顾桥井田是碎软、低透气性、中厚、煤层群开采的典型井田。为了实现顾桥煤矿的瓦斯超前预抽,解决顾桥煤矿的掘-抽-采矛盾,顾桥井田开展了地面垂直井组煤层气超前预抽试验。在地面煤层气井的排采过程中,观测到生产周期性波动现象,即井底流压、地层产气量和地层产水量呈周期性变化规律。这种生产周期性波动现象对煤层气井的精细化排采带来了很大的影响。因此,有必要对这种现象产生的原因进行深入分析,判断是偶然现象还是必然现象,是单一因素还是多种因素造成,并提出针对性的预防措施,为下一步该地区煤层气高效开发提供借鉴。
1 井田地质与煤储层特征
1.1 井田地质
顾桥井田总体构造形态为单斜构造,走向南北,向东倾斜,地层相对倾斜平缓,倾角5°～15°,发育不均匀的次级宽缓褶曲和断层。井田位于淮南煤田潘集背斜西部和陈桥背斜东翼的连接地带。
顾桥井田含煤地层为石炭—二叠系,包括石炭系上统太原组,二叠系下统山西组，下石盒子组和二叠系上统上石盒子组。本次煤层气抽采的目标层段为二叠系上石盒子组、下石盒子组和山西组。其中目标煤层5层:13-1煤、11-2煤、8煤、6-2煤、1煤。
1.2 煤储层特征
煤体结构、煤粉、孔隙-裂隙系统、煤层气含量、渗透率以及储层压力等是影响生产过程中产气、产水、压力变化的重要煤储层特征。接下来对其进行重点分析。
(1)煤体结构及煤粉情况。井田煤层受到构造运动破坏,煤体结构破坏较为严重,多为碎裂-碎粒-糜棱结构,其中13-1煤煤体结构主要为碎裂结构,呈饼状和块状,少量碎粒状和片状;11-2煤煤体结构上部多为原生结构,主要呈短柱状,少量块状、饼状,下部多为碎裂结构,呈小块状,碎粒状,少量短柱状;8煤煤体结构主要为碎裂结构,呈短柱状,少量饼状、块状;6-2煤煤体结构主要为碎裂-碎粒-糜棱结构,呈块状、碎粒状,少量粉末状、饼状;1煤煤体结构上部多为碎裂结构,呈饼状、片状,少量小块状,碎粒状,下部多位碎粒结构,呈小块状、碎粒状(图1)。
图1 煤样煤体结构照片
Fig.1 Coal specimens structure photos
碎裂及碎粒结构煤体多表现为松软或较疏松,手捻易成粒状、粉末状。因此,在压裂过程中,煤岩表面受到剪切与磨损等外力作用将易于产生大量的次生煤粉。
(2)孔隙-裂隙系统。煤层的孔隙类别主要以微孔(孔直径<20 nm)和过渡孔(20 nm<孔直径<200 nm)为主,孔喉较细并且连通性较差。各煤层裂隙发育情况有一定差别,煤层中局部内生裂隙发育,密度和方向的发育不均匀,其中13-1煤,肉眼局部可见主裂隙密度为0.8条/cm,裂隙密度级别为较密,光学显微镜下,主裂隙密度1.6条/cm,次裂隙密度0.4条/cm,裂隙密度级别为稀疏,显微裂隙不发育,连通性差;11-2煤肉眼局部可见主裂隙密度0.8条/cm,次裂隙密度0.6条/cm,裂隙密度级别为较密,光学显微镜下,主裂隙密度3.1条/cm,次裂隙密度2.7条/cm,裂隙密度级别为较密,显微裂隙较发育,连通性中等;8煤肉眼局部可见主裂隙密度1.2条/cm,次裂隙密度1条/cm,裂隙中充填白色矿物,裂隙密度级别为密;6-2煤肉眼局部可见裂隙密度2.3条/cm,裂隙密度级别为密;1煤肉眼局部可见裂隙密度0.6条/cm,裂隙密度级别为较密,光学显微镜下,主裂隙密度2.1条/cm,次裂隙密度2.1条/cm,裂隙密度级别为稀疏,裂隙不发育,连通性差。其中8煤和6-2煤样品因未能满足制样要求,未进行裂隙微观观测。
(3)煤层气含量。13-1煤、11-2煤、8煤、6-2煤和1煤空气干燥基平均气含量分别为4.11,3.69,4.37,5.26和6.35 m3/t,除了11-2煤气含量略低于13-1煤外,在纵向上,煤层埋深越深,气含量越高。
(4)渗透率。煤储层渗透率是进行煤层气渗流分析的主要参数,从近年来施工的煤层气井所获得的煤储层实测物理参数来看,13-1煤、11-2煤、8煤、6-2煤和1煤的试井渗透率分别为0.011×10-15～2.980×10-15,1.820×10-15,0.038×10-15～0.388×10-15,2.840×10-15和0.057×10-15～2.850×10-15 m2,变化区间较大,而根据本次试验井组参数井测试结果来看,井组所在位置渗透率相对最高。
(5)储层压力。储层压力对煤层气含量、气体赋存状态起着重要的作用,13-1煤、11-2煤、6-2煤和1煤储层压力分别为9.63,10.47,12.37和12.50 MPa,均属于高压储层,在纵向上,表现为随着煤层埋深增大而增加。
2 试验井组情况简介
本次煤层气地面试验井组由5口垂直井组成,井网采用正方形五花井布置,各井间距200 m,将13-1,11-2,8,6-2,1煤共5层煤作为本次试验研究的目标煤层,其中13-1,11-2为主采煤层,8煤只射孔、不压裂,1煤部分井揭露,采用分层压裂合层排采方式进行生产。
3 生产周期性波动特征
顾桥井田地面煤层气井在排采过程中,前期排水降压阶段的排采工作制度主要采取定井底压差排采的方式,在未产气前,各井产水比较正常,未出现短时间突然波动的现象,但当各井产气以后不久,则可明显观测到地层产水量、地层产气量和井底流压等生产参数波动频繁的现象。由于地层产水量无法直接测量,如不考虑井筒内液体体积受气体的影响,一般可由井筒液体体积变化量加上井口产水量近似计算,但对于这种地层产气量剧烈波动的井,这种影响不可忽视,由于无法获取准确地层产水量,因此,本文中没有出现相关地层产水量的定量数据。但考虑到井的排采工作制度短时间内不变化的情况下,井底流压和地层产水量呈正相关,则井底流压波动可一定程度上定性反应了地层产水量的波动。
以A井为例,该井产气后生产曲线如图2所示,由图2可以看出,在短时间内,井底流压和地层产气量出现了频繁的大幅度波动。为了深入分析这种波动规律,对A井进行了数据加密采集,每5 min采集一组数据,记录井底流压与地层产气量的变化(图3)。
图2 A井生产曲线
Fig.2 Production curves of A well
井的生产波动规律主要表现为以下两个特点:
(1)井底流压、地层产水量和地层产气量等生产参数呈周期性规律性波动。井底流压(地层产水量)表现为先稳定一段时间后迅速降低,然后再升高至稳定阶段水平,地层产气量表现为先稳定一段时间后迅速升高,然后再降低至稳定阶段水平。地层产气量的高峰与井底流压的低谷基本上一一对应,地层产气量稳定阶段也与井底流压的稳定相对应。波动峰值和低值短时间内没有太大变化,但随着排采时间的延长呈现出变化幅度增大的规律。
以A井为例,在2013年4月1日,4月13日,4月30日,5月24日,井底流压的波动峰值分别为2.15,1.75,1.39和1.09 MPa,井底流压的波动低值分别为2.06,1.61,1.20和0.87 MPa,井底流压的波动峰值和低值相差分别为0.09,0.14,0.19和0.22 MPa;地层产气量的波动峰值分别为5,6,7和8 m3/5 min,地层产气量的波动低值分别为0,1,1和1.5 m3/5 min,地层产气量的波动峰值和低值相差分别为5,5,6和6.5 m3/5 min。
图3 A井不同时间段生产特征
Fig.3 Production characteristics of different time periods of A well
(2)波动周期时间短,并随着排采时间的延长呈现出周期时间延长的规律。
以A井为例,在2013年4月1日,4月13日,4月30日,5月24日,波动周期分别为120,260,420和 475 min。
一个周期内的生产波动特征可划分为3个阶段(图4):① 地层产量(井底流压)平稳阶段:此阶段的特点是地层产气量和井底流压相对平稳;② 地层产量(井底流压)下降阶段:此阶段的特点是地层产气量和井底流压降低;③ 地层产量(井底流压)升高阶段:此阶段的特点是地层产气量上升,整体表现为先增大后逐步减小至平稳阶段水平,而井底流压表现为先逐步上升后保持稳定至平稳阶段水平。
图4 A井周期内生产阶段划分(2013-05-24)
Fig.4 Division of production stages of A well(2013-05-24)
4 生产周期性波动原因分析
对于煤层气井出现生产周期性变化的原因,可以从外界因素和煤储层因素两方面分析,其中外界因素主要考虑气管线集输影响和数据采集仪器故障两方面。
4.1 外界因素分析
4.1.1 气管线集输影响分析
A井产气后不久就对产气通过气管线进行集输,分析集输前后生产数据可以发现:集输前井底流压和地层产气量已经出现规律性变化,说明输气管线集输不是造成井底流压和地层产气量出现规律性变化的原因。
4.1.2 数据采集仪器故障分析
气体流量计故障排查:对A井气体流量计更换不同厂家的不同类型的产品,更换前后气量规律一致,因此可排除流量计故障的因素。
井下压力计故障排查:对A井井下压力计更换不同厂家的产品,更换前后压力规律基本一致,因此可排除井下压力计故障的因素。
4.2 煤储层因素分析
通过对生产数据和生产现象的深入分析,初步认为是煤储层发生周期性的堵塞和堵塞解除造成生产周期性波动变化,下面予以具体分析说明。
为了便于分析,这里将地层某一位置发生堵塞和解堵塞前后煤层压力的变化情况简单的用图5来展示,需要说明的是地层的实际情况远比图5要复杂,更多的情况会是不同位置同时发生堵塞或解堵塞现象。
图5 堵塞和解堵塞前后煤层压力变化
Fig.5 Comparison diagram of coal seam pressure on formation plugging and removing plugging
堵塞前:煤层渗流通道相对通畅,此时地层产量(气量、水量)相对平稳,这个阶段排采工作制度并没有变化,煤层地层产量(气量、水量)与地面产出量处于相对平衡阶段,因此,井底流压处于相对平稳阶段。
堵塞后:当煤层部分孔喉或裂隙逐渐被堵塞,而堵塞位置后方(远离井筒方向)在远处地层流体的不断补给下压力不断恢复升高,会出现图中A段情形,同时地层水中溶解的煤层气浓度不断增加;堵塞位置前方(靠近井筒方向)因缺少远处地层流体补给,导致生产压差变小,此时表现为煤层地层产量(气量、水量)降低,因排采工作制度并未变化,地面产出水量保持原来水量,平衡被打破,井筒液面下降,因此,井底流压逐渐减小,则会出现图中B段情形。
堵塞解除后:随着堵塞位置后方压力不断恢复上升和前方压力的不断下降,当前后压差足以可以克服堵塞阻力,堵塞被冲开,此时,A段煤层压力逐渐降低,B段煤层压力逐渐上升,最后出现图5中堵塞后煤层压力状态,生产上表现为地层产气量迅速上升,整体表现为先增大后减小至平稳阶段地层产量,气量减小的原因主要由于生产压差的不断降低及地层水中溶解煤层气的浓度不断减小,地层产水量和井底流压则表现为先逐步上升后保持到平稳阶段。
煤层中存在液态(水)、固态(煤粉)和气态(煤层气)3种物质,即可能存在液阻效应、固阻效应和气阻效应,那么煤层堵塞到底是那种效应所引起的？是单一原因还是多种原因？接下来进行深入分析。
固阻效应,是指固相微粒运移沉降聚集,阻塞先期形成的流体的运移通道或是固相微粒运移至窄口时,堵塞喉道的效应。
气(液)阻效应,是指当气泡(液滴)流动到毛细孔道窄口处时遇阻,如欲通过窄口则需克服气泡变形后,由于孔道和喉道的半径差使得气泡(液滴)两端的弧面毛管力表现出的阻力,若要通过半径较小的喉道必须拉长并改变形状,这种变形将消耗一部分能量,从而减缓气泡(液滴)运动,增加额外的阻力,这种现象称为气(液)阻效应[1],其阻力实质是一种毛管力效应。其毛细管阻力可用Young-Laplace公式表达(式(1)),大小与孔喉结构、润湿角及表面张力有关。
(1)
式中,Δp为毛细管阻力,Pa;r1,r2为多孔介质中的喉道和孔道半径,m;σ为表面张力,N/m;θ为润湿角,(°)。
煤层气井前期排水降压阶段,地层主要为煤层水单相流,这个阶段可能发生的堵塞现象主要为煤粉等固体堵塞,但从各井的排采参数比较平稳,未出现生产周期性变化的情况来看,可排除固阻效应是主要原因的可能性。
生产周期性变化出现在产气以后不久,此时,呈分散状态的非湿相煤层气气泡与湿相煤层水在毛细孔道中流动,那么可基本排除液阻效应。
煤层解析产气后会有大小不等的煤层气气泡存在,而气水界面间的毛管压力将会引起各种阻力效应,研究区煤层的孔隙类别主要以微孔和过渡孔为主,孔喉较细并且连通性较差,这一结构特点导致煤层气气泡极易遇阻(图6),导致气阻效应明显,可见气阻效应是引起生产周期性波动的主要原因。
研究区煤层本身存在大量原生煤粉,在加上压裂过程中,煤岩表面在剪切与磨损作用下产生了一定量更加细小的次生煤粉,根据颗粒运移理论,颗粒运移受润湿性和流体速度的综合影响。由于煤是水湿,当水流动时,颗粒受黏滞力的影响,部分煤粉可能会发生运移[2-4],但在合理的流速下,不容易发生沉降、堵塞现象。这从前期排水降压阶段各井的排采参数比较平稳,未出现生产周期性变化的情况可以说明。当煤层产气后,由于气阻效应的发生,出现水流流速变慢情况,此时煤粉易于发生沉淀,导致煤层裂隙(支撑剂孔隙)空隙减小的现象[5](图7),从而引起固阻效应的产生[6-7]。此外,由于堵塞解除瞬间,流体瞬时流速很大,导致煤粉又极易发生运移。 这一观点从产出水中会突然阶段性地带有大量煤粉以及修井作业过程中口袋存在一定量煤粉可以得到佐证。因此,固阻效应应是引起生产周期性波动的另一原因。
图6 气泡在通道窄口遇阻变形示意[1]
Fig.6 Bubbles in the difficult channel narrow mouth deformation diagram[1]
图7 煤粉受气阻效应影响沉降聚集示意
Fig.7 Schematic diagram of coal fines settlement and aggregation under the influence of air resistance effect
由图2中可以看出随着排采时间的延长,生产波动周期延长,且生产过程中波动的变化幅度增大的规律,分析原因可能由于排采进行,煤粉的不断排出,或进入大孔道,孔隙喉道不断恢复或变大,导致煤粉堆积(气泡)形成堵塞解堵的时间也相应变长,这种情况的出现,如果煤粉能随着排采时间的加长排出地层,那将不会对排采造成大的影响,甚至有利于煤层渗流通道的增大,但如果不能及时排出地层,或是有更多的煤粉发生运移,而煤层压力是在逐渐降低的情况下,可能存在堵塞后无法解堵的风险[8]。
综上可见,在排采过程中,气阻效应是导致生产周期性波动的主要原因,气阻效应的出现又引起了固阻效应的出现,在两者的综合作用下,导致煤层中流体(水、气)流动不畅,出现生产周期性波动特征。在一定的时间和空间范围内,煤层内孔隙喉道可以看作一个定值,所需的克服喉道阻力的压力也可近似为一个常量;随着时间的推移,排采降落漏斗逐渐扩大,影响范围内煤层孔隙喉道的平均值会发生改变,从而造成周期性变化周期的改变。
5 数值模拟方法验证
为进一步验证分析的正确性,采取数值模拟方法进行验证,即假设原因正确,通过模拟煤层周期性的堵塞和解堵,分析模拟的产气规律是否和实际产气规律具有一致性。
数值模拟采用CBM-SIM软件,选择双孔隙/单渗透率模型,对研究区进行了单井生产的数值模拟,采用的是笛卡尔坐标,步长为30 m,纵向上以煤层做为计算单元,划分5个模拟层,模拟网格系统定义为20×20×5,建立的地质模型如图8所示。
图8 地质模型
Fig.8 Geological model
模拟方法:采用实际井底流压进行定压生产,通过表皮系数的改变来模拟周期性的堵塞和解堵的过程,分析模拟的产气规律是否和实际产气规律具有一致性。考虑实际模拟计算量,在不影响模拟结果对产气规律揭示的前提下,只对其中2013-05-24期间1 500 min内的井底流压按照5 min小间隔进行设置生产。
模拟结果如图9所示,由图9可以看出,模拟煤层周期性的堵塞和解堵后的产气规律与实际产气规律趋势基本一致,因此,从数值模拟的角度证明了分析的正确性。
图9 模拟地层堵塞后产气与实际产气对比
Fig.9 Comparison diagram of simulative gas production rate on formation plugging and the actual gas production rate
6 减小生产周期性波动的预防措施
气阻效应和固阻效应是造成生产周期性波动现象的主要原因,那么对于生产周期性波动的预防,即是要找到减轻气(固)阻效应措施。
减轻气阻效应的核心是减小毛细管阻力,而减小毛细管阻力可考虑以下思路:采取压裂等改造措施形成相对较大的孔喉直径,并减少煤粉等运移造成的孔喉直径受损;增大润湿角,使润湿性接近中性;降低表面张力。
减轻固阻效应一般有2种技术思路:一种是限制煤粉的运移;另一种是适度排出煤粉。考虑到研究区煤层煤体结构多为碎裂-碎粒-糜棱结构,煤层本身就存在大量原生煤粉的特点,可将2种技术思路相结合,即对煤层自身采用限制煤粉的运移,对压裂后支撑剂孔隙采取适度排出煤粉的思路。
针对以上技术思路,建议可以围绕以下方面开展工作:
(1)开发方式上控制煤粉产生,形成相对较大的孔喉直径,建议采取以下措施。
对于直井(定向井)开发的方式,可采用煤层顶板岩层代替煤层直接压裂,对于水平井开发的方式,可采用煤层顶板分段压裂水平井[9-10],以上方法可有效减少压裂过程中次生煤粉的产生,同时在重力作用下,煤粉进入支撑剂孔隙堵塞的机率将大大降低,保证大直径孔喉畅通,从而有利于建立一条煤层气运移产出的高速通道。
(2)生产过程中降低煤层煤粉向支撑剂孔隙的运移,建议采取以下措施。① 钻井液和压裂液中避免使用阴离子表面活性剂。因为阴离子的表面吸附,使煤粉的净负电荷增加,同时增加了煤粉的亲水程度和煤粉之间的排斥力,会提高煤粉分散性,以致在返排过程中产生煤粉运移损害[4]。② 压裂过程中加入煤粉稳定剂,例如变Zeta电位体系、表面增黏剂和纳米颗粒等,其作用不仅能够提高煤粉与裂缝面间的黏附力,还可增强煤岩疏水性能[11]。根据摩擦学原理,固体表面疏水性增强可增加流体流动的边界滑移长度,降低流体对固体表面的剪切应力,而削弱流体对颗粒表面的拖拽力和举升力[12]。③ 压裂过程中加入可降低表面张力和增大润湿角的表面活性剂,以有效减小毛细管阻力,降低气阻效应影响。④ 采用适合碎软低渗煤层群开发的分层控压联合排采技术[13],实现不同产层储层压力的稳定、均衡控制,减少层间干扰对排采速度的影响。
(3)保证支撑剂孔隙中渗流通道的相对畅通。① 对于压裂井,在支撑剂孔隙中不可避免会存在一定量的煤粉,因此,通过精细排采控制,在产气前通过限制易造成支撑剂孔隙堵塞的粗煤粉运移,让能通过孔喉的细微煤粉排出,最大限度地恢复煤层孔隙喉道[14-16],从而有效减小气(固)阻效应。② 排采过程中,尽量避免不必要的停抽,减少煤粉在支撑裂缝的沉积[17]。
7 结 语
顾桥井田煤层孔喉较细并且连通性较差的储层特点,易引起气阻效应的产生,而现有的本煤层直接压裂工艺,将会产生大量次生细微煤粉,气阻效应的出现导致煤粉沉降聚集形成固阻效应,最终在气阻效应与固阻效应的综合作用下造成生产周期性波动特征的出现。对周期内生产特征可划分为地层产量(井底流压)平稳阶段、地层产量(井底流压)下降阶段和地层产量(井底流压)升高阶段3个阶段。建议在后续的煤层气开发中,采用煤层顶板岩层代替煤层直接压裂,建立一条煤层气运移产出的高速通道,同时通过表面活性剂的优选以及分层控压联合排采技术,减少煤储层中煤粉运移进入支撑裂缝,通过精细排采控制,实现支撑裂缝中已有煤粉的适度产出,最终达到减小气阻效应和固阻效应的目的。
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