沁南潘河煤層氣田穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)

摘 要

摘要：“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目”自2009年10月竣工投產(chǎn)以來(lái)，取得了很好的排采效果。第一階段共鉆40口井，目前單井平均日產(chǎn)氣量已
摘要：“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目”自2009年10月竣工投產(chǎn)以來(lái)，取得了很好的排采效果。第一階段共鉆40口井，目前單井平均日產(chǎn)氣量已超過(guò)5000m3；第二階段110口井，目前單井平均日產(chǎn)氣量已超過(guò)2000m3。在示范工程實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)特征及煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程的不同階段，制訂了合理的生產(chǎn)管理制度，總結(jié)出一套既能保護(hù)儲(chǔ)層，又兼顧單井和氣田整體產(chǎn)能的精細(xì)穩(wěn)控排采技術(shù)，并在生產(chǎn)中成功應(yīng)用，避免了對(duì)煤層的傷害，排水降壓平穩(wěn)，擴(kuò)大了壓降范圍，逐步提高了產(chǎn)量。正是由于精細(xì)穩(wěn)控排采技術(shù)的實(shí)施，才保證了示范工程煤層氣井排采的成功，也為類似煤層氣田的開采提供了技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：沁水盆地；南部；潘河煤層氣田；穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)；滲透率；含氣飽和度；修井作業(yè)
    潘河煤層氣田位于山西省沁水縣嘉峰鎮(zhèn)，屬于潘莊區(qū)塊，面積24.2km2。潘莊區(qū)塊位于沁水盆地的東南緣，總體為單斜構(gòu)造，傾向西北，地層傾角較小，多在5°～15°之間，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層稀少，水文地質(zhì)條件亦屬于簡(jiǎn)單類型。在認(rèn)定的探明儲(chǔ)量范圍內(nèi)，其動(dòng)用煤層氣探明儲(chǔ)量為35.5×108m3，可采儲(chǔ)量為19.28×108m3。主要目標(biāo)煤層為下二疊統(tǒng)山西組的3#煤層。
   總體來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的地質(zhì)構(gòu)造，較有利的煤層、煤質(zhì)特征，較好的煤儲(chǔ)層特征，有利于該區(qū)煤層氣的富集成藏和勘探開發(fā)。
1 煤層氣田的生產(chǎn)情況
   潘河煤層氣田一期150口井分為兩個(gè)階段實(shí)施，其中第一階段潘河先導(dǎo)性試驗(yàn)項(xiàng)目共鉆40口井，于2005年11月進(jìn)入商業(yè)性試生產(chǎn)，總體排采效果良好，大部分井在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的排水后，已經(jīng)進(jìn)入了氣體穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)階段。目前，40口井單井平均日產(chǎn)氣量已超過(guò)4800m3，創(chuàng)國(guó)內(nèi)煤層氣單井產(chǎn)量之最，截至2010年底，40口井已累計(jì)產(chǎn)氣2.34×108m3。第二階段110口井，于2009年10月建成投產(chǎn)，大部分井產(chǎn)氣量尚處于增長(zhǎng)階段，目前單井平均日產(chǎn)氣量已超過(guò)4800m3。
    截至2010年底，全部150口井已累計(jì)產(chǎn)氣3.26×108m3。
2 煤層氣井穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)的實(shí)施
2.1 煤層氣井的生產(chǎn)特征
    煤層氣特有的吸附、解吸特性決定了其在產(chǎn)出過(guò)程中有別于常規(guī)天然氣藏。對(duì)于含水煤層來(lái)說(shuō)，甲烷在煤層中的流動(dòng)由3部分構(gòu)成：從煤表面解吸，通過(guò)煤基質(zhì)和微孔隙的擴(kuò)散，甲烷通過(guò)割理系統(tǒng)的達(dá)西滲流。對(duì)應(yīng)甲烷在煤層中的流動(dòng)，井底煤層中流體相態(tài)及流動(dòng)特征也要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段的變化：地層水單相流動(dòng)，非飽和地層水流動(dòng)，氣、水兩相流流動(dòng)。煤層甲烷的流動(dòng)產(chǎn)出、煤層中流體相態(tài)及流動(dòng)特征的變化，體現(xiàn)在煤層氣井的生產(chǎn)過(guò)程中一般也表現(xiàn)為3個(gè)階段：排水降壓階段、穩(wěn)定生產(chǎn)階段、產(chǎn)量遞減階段(圖1)。

    受煤層地質(zhì)條件、煤儲(chǔ)層條件、氣水兩相流流動(dòng)機(jī)理及儲(chǔ)層增產(chǎn)改造等岡素的影響，區(qū)塊內(nèi)大部分煤層氣井的排采曲線呈現(xiàn)出3種典型特征：中高產(chǎn)-低產(chǎn)-高產(chǎn)，中高產(chǎn)-高產(chǎn)，中高產(chǎn)-低產(chǎn)。另外由于地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，還有一些特殊生產(chǎn)特征的情況，如高產(chǎn)水井、初始產(chǎn)氣量高的井等[1]。
2.2 技術(shù)特點(diǎn)及其實(shí)施
    煤層氣井的生產(chǎn)管理，需要針對(duì)煤層氣井的特點(diǎn)及煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程的不同階段，有目的地制訂合理的生產(chǎn)制度，在避免煤層受到二次傷害的前提下，穩(wěn)定合理的提高單井產(chǎn)能，有意識(shí)地?cái)U(kuò)大單井壓降擴(kuò)散范圍，從而實(shí)現(xiàn)單井和氣田的長(zhǎng)期穩(wěn)定高產(chǎn)。
    在對(duì)煤層氣井產(chǎn)出機(jī)理、煤層氣井不同階段生產(chǎn)特征研究分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是：避免煤層傷害，平穩(wěn)排水降壓，擴(kuò)大壓降范圍，逐步提高產(chǎn)量。正是由于穩(wěn)控精細(xì)排采技術(shù)的實(shí)施，保證了本區(qū)煤層氣生產(chǎn)的成功。
2.2.1 3種典型特征井
    示范工程區(qū)塊內(nèi)大部分煤層氣井的排采曲線呈現(xiàn)出3種典型特征：中高產(chǎn)-低產(chǎn)-高產(chǎn)，中高產(chǎn)-高產(chǎn)，中高產(chǎn)-低產(chǎn)。這3類典型生產(chǎn)特征的井，一般會(huì)經(jīng)歷煤層氣井的3個(gè)生產(chǎn)階段，即排水降壓階段，穩(wěn)定生產(chǎn)階段，產(chǎn)量遞減階段(區(qū)內(nèi)的150口井由于生產(chǎn)時(shí)間的原因，目前均未到達(dá)產(chǎn)量遞減階段，故不作闡述)[2～3]。
2.2.1.1 排水降壓階段
    這是煤層氣井排采過(guò)程中至關(guān)重要的階段，極易造成對(duì)煤層的傷害。該階段宜采用定壓降排采制度，控制重點(diǎn)是：盡量減少井底流壓的變化幅度，合理選擇泵型，制訂合理的排采參數(shù)，減低排液速度，使得環(huán)空動(dòng)液面平穩(wěn)緩慢下降；在產(chǎn)氣初期，適當(dāng)回調(diào)排采參數(shù)，保持一定的動(dòng)液面，緩慢提升氣量。潘河煤層氣田的排采井一般選用Φ44m/m口徑管式泵，排采初期抽油機(jī)設(shè)定為最小沖次、沖程，觀察煤層供液能力情況，定期調(diào)整抽油機(jī)沖次、沖程，原則上要求此階段動(dòng)液面日降速不超過(guò)1Om。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于煤層供液能力大小不一，供液能力差的煤層動(dòng)液面降速很難控制，因此，在選擇泵型時(shí)，有針對(duì)性地選擇一些間隙較大的管式泵，不過(guò)分追求高泵效(圖2)。
2.2.1.2 穩(wěn)定生產(chǎn)階段
   進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段后，宜采用定產(chǎn)排采制度，此階段應(yīng)避免單井產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)。需要進(jìn)行單井產(chǎn)量調(diào)節(jié)時(shí)，一般通過(guò)調(diào)整動(dòng)液面及套壓進(jìn)行產(chǎn)量調(diào)節(jié)，主要分兩種情況：①動(dòng)液面較高的井，主要通過(guò)增加抽油機(jī)沖程沖次或提高管式泵泵效的方法，通過(guò)降低動(dòng)液面來(lái)降低井底流壓，達(dá)到提產(chǎn)的目的；②動(dòng)液面接近煤層頂板的井，一般通過(guò)調(diào)整套壓調(diào)整井底流壓，調(diào)壓時(shí)一般單日內(nèi)套壓變化不超過(guò)0.2MPa。
2.2.2其他特征井
    由于地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，還有一些特殊生產(chǎn)特征的情況，如高產(chǎn)水井、初始產(chǎn)氣量高的井等。
2.2.2.1 高產(chǎn)水井
   這類井一般處在區(qū)內(nèi)向斜中心部位，這類井產(chǎn)水量大大超過(guò)區(qū)內(nèi)平均產(chǎn)水量(區(qū)內(nèi)單井平均產(chǎn)水量2～5m3/d)，最高超過(guò)50m3/d。這類井產(chǎn)水周期較長(zhǎng)，一般在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(有的井超過(guò)1年)達(dá)不到產(chǎn)氣階段。這類井雖然自身沒(méi)有產(chǎn)氣量，但其對(duì)整個(gè)氣田的整體排水降壓是很有貢獻(xiàn)的，這類井縮短了氣田內(nèi)其他井的排水降壓周期。針對(duì)這類井，并不追求其盡快產(chǎn)氣，針對(duì)底層供液能力，控制其排水速度及動(dòng)液面的降速，避免由于過(guò)早出現(xiàn)氣水兩相流，影響水相的相對(duì)滲透率，應(yīng)盡量多地排出地層水。排水的過(guò)程就是地層壓力整體下降的過(guò)程，對(duì)整個(gè)氣田的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)十分有利。
2.2.2.2 高產(chǎn)氣井
    這類井一般在儲(chǔ)層改造的壓裂液返排完畢后就不再有產(chǎn)水顯示了，氣產(chǎn)量較高且套壓較高，一般井口套壓均能超過(guò)1MPa。針對(duì)這類井，在其排水周期結(jié)束后，利用錐形閥或油嘴控制井口套壓，保持較高套壓生產(chǎn)，適當(dāng)控制產(chǎn)氣速度，以避免高流速的氣體攜帶出煤粉并由此造成儲(chǔ)層的傷害(圖3)。
3 作業(yè)措施在排采中所起的作用
   煤層氣井生產(chǎn)過(guò)程中，由于一些井下故障，需要對(duì)生產(chǎn)井進(jìn)行修井作業(yè)，達(dá)到以下目的：①解決由于煤粉或壓裂砂引起的卡泵問(wèn)題；②解決管柱由于偏磨造成的油管漏失及油管強(qiáng)度降低的問(wèn)題；③解決由于氣鎖或雜物引起的泵效較低的問(wèn)題；④生產(chǎn)要求需要更改泵掛結(jié)構(gòu)或泵掛深度的問(wèn)題；⑤定期檢修以及解決其他井筒內(nèi)故障等。
    在生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一些井經(jīng)過(guò)修井后，在單井沖程、沖次、產(chǎn)水量、液面高度等生產(chǎn)參數(shù)以及泵型、泵效、泵掛結(jié)構(gòu)等井筒內(nèi)情況并未發(fā)生明顯變化的情況下其單井產(chǎn)氣量發(fā)生激增，由低產(chǎn)井迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦弋a(chǎn)井(圖4)。
    研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種情況的井有以下特點(diǎn)：①這些井均經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的生產(chǎn)，大多都處于排水降壓階段后期，產(chǎn)水量已經(jīng)較低(日產(chǎn)水量低于1m3)，說(shuō)明井筒附近地層中含水飽和度已經(jīng)降低到一定程度；②由于已經(jīng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的排水降壓，這些井地層壓力已經(jīng)降低到一定程度，且壓降波及范圍也已擴(kuò)大到一定程度，井筒遠(yuǎn)端煤層中，已有大量甲烷氣解吸出來(lái)，形成一些高含氣區(qū)；③修井作業(yè)前，這些井大多井底流壓均超過(guò)1MPa，產(chǎn)水產(chǎn)氣基本穩(wěn)定，井筒附近達(dá)到了一個(gè)平衡穩(wěn)定狀態(tài)。
    在修井前，這些井動(dòng)液面一般都接近煤層頂板，煤層所受回壓主要是套壓造成的。在修井過(guò)程中，出于安全，各井都會(huì)在起下管柱前，進(jìn)行放壓處理，即敞開井口，不控制套壓放氣，這就造成了井底流壓降低，生產(chǎn)壓差增大；煤層所受回壓降低，井筒附近解吸氣量增大，又因?yàn)榫哺浇柡投纫呀?jīng)降低到一定程度，因此，氣相滲透率會(huì)增加，水相滲透率會(huì)相應(yīng)降低，這樣就在井底形成了一條氣的高速通道；另外，在修井過(guò)程中由于起下井內(nèi)管柱，會(huì)有一定程度的壓力波動(dòng)，這都會(huì)打破修井前井筒附近建立的平穩(wěn)狀態(tài)。這種影響波及井筒遠(yuǎn)處高含氣區(qū)后，這些井產(chǎn)氣量會(huì)大幅增加，完成了向高產(chǎn)井的轉(zhuǎn)變。在排采過(guò)程中，有意識(shí)地安排一些修井作業(yè)，從而獲得了很好的效果。
4 結(jié)束語(yǔ)
   煤層氣排采控制技術(shù)具有其獨(dú)特性，既要保護(hù)儲(chǔ)層，又要兼顧單井、氣田整體產(chǎn)能的精細(xì)穩(wěn)控排采技術(shù)，從而保證了煤層氣井的平穩(wěn)生產(chǎn)和效益最大化。這開創(chuàng)了煤層氣井規(guī)范化排采作業(yè)的先河，起到了應(yīng)有的示范效應(yīng)。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：王國(guó)強(qiáng) 吳建光 熊德華 張占軍 趙玉峰 郭暉 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司)