致密氣-煤層氣合采可行性分析及優(yōu)選方法

徐兵祥 白玉湖 陳 嶺 陳桂華 馮汝勇

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 朝陽(yáng) 100028）

0 引言

全球頁(yè)巖油氣的快速發(fā)展推動(dòng)著國(guó)內(nèi)非常規(guī)氣開發(fā)不斷取得突破，煤系地層非常規(guī)天然氣如致密氣-煤層氣（簡(jiǎn)稱兩氣）綜合勘探開發(fā)利用越來(lái)越受到重視［1-8］。從文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，美國(guó)Piceance盆地和Wind盆地［9］致密砂巖氣和煤層氣聯(lián)合開發(fā)實(shí)現(xiàn)突破，中國(guó)阜新礦區(qū)［10］煤層與砂層聯(lián)合開發(fā)實(shí)踐證實(shí)合采較單采產(chǎn)量更高、更穩(wěn)定，兩氣合采已然成為此類氣藏有效開發(fā)方式之一。臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣，區(qū)塊煤層資源潛力大，發(fā)育多套致密砂巖層系，但單層薄、單層開發(fā)經(jīng)濟(jì)性差，兩氣合采是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)單井產(chǎn)能的重要途徑［11-16］。由于致密氣、煤層氣二者賦存機(jī)理與開發(fā)方式均有很大的不同，業(yè)界對(duì)兩氣合采干擾及開發(fā)效果仍存在較大顧慮，規(guī)模化開發(fā)尚未形成。從兩氣合采開發(fā)特征及層間干擾機(jī)理入手，分析層間水倒灌及物性差異對(duì)兩氣合采效果的影響，建立了兩氣合采優(yōu)化選層原則和儲(chǔ)層參數(shù)界限圖版，以期為臨興區(qū)塊兩氣合采優(yōu)選提供技術(shù)方案。

1 兩氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)差異性

致密氣、煤層氣賦存方式明顯不同。致密氣是以游離氣賦存［17］，而煤層氣主要以吸附態(tài)賦存。二者開發(fā)方式也存在較大差異。致密氣開發(fā)采用降壓產(chǎn)氣的方式［18］，而煤層氣則采用“排水-降壓-產(chǎn)氣”方式［19-20］，通過(guò)排出割理系統(tǒng)中的水，降低地層壓力，吸附氣獲得解吸釋放，并進(jìn)入井筒。若二者合采，綜合二者開發(fā)特點(diǎn)，合采時(shí)應(yīng)采用煤層氣“排水-降壓-產(chǎn)氣”開采方式進(jìn)行生產(chǎn)。

從兩氣合采理論產(chǎn)量曲線（圖1a）可見，合采產(chǎn)量曲線整體與煤層氣相似，出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。從各層曲線來(lái)看，煤層氣經(jīng)一段時(shí)間單排水階段才進(jìn)入產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量持續(xù)上升，到達(dá)峰值后迅速下降；致密氣投產(chǎn)后便能產(chǎn)氣，且出現(xiàn)上升趨勢(shì)，但隨著煤層氣產(chǎn)出和氣液兩相流出現(xiàn)，整個(gè)壓降速度減緩，致密氣產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。從合采曲線形態(tài)來(lái)看，可能出現(xiàn)“雙峰”特征：峰值1表征煤層氣產(chǎn)出貢獻(xiàn)造成整體產(chǎn)量瞬時(shí)上升后下降，峰值2表征地層能量衰竭，產(chǎn)量開始遞減。峰值特征隨儲(chǔ)層及開發(fā)條件變化而變化。圖1b表示排水階段不同排水速度時(shí)的兩氣合采產(chǎn)量曲線，可見：隨著排水量增加，峰值1消失，峰值2提前。

圖1 煤層氣-致密氣合采生產(chǎn)曲線

經(jīng)分析，兩氣合采產(chǎn)生兩類干擾現(xiàn)象。一類是開發(fā)方式的不協(xié)調(diào)，煤層氣開發(fā)須遵循緩慢、穩(wěn)定原則，講究的是慢的開發(fā)節(jié)奏，而致密氣則可以選擇與地面工程配套的、較為靈活的開發(fā)方式，兩氣合采后，統(tǒng)一采用慢的開發(fā)節(jié)奏會(huì)造成前期產(chǎn)量低、拉低經(jīng)濟(jì)效益。另一類干擾現(xiàn)象為壓力或流體的干擾，表現(xiàn)在合采后的氣水倒灌、致密層水鎖或水淹、好層抑制差層開發(fā)等等，這類干擾現(xiàn)象下文將詳細(xì)分析。

2 兩氣合采干擾因素分析

2.1 倒灌現(xiàn)象

兩氣合采指的是致密儲(chǔ)層和煤層通過(guò)一個(gè)井筒同時(shí)開采的過(guò)程。合采倒灌指的是某一層流體通過(guò)井筒進(jìn)入另外一層的現(xiàn)象，兩氣合采時(shí)煤層水倒灌進(jìn)入致密層對(duì)合采效果的影響是研究的重點(diǎn)。煤層水倒灌現(xiàn)象的發(fā)生受毛細(xì)管力和壓力差兩種力的控制，特點(diǎn)如下：

1）毛細(xì)管力引起的煤層水倒灌對(duì)合采效果的影響程度受致密層含水性控制。合采初期，煤層水進(jìn)入井筒形成一定高度的液面，由于致密層親水，在毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)下水易進(jìn)入致密層，造成氣井水鎖甚至水淹，但需要滿足一定條件，即：致密層原始條件下含水低于束縛水。若致密層含可動(dòng)水，此時(shí)致密層無(wú)“吸水性”或吸水性差，此種水倒灌現(xiàn)象就不嚴(yán)重。臨興區(qū)塊開發(fā)實(shí)踐表明：該區(qū)致密層普遍產(chǎn)水、且產(chǎn)水主要來(lái)源于層內(nèi)水，說(shuō)明該區(qū)原始地層含有一定可動(dòng)水，由于毛細(xì)管力作用引起的水倒灌及其影響在該區(qū)并不明顯。

2）壓力差驅(qū)動(dòng)的煤層水倒灌現(xiàn)象在合采過(guò)程中應(yīng)有發(fā)生，但持續(xù)時(shí)間短。煤層和致密儲(chǔ)層在縱向上的分布模式通常有上煤下氣、下煤上氣、煤氣互層三類。合采初期，原始地層壓力差異決定初期是否發(fā)生倒灌，煤層、致密層常為欠壓儲(chǔ)層，一般來(lái)說(shuō)，上煤下氣型易發(fā)生倒灌，下煤上氣型不易倒灌，煤氣互層型發(fā)生倒灌可能性大；合采過(guò)程中，工作制度變化可能會(huì)引起倒灌。舉例說(shuō)明，由于兩氣合采采用油管排水、套管采氣的方式，若排水的速度過(guò)慢，而套管采氣速度過(guò)快，會(huì)造成致密儲(chǔ)層短時(shí)壓力衰竭快，而井底壓力仍舊保持較高水平，此時(shí)井筒水易進(jìn)入致密層，發(fā)生倒灌，但該過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，很快即恢復(fù)壓力平衡。

綜合來(lái)看，在合采過(guò)程中倒灌現(xiàn)象發(fā)生的可能性較大，但單次倒灌持續(xù)時(shí)間短，倒灌過(guò)程對(duì)合采效果的影響是有限的，而決定合采效果的關(guān)鍵因素是致密層的水鎖特征，這與其初始含水有一定關(guān)系。當(dāng)致密儲(chǔ)層原始含水小于束縛水時(shí)，致密層遇水后吸水，易發(fā)生水鎖效應(yīng)。當(dāng)原始含水大于束縛水時(shí)，致密層水鎖效應(yīng)不嚴(yán)重。

用一組數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明原始含水對(duì)合采效果的影響。圖2a展示了研究區(qū)某一巖心氣水驅(qū)實(shí)驗(yàn)獲得的相滲曲線，可見束縛水飽和度為50%，對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率為0.21。假設(shè)致密層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，為30%時(shí)，根據(jù)相滲曲線推測(cè)對(duì)應(yīng)的氣相相對(duì)滲透率為0.3，該致密層合采后，必然發(fā)生煤層水倒灌、致密層吸水，相對(duì)滲透率下降30%?；谠撓酀B曲線，對(duì)比了致密層不同原始含水飽和度（30%、50%和60%）情況下與煤層合采后致密氣采出程度，此時(shí)原始含水飽和度30%、50%和60%分別代表原始含水低于束縛水飽和度、等于束縛水飽和度和高于束縛水飽和度三種情況。如圖2b所示，采出程度分別為55.7%、35.9%和35.7%?？梢姡涸己^低時(shí)，合采倒灌后采出程度降低9.8%；當(dāng)原始含水較高時(shí)，合采倒灌后采出程度變化不大，僅降低0.2%。

圖2 致密層原始含水對(duì)合采效果影響分析圖

2.2 物性差異

為分析物性差異對(duì)合采干擾的影響，定義“合采效率”，用以表征合采產(chǎn)量與單層產(chǎn)量總和的比值，公式滿足：

式中，η為合采效率，%；Gpt為合采累計(jì)產(chǎn)量，104m3；Gpi為第i層單層開發(fā)累計(jì)產(chǎn)量，104m3。按照其定義，合采效率值范圍為大于0、小于1，且越接近1，說(shuō)明合采效率越高，層間干擾的影響就越小。

物性差異對(duì)合采干擾的影響，其中最重要的參數(shù)是滲透率差異。運(yùn)用理論模型開展?jié)B透率差異影響敏感研究。假定致密層滲透率恒定為0.04 mD，煤層滲透率設(shè)6個(gè)方案，由大到小分別為1.2 mD、0.8 mD、0.4 mD、0.1 mD、0.04 mD、0.01 mD，則煤層、致密儲(chǔ)層滲透率比值分別為30、20、10、2.5、1、0.25，開展該6個(gè)方案下兩氣合采產(chǎn)量預(yù)測(cè)，生產(chǎn)周期設(shè)定為20年，并統(tǒng)計(jì)合采效率。圖3a展示了滲透率比為10時(shí)的合采效率隨時(shí)間變化特征，可以看出：隨時(shí)間推移，合采效率有增加趨勢(shì)，第2年達(dá)90%以上，第3年達(dá)95%，第9年后保持在99%以上，說(shuō)明合采干擾的影響主要體現(xiàn)在投產(chǎn)后的前2～3年，最終合采累產(chǎn)量與單采差異不大。對(duì)比了不同滲透率比時(shí)的最終合采效率，如圖3b所示，可以看出，最終合采效率并不隨滲透率比增大而減小，說(shuō)明滲透率差異不影響最終的合采效果。

圖3 致密氣-煤層氣合采效率圖

3 兩氣合采優(yōu)化選層原則

綜合兩氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征以及干擾因素分析，合采選層時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

1）非產(chǎn)水致密層不宜與煤層合采。兩氣合采開發(fā)致使致密層水倒灌現(xiàn)象難以避免，非產(chǎn)水致密層較大可能仍具有“吸水”能力，吸水后會(huì)大幅降低氣相滲透率，不利于開發(fā)，因此，應(yīng)避免合采。

2）物性參數(shù)差異性不作為合采選層的重點(diǎn)考慮因素。物性參數(shù)差異僅影響前期各層產(chǎn)氣占比，而不影響最終累產(chǎn)氣量，選層時(shí)無(wú)須過(guò)分強(qiáng)調(diào)。

3）產(chǎn)水致密層可與煤層合采，但需確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)可采參數(shù)界限值。需滿足：合采開發(fā)凈現(xiàn)值（NPV）大于零；合采優(yōu)于分層開發(fā)、接替開發(fā)等。為了確定兩氣合采儲(chǔ)層參數(shù)界限，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化選層定量化，設(shè)計(jì)了以下合采下限4種情況，保證合采具有經(jīng)濟(jì)性：①單采煤層（CBM）和致密氣（TG）均盈利；②單采TG保本，CBM收益大于等于該層射孔壓裂費(fèi)用；③單采CBM保本，TG收益大于等于該層射孔壓裂費(fèi)用；④單采CBM或TG均虧損，保證CBM或TG大于等于該層射孔壓裂費(fèi)用，合采后保本或盈利。

4 兩氣合采儲(chǔ)層參數(shù)界限圖版

影響兩氣合采產(chǎn)量的儲(chǔ)層參數(shù)很多，根據(jù)研究區(qū)各參數(shù)范圍、可靠性、獲取難度、對(duì)產(chǎn)量的影響程度，分別確定了影響各層產(chǎn)量的關(guān)鍵參數(shù)。其中煤層關(guān)鍵參數(shù)有厚度、含氣量、滲透率；致密儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)有厚度、孔隙度、含氣飽和度、滲透率，由于厚度、孔隙度、含氣飽和度都與儲(chǔ)量豐度有關(guān)，且對(duì)產(chǎn)量的影響規(guī)律類似，此處將三者乘積作為綜合參數(shù)R統(tǒng)一考慮。

基于以上設(shè)計(jì)的4種合采下限情況，結(jié)合臨興區(qū)塊巖心、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)井解釋物性參數(shù)結(jié)果等，開展不同參數(shù)情況時(shí)的兩氣合采產(chǎn)量預(yù)測(cè)并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)計(jì)算，其中折現(xiàn)率按照10%取值，以NPV等于0為下限，確定該區(qū)合采參數(shù)界限，形成六圖版。

“六圖版”指的是單采TG或CBM儲(chǔ)層參數(shù)界限圖版（圖版Ⅰ、圖版Ⅱ）、合采TG或CBM儲(chǔ)層參數(shù)下限圖版（圖版Ⅲ、圖版Ⅳ）、兩氣合采敏感參數(shù)圖版（圖版Ⅴ、圖版Ⅵ），如圖4所示，其中紅色陰影區(qū)域不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，無(wú)陰影區(qū)域具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，據(jù)此可以確定參數(shù)界限。如圖版Ⅰ，若致密層滲透率為0.1 mD，則綜合參數(shù)R下限為0.3，對(duì)應(yīng)于孔隙度10%、含氣飽和度50%的儲(chǔ)層，氣層厚度下限為6 m，說(shuō)明單采致密層需滿足參數(shù)下限才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)。圖版Ⅲ為合采TG儲(chǔ)層下限圖版，在煤層單采有價(jià)值前提下，致密層需滿足開發(fā)收益大于壓裂費(fèi)用，圖版Ⅲ表明致密儲(chǔ)層滲透率為0.04 mD時(shí)，合采厚度下限值為0.5 m。圖版Ⅴ、圖版Ⅵ為兩氣合采敏感參數(shù)圖版，其中敏感參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況選取研究區(qū)變化最大、對(duì)產(chǎn)量影響最大的兩個(gè)參數(shù)。圖版Ⅴ表明煤層含氣量8.7 m3／t時(shí)，致密層合采綜合參數(shù)下限值為0.35；圖版Ⅵ表明煤層滲透率為1 mD時(shí)，綜合參數(shù)下限值為0.25。

圖4 兩氣合采選層“六圖版”圖（煤層厚度為6 m）

基于六圖版參數(shù)界限，運(yùn)用直角坐標(biāo)系四象限法則，建立了兩氣合采“六圖版四象限”快速選層法。如圖5所示，四象限分別對(duì)應(yīng)4種合采下限情況，要判斷一套煤系儲(chǔ)層是否適合合采，方法如下：

①根據(jù)實(shí)際的煤層、致密層分布和儲(chǔ)層參數(shù)情況，運(yùn)用圖版Ⅰ和圖版Ⅱ，判斷各層單采的可行性，若煤層和致密儲(chǔ)層參數(shù)均高于下限值，即兩氣單采均能盈利，則兩氣適合合采，屬于第一象限。

②若其中僅煤層單采可行，則屬于第二象限，對(duì)照?qǐng)D版Ⅲ，判斷致密層參數(shù)是否大于下限值，判斷合采可行性。

③若其中僅致密儲(chǔ)層單采可行，煤層氣單采虧本，則屬于第四象限，對(duì)照?qǐng)D版Ⅳ，判斷煤層參數(shù)是否大于下限值，從而判斷其合采的可行性。

④若兩層單采均不可行，則屬于第三象限，這時(shí)需要對(duì)照?qǐng)D版Ⅴ、圖版Ⅶ，判斷是否合采可行。

該方法同樣適用于致密層-煤層為多套層系情況，儲(chǔ)層參數(shù)采用儲(chǔ)層厚度加權(quán)平均方法給出。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與討論

圖5 兩氣合采“四象限”快速選層法圖

臨興區(qū)塊某兩氣合采試驗(yàn)井，實(shí)施了致密氣層、煤層分層壓裂、合采開發(fā)。采用“六圖版四象限”快速選層法進(jìn)行分析。該井壓開致密氣層厚度為10.8 m，綜合參數(shù)R為0.53，對(duì)照?qǐng)D版Ⅰ，致密層滲透率下限為0.03 mD。由于該井無(wú)巖心實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本區(qū)其他井9塊巖心測(cè)試平均滲透率為0.047 mD（范圍為0.0009～0.15 mD），推測(cè)該層單采盈利的可能性大；該井壓開煤層厚度共5.4 m，含氣量為10.6 m3／t，對(duì)照?qǐng)D版Ⅱ，煤層滲透率大于0.6 mD單采可盈利，對(duì)照?qǐng)D版Ⅳ，滲透率大于0.01 mD時(shí)煤層可與致密層合采。該區(qū)煤層無(wú)滲透率數(shù)據(jù)，但由于煤層割理發(fā)育，經(jīng)驗(yàn)判斷其滲透率較相鄰致密層高，而該區(qū)致密層滲透率整體上大于0.01 mD，推斷煤層參數(shù)大于合采下限。因此理論分析認(rèn)為該井兩氣合采可行。試驗(yàn)效果表明：該井初期產(chǎn)量上升具有較大潛力，但1年后產(chǎn)量遞減快，直至停產(chǎn)。試驗(yàn)階段生產(chǎn)了432 d，平均日產(chǎn)氣量為560 m3，峰值日產(chǎn)氣量為1 700 m3，累產(chǎn)氣量為23×104m3，經(jīng)濟(jì)性較差。分析有兩方面原因：①該井頻繁調(diào)整工作制度、多次停機(jī)停抽、修井作業(yè)，導(dǎo)致儲(chǔ)層應(yīng)力敏感，煤粉堵塞，產(chǎn)量下降后很難恢復(fù)；②致密層和煤層參數(shù)不確定性大，所射開層位并沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試，儲(chǔ)層參數(shù)如含氣量、等溫吸附曲線是根據(jù)其他井測(cè)試值假定的。建議試驗(yàn)井開展分層產(chǎn)量測(cè)試，確定各層產(chǎn)量貢獻(xiàn)，落實(shí)儲(chǔ)層參數(shù)。

6 認(rèn)識(shí)與建議

1）合采過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)層間水倒灌現(xiàn)象，但相對(duì)于整個(gè)開發(fā)過(guò)程來(lái)說(shuō)，倒灌現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間短；影響合采效果的關(guān)鍵因素是致密儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)強(qiáng)度，物性參數(shù)差異影響合采時(shí)各層產(chǎn)能貢獻(xiàn)比例，但對(duì)最終合采效果的影響可忽略。

2）提出了合采選層原則：非產(chǎn)水致密層不宜與煤層合采；物性參數(shù)差異性不作為合采選層的考慮因素；產(chǎn)水致密層可與煤層合采，但需確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)可采參數(shù)界限值。

3）建立了“六圖版四象限”快速選層法，適用于研究區(qū)兩氣合采層系優(yōu)選。

4）單層產(chǎn)能的落實(shí)程度是兩氣合采的基礎(chǔ)，建議試驗(yàn)井開展分層測(cè)試以確定分層產(chǎn)量貢獻(xiàn)，優(yōu)化排采管理，減小停機(jī)、作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。