储层伤害对煤层气井合层排采影响研究_向刚.pdf

收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 3基金项目:贵州省地质勘查基金项目“贵州龙潭组煤层气重点层段优选和高效勘查开发关键技术研究与示范”(2 0 8-9 9 1 2-J B N-UT S 0)作者简介:向刚(1 9 8 7-),男,四川泸州人,工程师,硕士,主要从事煤层气地质与开发技术研究工作。通讯简介:陈畅然(1 9 9 8-),男,河南安阳人,硕士研究生,主要从事煤层气开发地质研究工作。储层伤害对煤层气井合层排采影响研究向 刚1,2,陈畅然3,赵凌云1,2,周培明1,2,郭志军1,2(1.自然资源部 复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室,贵州 贵阳 5 5 0 0 0 9;2.贵州省油气勘查开发工程研究院,贵州 贵阳 5 5 0 0 0 9;3.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6)摘要:国内外相关领域的学者在煤储层敏感性、合层排采方面做了大量卓有成效的研究工作并取得了丰富的成果,但仍存在复杂的地质条件下,不同排采阶段所受到的储层伤害不明确等问题。通过对煤储层渗透率敏感性特征及合层排采过程中的储层伤害机理的研究,揭示煤储层敏感性对合层排采表现的影响,为提出针对性的合层排采管控措施提供理论依据,进而优化煤层气井排采工艺体系,提升煤层气井产气效率。关键词:煤层气;储层伤害;合层排采;伤害机理中图分类号:P 6 1 8.1 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 2)0 3-0 0 0 1-0 41 引言煤层沉积过后,在地质演化历史中生烃,物理性质改变,整体较为脆弱和敏感,且具有低孔隙度、低渗透率、易受压缩、易碎等特点,这些性质影响了储层的物性和含气性,进而改变储层敏感性1。煤储层在整个煤层气井排采的过程中都会出现一系列的储层伤害问题,包括应力敏感性、速度敏感性,贾敏效应等,划分合理的排采阶段,制定针对性的排采制度,进而可以减少煤层气在排采过程中的损耗,提升煤层气的排采效率2。2 煤层气井储层伤害2.1 压敏效应随着煤储层卸压的范围增加,井底流压逐级递减,煤基质所受到的有效应力增大,煤基质被压缩,孔隙度、孔裂隙直径减小,孔隙之间的连通性变差,表示煤基质具有较强的应力敏感性3。煤层气井排采过程中,随着煤基质骨架所承受有效应力增大,煤储层渗透率快速下降,直接影响到煤层气井的气水产出4。煤层气井完井、压裂等过程中存在与压裂液、地层水等相溶的工作液侵入煤储层,将会引起近井地带煤储层含水饱和度升高,煤储层液体渗透阻力减小,利于地层水及压裂液的返排,但也同时造成了煤储层应力敏感性增强。在此情况下,若压裂和排采控制不当,导致储气层段所受压力发生波动,易引起煤储层的应力敏感效应而降低其渗透率,降低煤层气井单井产量5。在整个煤层气井的排采过程中,煤储层的异常高压使得气体产出速率快速上升,储层压力迅速下降,并发生较大幅度的变化,而较高的地应力则会造成有效应力快速增加,应力敏感性显著,导致煤基质中的孔裂隙闭合,进而造成渗透率和孔隙度降低。以盘江矿区松河井田1 5#煤为例,从应力敏感性实验数据中可以看出:当有效应力增加时,煤层的渗透率呈现出指数型降低(图1),结果显示出煤岩具有很强的应力敏感性。分析煤层渗透率呈指数型下降的主要原因:在应力的作用下,煤岩自身存在的孔裂隙会率先闭合,使渗透率显著降低;而后虽然有效应力不断增大,但煤岩内部的固体颗粒很难被压缩变形,所以渗透率下降幅度逐渐趋于平缓。此外,由于贵州煤储层原始渗透性差,而对于原始渗透率较差的煤储层,应力敏感对产量的影响会更大3。煤层气井压裂施工中,若采用较高的施工压力作用于煤储层,导致煤储层含水饱和度增大,饱水压力增大,压裂液侵入煤层微孔隙中导致煤储层束1 2 0 2 2年第1 1期内蒙古石油化工缚水饱和度升高,同时水楔作用和润滑作用加大了煤储层应力敏感性,将引起煤储层液测渗透率大幅度降低,严重阻碍压裂液、地层水的渗流,降低压裂效果6。因此,压裂施工过程中应控制泵注压力,避免施工压力过高导致压裂液严重侵入煤储层微孔裂隙。图1 松河井田1 5#煤应力敏感性曲线2.2 速敏效应煤储层中流体的流速在煤层气排采过程中非常快,地层流体携带大量煤粉,发生停抽或流体流速减小后,煤粉原地沉淀,堵塞裂缝通道,产生“速敏效应”7。速敏效应的产生与储层渗透性关系密切,排采中一般低渗储层易产生速敏效应,而低渗煤储层在排水时期更是如此,其产生原理如图2。图2 速敏效应示意图 煤粉在产出的过程中一般受到两种力的作用,一种为张应力,另一种为剪切应力,两种应力均会造成煤储层的破碎。储层流体运移较快,易发生张应力破碎,如果是井底流压下降较快,主要为剪切破碎。速敏效应可使储层渗透性大幅降低,严重影响煤储层排水产气8。当地层所受应力较高,在排采过程中随着流体排出,储层所受的有效应力与其他应力正常储层相比要大,而储层所受有效应力越大引起速敏效应的临界流速越小,越易发生速敏效应。2.3 贾敏效应在煤层气井的排采阶段时,气水不相混溶的两相流体在煤储层渗流孔道中流动,当气泡或液珠欲通过煤储层孔隙喉道或裂隙变窄处,则需克服珠泡变形所带来附加毛管阻力P,这种阻力称为贾敏效应,如图3所示。图3 贾敏效应示意图 P=P3-P1=2(1/R1-1/R2)式中:P1为泡前压力;P3为泡后压力;为气水的界面张力;R1为前端弯液面半径;R2为后端弯液面半径。当孔喉内外压力差大于P时,气泡或液珠才能通过孔喉,否则孔隙就会被堵住。由上式可以看出,贾敏效应产生附加毛管阻力P的大小与煤储层孔裂隙喉道的尺寸密切相关,且由于气水界面张力较大,贾敏效应往往是气水两相流体在煤储层中的主要阻力。对低孔、低渗、孔隙结构复杂的煤储层而言,由于其显微裂隙发育不规则,孔隙喉道较为狭小,且煤层气井排采过程中产生气水两相渗流,因此更容易产生严重的贾敏效应9-1 1。此外,随着煤层气井排采过程中吸附气大量解吸及运移,煤储层中含水、含气饱和度突变,形成不稳定的气水两相渗流,并产生大量不连续的气泡、2 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 水珠,贾敏效应的影响将更为突出。因此,减弱贾敏效应对煤储层中气水两相渗流的阻力,对于提高煤层气开发效果具有重要意义。3 储层敏感性对合层排采影响3.1 压敏效应对合层排采影响在煤层气井开始压裂后,近井地带煤储层含水饱和度高,初始液测渗透率高,应力敏感性强,排采导致有效应力增大,使压裂液、地层水返排的难度增大。如果不缓慢降低井筒流压,使压降漏斗有效扩展,避免近井地带液相渗流能力的快速下降,则有效应力迅速的增大可能对压裂液返排产生不利影响。特别是对于深部、欠压煤储层,煤层气开始解吸时,近井地带液测渗透率已降至很低,液体的导流能力将难以保证。在排采初期饱和单相水流条件下,煤储层处于饱水状态,由于饱水煤样加卸荷载过程中,渗透率具有较高的不可逆损失率,应保证排水的稳定性及储层降压的持续性,尽可能避免排采初期停抽、间歇性排采引起的有效应力波动而导致煤储层液测渗透性变差,阻碍地层水、压裂液的返排1 2。3.2 速敏效应对合层排采影响单煤层排采时,排采速率直接决定这一产层是否发生速敏效应,避免速敏效应方法也较简单,排采初期减缓排水速率,通过控制套压大小来调节产能,待排采一定时间后,随着井底流压降低再逐渐调低套压。而合层排采因各个产气层段的速敏性、渗透性、含水性等储层物性都存在一定差异,同一时刻各段所处的排采阶段也会有不同,因此各压裂段流体运移速率会有较大差异。基于贵州煤层气开发条件,结合区内煤层气井排采制度的研究,得出速敏效应对合层排采存在以下影响:(1)排水阶段是煤粉产出的高发期,由于各个层段压裂液的排出,合采井初期日产水量较大,所以速敏效应引发的煤粉产出量增加,易造成合采井卡泵1 3,而频繁进行卡泵检修作业会导致煤储层重新吸附已解吸的气体,严重影响合采井的产量。(2)进入气水两相流阶段时,气水两相流携粉能力较单相流携粉差,但煤粉沉淀速率较排水段要快,阻塞储层渗流通道1 4。一般远井地带颗粒较大的煤粉沉淀,厚度大,近井地带沉积煤粉颗粒小,厚度薄,沉淀的煤粉阻碍了远井地带流体的运移,减小压降漏斗的扩展。合采井由于各层段排采阶段的差异,单层或多层在进入气水两相流阶段后,其产水能力会不可避免地下降,如果此时不及时改变排水速率,其他单相流储层的排采速率必定增加,产生速敏效应伤害,进而影响渗透性。3.3 贾敏效应对合层排采影响基于煤层气井井筒周围气水两相渗流分带情况,分析煤层气井排采阶段特征如表1所示。表1 煤层气井排采阶段特征排采阶段产气量产水量井底流压套压主要渗流特征控压排液无先升后降平稳下降无饱和/非饱和单相水流控压产气缓慢上升明显下降缓慢下降先升后稳不稳定两相流降压提产快速上升逐渐稳定相对稳定逐渐下降不稳定两相流控压稳产相对稳定相对稳定缓慢下降相对稳定稳定两相流产气衰减逐渐下降很少或无很小或无很小或无稳定两相/单相流 由表1可见:煤层气井初期排水阶段,产水量快速上升后逐渐下降,气体未解吸情况下无套压显现,煤储层中主要为饱和-非饱和单相水流。控压产气阶段,在井底流压缓慢降低时,套压先升高,随后逐步保持稳定,产气量在人为控制下亦缓慢上升;在煤储层中,存在着不稳定的气水两相流,大量气体解吸会卡断连续的水柱,当水滴通过煤储层孔隙喉道或较窄的裂隙时形成严重的贾敏效应,使近井地带水相渗透率快速下降,导致煤层气井见套压后产水量快速下降。降压增产阶段,井底流压趋于稳定,人为控制套压逐步下降,产气量快速升高,井筒附近煤储层中气水饱和度发生明显变化,形成不稳定的水气两相流,水柱、水泡相互卡断,贾敏效应增强,对煤层气井排水、产气产生不利影响。控压稳产阶段,井底流压缓慢下降,煤层气井气、水产量相对稳定,煤储层中形成稳定的水气两相流态,贾敏效应逐渐减弱,有利于煤层气井压降漏斗扩展及长期稳产。产气衰减阶段,煤层气井产水量很少或不产水,煤储层中为单相气流或稳定的水气两相流,贾敏效应亦较弱。煤层气井排采过程中,煤储层中吸附态甲烷逐渐解吸,井筒附近煤储层含气饱和度逐渐升高,导致水相渗透率快速下降,形成气相圈闭。特别是在对于煤储层含水性较弱的情况,气相圈闭的结果将导致较低的压裂液返排率,储层压降漏斗扩展困难,最终导致煤层气井产气量快速衰减。若煤储层3 2 0 2 2年第1 1期向 刚 储层伤害对煤层气井合层排采影响研究中存在非稳态的气水两相渗流,则向井筒方向运移的水柱、气柱更易被相互卡断,引起气水两相渗流严重的贾敏效应。综合考虑到煤层气井排采阶段的特点,憋压增产和控压增产阶段是煤层气井排采过程中贾敏效应对煤储层伤害最严重的时期。当煤层气井排采进入控压稳产阶段,若能够保证煤层气井连续、稳定排采,保持日产气和日产水量的长期相对稳定,防止因形成不稳定的气水两相渗流,产生煤储层贾敏效应,从而降低煤层气井产能。4 结论(1)煤储层敏感性受有效应力、流体流速、阻力等多种因素影响,但其最终都是通过影响储层渗透率进而导致煤储层伤害。(2)在煤层气合层排采过程中,不同的排采阶段,不同的合层排采管控措施下,煤储层受到不同类型的储层伤害,而煤储层伤害最直接后果就是导致煤层产气量降低。(3)根据不同的排采情况和暴露出的问题,进一步开展对煤储层伤害和合层排采之间关系的研究,提出针对性的合层排采管控措施,消除或减弱储层伤害对排采过程中造成的影响。参考文献1 秦勇,申建.论深部煤层气基本地质问题J.石油学报,2 0 1 6,3 7(1):1 2 5-1 3 6.2 柳迎红,房茂军,廖夏.煤层气排采阶段划分及排采制度制定J.洁净煤技术,2 0 1 5,2 1(3):1 2 1-1 2 4+1 2 8.3 陈振宏,王一兵,郭凯,等.高煤阶煤层气藏储层应力敏感性研究J.地质学报,2 0 0 8,(1 0):1 3 9 0-1 3 9 5.4 蓝强.煤储层应力敏感性及产能预测研究D.北京:中国矿业大学(北京),2 0 1 4.5 孟召平,侯泉林.高煤级煤储层渗透性与应力耦合模 型 及 控 制 机 理 J.地 球 物 理 学 报,2 0 1 3,5 6(2)