煤層氣井注氮驅替增產改造技術

袁延耿 劉明仁 李文強 李 俊 郭錦雯 原紅超

(中國石油華北油田山西煤層氣分公司，山西 048000)

1 注氮驅替增產改造技術原理

煤儲層對CH4和N2的吸附屬于物理吸附，通過注入氮氣驅替煤層氣，從而利用氮氣進行煤儲層改造，以達到提高煤層氣采收速度(圖1)。

圖1 注氮設備地面示意圖

N2注入后，增大了注氣端和析氣端的壓力梯度，使得滯留在孔裂隙中的CH4重新獲了流動動力。 N2的注入相對來說降低了甲烷的分壓，在N2分壓的作用下，擠出一些吸附在煤基質中的甲烷，從而達到提高煤層氣采收率的目的(圖2)。

圖2 氮氣、甲烷分子運動示意圖

2 注氮驅替增產技術應用

2.1 注氮增產設計思路

根據調研相關文獻和前期實驗研究結果，為保證措施效果，確定以下選井原則：

①注氮區域盡量選擇原產量較高，目前產量遞減嚴重的區域；

②井網較完善，適宜做井組注氮增產試驗；

③注氮井遠離斷層，避免氮氣通過斷層大量進入煤層頂、底板巖層，浪費氮氣；

④注氮區域應遠離煤礦，避免氮氣進入到巷道造成安全事故。

依據選井原則，結合實際生產、地面情況，選取樊莊區塊中部HB-X1井組、HB-X2井組作為試驗井區，開展注氮增產試驗(圖3)。

圖3 注氮試驗井井區地質構造圖

所選井區煤層埋深較淺，在496～580m，煤層厚度分布穩定平均5.7m，煤層含氣量整體較高，為19.7～26.2m3/t，煤層非均質性強，屬低滲儲層。孔隙以鑄模孔為主，另見少量植物原生孔隙，部分孔隙被充填；裂隙多被粘土礦物充填，呈直交及斜交分布。3號煤層平均孔隙度2%、滲透率0.3mD，屬低孔低滲儲層。所選井區3號煤以泥巖、砂質泥巖為主，局部發育零星砂泥巖和砂巖，封蓋性較好，利于煤層氣保存。所選井區根據壓裂井裂縫監測判斷，該區水平最大主應力方位為北東向，但根據斷層屬性及開發井壓裂竄通方位綜合判斷，認為試驗區處于平衡應力區，發育復雜多向裂縫。

2.2 注氮增產參數設計

2.2.1 注氮參數應遵循的原則

(1)注氮壓力大于煤層氣儲層的靜水壓力，同時小于煤層氣儲層破裂壓力，保證將氮氣壓入煤層時煤層不發生破裂，氮氣不會從注氮井沿壓裂裂縫直接到達生產井。

(2)注氮壓力盡可能大，保證從注氮井到生產井足夠大的壓力梯度，將氮氣壓入煤層原始微裂隙，使之在壓力和氮氣濃度梯度向煤基質塊的微孔隙擴散。

(3)參考煤層氣井壓裂、排采的工程資料，確定注氮壓力范圍。

2.2.2 注氮壓力確定

參考樊北區塊單井3號煤注入壓降測試報告(9口井)，地層原始儲層壓力2.42～5.04MPa，平均值為3.7MPa，破裂壓力為9.46～17.54MPa，平均值13.3MPa，建議注入壓力7～9MPa，注入試驗期為6～12個月(表1、表2)。

表1 3號煤注入/壓降試井分析結果

表2 3號煤層原地應力測試分析結果

2.2.3 注氮排量的確定

充分利用現有制氮設備排量；不對注氣井區周圍已建管網系統造成較大輸氣負荷。最終確定注氮排量為300～600m3/h左右。

2.2.4 注氮溫度的確定

煤吸附甲烷的能力隨溫度升高而減低。當氮氣溫度大于煤層溫度時，高壓高溫氮氣將熱量傳導給煤層，增大煤層中甲烷分子的熱動能。可充分利用氮氣壓縮機的排氣溫度。

3 現場應用

3.1 工程概況

現場以“兩注十采、協同驅替”的方式，實現了國內首例煤層氣多井組協同注氮驅替增產技術應用。

注氣井周圍小于300m的井采氣井井口計量工藝安裝在線氮氣濃度檢測儀。注氣井周圍大于300m井距的采氣井，需利用便攜式氮氣濃度檢測器定期進行氮氣濃度檢測(圖4)。

自2018年10月15日起，HB-X1、HB-X2兩口注氣井注入壓力隨著累計注入氣量的不斷增長而逐漸升高，截止目前依然僅維持在0.9～1.2MPa左右，低于預期的10MPa；目前整體注入溫度在 40～60℃范圍內波動，注氮排量在300～350m3/h間波動(圖5)。

圖5 兩口注氮井的注入排量及壓力變化

3.2 應用效果

(1)10口采氣井在進行注氮措施前，整體呈氣量遞減趨勢，2015至2016年遞減趨勢較明顯，初步預計如不進行增產措施，整體氣量將掉至9000m3/d左右(圖5)。

(2)注氮增產后2019年6月13日，X3井產出氣體檢測出含氮，說明地下溝通性良好，井組產氣量也從遞減趨勢轉為上升趨勢，氣量最高升至13000m3/d左右(圖6)。

圖6 10口注氮影響井產氣變化

4 結論

煤層破裂壓力以內，注入壓力越高，驅替效果越好。HB-X2井注入壓力2MPa，HB-X1井注入壓力1.1MPa。生產趨勢來看，HB-X2井區效果更明顯，在以后施工過程中應盡量提高注入壓力，提高措施效果。此外結合目前井區增產效果，繼續優選合適井區推廣實驗，夯實老井穩產基礎。根據樊莊中部井區的試驗效果來看，注氮驅替增產效果已初步顯現。下步繼續優選合適區塊井區，利用煤層氣注氮驅替增產改造技術特點，針對各井參數差異，優化設計注氮驅替增產改造技術的各項工藝技術參數及方案有效地提高改造效果。