煤层气井排采速率与产能的关系

　第34卷第3期煤 炭 学 报Vol.34　No.3 2009年3月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY M ar.　2009　

文章编号:0253-9993(2009)03-0376-05

煤层气井排采速率与产能的关系

李金海,苏现波,林晓英,郭红玉

(河南理工大学资源环境学院,河南焦作　454000)

摘　要:通过分析煤储层压裂裂缝受力状态的动态变化,详细探讨了排采对煤层气井产量的影响.指出排采的速率过大会使裂缝所受有效应力快速增加,进而快速闭合,大大降低渗透率,压降不能传递得更远,煤层气井控制半径变小;流体携带大量的煤粉和支撑剂堆积在临井地带堵塞裂缝,发生速敏效应;间歇式排采更加剧了速敏效应的发生.由此可见,煤层气井的排采必须以合理的、缓慢的速率进行,否则将造成储层的严重伤害.焦作矿区X-1井因排采速率过快,造成10d内将液面降低了782m,达到了煤层底板,从而出现了水产量低、基本不产气的结果.数值模拟结果表明,在达到临界解吸压力之前液面下降速率以5～10m/d为最佳;达到临界解吸压力时应维持液面不变一段时间,然后以2m/d的速率下降.

关键词:煤层气;排采速率;产能;裂缝;速敏效应

中图分类号:P618111 文献标识码:A

Rel a ti on sh i p between d ischarge ra te and producti v ity of coa lbed m ethane wells

L I J in2hai,S U Xian2bo,L IN Xiao2ying,G UO Hong2yu

(Institute of R esources and Environm ent,Henan Polytechnic U niversity,J iaozuo　454000,China)

Abstract:Based on the evoluti on of force state acted on the fractures in coal reservoir during the p r ocess of drain2 age,the influence of drainage rate on the p r oducti on of coalbed methane wells was discussed syste matically.Rap id drainage rate could result in the increase of effective stress,the cl osure of fractures,the da mage of per meability, and short drainage radius.The rap id and inter m ittent drainage als o results in the vel ocity sensitivity,a large nu m2 ber of coal particles and p r oppant accumulated near the wells and p lugged fractures.This sho ws that the drainage rate of coalbed methane wells must be reas onable and sl owly,other wise it would cause seri ous reservoir da mage. Because the liquid level in coalbed methane well is rap idly reduced t o the coal sea m fl oor within10days,X-1 well in J iaozuo M ining area p r oduces a s mall a mount of water and can’t p r oduce coalbed methane currently.The nu merical si m ulati on results show that the best liquid level falling rate is5～10m/d bef ore the critical des or p ti on p ressure,the liquid level should maintain unchanged f or a peri od when reach the critical des or p ti on p ressure,and then dr op the liquid level at the rate of2m/d.

Key words:coalbed methane;drainage rate;p r oductivity;fractures;vel ocity sensitivity

大部分煤层在静水压力作用下是被水饱和的,在原始储层条件下,煤层孔隙、裂隙中的流体处于一种收稿日期:2008-04-20 责任编辑:柳玉柏

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(2002CB211705);长江学者和创新团队发展计划基金资助项目

(I RT0618);河南省重大公益性科研基金资助项目(0811********)

作者简介:李金海(1984—),男,河北承德人,硕士研究生.E-mail:lijinhai1013@1631com;联系人:苏现波(1963—),男,河南洛阳人,教授,博士生导师.Tel:0391-*******,E-mail:suxianbo@2631net

第3期李金海等:煤层气井排采速率与产能的关系相对稳定的平衡状态.随着连续不断的排水降压,平衡状态被打破,使得煤储层压力持续下降.当煤储层中的孔隙、裂隙压力低于临界解吸压力时,吸附在煤基质孔隙表面的甲烷开始解吸并扩散到裂隙系统,在裂隙中和水一起以达西流形式运移至井筒产出.影响煤层气产出的因素有煤厚、煤阶、含气量、地应力、

储层压力、水动力条件、渗透率、压裂效果、气井施工质量等因素[1-4],其中控制煤层气产出能力的关键

是储层渗透率,绝大部分煤储层的原始渗透率很低,但通过压裂改造后,渗透率得到明显的提高[5-7].而

随着排采的进行和压力的改变,储层中裂缝的受力状态和张开度的变化使渗透率趋于降低,进而影响产能[8-13].这就要求对不同地质条件的煤层气井实施合理的排采措施,使其达产或延长服务年限.

1　压裂裂缝的扩展

压裂裂缝方向与大小是现今应力场方向与大小、天然裂缝方向、煤岩抗拉强度等多种因素共同作用的结果.在某一区域,最大、最小水平主应力方向基本确定了压裂裂缝的大致方位,不同的地应力类型在压裂的过程中产生不同的裂缝[14-15]

.最大主应力处于垂直位置的为Ⅰ类,又可分为2类:最小主应力为正值(压应力)的称为Ⅰa 类,在它控制下发育的是高角度裂缝;最小主应力为负值(张应力)的称为Ⅰb 类,在它控制下发育的是直立的张裂缝;地应力的最小主应力在垂直位置的称为Ⅱ类,在它控制下发育倾角很小的水平裂缝;中间主应力取垂直方位的称为Ⅲ类,在它控制下发育的是剪裂裂缝,近于直立.

对于煤储层而言,其地应力状态主要为Ⅱ,Ⅲ类.Ⅱ类地应力煤储层,垂向压力为最小主应力,水力压裂产生的裂缝主要为水平缝.而Ⅲ类地应力煤储层,垂向压力为中间主应力,水力压裂产生的裂缝主要

为垂直缝.当水压超过3

σm in -σmax +S t (S t 为煤层的抗拉强度),煤层中的微裂缝被压开并在横向和纵向上得到延伸.由于煤岩与其上下围岩的岩石力学性质有较大的差异,一般情况下裂缝被限制在一定的高度范围内,压开的主裂缝主要沿最大主应力方向σmax 在煤层中延伸,沿最小主应力σm in 的方向张开,

动态裂图1　裂缝受力状态Fig 11　The stress state of fractures in coal

缝的单向延伸距离可达130m 以上.沁水盆地压裂裂缝检测

结果表明存在垂直缝、单翼垂直缝、两翼不对称缝(一翼为

垂直缝,一翼为水平缝)3种类型,而且煤层在近井段产生

多条水平或垂直缝,随着裂缝半长的扩展,既有产生水平缝

的,也有产生垂直缝的[16].

在原地应力状态下,裂缝的受力状态比较复杂,而垂直

于裂隙面上的受力状况有正应力、流体压力和固体颗粒支撑

力(图1),这些力最大限度地控制着裂缝的张开和闭合.压裂前平衡条件p f =p i =σ⊥,

(1)式中,p f 为裂缝流体压力;p i 为原始储层压力;σ⊥为裂缝所受正应力.

压裂后裂缝在正应力、流体压力和固体颗粒支撑力的作用下处于平衡状态,即

σ⊥=p s +p f ,(2)

σe =σ⊥-p s -p f ,(3)

式中,p s 为固体颗粒支撑力;σe 为有效(正)应力.

随着排水降压的进行,上式中煤储层裂缝流体压力降低,有效应力不断增加,裂缝趋于闭合,渗透率

必然降低.有资料表明,随着有效应力的增加,煤储层渗透率呈指数降低[17-18],说明煤储层的渗透率对

应力有很强的敏感性,尤其在有效应力增加的早期.2　排采速率对煤层气井产能的作用机制

合理的排采工艺是煤层气井高产的保障,如果排采速率过大,液面下降速度过快会使有潜力的煤层气井排采半径缩短、发生速敏效应、支撑剂颗粒镶嵌煤层、裂缝闭合现象来临较快、渗透率迅速降低,进而

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卷图2　排采半径与排采强度的关系Fig 12　The relati onshi p bet w een drainage radius and intensity

造成单井产气量低,甚至被废掉.

211　排采半径

排采阶段,如果液面下降速率过快,井筒附近的流

体就会以较高的速度和较大流体压差流向井筒,有效应

力快速增加,裂缝过早闭合,煤层无法将压力传递到更

远处,造成降压漏斗得不到充分扩展,排采半径得不到

有效延伸.只有井筒附近很小范围内的煤层得到了有效

降压,有效排采半径变得很小,气井产气量在达到高峰

后,由于气源的供应不足而急剧下降,无法长期持续生

产,甚至停产(图2).

212　速敏效应在排采过程中,井筒附近地层流体压力逐渐降低,与外边界形成压力差,驱使远处的气和水向井筒运移.流体在裂缝中的运移势必携带一定量的固体颗粒(煤粉或支撑剂),流速越大,携带能力越强.排采速率过快,将造成单位距离内流体压差过高,从而造成裂缝内流体流速加快.高速流动的流体携带大量的煤粉及支撑剂快速向井筒运移.如果这些煤粉或支撑剂运移到了井筒,还可通过冲洗排出;如果堆积在临井地带,将堵塞裂缝,产生速敏效应(图3).速敏效应的发生使得储层渗透性严重降低,致使煤层气井既不产水,也不产气.速敏效应可通过控制液面下降速率得以最大限度的消除,从某种程度上是可以避免的.213　裂缝闭合

水力加砂压裂旨在建立具有较高导流能力的主支撑裂缝,同时使煤层中的众多微裂缝相互连通并部分支撑,在煤层中形成复杂的连通网络体系,从而达到改善煤层的裂隙系统,提高渗透性,实现增产的效果.然而煤层在上覆静岩压力和构造应力作用下有压密煤层使裂缝闭合之势,抵抗这种闭合作用的有裂缝接触点(或面)上的支撑剂支撑应力和裂隙流体压力(图1).若排采速率过快,流体快速产出,流体压力降低,有效应力快速增加,裂缝支撑点压力增加,在加上煤的抗压强度较低,将发生支撑剂颗粒镶嵌煤层现象.闭合压力越大,镶嵌越强烈(图4).煤体强度、闭合压力、支撑剂强度都是不可改变的;要延缓裂缝闭合时间,尽可能扩大排采降压范围,就必须严格控制,缓慢降压,尽可能在裂缝闭合之前抽采最大范围内的煤层气.这也正是埋深较大的煤层气藏开发的技术壁障,是目前亟待解决的工艺难题

.214　不连续排采

由于排采速率过大造成吐粉、修井或其他原因而不能连续排采,也直接影响产能,其原因仍然是速敏效应.停泵后液面回升,储层内驱使流体流动的压力差降低,裂缝内流体流速降低,速敏效应减缓.再次启动抽采,液面下降,速敏效应再次发生,甚至会更强烈.如此反复,对储层的伤害只能更加严重.215　实例分析

焦作矿区X -1井煤层埋深773195～781170m ,含气量25140m 3

/t,镜质体反射率R o =4163%,储层873

第3期李金海等:煤层气井排采速率与产能的关系压力为7169MPa,属常压储层,储层温度20140℃,裂缝闭合压力为13121MPa,压裂前试井渗透率为

0102×10-3μm 2,属低渗透率储层,压裂后试井渗透率达1314×10-3μm 2,内驱边界为2612m ,边界为7813m ,强化效果相当显著.排采初期液面以80～100m /d 的速率很快下降到782m ,达到煤层底板,之

后液面维持在煤层上下20～170m 之间波动,且多次停泵.日产气量从初期的500m 3/d 下降至300m 3/d,

并伴随有煤粉的吐出,之后回弹到650m 3/d 后逐渐下降,直至液面降到煤层以下后产水量很小,基本不

产气(图5).究其停产的原因:①排采初期排采速率太大,动液面降低太快,降压漏斗没有得到充分扩展,排采半径很小,气源供给不足;②动液面的快速下降,造成临井地带裂缝因有效应力的快速增加而过早闭合;③严重的速敏效应已经发生.三者的共同作用使得煤储层渗透性遭到严重伤害.数值模拟结果表明,在达到临界解吸压力之前液面下降速率以5～10m /d 为最佳;达到临界解吸压力时应维持液面不变一段时间,然后以2m /d 的速率下降(图6)

.

3　结 语

煤储层压裂产生的裂缝随煤层气井排采的进行,裂缝的受力状态发生动态的变化.排采速率过大会使储层中的流体沿裂缝快速向井筒运移,裂缝所受有效应力快速增加,进而造成严重影响煤层气井产能的不良后果有:①裂缝过早闭合,压降不能传递得更远,有效排采半径变小,气源供给不足;②快速产出的流体携带大量的煤粉和支撑剂,发生速敏效应;③裂缝趋于闭合,也大大降低煤储层渗透率;④煤层气井的不连续排采也将引起速敏效应.而排采速率过小,使排采周期延长,增加生产成本.因此,在排采过程中,应根据不同的地质条件控制排采速率,制定合理的降压制度,使有效应力缓慢的增加,延缓裂缝的闭合,以扩大解吸半径,延长产气高峰期,提高煤层气井的产气量.

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