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QK-煤层气竖直压裂井与多分支水平井生产特征

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QK 煤层气 竖直 压裂井 分支 水平 生产 特征
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第31卷第1期 2009年2川 西南石油大学学报(自然科学皈) V(】l|31 2009 文章编号:1674—5086(2009)048—05 煤层气竖直压裂井与多分支水平井生产特征 石书灿 ,李玉魁 ,倪小明 (1.西南石油大学研究生部,四川成都610500;2.北京九尊能源技术开发有限公司,北京100080; 3.河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000) 摘要:针对我国煤层气多分支水平井和竖直压裂井的生产特点,从垂直压裂井与多分支水平井的钻完井方式、增产 措施、增产原理等方面阐述了两种煤层气井产气机理的异同;根据地下水流动特点及各自钻完井方式,结合达西定律 得出两种煤层气井排采过程中压力动态变化模型;根据地层供液能力及各排采阶段主要任务,把煤层气井饱和水阶 段的工作制度划分为排采调整和稳定降液两个过程;把气水两相流阶段的工作制度划分为排采制度适应过程、井底 压力稳定下降过程、控压稳产过程及配产生产过程共4个过程。提出了钻完井及生产排采过程中关键阶段应注意的 事项,为煤层气的开采提供了依据。 关键词:竖直压裂井;多分支水平井;煤层气;排采制度;压力传递 中图分类号:献标识码:A 0.3863/j.674—5086.2009.12 竖直压裂井和多分支水平井是我国目前地面开 发煤层气的两种主要方式。钻完井工艺方式¨ 、 储层改造工艺技术 J、排水采气压力传递等方面 的不同 。。 ,导致这两种煤层气井排水采气生产管 理等方面的差异。而系统了解并掌握这两种煤层气 井的产气机理、排采过程中压力传递变化、生产特点 是制定合理排采工作制度、生产管理制度、延长产气 高峰、提高采收率的关键¨卜H J。本文在阐述两种煤 层气井产气机理的基础上,根据地下水流动特点及 各自钻完井方式,结合达西定律得出两种煤层气井 排采过程中压力动态变化模型,系统分析两种井排 采特点,进行排采阶段细划;最后根据生产特点,提 出了各自生产过程中需注意的问题。 1 煤层气井产气机理 传统理论认为煤层甲烷是以吸附态、溶解态、游 离态等3种状态储存于煤层或煤系之中,它是一种 非常规天然气藏_1 。在原始地层条件下,煤层孔 隙、裂隙中的流体处于一种相对稳定的平衡状态。 不管是多分支水平井钻井还是竖直压裂井钻井,当 钻遇煤层后,都会引起煤储层原始地应力的重新分 布。特别是完井作业和排水采气生产,对煤层应力 改变有动态的长期影响,正确认识和利用这一规律 对气井的生产至关重要。煤储层中的甲烷气体主要 以物理吸附状态储存于煤岩之中,连续不断地排水 将使煤储层中的压力持续下降,当煤储层中的压力 降低到临界解吸压力以下时,煤层甲烷气便从煤岩 表面解吸出来,解吸出的甲烷气体在压力差和浓度 差的双重作用下扩散、运移、渗流到大的裂隙或井眼 中,最终通过井筒采出地面。其产气机理见图1。 l 煤储k 的 l 【} 烷 水 . I地 化,啄 透半变化 压 解 力 吸 降 压 到 力 临 以 界 下 浓 差 度 1 差 敞、 参流j、I』"简 图1 煤层气井产气机理框图 BM 稿日期:2008—07—03 基金项目:河南省生物遗迹与成矿过程重点实验室开放基金项目( 作者简介:石书灿(1965一),男(汉族),河南郑州人,高级工程师,博士研究生,从事石油及天然气地质研究。 第1期 书灿,等: 煤层气竖直压裂井与多分支水平井生产特征 49 1.1竖直压裂并产气机理 竖直压裂井是指在竖直煤层气井的基础上进行 水力加砂压裂措施后的生产井。这类井一般是从近 垂直煤层层面方向穿过煤层,多数井采取下套管固 井工艺完井,然后利用聚能射孔方式连通煤层与井 眼;部分井采取完全裸眼或筛管内衬裸眼的方式完 井,使煤层直接与生产井眼连通。竖直井无论采取 哪种工艺完井,其生产井眼与煤层的有效连通面积 总是有限的,煤层深部的原始渗透性基本没有改变。 为了使这类井获得较高的产能,对煤层进行水力加 砂压裂改造是最主要也是最常用的方法。 煤层水力加砂压裂是利用增应力的方法对煤层 实施的一种进攻性措施。它是利用强大的水动力对 煤层实施强行注压裂液,当注人压力超过煤岩的抗 压强度时,煤层中的微裂缝被压开并在横向上和纵 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水平主应 力方向在煤层中延伸,动态裂缝的单向延伸距离可 达到130 了保持裂缝的高导流能力,避 免裂缝在地应力的作用下闭合,在压裂施工中需要 在裂缝中充填特殊要求的支撑剂。煤层水力加砂压 裂改造的结果是:在煤层中建立了一条具有较高导 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,从而改善煤层的裂隙系统,提高煤层综合渗 透性,达到增产的效果。 1.2多分支水平井产气机理 多分支水平井是从钻井工程方面人手改善煤层 原始应力分布和煤层原始结构状态,提高煤层渗透 性的有效方法。多分支水平井在钻井成孔的过程中 从煤层中排出大量的煤屑,最后又采取完全裸眼的 方式完井,相当于在煤层中营造了多条多方向长距 离的小洞穴,极大地增加了煤层的裸露面积,扩展了 煤层流体的泄流面积,并最大限度地降低了煤层的 表皮效应,对后期的排水采气生产起到至关重要的 作用。 在水平井眼钻井过程中,钻井液的水动力作用 和钻头的机械破碎作用对煤层的地下结构产生极大 的破坏,煤层的原地应力只有重新分布才能适应新 的环境。采用完全裸眼的方式进行完井作业,又给 煤层的原地应力重新分布创造了空间和条件。在煤 层原地应力重新分布的过程中,煤层的原生结构和 次生结构都将发生变化,由于煤层主要受剪应力作 用的影响,所以煤层中的裂隙以张开为主,因此多分 支水平井钻井和完井的复合结果使煤层的原始渗透 性得到一定程度的提高。前期的钻井完井作业结束 后,煤层的地应力重新分布并没有结束,随后的排水 采气生产使煤层的地应力重新分布继续进行。 连续不断地排水降压是煤层气井生产的主要特 征。在煤层连续不断地排水降压过程中,煤层裸眼 段井眼内的流体被连续不断地排出,导致煤层裸眼 段井眼压力不断下降,地层应力不断地朝向煤层裸 眼段和井底释放,在地层地应力释放过程中,煤层内 的地应力不断地重新分布,使煤层内部结构发生变 化,促进了煤层裂隙的相互连通,进一步改善和提高 了煤层的渗透性。随着煤层压力的不断下降,煤层 渗透性得到改善,在一定时期内,煤层气井的产量将 逐步上升和稳定。其增产机理可用图2表示,排采 过程中应力变化如图3所示。 平衡或欠平衡钻井 产能提高 箍l f 应力变化 l 璧 f 煤岩局部形变 琏力传导 剪 l 变 进 裂缝 产牛裂缝 渗透率政变 连通 图2 多分支水平井增产机理框图 of o 终应力变化的井眼切面 图3 多分支水平井排采过程井眼切面应力变化示意图 in 篷蚕 50 西南石油大学学报(自然科学版) 2009正 多分支水平井和竖直压裂井生产机理比较结果 见表1。 表1 l 多分支水平井和竖直压裂井生产机理对比表 煤层气井排采过程中压力传递异同 煤层气井是靠“排水”使储层压力降低,当储层 压力降低到临界解吸压力以下时,在其影响范围内 的气体将解吸出来,掌握煤层气井排采过程中压力 传递规律是了解煤层气产气来源,制定合理排采生 产管理制度的基础。 2.1 竖直压裂井排采过程中压力传递 煤层气垂直井排采过程中,根据煤层气井储层 中水的单相稳定渗流特点,绘制煤层气井平面径向 流动示意图如图4所示: 一凡 I—R — 司 、 //,卜 = 图4煤层气井平面径向流动示意图 BM 层气井排采初期平面稳定渗流的压力数学模 型 韭 塑:0 r r r 式中,Pa;p 一储层压力,p 一井底 压力,m;尺 一影响半径,m; R 一井半径,m;C。、C 一通解系数,常数。 2.2 多分支水平井排采过程中压力传递变化特点 多分支水平井是由多个分支和一个主支组成。 根据地下水动力学原理及煤层中水向分支井段流动 的特点(图5),除分支井段末端外,煤层中水在裂隙 系统中的流动可看作平面单向流 。 图5 分支井段内压力传递变化示意图 of in 略水在基质孔隙、裂隙系统和分支井段内流 动时的摩阻,其压力分布可写为 嘉:0 dx c。 则 P C 当 =0时,P=P ; ==P ,从而得出各 分支井段压力分布公式为 (4) 一分支井与主支联结点的距离,m; P 一第m。 在分支井段内及主支末端,压力传递与垂直井 相同,在此不再赘述。 分离变量再积分,得到其通解 P=r+2) 边界条件为:r=R ,P=P ;r=R ,P=P 。 得出其压力表达式 p:p 一 1 (3) p j m 煤层气井生产特点 3.1竖直压裂井生产特点 我国煤储层低渗的特点决定了要进行地面开采 煤层气需对垂直井进行储层改造。排采初期,处于 饱和水单相流阶段,压裂液与煤储层中的水一起排 出,由于对供液能力缺乏了解,此时,若排采强度太 大,压力降低过快,一方面可能引起煤粉移动,堵塞 式 第1期 石书灿,等: 煤层气竖直压裂井与多分支水平井生产特征 51 裂隙通道;另一方面可能使支撑剂移动,失去支撑效 果。因此,饱和水排采初期强度不宜过大,应逐步调 整排采强度,使产水量适应地层供液能力,这一过程 可称为排采调整过程。 经过初期的排采生产,基本掌握了煤层的供液 能力,可以确定比较合理的排采工作制度进行排采 生产。这时,井底流压还未达到临界解吸压力以下, 降液仍是这一过程的主要任务。压降漏斗逐渐扩 大,地层供液能力也在逐渐变化,为防止储层激励, 此时需稳定降液,调整排采生产制度,以不断满足供 液能力的变化,这一过程可称为稳定降液过程,直到 井底压力达到临界解吸压力以下。 当井底压力降到临界解吸压力时,则进入气水 两相流状态。产出的气体阻碍水的流动,从而引起 供液能力的波动,为防止储层激励过大,此时需不断 调节排采制度以稳定液面的波动,这一过程可称为 动液面动荡不稳、排采制度不断适应过程。 随着气体的不断产出,产水量急剧下降,产气量 稳定上升,地层已基本适应产气量、产水量的变化。 这时,需控制排采强度,以防止煤粉和支撑剂发生位 移,堵塞裂隙通道,这一过程称为井底压力缓慢下 降、控制排采强度过程。 井底压力不能无限下降,产气量达到一定程度 时,若继续增加产气量,可能引起煤粉、支撑剂的移 动。因此,根据每口井的产气潜力,当井底压力降低 到一定程度、产气量达到某个值时,要控制井底压力, 基本保持产气量稳定,此时,将进入控压稳产过程。 稳定生产一段时间后,根据生产需要进行测试, 取得稳定生产时气、水产量、生产压力等数据,按生 产要求进行配产生产,尽可能延长稳产期。 3.2多分支水平井生产特点 多分支水平井,排采初期,若排采强度过大,则 易引起井壁坍塌,若排采强度过低,无疑将增加排采 成本,因此,应试抽并根据动液面的变化确定初期排 采强度,逐步启动煤层煤体的流动。 随着排采进行,对地层供液能力认识逐渐加深, 调整排采强度,逐渐适应降液要求,这一过程可称为 排采强度适应降液过程。 排采继续进行,供液情况基本掌握,此时,可大 致确定煤储层的导压能力,结合水平井排采过程压 力传递特点,尽量使二者达到基本一致,这一过程可 称为水流压力传递基本适应煤储层导压能力过程。 排采继续进行,当井底压力达到临界解吸压力 时,将进入气水混合流阶段,这个阶段煤层的供水能 力会有很大的起伏,排采生产制度难以很好地控制, 需要不断地调整排采生产制度以稳定液面的波动。 气、水两相流体对煤屑和固相颗粒的携带能力 将大大加强,同时,煤层的供液能力将有所下降,为 保持井底流动压力和煤层的压力相对稳定,防止气、 水混合流体在煤层中流速过快,引发煤层内固相颗 粒的运移,必须控制好排采强度。 气体的大量产出,水相相对渗透率急剧下降,及 时调整排采强度适应供液,逐步进入稳定产气阶段。 4应注意的问题 通过对两种煤层气井生产过程阶段分析,得出 在钻井及排采过程中应注意的问题,见表2。 表2煤层气井生产过程注意问题 in 结 论 煤层气垂直井和多分支水平井是目前煤层气地 面开发的主要方式。通过煤层气井产气分析,得出 以下结论: (1)竖直压裂井和多分支水平井都是通过排水 一降压使煤层气产出的。竖直压裂井主要是通过压 裂改造措施在煤层中形成高导流能力的通道使气体 52 西南石油大学学报(自然科学版) 2009年 产出;而水平井主要通过煤岩局部形变引起渗透率 变化使气体产出。 (2)排采过程中竖直压裂井压力主要以平面径 向流传递;多分支水平井分支井末端压力以平面径 向流传递,分支井段内压力以平面单向流传递。 (3)竖直压裂井和多分支井排采时,准确确定 关键排采阶段,及时调整排采工作制度,是稳定高 产、提高采收率的关键。 参考文献: 秦建强,刘小康.煤层气钻井中煤储层的保护措施 [J].中国煤炭地质,2008,20(3):67—68. 黄勇,熊涛.洞穴完井工艺在寿阳地区煤层气钻井中 的应用[J].中国煤炭地质,2008,20(2):61—64. 郑毅,黄洪春.中国煤层气钻井完井技术发展现状及 发展方向[J].石油学报,2002,23(3):81—85. 郎兆新,张丽华,程林松.压裂水平井产能研究[J].石 油大学学报(自然科学版),1994,18(2):43—46. 吉旭慧.压裂水平井产能影响因素研究[J].内蒙古石 油化工,2007,33(4):99—100. 王凤江,单文文.低渗透气藏水力压裂研究[J].天然 气工业,1999,19(3):61—63. 陈金刚,秦勇,傅雪海.高煤级煤储层渗透率在煤层气 排采中的动态变化数值模拟[J].中国矿业大学学报, 2006,35(1):49—53. 杨秀春,李明宅.煤层气排采动态参数及其相互关系 [J].煤田地质与勘探,2008,36(2):19—23. 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