壓裂后壓降速度在優選煤層氣井管式泵泵徑中的應用
——以蜀南地區煤層氣井為例

馬飛英, 王 林, 吳 雙, 蒲婭琳, 劉全穩, 劉大偉

(1廣東石油化工學院石油工程學院 2廣東省非常規能源工程技術研究中心 3中國石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務分公司 4中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦)

根據煤層氣井的生產特征，排采的第一階段為排水降壓期[1-5]。因此，煤層氣井在新井投產之前，首先需要確定壓裂后排采的產水量，以便下入合適泵徑的管式泵。然而由于對地層產水量缺乏有效預測，現場常出現管式泵泵徑與產水量不匹配的問題。若選擇的泵徑過小，則不能滿足排水需要，造成降壓困難；若選擇的泵徑過大，造成資源浪費以及容易沖次過低而造成變頻器低頻停機。這就要求，在下管式泵之前，需預測煤層產水量來指導選擇合理的泵徑。目前預測產水量一般采用滲流方程求取，但該方法所需的滲透率等參數較難獲取。壓裂停泵后，井口壓力的遞減速度是裂縫、流體及其周圍地層共同影響的結果。壓力降落速度越快，水越容易流入地層，則排采期產水量也會越高，因此可用壓降速度預測地層產水量，從而優選泵徑。早在1979年，Nolte提出了壓裂后壓力的解釋與壓裂停泵后壓降曲線分析[6-7]，但該分析主要針對裂縫參數的計算[8]，不能求得地層產水量。目前雖然有利用F函數來進行壓降分析獲得滲透率的方法[9]，但該方法主要針對小型壓裂測試。針對以上問題，文中直接采用壓裂停泵后的井口壓降數據來預測產水量，為現場新井投產選擇管式泵泵徑提供參考，該方法具有使用方便、操作簡單的優點。

一、產水量預測

壓裂停泵后，井口壓力是遞減的，壓力下降的原因與裂縫繼續延伸、裂縫寬度變化以及壓裂液濾失有關[10]。壓降速度反映了其周圍的地層情況,壓降速度的快慢與地層產水量有較大的關系。

為了進行壓降分析，首先需要分析壓裂停泵后裂縫的變化。壓裂停泵后，裂縫繼續延伸一段時間，水力裂縫中的壓裂液在壓差作用下向周圍的地層濾失；當壓力降低至一定值后，裂縫開始閉合，縫長不再變化，此時井口壓力下降主要由濾失引起。壓裂停泵后的井口壓力變化特征如圖1所示。

從圖1可看出，在裂縫閉合前，井口壓力下降速度快；裂縫閉合后，井口壓力下降速度變緩，壓降速度接近常數。由于裂縫閉合后，壓力的下降主要由壓裂液在壓差作用下向地層滲流而引起壓裂液濾失，故裂縫閉合后的壓力下降速度反映了地層滲透能力的大小，而地層滲透能力是影響煤層氣井產水量的主要因素。由于壓裂液往地層中濾失的速度反映了生產階段地層向裂縫中流動的能力，因此可以選擇裂縫閉合后的壓降數據來預測產水量。根據現場經驗，煤層氣井一般壓裂24 h后裂縫基本閉合，為了分析的方便，建議選擇壓裂后1～10 d內的壓降數據進行分析。

圖1 壓裂停泵后井口壓力隨時間變化圖

通過統計和分析蜀南地區龍潭組22口煤層氣井在單相水流階段、相同排采強度下的產水量與壓裂停泵后壓降數據，發現地層產水量與壓降速度存在關系見式(1)。

Qw=11.169vp-0.281

(1)

式中：Qw—產水量，m3/d；vp—壓降速度，MPa/d。

從圖2可知，產水量與壓降速度成正線性關系。壓降速度越大，則產水量越大，這是因為壓降速度越大，滲透率越高，從而產水量越大。

圖2 產水量與壓裂停泵后的壓降速度關系曲線

二、管式泵泵徑優選

目前國內煤層氣井的排采工藝主要為“管式泵+抽油機”，煤層埋深一般小于1 000 m，以三型抽油機和四型抽油機為主，沖程一般為1.5 m。由于煤層氣井大部分為斜井，管桿偏磨較嚴重，沖次不宜太高，現場沖次一般低于5 min-1。根據蜀南地區煤層氣生產現場的經驗數據，單相水流階段泵效一般大于60%。因此，根據地層產水量可選擇對應的管式泵泵徑：

(2)

式中：D—泵徑，mm；L—沖程，m；n—沖次，min-1；η—泵效，%。

根據壓降速度與產水量關系，可用式(2)確定蜀南地區龍潭組煤層氣井泵徑，見表1。

表1 壓降速度與泵徑的關系

三、實例分析

我國蜀南地區某煤層氣井，壓裂停泵時的井口壓力為13.9 MPa，停泵30 min后的井口壓力為12.1 MPa，然后每隔24 h讀取一次井口壓力數據，關井監測井口壓力9 d后放噴。

從圖3看出，后期井口壓力與時間基本接近線性關系，擬合后期數據點，得到壓降速度為0.223 MPa/d，將壓降速度代入式(1)中，可預測該井單相水流階段的產水量約為2.2 m3/d，則應選擇28 mm的泵徑。從該井的排采曲線(見圖4)可看出該井產水量為2.0 m3/d左右，與預測的產水量接近，說明所選泵徑合理。

圖3 井口壓力隨時間變化圖

圖4 煤層氣井排采曲線圖

四、結論

(1)煤層氣井產水量與壓裂停泵后的壓降速度呈正關系，壓降速度越大，則產水量越大。

(2)蜀南地區龍潭組煤層氣井，在裂縫閉合后，當壓降速度范圍在0～0.4 MPa/d時，選擇28 mm泵徑；當壓降速度范圍在0.4～0.5 MPa/d，選擇32 mm管式泵泵徑；當壓降速度范圍在0.5～0.7 MPa/d，選擇38 mm管式泵泵徑；當壓降速度范圍在0.7～0.9 MPa/d，選擇44 mm管式泵泵徑；當壓降速度范圍在0.9～1.5 MPa/d，選擇56 mm管式泵泵徑；當壓降速度大于1.5 MPa/d時，建議選擇排量更大的螺桿泵或離心泵。

(3)現場實踐證實用壓裂停泵后的壓降速度預測產水量，預測結果較準確，使用簡單、方便。