敏感性越強，上升段持續的時間越短，下降點出現的越早。因此，不同的應力敏感性儲層應采用不同的生產壓差，以便達到最佳的排水效果，研究區塊不同的應力敏感性系數對應的最佳生產壓差如表1所示。

表1 不同應力敏感性系數對應的合理生產壓差

在現場排采管理中，由于儲層壓力下降速度較慢，為了保持最佳的生產壓差，應該合理控制降壓速度，通過現場試驗發現不同應力敏感性儲層對應的最佳降壓速度不同。GC區塊的α值在0.9～1.1之間，由圖4可知，當動液面降幅在6～10m/d時，單位壓降產水量最大，即產水能力最大。而WY區塊α值在1.3～1.5之間，由圖5可知，當動液面降幅在2.5～4.5m/d時產水能力最大。這表明，應力敏感性越強，降液速度應該越小，應該根據不同區塊的應力敏感性程度來確定合理的降液速度。

圖4 GC區塊壓降速度與單位壓降產水量關系

圖5 WY區塊壓降速度與單位壓降產水量關系

6 結論

(1)煤巖滲透率主要由裂隙系統滲透率決定，其值隨有效應力的增加而呈負指數形式降低，復雜的裂縫系統是煤巖高應力敏感性的根本原因。煤巖應力敏感性系數可以有效表征煤巖應力敏感性程度，應力敏感性系數越大，煤巖應力敏感性越強。

(2)應力敏感性系數值不僅影響煤層氣井日產水量的大小，同時也影響日產水量的曲線形態。隨著應力敏感性系數增加，煤層氣井產水量呈現出持續上升型、先升后平穩型，先升后降型三種形態，且產水量上升段的長度逐漸減小。

(3)不同應力敏感性儲層應該采用差異化排采控制方式，以求獲得最高的排水效率。

[1] 趙賢正,楊延輝,孫粉錦,等.沁水盆地南部高階煤層氣成藏規律與勘探開發技術[J].石油勘探與開發,2016,43(2):1-6.

[2] 謝詩章,許浩,湯達禎,等.煤層氣儲層產水量的分類和成因分析[J].煤田地質與勘探,2016,44(1):47-50,55.

[3] 薛培,鄭佩玉,徐文君,等.有效應力對不同階煤滲透率影響的差異性分析[J].科技導報,2015,33(2):69-73.

[4] 郭春華,周文,孫晗森,等.考慮應力敏感性的煤層氣井排采特征[J].煤田地質與勘探,2011,39(5):27-30.

[5] 劉會虎,桑樹勛,馮清凌,等.沁水盆地南部煤層氣井排采儲層應力敏感研究[J].煤炭學報,2014,39(9):1873-1878.

[6] 冀濤,楊德義.沁水盆地煤與煤層氣地質條件[J].中國煤田地質,2007,(19)5:28-30,61.

(責任編輯 桑逢云)

Influence of Fractures Stress Sensitivity on Water Production Law for the Single-phase Flow of CBM Wells and Drainage Countermeasures

JIA Huimin，HU Qiujia，LIU Zhong，LIU Chunchun，QIAO Maopo，QIN Yu

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

This article aims to study the effect of stress sensitivity on reservoir water rate. Through the theoretical derivation，It establishes the model of water production rate with single-phase flow based on stress sensitivity of coal seam，and predicts the influence of stress sensitivity on water production law on the basis of the data fitting of the production wells in the researched areas. The results show a negative exponent relations between the overall permeability of coal and rock fracture and the effective stress. The stress sensitivity coefficient will increase with stress of the coal and rock. As the sensitive coefficient increase，the curve of water production rate keeps rising fist and then shift to rise first and fall later，and the greater the stress sensitivity coefficient is，the shorter the rise period will be. Therefore，reservoirs with different stress sensitivity should adopt separated production pressure difference and pressure decrease rate，so as to guarantee the best water production efficiency.

CBM wells; stress sensitivity; single-phase flow; water production law; drainage countermeasures

賈慧敏，男，碩士研究生，目前從事煤層氣地質與開發方向研究。